[发明专利]基于相移补偿技术的绝对式光电编码器的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及自动化领域中的一种位移传感器，具体涉及一种小型高分辨率高精度绝对式光电编码器。

背景技术

随着自动化技术的发展，对小型化、高分辨率、高精度、高可靠性传感器的要求越来越迫切。本专利利用散射光进行照明，使用相移补偿技术对光电信号产生的相移进行补偿，最终得到四路相位依次相差90°的光电信号。本专利大大减小编码器的尺寸，并且保证了编码器的高分辨率、高精度以及高可靠性。

传统绝对式编码器的结构组成主要有两种。

一、如图1所示，该结构主要由光源1、主光栅2、指示光栅3、第一接收器8、第二接收器9、第三接收器10和第四接收器11组成，其中指示光栅3上有第一窗口4、第二窗口5、第三窗口6、第四窗口7，四个窗口的中心在周向上的距离依次相差其中：p—光栅节距，即光栅一个周期的长度；n为整数。

每个光源、窗口和接收器的位置关系一一对应，光源1发出的光经过主光栅2和指示光栅3的第一窗口4照射到第一接收器8上，经过主光栅2和指示光栅3的第二窗口5照射到第二接收器9上，经过主光栅2和指示光栅3的第三窗口6照射到第三接收器10上，经过主光栅2和指示光栅3的第四窗口7照射到第四接收器11上。主光栅转动一个节距p，在接收端就产生一个周期(360°)的正弦光电信号，由上述距离关系可推导出四路信号的相位关系：Δθ＝n×360°+90°，即通过四个窗口照射到四个接收器上的四路光电信号之间的相位依次相差90°，也可表述为四个窗口之间的相位依次相差90°。

二、如图2所示，该结构主要有由光源1、准直透镜9、主光栅2、指示光栅3和第一接收器8、第二接收器9、第三接收器10和第四接收器11组成，其中指示光栅3上有第一窗口4、第二窗口5、第三窗口6、第四窗口7，四个窗口之间的相位依次相差90°。光源1发出的散射光，经准直透镜9准直为平行光，经过主光栅2和指示光栅3的第一窗口4照射到第一接收器8上，经过主光栅2和指示光栅3的第二窗口5照射到第二接收器9上，经过主光栅2和指示光栅3的第三窗口6照射到第三接收器10上，经过主光栅2和指示光栅3的第四窗口7照射到第四接收器11上。

传统的绝对式编码器的工作原理：传统的绝对式编码器工作时，主光栅2和指示光栅3的相对运动产生明暗相间的莫尔条纹，光束经过主光栅2和指示光栅3后，在接收器上产生高低变化的光电信号，指示光栅3的四个窗口按照相位依次相差90°制作，故对应的四个接收器接收到的为相位依次相差90°的正弦信号，如图3所示，各光电信号的表达式为：

信号a:I_0°＝I₀+I′sin(θ)

信号b:I_180°＝I₀+I′sin(θ+180°)

信号c:I_90°＝I₀+I′sin(θ+90°)

信号d:I_270°＝I₀+Isin(θ+270°)

信号a与信号b差分放大，得到信号e，其表达式为：

信号e:I₁＝I_0°-I_180°＝2I′sin(θ)

信号c与信号d差分放大，得到信号f，其表达式为：

信号f:I₂＝I_90°-I_270°＝2I′cos(θ)

经过差分放大处理后，消除了原始信号中的共模量I₀，提高信号质量，得到两路相位差为90°的放大信号。

由以上结果经过计算，再加上编码器粗码的位置信息，能够得到绝对式编码器的角度值。

虽然使用以上两种方法设计出的编码器能够达到一定精度，但是其尺寸却很难进一步减小。现有图1中的方法光源较多，为了防止光源摆放位置干涉，主光栅的码道宽度很难减小，限制编码器径向尺寸减小。现有图2中的方法能够减小码盘宽度，但是由于加入了准直透镜，又增加了编码器的轴向和径向尺寸。

发明内容

本发明为解决现有由于编码器的尺寸较大，且由于增加准直透镜，进而导致增加编码器的轴向和径向尺寸的问题，提供一种基于相移补偿技术的绝对式光电编码器的设计方法。

基于相移补偿技术的绝对式光电编码器的设计方法，该方法由以下步骤实现：