專利名稱：光電角度傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種角度傳感器，特別是一種把旋轉(zhuǎn)的角位置量變換成電信號的絕對式光電傳感器。
現(xiàn)有光電角度傳感器，一般都是由發(fā)光管、動光柵、定光柵、光敏面及相應的電路構成的。發(fā)光管一般固定在近傳感器上蓋處，發(fā)出的光線透過安裝、保護動光柵、定光柵的馬蹄形結構一端的入光孔，通過動光柵、定光柵后再從其另一端的出光孔穿出，為光敏面所感知，傳遞給處理信號的電路部份。由于上蓋部份安裝光源需要一定空間，而中間的馬蹄形結構又是通過螺絲同外殼連接並起加固、穩(wěn)定作用的，其外部呈過渡結構狀。外殼底端除要安裝轉(zhuǎn)軸外還裝有光敏面和電路部份，所需空間更大，使整個裝置外殼呈多層結構狀。由于機械結構趨向復雜，開動時伴有的機械振動隨之增加，影響了裝置的穩(wěn)定性。同時，底端轉(zhuǎn)軸是穿過定光柵后與動光柵相連的，既要能帶動光柵一起旋轉(zhuǎn)，又要不影響與定光柵安裝上的密閉性，使安裝時的難度增加。因為動光柵都是采用平板玻璃鍍膜光刻制成的，不但加工復雜成本高，而且要求在相互不碰到的情況下盡可能靠近，這就要求它們既要保持同一個圓心，又要間隙盡可能小。以往采用加墊片的方法進行調(diào)整，操作繁瑣安裝困難，又不易達到一定的精度，使拆裝、維修都十分困難。加上目前光敏面是采用分立型的光敏二極管組成的，因其直徑無法做得很小而使裝置的感光精度受到一定的限制。從裝置的光源、光通路來說，由于發(fā)光管在發(fā)光時伴有散射現(xiàn)象，光線在通過具有一定厚度的動光柵、定光柵的鍍膜光刻平板玻璃時還會因光折射等現(xiàn)象產(chǎn)生光竄擾，都在一定程度上影響了測量的結果。
本實用新型的目的是要提供一種經(jīng)過改進的光電角度傳感器。它通過采用由基座、上蓋兩部份組成的殼體，平行光光源，集成型平面硅光敏二極管組成的光敏面，非透明箔片和透明有機玻璃片構成的動、定光柵和集成電路組成的一系列新技術，有效地克服了現(xiàn)有同類傳感器的諸多不足。是一種抗振性強、防光竄擾性能優(yōu)越、測量精度高、重復性好的光電角位移量測量儀器。


圖1為本實用新型裝置基本結構示意圖圖2為本實用新型裝置光電電源原理示意圖圖3為本實用新型裝置平行光光源結構示意圖圖4為本實用新型集成電路塊電路原理示意圖本實用新型的基本結構如圖1所示，是由平行光光源1、殼體2、光敏面3、放大器4、編碼器5、數(shù)碼顯示器7、譯碼器6、引線8、數(shù)字譯碼器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器9、定光柵10、動光柵11、定位軸承12、轉(zhuǎn)軸13、集成電路塊15所組成。其中殼體2主要是由基座、上蓋兩部份構成。它的基座上安裝著集成電路塊15，該集成電路塊上面裝有平行光光源1；它的上蓋外側平面直接由光敏面3組成，上蓋內(nèi)平面粘貼有定光柵10，動光柵11安裝在貼近定光柵10前面的轉(zhuǎn)軸13的底端。轉(zhuǎn)軸13通過兩組安裝在基座上的定位軸承12裝配在基座的中心軸線上。本裝置放大器4、編碼器5、譯碼器6、數(shù)字譯碼器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器9等電字處理部份均安裝在固定在基座上的集成電路塊15上。
本實用新型結構上的特點在于它的殼體2是由基座、上蓋兩部份所組成。將集成電路塊15，平行光源1直接固定在基座內(nèi)，將光敏面3、定光柵11分別直接替代上蓋頂部的內(nèi)、外表面，省去了現(xiàn)有同類傳感器中間保護、固定動、定兩光柵的馬蹄形結構與過渡結構，使整個裝置結構緊湊、布局合理，拆裝方便便于維修。其光源采用由發(fā)光二極管17、柱面鏡16組成的平行光光源1，如圖3所示，由于柱面鏡16將發(fā)光二極管17發(fā)出的光線匯聚成一窄長的平行光束，使光線集中在有效范圍內(nèi)，既提高了照射面的亮度又限制了光散射，大大減少了測量中散光的干擾。平行光光源1和集成電路塊15直接固定在基座內(nèi)，離開轉(zhuǎn)軸13外露端的位置比原來安裝在上蓋部位要低得多，重心降低使其非常耐振，可減少測量時因轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)引起的晃動和震動對光源的影響，增強了測量穩(wěn)定性。本實用新型光敏面3采用集成型平面硅光敏二極管構成的感光面，由于它是用集成電路方法制成的，不象分立式光敏二極管那樣受到管殼直徑、高度的限制，它們相互排列的間隙可以很小，且相當平整、均勻。所以不僅可縮小光柵的直徑使體積變小，而且在安裝時使它與定光柵10可以靠得更近，從而減少光竄擾對測量結果的影響，有效地提高測量精度。此外，集成型平面硅光敏二極管還有壽命長、不怕振動等良好性能，使本實用新型使用壽命延長。
本實用新型定光柵10是由金屬箔片經(jīng)光刻方法形成一列小方孔，安裝時粘貼在上蓋內(nèi)平面上，但須使光柵孔與光敏面3的位置一致並盡可能靠近。由于金屬箔片是不透光材質(zhì)，雖然厚度僅幾絲，但一經(jīng)粘貼在上蓋后就具有一定剛度，因此不但防震性能強而且可以消除光散射現(xiàn)象，從而抑制了光竄擾。本裝置定光柵10的制造方法，可免去平板玻璃膜光刻等復雜工藝，縮短制造周期並降低生產(chǎn)成本。動光柵11使用的材料與制造方法基本與定光柵相同，但它在金屬箔光刻制成后還須粘貼在透明度高的有機玻璃薄片上，其中間開有一圓孔，大小與轉(zhuǎn)軸外徑相一致，通過緊密配合的方法與轉(zhuǎn)軸連成一體，能隨轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。箔片沿著直徑方向刻有各種不同要求的圖案可使光線通過。由于動光柵在安裝時要求同平行光光源、定光柵不能相碰又要盡可能靠近，特別是同定光柵之間的間隙通常要求小于0.1mm，所以難度較高，以往采用加墊片的方法加以調(diào)正，不但操作繁瑣還不易達到所要求的精度，本裝置在安裝時采用轉(zhuǎn)軸端部螺紋調(diào)節(jié)結構，精確定位后迸緊固定，非常容易地實現(xiàn)了間隙小的要求，大大簡化了操作，使裝拆也更加方便。
本實用新型集成電路塊15，由放大、邏輯譯碼、數(shù)字顯示三個部份電路所組成。其電路原理圖如圖4所示，其中放大部份18為放大器4的簡單電路示意圖，它包括若干組由一運算放大器與一比較器連接組成的集成電路，其運算放大器通?？梢圆捎肔M324型集成電路，比較器可以采用LM339型集成電路。它的輸入端通過引線8與光敏面3相連接，輸出端接入邏輯譯碼部份的輸入端。圖4中19所示為邏輯譯碼部份電路原理簡單示意圖，它包括編碼器5和譯碼器6在內(nèi)，是由若干塊TTL集成電路所組成，通?？刹捎?4系列型號的集成電路，如74LS04、74LS08、74LS54、74LS86等均可。它主要是將放大部份輸入的電信號經(jīng)過編碼和譯碼處理后輸入數(shù)字顯示部份。圖4中20所示的電路即為數(shù)字顯示部份簡單原理圖。它包括數(shù)字顯示器、譯碼器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器9，由三塊數(shù)字譯碼和顯示集成電路所構成。通常采用CL002型數(shù)字譯碼和數(shù)字顯示集成電路制成。其功能主要是將經(jīng)過邏輯、譯碼部份處理的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)模信號輸送給外接的數(shù)碼顯示器7，以數(shù)碼的形式精確地顯示測量的結果，既迅速又直觀，相當實用。
本實用新型的光電電路原理如圖2所示，它是由平行光光源1發(fā)出的平行光束透過動光柵11、定光柵10時，由于動光柵是被轉(zhuǎn)軸帶動一起隨被測部件同步轉(zhuǎn)動的，它的透明區(qū)和定光柵的透明區(qū)對準或非對準時而發(fā)生，使得平行光束時而穿過被光敏面3所接收，時而被截斷，這樣就在光敏面3上產(chǎn)生一個相應的變化信號輸出，經(jīng)裝置的集成電路塊15進行各步電學處理后傳輸給外接數(shù)碼顯示器7，直接以數(shù)碼形式加以顯示，得到被測部件實際的角位移量，其測量精度可按編碼盤圖案和電學處理系統(tǒng)的不同，分為0.5°、1°、2°、3°、4°、5°等幾種規(guī)格。
同現(xiàn)有同類傳感器相比，本發(fā)明裝置結構緊湊、布局合理。由于中間省去了馬蹄形結構與安裝定光柵的過渡層，使裝置由多層結構簡化為雙層結構，體積縮小近1／5，重量減輕近1／3。由于將定光柵直接粘貼在上蓋內(nèi)平面的同心圓上，使裝置裝拆容易便于維修，而且避免了由此產(chǎn)生的機械振動，提高了裝置的抗振性能。本發(fā)明的光源增加了一只柱面鏡，大大提高了檢測光源的質(zhì)量。動光柵和定光柵均采用金屬箔片光刻制成、動光柵還將箔片粘貼在透光性強的有機玻璃薄片上，可避免了鍍膜光刻的復雜加工，不但縮短了周期還消除了光線透過具有一定厚度的平板玻璃時產(chǎn)生折射等現(xiàn)象引起的光竄擾，大大減少了測量干擾和誤差。而光敏面采用集成型平面硅二極管，更是突破了傳統(tǒng)感光二極管管殼直徑的限制，可提高測量精度近4倍，其最高精度可達0.5°。作為一種結構新穎，性能優(yōu)越的光電角度傳感裝置，本發(fā)明可廣泛用于需要進行角位置測量的儀器及裝置上，特別適用于紡織行業(yè)噴氣織機上使用。對紡織機械的更新?lián)Q代，在技術上和經(jīng)濟上的意義很大。
下面提供一個實施例。
采用φ66mm金屬圓柱形外殼、φ10mm金屬轉(zhuǎn)軸、二只發(fā)光二極管、10mm長柱面鏡一只、金屬箔片、透光性強的有機玻璃薄片、集成型平面硅光敏二極管，采用若個只LM324型、LM339型集成電路構成放大部份，若干個74LS04、74LS08、74LS54、74LS86等型號的集成電路構成邏輯譯碼部份，三塊CL002型集成電路制成數(shù)字顯示部份，一起安裝在集成電路塊上，根據(jù)前述方法制成其它零件並組裝成本發(fā)明裝置，經(jīng)實際測定，其各項技術性能如下電學特性工作電壓 DC5V；工作電流＜300mA；分辨率0。5°，1°，2°，3°，4°，5°；輸出波型 方波；輸出形式BCD碼或循環(huán)碼；機械特性起動力矩 40g·Cm；最大轉(zhuǎn)速 2000rpm徑向竄動 ＜0。02mm；軸向跳動＜0。02mm；重量0。77Kg環(huán)境特性使用溫度范圍 0～50℃；保存溫度－20℃～60℃；相對濕度 85％；沖擊 10G振 動5G(5－100HZ)。
研制時供試用單位試用，效果優(yōu)于現(xiàn)有的同類產(chǎn)品。
權利要求1.一種光電角度傳感器，包括圓柱形殼體、基座、上蓋、軸承、轉(zhuǎn)軸、發(fā)光二極管、柱面鏡、金屬箔片、透明有機玻璃板、集成型平面硅光敏二極管、集成電路塊，其特征在于該裝置殼體主要是由基座、上蓋兩部份所構成它的基座上裝有一塊集成電路板，其上面裝有由發(fā)光二極管及其前面的柱面鏡構成的平行光光源；它的上蓋外側平面是由集成型平面硅光敏二極管組成的光敏面構成的，上蓋內(nèi)平面粘貼有在徑向某一位置帶有由方孔構成的透明光柵的非透明材質(zhì)制成的定光柵；貼近定光柵的動光柵，采用非透明材質(zhì)箔片粘貼在透光性強的有機玻璃板上制成，其徑向外圈部份帶有圖案，它是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸端部的螺紋調(diào)節(jié)結構實現(xiàn)定位並固定在轉(zhuǎn)軸端部的。
2.如權利要求1所述的一種光電角度傳感器，其特征在于它的集成電路塊包括放大、邏輯譯碼、數(shù)字顯示三個部份其中放大部份包括若干組由一運算放大器與一比較器連接而成的集成電路，其輸入端通過導線與光敏面相連接，輸出端與邏輯譯碼部份輸入相連接；它的邏輯譯碼部份由若干塊TTL集成電路所組成，其輸出端與數(shù)字顯示部份輸入端相連接；它的數(shù)字顯示部份是由三塊數(shù)字譯碼和顯示集成電路構成的。
3.如權利要求1或2所述的一種光電角度傳感器，其特征在于它的集成電路塊的放大部份的運算放大器可以采用LM324型的集成電路、比較器可以采用LM339型集成電路；邏輯譯碼部份可以采用74系列的集成電路，如74LS04、74LS08、74LS54、74LS86等集成電路；數(shù)字顯示部份可以采用CL002型數(shù)字譯碼和數(shù)字顯示集成電路。
專利摘要一種改進的光電角度傳感器，在光源前增設柱面鏡匯集光線以消除散光。用金屬箔光刻制成定光柵并將箔片粘貼在有機玻璃上制成動光柵替代原平板玻璃涂膜光刻制成的兩光柵，有效地避免了光竄擾。將定光柵直接粘貼在上蓋內(nèi)平面上省去了原有的馬蹄形結構和過渡層，使結構緊湊提高了抗振性能。采用集成硅光敏面突破了分立式管子直徑的局限，提高了測量精度。本實用新型可廣泛用于測量角位移量的場合，對紡織噴氣織機尤為合適。
文檔編號G01B21/22GK2053744SQ8921152
公開日1990年2月28日 申請日期1989年3月15日 優(yōu)先權日1989年3月15日
發(fā)明者沈有林, 桂永華, 陳航洲 申請人:沈有林, 桂永華, 陳航洲