[发明专利]一种基于光强正交调制的时栅角位移传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体涉及一种基于光强正交调制的时栅角位移传感器。

背景技术

精密角位移测量领域主要采用光电编码器，光电编码器是一种通过光电转换，将输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成，光栅盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在光栅盘两侧安放发光元件和光敏元件，光栅盘与电机同速旋转，经发光二极管检测装置检测输出若干脉冲信号。其测量精度和分辨力取决于对圆周分度的线数和编码的位数，然而，随着精度需求的进一步提高，特别是到1″～0.1″的精密角位移测量时，难以通过单纯的提高栅线数目和编码位数来实现，其需要采用高精度的电子细分技术，从而使传感器的制造工艺要求苛刻、成本高、抗干扰能力差。

上世纪70年代，为了减少对栅线精密刻划的要求，飞利浦公司设计了一种粗光栅，栅线宽度可以到mm级，同细光栅一样有指示光栅和标尺光栅组成。测量过程采用多面棱镜匀速旋转，将指示光栅的图像在标尺光栅上形成匀速扫描，假定运动速度恒定用时间量对空间进行细分。事实上，多面棱体的机械式匀速运动的匀速性是难以保证的，而且机械运动速度也无法达到很高的频率，难以实现精确的动态位移测量。从上世纪80年代末到本世纪初，很多学者对粗光栅提出了多种改进方法，最具代表性的是重庆大学光电技术实验室提出的图像扫描测量方法，用自扫描光敏阵列对粗光栅栅线位置进行识别，只用一个标尺光栅即可实现测量，大大简化了安装工艺，但其测量精度和动态性取决于图像扫描的精度和扫描频率，而图像扫描是一种离散的扫描方式，行扫描频率有限，也无法实现高精度的测量和较高速度动态测试。

CN103591896A公开了一种基于交变光场的时栅直线位移传感器，其采用通过接收双排栅面的透光光线形成两路驻波信号，再由加法电路合成一路行波信号的方式来实现直线位移的测量。如果简单改变结构后用来测量角位移会存在如下问题：(1)多路光电接收电路使得处理电路复杂，电路控制难度大；(2)定极板和动极板都为双排栅面，安装难度较大，并且进行角位移测量时，不同半径的栅面要求保证面积相等，会增加加工工艺的难度，进而增加成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光强正交调制的时栅角位移传感器，以对角位移进行精密测量，降低电路控制难度、安装难度以及加工工艺难度。

本发明所述的基于光强正交调制的时栅角位移传感器，包括发光元件、动盘基体、定盘基体和光电探测器，发光元件、定盘基体和光电探测器都相对固定，只有动盘基体可转动。

所述发光元件安装在动盘基体上方，发光元件由大小相等且互不干扰的第一、第二、第三、第四光源体沿圆周方向依次间隔排列构成，第一、第二、第三、第四光源体分别通入频率、幅值相等，相位为0°、90°、180°、270°的正弦激励电信号驱动，形成四组频率、幅值相等，相位相差90°的交变光源，将圆周等分为四个互不干扰的光照区域(每个光照区域内的光强均匀分布且按照正弦规律变化)。

所述动盘基体上设有一圈沿圆周方向均匀间隔分布的呈扇环形的动盘透光面，相邻两个动盘透光面间隔的圆心角等于一个动盘透光面的圆心角。

所述定盘基体平行同轴安装在动盘基体下方，与动盘基体正对且留有间隙，动盘基体能相对定盘基体转动，定盘基体上沿圆周方向设有第一组、第二组、第三组、第四组定盘透光面，所述第一组定盘透光面的空间相位为0°(即处于第一象限内)，在轴向与第一光源体的光照区域对应，所述第二组定盘透光面的空间相位为90°(即处于第二象限内)，在轴向与第二光源体的光照区域对应，所述第三组定盘透光面的空间相位为180°(即处于第三象限内)，在轴向与第三光源体的光照区域对应，所述第四组定盘透光面的空间相位为270°(即处于第四象限内)，在轴向与第四光源体的光照区域对应；各组定盘透光面的个数相同、大小相等且都呈半正弦形(即[0，π]区间的正弦曲线围成的区域形状)，各组中相邻两个定盘透光面间隔的圆心角等于一个定盘透光面的圆心角，各个定盘透光面的圆心角等于动盘透光面的圆心角，各个定盘透光面的径向高度略小于动盘透光面的径向高度。第一组、第二组、第三组、第四组定盘透光面与动盘透光面的对应关系满足：当第一组定盘透光面与动盘透光面完全正对时，第二组定盘透光面相对于动盘透光面错开半个动盘透光面的圆心角，第三组定盘透光面相对于动盘透光面错开一个动盘透光面的圆心角，第四组定盘透光面相对于动盘透光面错开1.5个动盘透光面的圆心角。