CN1318822C - 码盘 - Google Patents

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本发明属于光电磁传感技术领域，具体地说是一种可测量转动轴的转动角度的测量装置。可以用于测量电机的转动轴的转动角度和转动角速度，也可以用于数控装备的指令发生器。它包括圆形盘体(1)和传感器，圆形盘体(1)上沿轴向加工有轴孔(1-1)，轴孔(1-1)的中心线与圆形盘体(1)的圆心距离为(d)，传感器设置在圆形盘体(1)外圆表面的外侧处。本发明的码盘在使用时，圆形盘体(1)通过与其偏心的轴孔(1-1)安装于被测转轴上，设置在圆形盘体(1)外圆表面外侧的传感器输出其与圆形盘体(1)的外圆表面的距离成比例的信号，利用这些信号的周期性变化从而自动计算出转轴的转动角度。由于该码盘易于加工、计算简单，精度高、抗扰性好，抗振动性好，性价比高，适用于多种场所使用。

Description

码盘
技术领域：本发明属于光电磁传感技术领域，具体地说是一种可测量转动轴的转动角度的测量装置。可以用于测量电机的转动轴的转动角度和转动角速度，也可以用于数控装备的指令发生器。
背景技术：目前，国内外测量轴转动位移的光电角度传感器(一般称为码盘或称为编码器)，其传感方式概括起来一般分为磁性式和光电式，尤其以采用光电式为主。光电式码盘的结构特征为，玻4璃圆盘上以其轴心为圆心在圆盘上加工有多个透光孔，这些透光孔与轴心的距离被设计为同一个距离，透光孔以外的部分为非透光，这些透光孔与非透光区在玻璃圆盘上形成一层传感区，透光孔的个数就是该传感区的分辨率，如果测量精度为12位，该传感区的透光孔的个数就是211个。圆盘的一侧设有发光二极管，圆盘的另一侧设有光电接收装置，通过开关量多少的计数来累计计算码盘的旋转位置，从而计算出转轴的相对转动角度(一般称为相对值码盘或编码器)，所有的圆形码盘都采用与被测转轴同轴心安装。根据测量用途的需要，为了实现测量转轴的绝对角度(一般称为绝对值码盘或编码器)，一般在玻璃圆盘上沿径向方向加工出多层传感区，如果需要测量精度为12位的绝对角度，需要在圆形玻璃片沿径向方向加工出12层传感区，每层传感区的透光孔的个数分别为20-211个。在如此小的面积上加工如此多的透光孔，就需要有极高的精度，使工艺程度复杂化、加工成本极高，玻璃片为透光式结构导致其抗干扰性较差，另外，玻璃片在围绕转轴旋转时，因轴的抖动使玻璃片的震动幅度加大，导致玻璃片易破碎，从而在航天等对振动要求严格的领域，它的应用受到了一定的限制。
发明内容：为了克服现有的码盘抗干扰性差、加工成本高，适用范围受限制的技术不足，本发明提供一种码盘，该码盘易于加工、精度高、抗扰性好。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种码盘，它包括圆形盘体1和传感器，圆形盘体1上沿轴向加工有轴孔1-1，轴孔1-1的中心线与圆形盘体1的圆心距离d大于0并且小于圆形盘体1的半径，传感器设置在圆形盘体1外圆表面的外侧处；所述传感器由第一至第四传感器(2-1至2-4)组成，四个传感器(2-1至2-4)分别设置在圆形盘体1的圆周外侧以轴孔(1-1)的中心为圆心的圆周上的四个象限位置，相邻的任何两个传感器之间的夹角为90°；所述码盘还包括信号处理电路，该信号处理电路由第一减法器(8)、第二减法器(9)和反三角函数器(10)组成，第一传感器(2-1)和第三传感器(2-3)的输出端分别连接在第一减法器(8)的两个输入端上，第二传感器(2-2)和第四传感器(2-4)的输出端分别连接在第二减法器(9)的两个输入端上，第一减法器(8)和第二减法器(9)的输出端分别连接在反三角函数器(10)的两个输入端上。本发明的码盘在使用时，圆形盘体1通过与其偏心的轴孔1-1安装于被测转轴上，设置在圆形盘体1外圆表面外侧的传感器输出其与圆形盘体1的外圆表面的距离成比例的信号，利用这些信号的周期性变化从而自动计算出转轴的转动角度。由于该码盘易于加工、计算简单，精度高、抗扰性好，抗振动性好，性价比高，适用于多种场所使用。
附图说明：图1是本发明的机械结构示意图，图2是本发明的圆形盘体1的机械结构示意图，图3是本发明的实施方式三电路结构图，图4是本发明的第一传感器2-1的输出信号a1的转角位置响应图，图5是本发明的第二传感器2-2的输出信号b1的转角位置响应图，图6是本发明的第三传感器2-3的输出信号a2的转角位置响应图，图7是本发明的第四传感器2-4的输出信号b2的转角位置响应图，图8是本发明的信号a的转角位置响应图，图9是本发明的信号b的转角位置响应图，图10是本发明实施方式四中的反三角函数器的构成图。
具体实施方式一：下面结合图1和图2具体说明本实施方式。本实施方式由圆形盘体1和传感器组成，圆形盘体1上沿轴向加工有轴孔1-1，轴孔1-1的中心线与圆形盘体1的圆心距离d大于0并且小于圆形盘体1的半径，传感器设置在圆形盘体1外圆表面的外侧处。
具体实施方式二：下面结合图1和图2具体说明本实施方式。传感器由四个传感器(2-1至2-4)组成，四个传感器(2-1至2-4)分别设置在圆形盘体1的圆周外侧以轴孔1-1的中心为圆心的圆周上的四个象限位置，相邻的任何两个传感器之间的夹角为90°，第一传感器2-1、第二传感器2-2、第三传感器2-3、第四传感器2-4分别输出信号a1、信号b1、信号a2、信号b2。信号a1，信号b1，信号a2，信号b2的大小(或强弱，或高低)与该传感器与圆形盘体1的距离成正比(或反比)。第一传感器2-1、第二传感器2-2、第三传感器2-3、第四传感器2-4可以采用激光测距传感器来实现，也可以用霍尔测距元件(在霍尔元件后面加一个永磁体)来实现。由于这些元器件的技术已经是通用技术，在这里不再进行详细描述。当采用激光测距传感器来实现时，圆形盘体1可以用金属或非金属材料来实现。当采用霍尔测距元件来实现时，圆形盘体1可以用导磁的铁质材料来实现。无论采用何种传感元件，圆形盘体1都可以做得比玻璃材料做的圆盘坚固得多。可以提供很好的抗扰性，抗振动性。圆形盘体1中的轴孔1-1是偏心的，而且对偏心量没有严格要求，圆形盘体1的加工非常容易实现。传感器(2-1至2-4)固定在环形支架4上，环形支架4环绕在圆形盘体1的盘体周围，该环形支架4既可以是圆环形结构，也可以是方框或其它封闭框形。由于传感器是两两相对配置，便于通过差分处理的方式把传感器的安装位置误差通过信号相减在最终结果中去掉。
具体实施方式三：下面结合图3至图10具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式二的不同点是，它还包括信号处理电路，该信号处理电路由第一减法器8、第二减法器9和反三角函数器10组成，第一传感器2-1和第三传感器2-3的输出端分别连接在第一减法器8的两个输入端上，第二传感器2-2和第四传感器2-4的输出端分别连接在减法器9的两个输入端上，第一减法器8和第二减法器9的输出端分别连接在反三角函数器10的两个输入端上。在图4中，表示了信号a1与圆形盘体1的转角c的关系。横轴为转角c，纵轴为信号a1的示意量。在图5中，表示了信号b1与圆形盘体1的转角c的关系。横轴为转角c，纵轴为信号b1的示意量。在图6中，表示了信号a2与圆形盘体1的转角c的关系。横轴为转角c，纵轴为信号a2的示意量。在图7中，表示了信号b2与圆形盘体1的转角c的关系。横轴为转角c，纵轴为信号b2的示意量。从图4、图5、图6和图7中可见，信号a1、信号b1、信号a2和信号b2属于不规则的图形。信号a1，信号a2输入到第一减法器8，第一减法器8将信号a1，信号a2按以下运算后，输出信号a。
a＝a1-a2    ……(1)
信号b1，信号b2输入到第二减法器9，第二减法器9将信号b1，信号b2按以下运算后，输出信号b。
b＝b1-b2  ……(2)
在图8中，表示了信号a与圆形盘体1的转角c的关系。横轴为转角c，纵轴为信号a的示意量。在图9中，表示了信号b与圆形盘体1的转角c的关系。横轴为转角c，纵轴为信号b的示意量。从图8，9中可以看出，随着转角c的变化，信号a，信号b为规则正弦或余弦函数。信号a、信号b，输入到反三角函数器10，反三角函数器10将信号a、信号b按以下运算后，输出信号e。
如果(-a≥0，且b＞0)，则e＝arctan(-a/b)  ……(3)；
如果(-a＝0，且b＝0)，则e＝0  ……(4)；
如果(-a＞＝0，且b＞0)，则e＝180-arctan(-a/b)  ……(5)；
如果(a＞＝0，且b＞0)，则e＝360-arctan(-a/b)  ……(6)；
如果(a＞＝0，且b≤0)，则e＝180+arctan(-a/b)  ……(7)。
反三角函数器10可以按图10的结构来构成。由于AD变换器10-1，AD变换器10-2为通用电子器件，这里就不加详细描述。反三角函数计算部10-3实现以下的的计算功能。可以用单片机等通用电路芯片来实现，这里对它的电路结构就不加详细描述。
如果(-g≥0，且f＞0)，则z＝arctan(-g/f)  ……(8)；
如果(-g＝0，且f＝0)，则z＝0  ……(9)；
如果(-g＞0，且f＜0)，则z＝180-arctan(-g/f)  ……(10)；
如果(-g＞0，且f≥0)，则z＝360-arctan(-g/f)  ……(11)；
如果(-g＞0，且f≤0)，则z＝180+arctan(-g/f)  ……(12)。
输出部10-4将数字信号z变换为脉冲输出信号e。对于12位精度的数字信号z，脉冲输出信号e为12路脉冲信号，每路脉冲的高低代表了z的2进制码的其中1位。输出部10-4可以用1个缓冲器就可以实现。由于该功能的电路设计已经是通用技术，这里对它就再详细描述。由于以上的信号处理的计算都非常简单，用简单元件就可以实现高精度的处理，加工方便。从而能够用低成本来实现高精度的角度测量。

Claims (4)

1、一种码盘，其特征是它包括圆形盘体(1)和传感器，圆形盘体(1)上沿轴向加工有轴孔(1-1)，轴孔(1-1)的中心线与圆形盘体(1)的圆心距离(d)大于0并且小于圆形盘体(1)的半径，传感器设置在圆形盘体(1)外圆表面的外侧处；所述传感器由第一至第四传感器(2-1至2-4)组成，四个传感器(2-1至2-4)分别设置在圆形盘体1的圆周外侧以轴孔(1-1)的中心为圆心的圆周上的四个象限位置，相邻的任何两个传感器之间的夹角为90°；所述码盘还包括信号处理电路，该信号处理电路由第一减法器(8)、第二减法器(9)和反三角函数器(10)组成，第一传感器(2-1)和第三传感器(2-3)的输出端分别连接在第一减法器(8)的两个输入端上，第二传感器(2-2)和第四传感器(2-4)的输出端分别连接在第二减法器(9)的两个输入端上，第一减法器(8)和第二减法器(9)的输出端分别连接在反三角函数器(10)的两个输入端上。
2、根据权利要求1所述的码盘，其特征是传感器(2-1至2-4)固定在环形支架(4)上，环形支架(4)环绕在圆形盘体(1)的盘体周围，该环形支架(4)是圆环形结构。
3、根据权利要求2所述的码盘，其特征是环形支架(4)是封闭框形。
4、根据权利要求3所述的码盘，其特征是环形支架(4)是方框形。
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