[发明专利]一种光电角轴编码器的组合式光栅扫描系统

说明书

技术领域

本发明涉及光栅编码传感器，尤其是一种光电角轴编码器的组合式光栅扫描系统，属于光、机、电精密传感器技术领域。

背景技术

光栅编码器是现代工业自动控制系统的眼睛，是集光、机、电精密技术于一体的高技术传感器。光电角轴编码器用于检测传动件的机械转动参量，通过光电转换-模数整形-功率放大，将输出轴的角位移、角速度及角加速度等机械参量转换成相应的电脉冲以数字量输出给控制系统或显示器，实现相对应的系统控制。光电角轴编码器信号是通过动光栅的扫描获得，动光栅是由按圆周间隔设置的若干成放射状的透光光缝组成(见附图1)，每一个相邻的明暗间距为一个栅线距(即透光光缝宽度与不透光光缝宽度之和)，整周总栅线数为编码器的线脉冲数。一块刻线与动光栅相同的定光栅(见附图2)跟动光栅组成了光栅扫描系统，当光穿过动光栅、定光栅发送到光电器件，光电器件将光信号转变成电信号发出。获得精确的动光栅转角。

普通编码器的光栅设计采用的动光栅与定光栅均为等栅距组成的光栅扫描系统，光栅设计的透光狭缝宽与两条透光狭缝之间的不透光宽度比例称黑白比，通常为1∶1，透光光缝宽度与不透光光缝宽度之和定义为栅线距(见附图1、2)。公知获取栅线信号的办法是在编码器的转动部分上装有动光栅，固定部分装定光栅，定光栅设计有四个光栅区，A，B，A-，B-，四个光栅区按照：0°，90°，180°，270°四种相位周期在同一圆周上排列(见附图3)。组成光电编码器的动光栅和定光栅的栅线区，每个栅线区都刻有多个宽度为1个光栅距的光缝，动光栅可沿旋转轴心旋转，当动光栅和定光栅上的光缝对准时，这个光照射到光-电接收器上，接收器接收到穿过这对光缝的光最大，会出现一个高光能极限，有一个光能量峰值见附图4.(a)。如果动光栅光缝与定光栅的光缝错开，那么穿过动光栅光缝的光，被定光栅的不透光狭缝遮挡，光被切断，通过这对光缝的光最小，就有光能量谷值见附图4.(b)。这种光能量达到峰值或谷值形成明暗交替的光照射到光电接收器上，就可以使光电接收器输出栅线信号得到一个正弦栅线信号附图4.(c)。

附图3的动光栅、定光栅结构是目前国内外常采用的方案，动光栅是在法线方向上有多条光狭缝相间黑白比为1∶1的光缝(即：透光部分与遮光部分的宽度相同)，定光栅与动光栅有相同的光栅距与黑白比为1∶1光缝，通过多光缝的光能迭加后送到光电接收器，光电接收器接收到的达到光能量的光就是光信号，这时光电接收器，将光信号转化为有效的电信号。光栅的栅距仍只有一个光栅栅距宽，相当于单光缝输出信号的宽度。光电接收器的电输出与通过动光栅和定光栅光缝扫瞄的光能量成正比，要获得高能比的电信号，就要求光栅设计者设计出高光能比的光栅线，使得动光栅和定光栅的光缝对齐位置时，光信号能量尽量高，偏离信号位置时，通过动光栅和定光栅的光能量尽量的低，也就是这种光能比要高。

采用多缝迭加的动光栅特点是，利用光迭加的透光强度，在光缝对齐位置处的光能最大，光能信号出现高峰。在高峰处电压幅度也最大(足以提供光电转换驱动的能量)，这时放大器能够发出稳定的光能脉冲。

由于上述现有技术轴角编码器的动光栅与定光栅均为等栅距的设计，所以存在如下缺陷：

(1)一种光栅扫描系统只能输出一种光脉冲数。如果要获得更多的光脉冲输出，依靠光栅扫描系统是难以实现的。因系统的通用性差，造成产品的品种繁多，制作麻烦。如：动光栅为1024线/周与等栅距的定光栅组成一对光扫描系统，光穿过等栅距的动光栅-定光栅进行扫描，动光栅的狭缝对定光栅狭缝每扫描一次，光电接受器件就发出一个光脉冲，动光栅旋转一周扫描系统就发出1024/周的光脉冲，如果要获得2048/周、4096/周时，依靠光栅扫描系统难以实现。

通常的处理方法是：

1.同时更换相应的动光栅与定光栅，更换光扫描系统工作很麻烦，费工费时。

2.改用细分电路系统。因电路系统易受到环境影响，所以光电转换精度又随之受到影响。以上这两种方法的都很麻烦，工作量也很大，不理想。