[实用新型]分辨率可调通用游标式光栅读数头

说明书

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′=P2T+P---(1)]]>

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。