CN1448774A

CN1448774A - 光电角编码器

Info

Publication number: CN1448774A
Application number: CN 03108032
Authority: CN
Inventors: 方强; 王栽阳; 毛智礼; 蒋克俭
Original assignee: XI'AN DAXIN SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: XI'AN DAXIN SCIENCE AND TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2003-10-15

Abstract

本发明涉及一种光电角位置编码器，它由光学角位置编码器和光电解码器组成，其中：光学角位置编码器包括光学编码盘及将光学编码盘与待测旋转运动系统上的运动部件连接的装置，光学编码盘上设置有按一定规律排列的图案；光电解码器包括发光器件、发光器件驱动电路、带有狭缝光栏的柱面透镜、光电探测器件、探测电路及将光电解码器中上述部件与待测旋转运动系统上的固定部件连接的装置。该光电角编码器成本低，适合于低编码精度、高转速的机电控制领域。

Description

光电角编码器

技术领域

本发明属于光电传感领域，特别是一种光电角编码器。主要应用于机电系统中转动部件的相对角位移传感。

背景技术

在许多机械加工和机械控制系统中，旋转运动部件的相对角位移是需要测量的一个关键参数，目前广泛采用光栅技术进行角位置编码，采用莫尔条纹技术进行角位置解码，从而得到角位移量。这种方法测量精度高，成本也高。本发明提出一种低成本的光电角编码器，适合于角编码精度低、转速高的应用，可广泛应用于缝纫机械、电机控制等领域。

发明内容

本发明的技术方案是：本装置由光学角位置编码器和光电解码器组成，其中：光学角位置编码器包括光学编码盘及将光学编码盘与待测旋转运动系统上的运动部件连接的装置，光学编码盘上设置有按一定规律排列的图案；光电解码器包括发光器件、发光器件驱动电路、带有狭缝光栏的柱面透镜、光电探测器件、探测电路及将光电解码器中上述部件与待测旋转运动系统上的固定部件连接的装置。

本发明的其它一些技术特征是：

光学编码盘为反射式编码盘，光学编码盘上的编码图案为反射率差图案，是以下方案之一：(1)一组沿圆周方向分布的等周期辐射状反射率高低相间的条纹，辐射状条纹的延长线汇聚到同一圆心；(2)沿径向分布的M组在空间分离的条纹，M大于等于2，每组条纹为沿圆周方向分布的等周期辐射状反射率高低相间的条纹，辐射状条纹的延长线汇聚到同一圆心，每两组条纹沿圆周方向有一定的相位差，每组条纹的条纹数也可以不同。

光学编码盘为透射式编码盘，光学编码盘上的编码图案为以下方案之一：(1)一组沿圆周方向分布的等周期辐射状透明和不透明区域相间的条纹，辐射状条纹的延长线汇聚到同一圆心；(2)沿径向分布的M组在空间分离的条纹，M大于等于2，每组条纹为沿圆周方向分布的等周期辐射状透明和不透明区域相间的条纹，辐射状条纹的延长线汇聚到同一圆心，每两组条纹之间沿圆周方向有一定的相位差，每组条纹的条纹数也可以不同；(3)沿径向分布的M组在空间分离的条纹，M大于等于2，每组条纹为沿圆周方向分布的辐射状透明和不透明区域相间的条纹，辐射状条纹的延长线汇聚到同一圆心，M组条纹与某一过圆心的特定径向直线相交的条纹状态组成一组绝对位置编码，这组码可以是Gray码、Vernier码或Maximum Length Sequence码；(4)沿径向分布的M组在空间分离的条纹，该条纹系统分成两部分，一部分的编码方式为上述(1)、(2)编码图案中的一种，另一部分的编码方式与上述(3)编码图案相同。

发光器件、带有狭缝光栏的柱面透镜、光学编码盘及光电探测器件的结构关系适合于反射式光学编码盘，为下面方案中的一种：(1)柱面透镜的对称轴线与光学编码盘的辐射条纹平行，发光器件中只有一个发光单元，光电探测器件中只有一个光电探测单元，发光器件与光电探测器位于柱面透镜的同一侧，沿与柱面透镜的对称轴线平行的方向分布，发光器件的发光面及光电探测器的光敏面与光学编码盘处于柱面透镜的物像共轭面上；(2)柱面透镜的对称轴线与光学编码盘的辐射条纹平行，发光器件中有N个发光单元，N大于等于1，光电探测器件中有N+1个光电探测单元，发光器件中的发光单元与光电探测器中的探测单元间插设置，位于柱面透镜的同一侧，沿与柱面透镜的对称轴线平行的方向分布，发光器件的发光面及光电探测器的光敏面与光学编码盘处于柱面透镜的物像共轭面上。

发光器件、带有狭缝光栏的柱面透镜、光学编码盘及光电探测器件的结构关系适合于透射式光学编码盘，柱面透镜的对称轴线与光学编码盘的辐射条纹平行，光电探测器件中有至少一个光电探测单元，发光器件的发光面与光学编码盘的有图案的前表面处于柱面透镜的物像共轭面上；光电探测器件中的探测单元沿与柱面透镜的对称轴线平行的方向分布，位于光学编码盘的背面，光电探测器件前有时沿与柱面透镜的对称轴线平行的方向设置一狭缝。

带有狭缝光栏的柱面透镜的垂直于柱面对称轴的截面的形状可以是圆，也可以是两个圆周线与直线形成的；柱面透镜可以是玻璃的，也可以是塑料的；狭缝光栏中狭缝的走向平行于柱面透镜的对称轴。

光电解码器可以多个同时使用在同一个光学编码盘上，还可以与其它形式的光电解码器联合使用；其它形式的光电解码器可以是无柱面透镜的，也可以是采用球面透镜的。

发光器件通常是发光二极管；光电探测器为光电二极管或光电三极管；可以工作在近红外波段，也可以工作在可见光波段。

光学编码盘可以是塑料材料的，也可以是金属材料的，还可以是玻璃材料的。

本发明提出技术方案的优点是低成本低，适合于角编码精度低，转速高的应用。

附图说明图1是本发明提出的技术方案的第一种实现方案图2是反射式光学编码盘的一种编码结构图3是发光器件和光电探测器件的一种位置分布图4是反射式光学编码盘的第二种编码结构图5是发光器件和光电探测器件的另一种位置分布图6是反射式光学编码盘的第三种编码结构图7是本发明提出的技术方案的第二种实现方案图8是透射式光学编码盘的一种编码结构图9是光电探测器中探测单元的一种位置分布图10是适合于N个信道组成的光学编码盘的光电探测器中探测单元的位置分布图11是本发明的第一个实施例中所用反射式光学码盘的结构图图12是本发明的第二个实施例中所用透射式光学码盘的结构图

图中，1是光学角位置编码器，2是光电解码器，100是待测旋转运动装置上的旋转件，200是待测旋转运动装置上的固定件；10是光学编码盘，11是将光学编码盘与待测旋转运动件固定连接在一起的装置；20是带有狭缝光栏的圆柱透镜，21、21(1)、21(2)、…、21(N)是发光器件，22、22(1)、22(2)、…、22(N)是光电探测器件，23是发光器件驱动电路，24是探测电路；25、25(1)、25(2)为将光电解码器中其它部件固定在待测旋转运动装置上的固定件上的装置。

具体实施方式

图1为本发明提出的技术方案的第一实施方案，是反射式光电角编码器，由固定在待测旋转运动装置的旋转运动件100上的反射式光学编码器1和固定在待测旋转运动装置的固定件200上的光电解码器2组成。其中，反射式光学编码器1包括光学编码盘10和将光学编码盘10与旋转运动件100固定连接的装置11；光电解码器2包括带有狭缝光栏的圆柱透镜20、发光器件21、光电探测器件22、光源驱动电路23、探测电路24及将上述部件与待测旋转运动装置的固定件200固定连接的装置25。

图2为反射式光学编码盘10上的一种编码结构示意图。

图3为发光器件21与光电探测器件22的分布关系图，图中的点划线平行于圆柱透镜的中心对称轴。该结构用于图2所示光学编码盘的解码。

图4为反射式光学编码盘10上的第二种编码结构示意图。它是一个带零位信号的编码结构。

图5为发光器件21(1)、22(2)、…、21(N)与光电探测器件中的探测单元22(1)、22(2)、…、22(N+1)组合使用时的分布关系图，图中的点划线平行于圆柱透镜的中心对称轴。该结构用于具有多个编码通道的光学编码盘的解码，可输出多路信号。

图6为反射式光学编码盘10上的第三种编码结构示意图。可采用图5所示结构解码，同时给出两个有一定相位差的解码信号。

图7为本发明提出的技术方案的第二实施方案，是透射式光电角编码器，由固定在待测旋转运动装置的旋转运动件100上的透射式光学编码器1和固定在待测旋转运动装置的固定件200上的光电解码器2组成。其中，透射式光学编码器1包括光学编码盘10和将光学编码盘10与旋转运动件100固定连接的装置11；光电解码器2包括带有狭缝光栏的圆柱透镜20、发光器件21、光电探测器件22、光源驱动电路23、探测电路24及将上述部件与待测旋转运动装置的固定件200固定连接的装置25(1)、25(2)。

图8为透射式光学编码盘10上的一种编码结构示意图。

图9为适合于图8所示光学编码盘的光电探测器件的两个探测单元22(1)、22(2)的分布关系图，图中的点划线平行于圆柱透镜的中心对称轴。它可以同时给出两个有一定相位差的解码信号。

图10为光电探测器件中N个探测单元22(1)、22(2)、…、22(N)的分布关系图，图中的点划线平行于圆柱透镜的中心对称轴。它用于具有N个编码信道的光学编码盘的解码。

下面结合两个具体的实施例说明本发明所提出的光电角编码器的工作原理。

按照图1所示的技术方案，我们设计了一个用于缝纫机的反射式光电角编码器。其中，反射式光学编码盘的编码结构如图11所示，该码盘有三个编码区域，形成三个编码通道，最外面的编码通道为每周96线的黑白相间的条纹，用于测速，里面的两个编码通道设置了两个零位信号，分别为上、下针位信号，这三个编码信道分别位于半径为26毫米、28毫米及32毫米的圆周上。为了对这三个编码信道进行解码，我们采用了两个独立的光电解码器，其中，第一个解码器采用图5所示结构(发光器件一个，探测器件两个)对外面的两个信道进行解码，发光器件21为工作在900纳米的红外发光二极管，22(1)、22(2)为光电二极管，圆柱透镜为玻璃透镜，截面为直径为3.5毫米的圆，长度为8毫米，光栏宽度3.5毫米；第二个解码器采用图3所示结构对最里面的一个信道进行解码，发光器件21为工作在900纳米的红外发光二极管，探测器件为一个光电二极管。第一、二光电解码器中的发光二极管与光电二极管沿平行与圆柱透镜20中心对称轴的方向排列，圆柱透镜20的中心对称轴沿平行于光学编码盘上辐射条纹的方向设置，发光二极管与光电二极管所在平面与光学编码盘平面处于物像共轭位置，且横向放大率为1。该光电角编码器是这样工作的：第一个光电解码器上的发光二极管21发出的光由圆柱透镜20在光学编码盘10的表面上形成一直光条纹，该条纹横跨在外面的两个编码通道上，光条纹方向与辐射状编码条纹的方向平行，当光学编码盘10转动时，第一个光电解码器上的光电二极管22(1)接收最外编码通道反射的光，并输出编码信号，第一个光电解码器上的光电二极管22(2)接收第二个编码通道反射的光，并输出第二个编码通道上的编码信号。第二个光电解码器上的发光二极管21发出的光由圆柱透镜20在光学编码盘10的表面上形成一直光条纹，照射到光学编码盘10的最内一个编码通道上，当光学编码盘10转动时，第二个光电解码器上的光电二极管22接收该编码通道反射的光，将该通道上的编码信号输出。

本发明的第二个实施例是一个按照图7所示方案实现的透射式光电角编码器，用于电机控制。其中，透射式光学编码盘的编码结构如图12所示，该码盘有三个编码区域，形成三个编码通道，最外面的编码通道为每周360线的透明和不透明相间的条纹，中间编码通道也为每周360线的透明和不透明相间的条纹，但与最外面的编码通道相位相差90度，最里面的编码通道设置了零位信号，这三个编码信道分别位于半径为26毫米、28毫米及30毫米的圆周上。光电解码器中的发光器件21为工作在900纳米的红外发光二极管，光电探测器采用图10所示结构由3个光电二极管22(1)、22(2)、22(3)组成，圆柱透镜为玻璃透镜，截面为直径为3.5毫米的圆，长度为8毫米，光栏宽度为3.0毫米；光电解码器中的圆柱透镜20的中心对称轴沿平行于光学编码盘上辐射条纹的方向设置，发光二极管21与所在平面与光学编码盘平面处于物像共轭位置，且横向放大率为1。光电解码器中的光电二极管22(1)、22(2)、22(3)沿平行于光学编码盘上辐射条纹的方向设置，它们距光学编码盘的距离由码盘和圆柱透镜的参数确定。该光电角编码器是这样工作的：光电解码器上的发光二极管21发出的光由圆柱透镜20在光学编码盘10的表面上形成一直光条纹，该条纹横跨在三个编码通道上，光条纹方向与辐射状编码条纹的方向平行，当光学编码盘10转动时，光电解码器上的光电二极管22(1)接收最外编码通道透射的光，并输出编码信号，光电解码器上的光电二极管22(2)接收中间编码通道透射的光，并输出中间编码通道上的编码信号，光电解码器上的光电二极管22(3)接收最里面编码通道透射的光，将该通道上的编码信号输出。

Claims

1.一种光电角编码器，其特征是：本装置由光学角位置编码器【1】和光电解码器【2】组成，其中：光学角位置编码器【1】包括光学编码盘【10】及将光学编码盘【1】与待测旋转运动系统上的运动部件【100】连接的装置【11】，光学编码盘上设置有按一定规律排列的图案；光电解码器【2】包括发光器件【21】、发光器件驱动电路【23】、带有狭缝光栏的柱面透镜【20】、光电探测器件【22】、探测电路【24】及将光电解码器中上述部件与待测旋转运动系统上的固定部件【200】连接的装置【25】。

2.根据权利要求1所述的光电角编码器，其特征是：所说的光学编码盘【10】为反射式编码盘，光学编码盘上的编码图案为反射率差图案，是以下方案之一：(1)一组沿圆周方向分布的等周期辐射状反射率高低相间的条纹，辐射状条纹的延长线汇聚到同一圆心；(2)沿径向分布的M组在空间分离的条纹，M大于等于2，每组条纹为沿圆周方向分布的等周期辐射状反射率高低相间的条纹，辐射状条纹的延长线汇聚到同一圆心，每两组条纹沿圆周方向有一定的相位差，每组条纹的条纹数也可以不同。

3.根据权利要求1所述的光电角编码器，其特征是：所说的光学编码盘【10】为透射式编码盘，光学编码盘上的编码图案为以下方案之一：(1)一组沿圆周方向分布的等周期辐射状透明和不透明区域相间的条纹，辐射状条纹的延长线汇聚到同一圆心；(2)沿径向分布的M组在空间分离的条纹，M大于等于2，每组条纹为沿圆周方向分布的等周期辐射状透明和不透明区域相间的条纹，辐射状条纹的延长线汇聚到同一圆心，每两组条纹之间沿圆周方向有一定的相位差，每组条纹的条纹数也可以不同；(3)沿径向分布的M组在空间分离的条纹，M大于等于2，每组条纹为沿圆周方向分布的辐射状透明和不透明区域相间的条纹，辐射状条纹的延长线汇聚到同一圆心，M组条纹与某一过圆心的特定径向直线相交的条纹状态组成一组绝对位置编码，这组码可以是Gray码、Vernier码或Maximum Length Sequence码；(4)沿径向分布的M组在空间分离的条纹，该条纹系统分成两部分，一部分的编码方式为上述(1)、(2)编码图案中的一种，另一部分的编码方式与上述(3)编码图案相同。

4.根据权利要求1所述的光电角编码器，其特征是：所说的发光器件【21】、带有狭缝光栏的柱面透镜【20】、光学编码盘【10】及光电探测器件【22】的结构关系适合于反射式光学编码盘，为下面方案中的一种：(1)柱面透镜的对称轴线与光学编码盘的辐射条纹平行，发光器件中只有一个发光单元，光电探测器件中只有一个光电探测单元，发光器件与光电探测器位于柱面透镜的同一侧，沿与柱面透镜的对称轴线平行的方向分布，发光器件的发光面及光电探测器的光敏面与光学编码盘处于柱面透镜的物像共轭面上；(2)柱面透镜的对称轴线与光学编码盘的辐射条纹平行，发光器件中有N个发光单元，N大于等于1，光电探测器件中有N+1个光电探测单元，发光器件中的发光单元与光电探测器中的探测单元间插设置，位于柱面透镜的同一侧，沿与柱面透镜的对称轴线平行的方向分布，发光器件的发光面及光电探测器的光敏面与光学编码盘处于柱面透镜的物像共轭面上。

5.根据权利要求1所述的光电角编码器，其特征是：所说的发光器件【21】、带有狭缝光栏的柱面透镜【20】、光学编码盘【10】及光电探测器件【22】的结构关系适合于透射式光学编码盘，柱面透镜的对称轴线与光学编码盘的辐射条纹平行，光电探测器件中有至少一个光电探测单元，发光器件的发光面与光学编码盘的有图案的前表面处于柱面透镜的物像共轭面上；光电探测器件中的探测单元沿与柱面透镜的对称轴线平行的方向分布，位于光学编码盘的背面，光电探测器件前有时沿与柱面透镜的对称轴线平行的方向设置一狭缝。

6.根据权利要求1所述的光电角编码器，其特征是：所说的带有狭缝光栏的柱面透镜【20】的垂直于柱面对称轴的截面的形状可以是圆，也可以是两个圆周线与直线形成的；柱面透镜可以是玻璃的，也可以是塑料的；狭缝光栏中狭缝的走向平行于柱面透镜的对称轴。

7.根据权利要求1所述的光电角编码器，其特征是：所说的光电解码器【2】可以多个同时使用在同一个光学编码盘上，还可以与其它形式的光电解码器联合使用；其它形式的光电解码器可以是无柱面透镜的，也可以是采用球面透镜的。

8.根据权利要求1所述的光电角编码器，其特征是：所说的发光器件【22】通常是发光二极管；所说的光电探测器为光电二极管或光电三极管；可以工作在近红外波段，也可以工作在可见光波段。

9.根据权利要求1所述的光电角编码器，其特征是：所说的光学编码盘【10】或是塑料材料的，或是金属材料的，或是玻璃材料的。