專利名稱：檢測(cè)旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)角度的光電編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種檢測(cè)旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)角度的光電編碼器。
背景技術(shù)：
光電編碼器用于確定旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速和位置，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的 機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器由編碼盤(光柵盤)和發(fā)光元 件、光敏元件及數(shù)據(jù)處理裝置等組成。發(fā)光元件和光敏元件分布在編碼盤的兩側(cè)。編碼盤 上有規(guī)則地分布有透光和不透光的扇區(qū)。工作時(shí)，編碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，編 碼盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)發(fā)光元件發(fā)出的光照射編碼盤，光通過透光扇區(qū)由光敏元件 接收，光敏元件輸出的波形經(jīng)過數(shù)據(jù)處理裝置整形后變?yōu)槊}沖，根據(jù)透光扇區(qū)的分布規(guī)律 及輸出脈沖的形狀、數(shù)目等計(jì)算確定出旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速及位置等信息。光電編碼器的核心部件是編碼盤，編碼盤上沿同心圓布置的透光和不透光的扇區(qū) 組成碼道。編碼盤上有多條碼道，每條碼道均對(duì)應(yīng)有相應(yīng)的發(fā)光元件和光敏元件?，F(xiàn)有的 光電編碼器主要有增量式、絕對(duì)式兩種。增量編碼器的編碼盤有三條碼道。最外圈的碼道上相間分布有弧度相同的透光與 不透光的扇形區(qū)，用來產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖；扇形區(qū)的多少?zèng)Q定了編碼器的分辨率，扇形區(qū)越多， 分辨率越高。中間一圈碼道上有與外圈碼道相同數(shù)目的扇形區(qū)，但錯(cuò)開半個(gè)扇形區(qū)，作為辨 向碼道。第三圈碼道上只有一條透光的窄扇區(qū)(窄縫)，它作為碼盤的基準(zhǔn)位置，所產(chǎn)生的 脈沖信號(hào)將給計(jì)數(shù)系統(tǒng)提供一個(gè)初始的零位(清零)信號(hào)。增量式編碼器利用光電轉(zhuǎn)換原 理，通過編碼盤的三條碼道輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90°，用于 判斷旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速。Z相為每旋轉(zhuǎn)一圈輸出一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。增量式編碼器 所需的光敏元件數(shù)量少，碼道的數(shù)量也少，因此其構(gòu)造簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)，可靠較 高。但增量式編碼器無法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息和旋轉(zhuǎn)角度，需要進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)定位脈 沖；若在物體旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)漏計(jì)或錯(cuò)計(jì)脈沖信號(hào)，則該誤差對(duì)旋轉(zhuǎn)角度檢測(cè)結(jié)果的影響 一直存在，并會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生累積誤差，直到得到基準(zhǔn)點(diǎn)定位信號(hào)后才能得以修正。因此增量 式光電編碼器每次使用之前都必須先定基準(zhǔn)點(diǎn)。絕對(duì)式編碼器的編碼盤有N條同心碼道，每一條碼道由透光和不透光的扇區(qū)組 成，每一碼道對(duì)應(yīng)有一光敏元件。工作時(shí)，當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)該位 置處的碼道的扇形區(qū)透光與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的高、低電平信號(hào)，形成數(shù)字二進(jìn)制碼，二進(jìn)制數(shù) 碼的位數(shù)與碼盤上的碼道數(shù)對(duì)應(yīng)；不同角度上各碼道形成的二進(jìn)制編碼不同，從而絕對(duì)式 編碼器用在空間位置上標(biāo)注的方式，將轉(zhuǎn)動(dòng)物體的位置轉(zhuǎn)換為數(shù)字二進(jìn)制碼，使之在轉(zhuǎn)軸 的任意位置都可讀出一個(gè)固定的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有N 位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤有N條碼道。其特點(diǎn)是可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì) 值；沒有累積誤差；電源切除后位置信息不會(huì)丟失。但是絕對(duì)式編碼器分辨率由碼道數(shù)確 定，因此其編碼盤的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，制作困難；且隨著碼道數(shù)的增多，光敏元件數(shù)目 也大大增多，成本增加。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種檢測(cè)旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)角度的光電編碼器，該編 碼器既能輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息，使用方便；且其制作簡(jiǎn)單，分辨率高，成本低，抗干擾 能力強(qiáng)。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)其目的所采用的技術(shù)方案是一種檢測(cè)旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)角度 的光電編碼器，包括編碼盤，編碼盤上有透光和不透光的扇區(qū)組成的碼道，編碼盤的碼道兩 側(cè)設(shè)置有發(fā)光元件和光敏元件，光敏元件與數(shù)據(jù)處理裝置相連，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是所述編碼盤上的碼道為內(nèi)、外兩條，一條為定位碼道，另一條為編碼碼道，其中定位碼道由大小相同、均勻分布的2N個(gè)透光和不透光的扇區(qū)相間排列組成，N為大 于等于2的正整數(shù)；編碼碼道由與定位碼道的扇區(qū)弧度相同的透光和不透光的扇區(qū)組成，透光扇 區(qū)邏輯值為1，不透光扇區(qū)邏輯值為0，編碼碼道上的任意相鄰的N個(gè)扇區(qū)構(gòu)成N位二進(jìn)制 編碼，且任意兩組編碼不相同，共有2N組編碼。本實(shí)用新型的工作過程和原理是光電編碼器工作時(shí)，隨物體旋轉(zhuǎn)，由于定位碼道由相同的透光和不透光扇區(qū)相間 組成，定位碼道上對(duì)應(yīng)的光敏元件輸出寬度相同的定位脈沖信號(hào)，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)脈沖的 個(gè)數(shù)求出物體旋轉(zhuǎn)速度。同時(shí)，編碼碼道上的光敏元件感應(yīng)編碼碼道扇區(qū)的變化，依次輸出脈沖信號(hào)，由數(shù) 據(jù)處理裝置根據(jù)定位碼道上的得到的定位脈沖信號(hào)作為定位基準(zhǔn)時(shí)鐘，將最近輸出的N個(gè) 脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為當(dāng)前的N位二進(jìn)制碼。由于編碼盤的碼道上的任意相鄰的N個(gè)扇區(qū)構(gòu)成N 位二進(jìn)制編碼，且任意兩組編碼不相同，每組碼對(duì)應(yīng)編碼盤上的一個(gè)空間位置。因此，N位 二進(jìn)制碼即對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)物體當(dāng)前的旋轉(zhuǎn)角度和絕對(duì)位置。由于所有的編碼均不相同，因此不同的編碼對(duì)應(yīng)不同的物體旋轉(zhuǎn)角度。另外，根據(jù) 當(dāng)前的編碼值和前兩個(gè)時(shí)刻的編碼值變化情況，可判斷出物體的旋轉(zhuǎn)方向。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是一、不需要進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)定位，在任意時(shí)刻獲得的編碼便對(duì)應(yīng)了該時(shí)刻物體的旋轉(zhuǎn) 角度和旋轉(zhuǎn)物體的絕對(duì)位置，使用方便，讀數(shù)準(zhǔn)確，無累積誤差。二、編碼碼道上的相鄰N個(gè)扇區(qū)構(gòu)成N位二進(jìn)制編碼，共有2N個(gè)扇區(qū)，排列在一條 編碼碼道上，構(gòu)成2N個(gè)絕對(duì)編碼；在構(gòu)成N位二進(jìn)制編碼編碼時(shí)，當(dāng)前扇區(qū)的信息在當(dāng)前 編碼的第一個(gè)位置上使用，然后在下一個(gè)編碼的第二個(gè)位置上使用，以此類推，共使用了 N 次；而現(xiàn)有的絕對(duì)編碼器需要N條碼道，每條碼道上2N個(gè)扇區(qū)，共有NX 2N個(gè)扇區(qū)，才能構(gòu)成 個(gè)2N絕對(duì)編碼，在構(gòu)成編碼時(shí)，每個(gè)扇區(qū)的信息只使用了一次?？傊?，本實(shí)用新型的編碼器 在進(jìn)行絕對(duì)定位時(shí)，所用的編碼碼道數(shù)只有1條，編碼碼道的扇區(qū)總數(shù)僅為2N個(gè)，即可實(shí)現(xiàn) 2N個(gè)位置編碼；因此，本實(shí)用新型在實(shí)現(xiàn)相同編碼個(gè)數(shù)的情況下，所需要的編碼碼道數(shù)和編 碼碼道的扇區(qū)總數(shù)大大減小，僅為現(xiàn)有絕對(duì)編碼器的N分之一，從而使其結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、制作 方便，成本大大降低，抗干擾能力強(qiáng)。上述的定位碼道的扇區(qū)與編碼碼道相鄰的扇區(qū)錯(cuò)開1/2扇區(qū)弧度。這樣，以定位碼道輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)作為時(shí)間基準(zhǔn)的時(shí)鐘信號(hào)，即在定位碼道側(cè)的
4光敏元件輸出的每個(gè)脈沖跳變沿作為時(shí)間基準(zhǔn)讀取編碼碼道對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼，讀碼時(shí)，光 敏元件處于對(duì)應(yīng)于編碼碼道每個(gè)扇區(qū)的中間位置，距離扇區(qū)的邊沿最遠(yuǎn)，干擾最小，讀數(shù)更 準(zhǔn)確、可靠。上述的編碼盤的編碼碼道兩側(cè)的發(fā)光元件和光敏元件分別為N個(gè)，且相鄰的發(fā)光 元件或光敏元件之間的距離等于扇區(qū)的寬度。這樣利用編碼碼道上順序分布的N對(duì)發(fā)光元件和光敏元件，可對(duì)編碼盤進(jìn)行并行 讀碼，即將相鄰的N個(gè)扇區(qū)的信息同時(shí)輸出，實(shí)現(xiàn)N位并行讀碼，一次性地讀出N位二進(jìn)制 碼的全部信息。使后續(xù)處理更簡(jiǎn)單、方便、迅速。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)實(shí)用新型進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例一的編碼盤的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例一的編碼盤的剖視示意圖。圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例二的編碼盤的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一圖1、2示出，本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施方式
為一種檢測(cè)旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn) 角度的光電編碼器，包括編碼盤1，編碼盤上有透光扇區(qū)3a和不透光扇區(qū)3b組成的碼道2， 編碼盤1的碼道兩側(cè)設(shè)置有發(fā)光元件4和光敏元件5，光敏元件5與數(shù)據(jù)處理裝置相連。編碼盤1上的碼道2為內(nèi)、外兩條，一條為定位碼道2a，另一條為編碼碼道2b，其 中定位碼道2a由大小相同、均勻分布的2N個(gè)透光和不透光的扇區(qū)3相間排列組成， N為大于等于2的正整數(shù)；編碼碼道2b由與定位碼道2a的扇區(qū)弧度相同的透光和不透光的扇區(qū)3組 成，透光扇區(qū)3a邏輯值為1，不透光扇區(qū)3b邏輯值為0，編碼碼道2b上的任意相鄰的N個(gè) 扇區(qū)3構(gòu)成N位二進(jìn)制編碼，且任意兩組編碼不相同，共有2N組編碼。定位碼道2a的扇區(qū)與編碼碼道2b相鄰的扇區(qū)3錯(cuò)開1/2扇區(qū)弧度。本例中，編碼盤1按N = 4進(jìn)行編碼。兩個(gè)碼道2a、2b都有24 = 16個(gè)扇區(qū)。圖1 示出，定位碼道2a上16個(gè)扇區(qū)3按照透光扇區(qū)3a、不透光扇區(qū)3b交替排列；編碼碼道2b 也有16個(gè)扇區(qū)3。按以透光扇區(qū)3a作為邏輯值1，以不透光扇區(qū)3b作為邏輯值0，按4位 循環(huán)碼編碼，從而形成任意相鄰的N = 4個(gè)扇區(qū)3構(gòu)成4位二進(jìn)制編碼，且任意兩組編碼不 相同，共有2N = 16組編碼。從圖1中箭頭開始的第一個(gè)扇區(qū)3開始，以順時(shí)針方向讀取的 16個(gè)扇區(qū)3對(duì)應(yīng)的16個(gè)二進(jìn)制邏輯值依次為0000101101001111。當(dāng)物體按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，取上述碼組中的任意相鄰四位作為一組二進(jìn)制碼， 并設(shè)定起始位置對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制編碼0000，則編碼值與物體的旋轉(zhuǎn)角度(轉(zhuǎn)角)之間的關(guān)系 如表1。表 權(quán)利要求1.一種檢測(cè)旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)角度的光電編碼器，包括編碼盤(1)，編碼盤(1)上有 透光扇區(qū)(3a)和不透光扇區(qū)(3b)組成的碼道，編碼盤的碼道兩側(cè)設(shè)置有發(fā)光元件(4)和 光敏元件(5)，光敏元件(5)與數(shù)據(jù)處理裝置相連，其特征在于所述編碼盤(1)上的碼道為內(nèi)、外兩條，一條為定位碼道(2a)，另一條為編碼碼道 (2b)，其中定位碼道(2a)由大小相同、均勻分布的透光和不透光的扇區(qū)(3)相間排列組成， N為大于等于2的正整數(shù)；編碼碼道(2b)由與定位碼道(2a)的扇區(qū)弧度相同的透光和不透光的扇區(qū)(3)組成。
2.如權(quán)利要求1所述的一種檢測(cè)旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)角度的光電編碼器，其特征在 于所述的定位碼道(2a)的扇區(qū)與編碼碼道(2b)相鄰的扇區(qū)(3)錯(cuò)開1/2扇區(qū)弧度。
3.如權(quán)利要求1所述的一種檢測(cè)旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)角度的光電編碼器，其特征在 于所述的編碼盤⑴的編碼碼道(2b)兩側(cè)的發(fā)光元件⑷和光敏元件(5)分別為N個(gè)， 且相鄰的發(fā)光元件(4)或光敏元件(5)之間的距離等于扇區(qū)(3)的寬度。
專利摘要一種檢測(cè)旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)角度的光電編碼器，包括編碼盤，編碼盤上的碼道為內(nèi)、外兩條，一條為定位碼道，另一條為編碼碼道，其中定位碼道由大小相同、均勻分布的2N個(gè)透光和不透光的扇區(qū)相間排列組成，N為大于等于2的正整數(shù)；編碼碼道由與定位碼道的扇區(qū)弧度相同的2N個(gè)透光和不透光的扇區(qū)組成，透光扇區(qū)邏輯值為1，不透光扇區(qū)邏輯值為0，編碼碼道上的任意相鄰的N個(gè)扇區(qū)構(gòu)成N位二進(jìn)制編碼，且任意兩組編碼不相同，共有2N組編碼。該編碼器既能輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息，使用方便；且其制作簡(jiǎn)單，分辨率高，成本低，抗干擾能力強(qiáng)。
文檔編號(hào)G01D5/347GK201780116SQ20102029881
公開日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者劉國清, 張昆侖, 張湘, 王瀅, 王莉, 舒澤亮, 董金文, 郭小舟, 郭育華, 靖永志 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)