基于金屬碼盤的光電編碼器改進研究

摘 ?要 ?光電編碼器普通采用玻璃碼盤或塑料碼盤，玻璃優(yōu)點：熱穩(wěn)定性好，精度高，缺點：容易破碎、鍍層易磨損。塑料碼盤是經(jīng)濟型的，優(yōu)點：成本低，精度、熱穩(wěn)定性差，缺點：老化易裂、使用時間短。兩者共性問題是：不適應在惡劣條件下使用。本文闡述的金屬碼盤，采用成熟的工藝，環(huán)境適應性強、可靠性高等突出優(yōu)點，可克服上述碼盤的缺點，大幅提高其環(huán)境適應性。

關鍵詞 ?碼盤;穩(wěn)定性;精度;環(huán)境適應性

中圖分類號：TP212 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）21-0018-02

光電編碼器具有廣闊的應用前景，其在精密機床數(shù)控、精確測角等領域發(fā)揮了巨大的作用。隨著材料科學的發(fā)展，光電編碼器碼盤材料得到了提高，從而拓寬了光電編碼器的應用領域，在惡劣、振動條件下應用范圍得到了擴展。

1 ?結構及工作原理

光電編碼器是一個包含光機電三大領域技術的綜合系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理裝置組成。

安裝時碼盤與電機同軸，當電機旋轉時，碼盤與電機就會相應的同速旋轉，經(jīng)發(fā)光、接收管組成的數(shù)據(jù)采集裝置在機械位移中，轉換成若干個光電信號，經(jīng)單片機邏輯處理，輸出相應脈沖。

1）主體。采用光、機、電一體，全封閉結構。外殼選擇鑄鋁成型，優(yōu)點：具有強度高及防腐蝕性能好的特點，如圖1所示。

圖1 ?光電編碼器整體結構圖

2）碼盤。光柵盤是在一定直徑的金屬片上開通若干個等分的長方形孔，以通和不通刻線，分別代表數(shù)字量的“1”和“0”。

用玻璃碼盤或塑料碼盤，導致數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)處理裝置不能可靠的接收到光信號，不能準確傳遞速度反饋信息，使調(diào)速系統(tǒng)的信號與實際值出現(xiàn)偏差，導致系統(tǒng)誤動作，而引發(fā)生產(chǎn)事故。碼盤選擇低膨脹系數(shù)的金屬片制成。優(yōu)點：在高溫環(huán)境下不變形，并具有抗沖擊、抗振動能力，如圖2所示。

圖2 ?光電編碼器金屬碼盤

2 ?技術改進措施

1）獲取A、B相信號。將機械軸上的幾何位移量，轉換成數(shù)字信息量的過程，是由光電變換信號產(chǎn)生的，處理光電編碼器光電變換過程，是系統(tǒng)重要環(huán)節(jié)。

①“田”字排列光電接收器。

光敏器件是將光信息轉換成電信息（即通過光信號產(chǎn)生受控電信號）的器件。采用光敏器件為田字排列整體封裝，如圖3所示。

0 90

270 180

圖3 ?雙排布局裂相指示光柵示意圖。

田字排列的四裂相接收器，在光電編碼器應用中，稱之為四裂相讀取法，在碼盤與光源相對位移中，可以準確獲取四路各相差90°度正弦信號。其特點是：對照明不均勻有部分補充作用，可以消除軸系晃動、碼盤安裝偏心、刻劃半徑不等以及某些不對稱變形引起的數(shù)據(jù)誤差。

②安裝四相線光電接收器。

本文方法是將一個設計好光路的凸型透鏡與四相線光電接收器固定在一基座上，不采用指示光柵，克服了傳統(tǒng)光電編碼器的易受干擾缺點。

發(fā)光管發(fā)出的光，通過光柵經(jīng)透鏡，光電接收器上直接裂相，獲取四路相差90°度的正弦信號。通過差分放大電路，變成兩路相差90°度的正弦SIN與余弦COS波形，如圖4所示。

圖4 ?輸出波形圖

2）獲取零位脈沖信號。傳統(tǒng)光電編碼器莫爾條紋通常是由兩塊光柵疊加形成的，光柵固定在主軸上隨之一起移動，指示光柵與基座固定在一起。由于光束透過光柵及指示光柵過程中，必然存在雜光，所以接收管輸出帶有不同程度的殘余電壓，也稱之為次峰，在不同環(huán)境下，會產(chǎn)生計數(shù)錯誤，造成零位誤差。本文是不要指示光柵，而將兩個光電接收管粘合，與基座固定在一起。發(fā)光管發(fā)出的光，通過光柵直接裂相獲取兩路相差45°的零位脈沖信號。如圖5所示。

圖5 ?零位脈沖信號

圖6 ?零位脈沖處理電路

兩個光電接收管直接獲取最大通光量，接收管輸出可達到最大量的效果，所以我們將兩路零位脈沖信號，直接用電子學進行邏輯處理，將比較器電路組合成與門邏輯關系如圖6所示。

從零位波形圖中可以看出，波形斜率在高低溫環(huán)境下，變化很小，可以準確定位起始點，同時也提高了計數(shù)精度。

3 ?結論

本文通過將光電編碼器的碼盤改變?yōu)榻饘俨馁|，提高了光電編碼器的環(huán)境適應性;通過獲取A、B相信號及獲取零位脈沖信號兩方面的改進提高電路的抗干擾性及穩(wěn)定性。

通過本文的改進措施提高了光電編碼器的應用領域，提高了抗惡劣環(huán)境的能力。

參考文獻

[1]王顯軍.基于SOC單片機的高集成度光電編碼器電路設計[J].光學精密工程，2011，19（5）：1082-1087.

[2]趙長海，萬秋華，等.24位絕對式光電編碼器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].光電技術應用，2010，31（3）：468-471.

[3]劉長順，王顯軍，等.八矩陣超小型絕對式光電編碼器[J].光學精密工程，2010，12（2）：326-333.

作者簡介

劉長嶺，男，高級實驗師。endprint

摘 ?要 ?光電編碼器普通采用玻璃碼盤或塑料碼盤，玻璃優(yōu)點：熱穩(wěn)定性好，精度高，缺點：容易破碎、鍍層易磨損。塑料碼盤是經(jīng)濟型的，優(yōu)點：成本低，精度、熱穩(wěn)定性差，缺點：老化易裂、使用時間短。兩者共性問題是：不適應在惡劣條件下使用。本文闡述的金屬碼盤，采用成熟的工藝，環(huán)境適應性強、可靠性高等突出優(yōu)點，可克服上述碼盤的缺點，大幅提高其環(huán)境適應性。

關鍵詞 ?碼盤;穩(wěn)定性;精度;環(huán)境適應性

中圖分類號：TP212 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）21-0018-02

光電編碼器具有廣闊的應用前景，其在精密機床數(shù)控、精確測角等領域發(fā)揮了巨大的作用。隨著材料科學的發(fā)展，光電編碼器碼盤材料得到了提高，從而拓寬了光電編碼器的應用領域，在惡劣、振動條件下應用范圍得到了擴展。

1 ?結構及工作原理

光電編碼器是一個包含光機電三大領域技術的綜合系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理裝置組成。

安裝時碼盤與電機同軸，當電機旋轉時，碼盤與電機就會相應的同速旋轉，經(jīng)發(fā)光、接收管組成的數(shù)據(jù)采集裝置在機械位移中，轉換成若干個光電信號，經(jīng)單片機邏輯處理，輸出相應脈沖。

1）主體。采用光、機、電一體，全封閉結構。外殼選擇鑄鋁成型，優(yōu)點：具有強度高及防腐蝕性能好的特點，如圖1所示。

圖1 ?光電編碼器整體結構圖

2）碼盤。光柵盤是在一定直徑的金屬片上開通若干個等分的長方形孔，以通和不通刻線，分別代表數(shù)字量的“1”和“0”。

用玻璃碼盤或塑料碼盤，導致數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)處理裝置不能可靠的接收到光信號，不能準確傳遞速度反饋信息，使調(diào)速系統(tǒng)的信號與實際值出現(xiàn)偏差，導致系統(tǒng)誤動作，而引發(fā)生產(chǎn)事故。碼盤選擇低膨脹系數(shù)的金屬片制成。優(yōu)點：在高溫環(huán)境下不變形，并具有抗沖擊、抗振動能力，如圖2所示。

圖2 ?光電編碼器金屬碼盤

2 ?技術改進措施

1）獲取A、B相信號。將機械軸上的幾何位移量，轉換成數(shù)字信息量的過程，是由光電變換信號產(chǎn)生的，處理光電編碼器光電變換過程，是系統(tǒng)重要環(huán)節(jié)。

①“田”字排列光電接收器。

光敏器件是將光信息轉換成電信息（即通過光信號產(chǎn)生受控電信號）的器件。采用光敏器件為田字排列整體封裝，如圖3所示。

0 90

270 180

圖3 ?雙排布局裂相指示光柵示意圖。

田字排列的四裂相接收器，在光電編碼器應用中，稱之為四裂相讀取法，在碼盤與光源相對位移中，可以準確獲取四路各相差90°度正弦信號。其特點是：對照明不均勻有部分補充作用，可以消除軸系晃動、碼盤安裝偏心、刻劃半徑不等以及某些不對稱變形引起的數(shù)據(jù)誤差。

②安裝四相線光電接收器。

本文方法是將一個設計好光路的凸型透鏡與四相線光電接收器固定在一基座上，不采用指示光柵，克服了傳統(tǒng)光電編碼器的易受干擾缺點。

發(fā)光管發(fā)出的光，通過光柵經(jīng)透鏡，光電接收器上直接裂相，獲取四路相差90°度的正弦信號。通過差分放大電路，變成兩路相差90°度的正弦SIN與余弦COS波形，如圖4所示。

圖4 ?輸出波形圖

2）獲取零位脈沖信號。傳統(tǒng)光電編碼器莫爾條紋通常是由兩塊光柵疊加形成的，光柵固定在主軸上隨之一起移動，指示光柵與基座固定在一起。由于光束透過光柵及指示光柵過程中，必然存在雜光，所以接收管輸出帶有不同程度的殘余電壓，也稱之為次峰，在不同環(huán)境下，會產(chǎn)生計數(shù)錯誤，造成零位誤差。本文是不要指示光柵，而將兩個光電接收管粘合，與基座固定在一起。發(fā)光管發(fā)出的光，通過光柵直接裂相獲取兩路相差45°的零位脈沖信號。如圖5所示。

圖5 ?零位脈沖信號

圖6 ?零位脈沖處理電路

兩個光電接收管直接獲取最大通光量，接收管輸出可達到最大量的效果，所以我們將兩路零位脈沖信號，直接用電子學進行邏輯處理，將比較器電路組合成與門邏輯關系如圖6所示。

從零位波形圖中可以看出，波形斜率在高低溫環(huán)境下，變化很小，可以準確定位起始點，同時也提高了計數(shù)精度。

3 ?結論

本文通過將光電編碼器的碼盤改變?yōu)榻饘俨馁|，提高了光電編碼器的環(huán)境適應性;通過獲取A、B相信號及獲取零位脈沖信號兩方面的改進提高電路的抗干擾性及穩(wěn)定性。

通過本文的改進措施提高了光電編碼器的應用領域，提高了抗惡劣環(huán)境的能力。

參考文獻

[1]王顯軍.基于SOC單片機的高集成度光電編碼器電路設計[J].光學精密工程，2011，19（5）：1082-1087.

[2]趙長海，萬秋華，等.24位絕對式光電編碼器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].光電技術應用，2010，31（3）：468-471.

[3]劉長順，王顯軍，等.八矩陣超小型絕對式光電編碼器[J].光學精密工程，2010，12（2）：326-333.

作者簡介

劉長嶺，男，高級實驗師。endprint

摘 ?要 ?光電編碼器普通采用玻璃碼盤或塑料碼盤，玻璃優(yōu)點：熱穩(wěn)定性好，精度高，缺點：容易破碎、鍍層易磨損。塑料碼盤是經(jīng)濟型的，優(yōu)點：成本低，精度、熱穩(wěn)定性差，缺點：老化易裂、使用時間短。兩者共性問題是：不適應在惡劣條件下使用。本文闡述的金屬碼盤，采用成熟的工藝，環(huán)境適應性強、可靠性高等突出優(yōu)點，可克服上述碼盤的缺點，大幅提高其環(huán)境適應性。

關鍵詞 ?碼盤;穩(wěn)定性;精度;環(huán)境適應性

中圖分類號：TP212 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）21-0018-02

光電編碼器具有廣闊的應用前景，其在精密機床數(shù)控、精確測角等領域發(fā)揮了巨大的作用。隨著材料科學的發(fā)展，光電編碼器碼盤材料得到了提高，從而拓寬了光電編碼器的應用領域，在惡劣、振動條件下應用范圍得到了擴展。

1 ?結構及工作原理

光電編碼器是一個包含光機電三大領域技術的綜合系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理裝置組成。

安裝時碼盤與電機同軸，當電機旋轉時，碼盤與電機就會相應的同速旋轉，經(jīng)發(fā)光、接收管組成的數(shù)據(jù)采集裝置在機械位移中，轉換成若干個光電信號，經(jīng)單片機邏輯處理，輸出相應脈沖。

1）主體。采用光、機、電一體，全封閉結構。外殼選擇鑄鋁成型，優(yōu)點：具有強度高及防腐蝕性能好的特點，如圖1所示。

圖1 ?光電編碼器整體結構圖

2）碼盤。光柵盤是在一定直徑的金屬片上開通若干個等分的長方形孔，以通和不通刻線，分別代表數(shù)字量的“1”和“0”。

用玻璃碼盤或塑料碼盤，導致數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)處理裝置不能可靠的接收到光信號，不能準確傳遞速度反饋信息，使調(diào)速系統(tǒng)的信號與實際值出現(xiàn)偏差，導致系統(tǒng)誤動作，而引發(fā)生產(chǎn)事故。碼盤選擇低膨脹系數(shù)的金屬片制成。優(yōu)點：在高溫環(huán)境下不變形，并具有抗沖擊、抗振動能力，如圖2所示。

圖2 ?光電編碼器金屬碼盤

2 ?技術改進措施

1）獲取A、B相信號。將機械軸上的幾何位移量，轉換成數(shù)字信息量的過程，是由光電變換信號產(chǎn)生的，處理光電編碼器光電變換過程，是系統(tǒng)重要環(huán)節(jié)。

①“田”字排列光電接收器。

光敏器件是將光信息轉換成電信息（即通過光信號產(chǎn)生受控電信號）的器件。采用光敏器件為田字排列整體封裝，如圖3所示。

0 90

270 180

圖3 ?雙排布局裂相指示光柵示意圖。

田字排列的四裂相接收器，在光電編碼器應用中，稱之為四裂相讀取法，在碼盤與光源相對位移中，可以準確獲取四路各相差90°度正弦信號。其特點是：對照明不均勻有部分補充作用，可以消除軸系晃動、碼盤安裝偏心、刻劃半徑不等以及某些不對稱變形引起的數(shù)據(jù)誤差。

②安裝四相線光電接收器。

本文方法是將一個設計好光路的凸型透鏡與四相線光電接收器固定在一基座上，不采用指示光柵，克服了傳統(tǒng)光電編碼器的易受干擾缺點。

發(fā)光管發(fā)出的光，通過光柵經(jīng)透鏡，光電接收器上直接裂相，獲取四路相差90°度的正弦信號。通過差分放大電路，變成兩路相差90°度的正弦SIN與余弦COS波形，如圖4所示。

圖4 ?輸出波形圖

2）獲取零位脈沖信號。傳統(tǒng)光電編碼器莫爾條紋通常是由兩塊光柵疊加形成的，光柵固定在主軸上隨之一起移動，指示光柵與基座固定在一起。由于光束透過光柵及指示光柵過程中，必然存在雜光，所以接收管輸出帶有不同程度的殘余電壓，也稱之為次峰，在不同環(huán)境下，會產(chǎn)生計數(shù)錯誤，造成零位誤差。本文是不要指示光柵，而將兩個光電接收管粘合，與基座固定在一起。發(fā)光管發(fā)出的光，通過光柵直接裂相獲取兩路相差45°的零位脈沖信號。如圖5所示。

圖5 ?零位脈沖信號

圖6 ?零位脈沖處理電路

兩個光電接收管直接獲取最大通光量，接收管輸出可達到最大量的效果，所以我們將兩路零位脈沖信號，直接用電子學進行邏輯處理，將比較器電路組合成與門邏輯關系如圖6所示。

從零位波形圖中可以看出，波形斜率在高低溫環(huán)境下，變化很小，可以準確定位起始點，同時也提高了計數(shù)精度。

3 ?結論

本文通過將光電編碼器的碼盤改變?yōu)榻饘俨馁|，提高了光電編碼器的環(huán)境適應性;通過獲取A、B相信號及獲取零位脈沖信號兩方面的改進提高電路的抗干擾性及穩(wěn)定性。

通過本文的改進措施提高了光電編碼器的應用領域，提高了抗惡劣環(huán)境的能力。

參考文獻

[1]王顯軍.基于SOC單片機的高集成度光電編碼器電路設計[J].光學精密工程，2011，19（5）：1082-1087.

[2]趙長海，萬秋華，等.24位絕對式光電編碼器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].光電技術應用，2010，31（3）：468-471.

[3]劉長順，王顯軍，等.八矩陣超小型絕對式光電編碼器[J].光學精密工程，2010，12（2）：326-333.

作者簡介

劉長嶺，男，高級實驗師。endprint