專利名稱：一種單碼道光電編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電編碼器，尤其涉及一種單碼道光電編碼器。
背景技術(shù)：
光電編碼器用于確定旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速和位置，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的 機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器由編碼盤即光柵盤、發(fā)光元件、 光敏元件及數(shù)據(jù)處理裝置等組成。發(fā)光元件和光敏元件分布在編碼盤的兩側(cè)。編碼盤上有 規(guī)則地分布有透光和不透光的扇區(qū)。工作時，編碼盤與旋轉(zhuǎn)物體的電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn) 時，編碼盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，此時發(fā)光元件發(fā)出的光規(guī)律地穿過編碼盤，光敏元件接收的 光通量隨透光扇區(qū)同步變化，光敏元件輸出的波形經(jīng)過數(shù)據(jù)處理裝置整形后變?yōu)槊}沖，根 據(jù)脈沖的形狀、數(shù)目確定出旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向及位置等信息。光電編碼器的核心部件是編碼盤，編碼盤上沿同心圓布置的透光和不透光的扇區(qū) 組成碼道。光電編碼器的編碼盤上有多條碼道，每條碼道均對應(yīng)有相應(yīng)的發(fā)光元件和光敏 元件?，F(xiàn)有的光電編碼器主要為增量式、絕對式兩種。增量編碼器的編碼盤有三條碼道。最外圈的碼道上相間分布有弧度相同的透光與 不透光的扇形區(qū)，用來產(chǎn)生計數(shù)脈沖；扇形區(qū)的多少決定了編碼器的分辨率，扇形區(qū)越多， 分辨率越高。中間一圈碼道上有與外圈碼道相同數(shù)目的扇形區(qū)，但錯開半個扇形區(qū)，作為辨 向碼道。第三圈碼道上只有一條透光的窄扇區(qū)(窄縫)，它作為碼盤的基準位置，所產(chǎn)生的 脈沖信號將給計數(shù)系統(tǒng)提供一個初始的零位(清零)信號。增量式編碼器利用光電轉(zhuǎn)換原 理，通過編碼盤的三條碼道輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90°，用于 判斷旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速。Z相為每旋轉(zhuǎn)一圈輸出一個脈沖，用于基準點定位。增量式編碼器 所需的光敏元件數(shù)量少，碼道的數(shù)量也少，因此其構(gòu)造簡單，壽命長，抗干擾能力強，可靠較 高。但增量式編碼器無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息和旋轉(zhuǎn)角度，需要進行基準點定位脈 沖；若在物體旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)漏計或錯計脈沖信號，則該誤差對旋轉(zhuǎn)角度檢測結(jié)果的影響 一直存在，并會進一步產(chǎn)生累積誤差，直到得到基準點定位信號后才能得以修正。因此增量 式光電編碼器每次使用之前都必須先定基準點。絕對式編碼器的編碼盤有N條同心碼道，每一條碼道由透光和不透光的扇區(qū)組 成，每一碼道對應(yīng)一光敏元件。工作時，當碼盤旋轉(zhuǎn)于不同位置時，各光敏元件根據(jù)該位置 處的碼道的扇形區(qū)透光與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的高、低電平信號，形成數(shù)字二進制碼，二進制數(shù)碼 的位數(shù)與碼盤上的碼道數(shù)對應(yīng)；不同角度上各碼道形成的二進制編碼不同，從而絕對式編 碼器用在空間位置上標注的方式，將轉(zhuǎn)動物體的位置轉(zhuǎn)換為數(shù)字二進制碼，使之在轉(zhuǎn)軸的 任意位置都可讀出一個固定的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有N位 二進制分辨率的編碼器，其碼盤有N條碼道。其特點是可以直接讀出角度坐標的絕對值； 沒有累積誤差；電源切除后位置信息不會丟失。但是絕對式編碼器的碼道數(shù)多，其編碼盤的 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，制作困難；且隨著分辨率的增加，其成本與制作難度相應(yīng)增加，限制 了其應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種單碼道光電編碼器，該編碼器能輸出旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)角， 也能輸出轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)速；編碼盤上只有一條碼道，發(fā)光元件和光敏元件數(shù)目少，結(jié)構(gòu)簡 單，成本低。本發(fā)明實現(xiàn)其目的所采用的技術(shù)方案是一種單碼道光電編碼器，包括圓形的編 碼盤，編碼盤上設(shè)有碼道，碼道由透光扇區(qū)和不透光扇區(qū)組成，編碼盤兩側(cè)還設(shè)有位置相對 的發(fā)光元件和光敏元件；光敏元件與數(shù)據(jù)處理裝置相連，其結(jié)構(gòu)特點是所述的碼道由編 碼段和非編碼段交替排列組成，編碼段和非編碼段均由弧度為θ的透光和不透光的扇區(qū) 排列構(gòu)成，其中所述的非編碼段由大于Κ+2個透光和不透光的扇區(qū)交替排列組成，且兩端的扇區(qū) 均為透光扇區(qū)，K為大于等于3的奇數(shù)；所述的編碼段由Κ+2個透光和不透光的扇區(qū)排列組成，且兩端的扇區(qū)也為透光扇 區(qū)；編碼段非端部的K個扇區(qū)的排列方式為透光扇區(qū)對應(yīng)的邏輯值0，不透光扇區(qū)對應(yīng)的 邏輯值1，一個編碼段的中間扇區(qū)對應(yīng)于K位二進制編碼；且任意兩個編碼段位二進制編碼 均不相同；所述的碼道上的發(fā)光元件和光敏元件分別為兩個，兩發(fā)光元件相間的弧度d為 θ/2的奇數(shù)倍，且小于非編碼段的弧度，大于編碼段的弧度(k+2) θ本發(fā)明的工作過程和原理是由于非編碼段由交替排列的透光和不透光扇區(qū)組成，且兩發(fā)光元件相間的弧度d 為θ/2的奇數(shù)倍，且小于非編碼段的弧度，大于編碼段的弧度(k+2) θ，所以只可能出一個 光敏元件處于編碼段而另一個處于非編碼段或者兩個光敏元件都位于非編碼段的兩種情 況；即在任一時刻，總有一個光敏元件處于非編碼段。隨著物體的旋轉(zhuǎn)，將任意一個處于非編碼段的光敏元件的輸出信號進行處理，可 得到連續(xù)的高、低電平交替變化的脈沖信號，由于每個扇區(qū)的弧度θ是確定的，根據(jù)特定 時間內(nèi)所檢測到的脈沖個數(shù)可計算得物體的轉(zhuǎn)速以及當前時刻的相對旋轉(zhuǎn)角度。當兩個光敏元件位于非編碼段時，由于兩光敏元件相間的弧度d為θ /2的奇數(shù) 倍，因此兩個光敏元件獲得的兩相脈沖信號相差1/4周期，根據(jù)該相位差的方向即可判斷 出物體的旋轉(zhuǎn)方向。由于每段編碼段的兩端及與編碼段緊鄰的非編碼段的兩端均是透光扇區(qū)，當二個 光敏元件中的一個的輸出脈沖信號發(fā)生兩次跳變，即0-1-0或1-0-1，而相差1/4周期的另 一個輸出信號為00時，表明后者已進入編碼段；隨即在非編碼段的光敏元件輸出脈沖信號 的每個跳變時刻，讀取已進入編碼段的光敏元件的輸出信號，讀出的K個信號即被作為K位 二進制碼；讀完K位碼以后，該光敏元件再次連續(xù)輸出00信號時，表明該光敏元件離開編碼 段進入非編碼段。由于任意兩個編碼段的K位二進制編碼均不相同，每一個編碼段有唯一 的編碼值，該編碼值與該處位置一一對應(yīng)。數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)光敏元件讀出的當前編碼段 的編碼值，即可準確地確定出物體的絕對旋轉(zhuǎn)角度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是在一條碼道上依次分布非編碼段和編碼段，用二個光敏元件讀取編碼信息。與現(xiàn) 有的增量式編碼器相比，由于本發(fā)明中的編碼段相當于在非編碼段中設(shè)置的多個定位基準點，能夠明顯減小出現(xiàn)定位脈沖信號的漏計或錯計及由此產(chǎn)生的累積誤差，提高檢測精確； 同時配合編碼段的使用，本發(fā)明裝置也能在編碼段的位置檢測出旋轉(zhuǎn)物體的絕對位置。因 此，本發(fā)明裝置兼有現(xiàn)有的增量式和絕對式編碼器的功能。與絕對式編碼器相比，本發(fā)明只 需要一個碼道，二組發(fā)光、光敏元件，較之絕對編碼器的K個編碼碼道，本發(fā)明的碼道數(shù)和 發(fā)光元件、光敏元件均僅為絕對編碼器的1/K，其數(shù)量大大減少，結(jié)構(gòu)明顯簡化，成本更低， 可靠性高。下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對發(fā)明進一步的詳細說明。


圖1是本發(fā)明實施例一的編碼盤的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是為圖1中的編碼盤順時針旋轉(zhuǎn)80°后的示意圖。圖3為圖1的側(cè)視圖。
具體實施例方式實施例一圖1、2、3示出，本發(fā)明的一種具體實施方式
為一種單碼道光電編碼器，包括圓形的編碼盤1，編碼盤1上設(shè)有碼道，碼道由透光 扇區(qū)3a和不透光扇區(qū)3b組成，編碼盤1兩側(cè)還設(shè)有位置相對的發(fā)光元件4和光敏元件5 ； 光敏元件5與數(shù)據(jù)處理裝置相連。碼道由編碼段2a和非編碼段2b交替排列組成，編碼段 2a和非編碼段2b均由弧度為θ的透光和不透光的扇區(qū)排列構(gòu)成，其中所述的非編碼段2b由大于K+2個透光和不透光的扇區(qū)交替排列組成，且兩端的扇 區(qū)均為透光扇區(qū)3a，K為大于等于3的奇數(shù)；所述的編碼段2a由K+2個透光和不透光的扇區(qū)排列組成，且兩端的扇區(qū)也為透光 扇區(qū)3a ；編碼段非端部的K個扇區(qū)的排列方式為透光扇區(qū)3a對應(yīng)的邏輯值為0，不透光扇 區(qū)3b對應(yīng)的邏輯值為1，一個編碼段的中間扇區(qū)對應(yīng)于一組K位二進制編碼；且任意兩個 編碼段的K位二進制編碼均不相同；所述的碼道上的發(fā)光元件4和光敏元件5分別為兩個，兩發(fā)光元件4相間的弧度 d為Θ/2的奇數(shù)倍，且小于非編碼段的弧度，大于編碼段的弧度(k+2) θ。圖1示出，本例中K的具體值為3，非編碼段2b由13 (大于5)個透光和不透光的 扇區(qū)交替排列組成。編碼段2a由K+2 = 5個透光和不透光的扇區(qū)排列組成。非編碼段2b、 編碼段2a均為四個，編碼盤上的扇區(qū)總數(shù)為(13+5)*4 = 72個，每個扇區(qū)弧度為5°。編碼段非端部的K = 3個扇區(qū)的排列方式為透光扇區(qū)3a對應(yīng)的邏輯值為0，不 透光扇區(qū)3b對應(yīng)的邏輯值為1，一個編碼段的中間扇區(qū)的3個邏輯值對應(yīng)于一組3位二進 制編碼；且任意兩個編碼段的3位二進制編碼均不相同；圖1中，從右邊開始、沿逆時針方 向排列的四個編碼段)的編碼分別是000、001、010、011。本例中，二個光敏元件的間距為32. 5°，此間距大于一個編碼段的弧度25°，而 小于非編碼段弧度65°，保證了兩個光敏元件5只能同時都位于非編碼段2b，或一個處于 非編碼段2b而另一個處于編碼段2a，不會出現(xiàn)二個光敏元件5都位于編碼段2a的情況。非編碼段2b的光敏元件5輸出連續(xù)變化的高、低電平交替變化的脈沖信號，由于每個扇區(qū)的弧度e是確定的，根據(jù)特定時間內(nèi)所檢測到的脈沖個數(shù)可計算得物體的轉(zhuǎn)速 以及當前時刻的相對旋轉(zhuǎn)角度。設(shè)物體順時針方向旋轉(zhuǎn)，從圖1的當前位置開始，下方的光敏元件5處于非編碼 段，將依次輸出101，即發(fā)生1-0-1兩次跳變，而上方的光敏元件5輸出連續(xù)的00，表示上方 光敏元件5進入編碼段。隨之在下方光敏元件5輸出信號的3個跳變時刻讀上方光敏元件 5的輸出，讀出的3個信號000即被作為3位二進制碼000。設(shè)此刻物體的絕對旋轉(zhuǎn)角度是 0°，根據(jù)以上分析，從圖1中可以得出，上方的光敏元件5過各編碼段讀出的編碼信號及其 對應(yīng)的絕對轉(zhuǎn)角見表1。表 權(quán)利要求
一種單碼道光電編碼器，包括圓形的編碼盤(1)，編碼盤(1)上設(shè)有碼道，碼道由透光扇區(qū)(3a)和不透光扇區(qū)(3b)組成，編碼盤(1)兩側(cè)還設(shè)有位置相對的發(fā)光元件(4)和光敏元件(5)；光敏元件(5)與數(shù)據(jù)處理裝置相連，其特征在于所述的碼道由編碼段(2a)和非編碼段(2b)交替排列組成，編碼段(2a)和非編碼段(2b)均由弧度為θ的透光和不透光的扇區(qū)排列構(gòu)成，其中所述的非編碼段(2b)由大于K+2個透光和不透光的扇區(qū)交替排列組成，且兩端的扇區(qū)均為透光扇區(qū)(3a)，K為大于等于3的奇數(shù)；所述的編碼段(2a)由K+2個透光和不透光的扇區(qū)排列組成，且兩端的扇區(qū)也為透光扇區(qū)(3a)；編碼段非端部的K個扇區(qū)的排列方式為透光扇區(qū)(3a)對應(yīng)的邏輯值為0，不透光扇區(qū)(3b)對應(yīng)的邏輯值為1，一個編碼段的中間扇區(qū)對應(yīng)于一組K位二進制編碼；且任意兩個編碼段的K位二進制編碼均不相同；所述的碼道上的發(fā)光元件(4)和光敏元件(5)分別為兩個，兩發(fā)光元件(4)相間的弧度d為θ/2的奇數(shù)倍，且小于非編碼段的弧度，大于編碼段的弧度(k+2)θ。
全文摘要
一種單碼道光電編碼器，它的碼道由編碼段和非編碼段交替排列組成，編碼段和非編碼段均由弧度為θ的透光和不透光的扇區(qū)排列構(gòu)成，其中非編碼段由大于K+2個透光和不透光的扇區(qū)交替排列組成，且兩端的扇區(qū)均為透光扇區(qū)，K為大于等于3的奇數(shù)；編碼段由K+2個扇區(qū)排列組成，且兩端的扇區(qū)也為透光扇區(qū)；編碼段非端部的K個扇區(qū)的排列方式為該K個扇區(qū)對應(yīng)于一組K位二進制編碼；且任意兩個編碼段的K位二進制編碼均不相同；碼道上的兩發(fā)光元件相間的弧度d為θ/2的奇數(shù)倍，且小于非編碼段的弧度，大于編碼段的弧度(k+2)θ。該編碼器能輸出旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)角，也能輸出轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)速；只有一條碼道，發(fā)光元件和光敏元件數(shù)目少，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。
文檔編號G01D5/347GK101984328SQ201010258370
公開日2011年3月9日 申請日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者劉國清, 張昆侖, 張湘, 王瀅, 王莉, 舒澤亮, 董金文, 郭小舟, 郭育華, 靖永志 申請人:西南交通大學(xué)