CN201373734Y - 分辨率可调通用游标式光栅读数头 - Google Patents

Abstract

一种输出分辨率可调的通用游标式光栅读数头。它是将发光二极管、光电池和信号处理电路集成封装成为单个模块。光电池窗口宽度等于莫尔条纹间距，光电池窗口上方开有指示光栅凹槽，指示光栅采用嵌贴方法安装在凹槽内；内部的信号处理单元包含了信号细分和倍率选择电路，光栅信号的细分倍率由外部引脚的电平选择。工作时，指示光栅和与它栅距相匹配的标尺光栅发生相对位移生成纵向莫尔条纹，图像经过光电池转换成光电信号并经信号处理电路处理后，输出反映位移量特征的二路正交脉冲信号和一路零位参考信号。该实用新型用于高精度、高可靠线性位移或转角计量中。

Description

分辨率可调通用游标式光栅读数头

技术领域

本实用新型属于电子技术领域，涉及一种数字式位移传感器，更具体的说是一种分辨率可调通用游标式光栅读数头。

背景技术

光栅读数头是一种与标尺光栅配合用于对线性位移或转角进行计量的几何量传感器，也称为光电编码器。根据采用的标尺光栅是透射型或反射型分为透射型光栅读数头和反射型光栅读数头；根据标尺光栅是长光栅或园光栅分为线性长光栅读数头和轴角光栅读数头。目前，正在使用的光栅读数头主要有两类，一类是集成光电编码器，它是将发光二极管(LED)光源和检测电路集成在一个模块内，检测电路上除了有信号放大器，比较器外还同时集成有光电二极管阵列，并利用光电二极管的几何阵列结构形成指示光栅。这类集成光电编码器由于内部的光电检测电路包括指示光栅在集成电路制造时已经固定，所以每一种光电编码器只能对应一种分辨率。而实际应用中，通常要保证分辨率在很大的范围内可以选择，所以造成集成光电编码器的种类非常繁多，有时为了提高分辨率，这种编码器需要增加后级细分电路，这些都给制造和使用都带来很多不便，而且，由于编码器内部的指示光栅栅距参数固定，导致对与它匹配的标尺光栅参数要求更加严格，容易造成测量误差；另一类是分离式结构光栅读数头，它是将各种元件焊接在PCB电路板上和安装固定在支架上构成光栅检测系统，如目前的轴角旋转编码器和长光栅读数头很多采用此结构，但是这种分离式结构的读数头存在组装调试复杂，精度和可靠性难以保证的缺点。

发明内容

鉴于现有技术存在上述缺陷，本实用新型提出了一种新型的分辨率可调通用游标式光栅读数头，它是一个适用于各种精度的通用型光栅位移检测模块，它可以根据需要任意选择和设定光栅检测分辨率，并能够使标尺光栅与指示光栅之间获得最好的匹配，提高光栅的测量精度，减少应用的复杂性和成本。

本实用新型实现上述性能所采用的技术解决方案是：发光二极管、光电池和光栅信号处理电路均被集成封装在模块内，仅留下发光二极管(LED)发光孔和光电池窗口，光电池窗口宽度取固定值且等于莫尔条纹的间距，光电池窗口的上方四周是矩形指示光栅凹槽，其面积大于光电池窗口面积，指示光栅大小等于凹槽长宽值，安装时，指示光栅边缘涂胶后嵌贴在凹槽中，嵌贴时光栅的栅线与光电池单元列向保持平行，指示光栅上零位参考点位置对准下部的光电池，指示光栅表面保持比模块上平面略低或相同。指示光栅材料可以是玻璃光栅、涤纶(聚酯)片基光栅或金属光栅。根据光栅干涉理论，指示光栅栅距(周期)可以用下面推导出的公式确定：

$P^{\′}=\frac{P^2}{T}+P---\left(1\right)$

公式1中，P1’表示指示光栅的栅距，P为标尺光栅的栅距，T为莫尔条纹的间距(周期)，它等于光电池窗口的宽度。由公式(1)可知，当光电池窗口宽度固定后，对应于标尺光栅栅距参数，指示光栅栅距就能被唯一确定，莫尔条纹间距对于光栅尺栅距的放大特性与游标测量放大原理相同。而当标尺光栅栅距参数改变后，只要用公式(1)算得的新的指示光栅代替原来的指示光栅就可以保证光栅付有最佳的匹配，这种通用型设计不仅保证了光栅具有很高的测量精度，而且在标尺光栅改变时只要更换指示光栅不需要更换光栅读数头，这在原先采用集成光电编码器时是行不通的。公式(1)不仅适用于线性长光栅，它对于园光栅也同样适用，对于园光栅，公式中的P和P’分别代表园光栅码盘和指示光栅的节距，T代表莫尔条纹的节距。

本实用新型在信号处理电路中集成了光栅信号细分电路和细分倍率选择电路，为了保证细分的精度，在细分前设有波形重构电路，以最大限度的减少信号波形的非线性给细分带来的影响。光栅读数头检测分辨率(R)＝标尺光栅栅距(P)×细分倍率(K)，细分倍率选择通过对读数头引脚电平设置来实现，细分档位数(N)＝2ⁿ，其中，n为细分倍率选择端口(引脚)数。由于直接将细分电路纳入读数头模块内部，而且细分倍率可以通过外部编程选择，这给应用带来极大的方便性，它能够让用户在非常宽的检测分辨率范围内做出选择，同时，还允许实时在线改变读数头输出分辨率。

本实用新型的有益效果是，可以在较低成本下制造出通用型、高精度、高可靠的光栅读数头，让光栅检测功能更全、更强、使用更方便。

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

附图说明

图1是本实用新型透射型结构示意图。

图2是本实用新型的电路框图。

图3是本实用新型透射型结构三视图。

图4是本实用新型反射型结构示意图。

具体实施方式

在图1中，指示光栅(2)嵌贴在指示光栅凹槽(3)内，发光二极管(1)发出的平行光束在经过检测通道中的标尺光栅(图中未标出)后，光栅影像与下部的指示光栅发生干涉作用产生纵向莫尔条纹投射到底部的光电池(4)上，纵向莫尔条纹的间距等于图3中光电池窗口(6)宽度，本实施例中，光电池窗口宽度＝纵向莫尔条纹的间距＝2mm，由于主光电池是平行排列的4个单元光电池阵列，所以，对应每个莫尔条纹周期，四个光电池将产生四路相位差为90°的正弦信号，信号经过信号处理电路(5)中的差分放大器放大和滤波电路处理后，变为两路正交信号。为了减少正、余弦信号的非线性给后级细分带来的影响，信号处理电路中设计了波形重构电路。信号细分采用A/D变换细分法以保证细分精度和具备多种细分倍率，细分倍率选择控制由内部专用电路完成，倍率设定通过引脚(7)中的S0～S2电平组合实现，可以从8种细分倍率中选择一种。本实用新型中细分倍率为×1，×2，×4，×10，×40，×100，×200，×512，也可以根据需要采用其他倍率。光栅输出信号为二路正交的方波信号，从引脚A，B端输出。零位参考信号由专门的一块光电池读取，经放大整形后从引脚Z端输出。

图4所示的实施例是本实用新型的反射型结构示意图，图中发光二极管和光栅检测部分在同一个平面，发光二极管呈一定的倾角，当读数头和反射式光栅尺相对移动时，光电池接收反射进入的光栅莫尔条纹图像，其工作原理同上述的透射式结构实施例。

本实用新型同样适用于园光栅对轴角的检测，并且具有上述的全部性能和特点。只要将光电池形状设计成部分圆环型，指示光栅根据园码盘的参数按公式(1)计算节距，就能获得最好的信号质量。

安装孔(8)分别位于本实用新型的两边，用于对读数头的安装固定。

Claims (5)

1.一种分辨率可调通用游标式光栅读数头，包括发光二极管、光电池、光栅信号处理电路、指示光栅以及封装外壳等构成，其特征是发光二极管、光电池、光栅信号处理电路被集成封装于单个模块内，模块上光电池窗口的宽度与纵向莫尔条纹间距相同。

2.根据权利要求1所述的分辨率可调通用游标式光栅读数头，其特征是指示光栅嵌贴在光电池窗口上方的指示光栅凹槽中，指示光栅的栅线与光电池平行。

3.根据权利要求1所述的分辨率可调通用游标式光栅读数头，其特征是光栅信号处理电路内部集成了信号细分电路和细分倍率选择电路，通过外部的分辨率选择引脚设定不同的输出分辨率。

4.权利要求1或2或者3所述的分辨率可调通用游标式光栅读数头，其特征是根据使用的标尺光栅类型不同具有透射型封装结构和反射性封装结构形式。

5.权利要求1或2或者3所述的分辨率可调通用游标式光栅读数头，其特征是根据光栅检测对象不同具有线性位移检测结构和轴角检测结构形式。

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