专利名称：检测旋转物体转速及旋转角度的光电编码器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种检测旋转物体转速及旋转角度的光电编码器。
背景技术：
光电编码器用于确定旋转物体的转速和位置，是一种通过光电转换将输出轴上的 机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器由编码盘(光栅盘)和发光元 件、光敏元件及数据处理装置等组成。发光元件和光敏元件分布在编码盘的两侧。编码盘 上有规则地分布有透光和不透光的扇区。工作时，编码盘与电动机同轴，电动机旋转时，编 码盘与电动机同速旋转，此时发光元件发出的光照射编码盘，光通过透光扇区由光敏元件 接收，光敏元件输出的波形经过数据处理装置整形后变为脉冲，根据透光扇区的分布规律 及输出脉冲的形状、数目等计算确定出旋转物体的转速及位置等信息。光电编码器的核心部件是编码盘，编码盘上沿同心圆布置的透光和不透光的扇区 组成码道。编码盘上有多条码道，每条码道均对应有相应的发光元件和光敏元件。现有的 光电编码器主要有增量式、绝对式两种。增量编码器的编码盘有三条码道。最外圈的码道上相间分布有弧度相同的透光与 不透光的扇形区，用来产生计数脉冲；扇形区的多少决定了编码器的分辨率，扇形区越多， 分辨率越高。中间一圈码道上有与外圈码道相同数目的扇形区，但错开半个扇形区，作为辨 向码道。第三圈码道上只有一条透光的窄扇区(窄缝)，它作为码盘的基准位置，所产生的 脉冲信号将给计数系统提供一个初始的零位(清零)信号。增量式编码器利用光电转换原 理，通过编码盘的三条码道输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90°，用于 判断旋转方向和转速。Z相为每旋转一圈输出一个脉冲，用于基准点定位。增量式编码器 所需的光敏元件数量少，码道的数量也少，因此其构造简单，寿命长，抗干扰能力强，可靠较 高。但增量式编码器无法输出轴转动的绝对位置信息和旋转角度，需要进行基准点定位脉 冲；若在物体旋转过程中出现漏计或错计脉冲信号，则该误差对旋转角度检测结果的影响 一直存在，并会进一步产生累积误差，直到得到基准点定位信号后才能得以修正。因此增量 式光电编码器每次使用之前都必须先定基准点。绝对式编码器的编码盘有N条同心码道，每一条码道由透光和不透光的扇区组 成，每一码道对应有一光敏元件。工作时，当码盘旋转于不同位置时，各光敏元件根据该位 置处的码道的扇形区透光与否转换出相应的高、低电平信号，形成数字二进制码，二进制数 码的位数与码盘上的码道数对应；不同角度上各码道形成的二进制编码不同，从而绝对式 编码器用在空间位置上标注的方式，将转动物体的位置转换为数字二进制码，使之在转轴 的任意位置都可读出一个固定的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N 位二进制分辨率的编码器，其码盘有N条码道。其特点是可以直接读出角度坐标的绝对 值；没有累积误差；电源切除后位置信息不会丢失。但是绝对式编码器分辨率由码道数确 定，因此其编码盘的结构复杂，精度要求高，制作困难；且随着码道数的增多，光敏元件数目 也大大增多，成本增加。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种检测旋转物体转速及旋转角度的光电编码器，该编 码器既能输出轴转动的绝对位置信息，使用方便；且其制作简单，分辨率高，成本低，抗干扰 能力强。本实用新型实现其目的所采用的技术方案是一种检测旋转物体转速及旋转角度 的光电编码器，包括编码盘，编码盘上有透光和不透光的扇区组成的码道，编码盘的码道两 侧设置有发光元件和光敏元件，光敏元件与数据处理装置相连，其结构特点是所述编码盘上的码道为内、外两条，一条为定位码道，另一条为编码码道，其中定位码道由大小相同、均勻分布的2N个透光和不透光的扇区相间排列组成，N为大 于等于2的正整数；编码码道由与定位码道的扇区弧度相同的透光和不透光的扇区组成，透光扇 区逻辑值为1，不透光扇区逻辑值为0，编码码道上的任意相邻的N个扇区构成N位二进制 编码，且任意两组编码不相同，共有2N组编码。本实用新型的工作过程和原理是光电编码器工作时，随物体旋转，由于定位码道由相同的透光和不透光扇区相间 组成，定位码道上对应的光敏元件输出宽度相同的定位脉冲信号，根据单位时间内脉冲的 个数求出物体旋转速度。同时，编码码道上的光敏元件感应编码码道扇区的变化，依次输出脉冲信号，由数 据处理装置根据定位码道上的得到的定位脉冲信号作为定位基准时钟，将最近输出的N个 脉冲信号转换为当前的N位二进制码。由于编码盘的码道上的任意相邻的N个扇区构成N 位二进制编码，且任意两组编码不相同，每组码对应编码盘上的一个空间位置。因此，N位 二进制码即对应于旋转物体当前的旋转角度和绝对位置。由于所有的编码均不相同，因此不同的编码对应不同的物体旋转角度。另外，根据 当前的编码值和前两个时刻的编码值变化情况，可判断出物体的旋转方向。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是一、不需要进行基准点定位，在任意时刻获得的编码便对应了该时刻物体的旋转 角度和旋转物体的绝对位置，使用方便，读数准确，无累积误差。二、编码码道上的相邻N个扇区构成N位二进制编码，共有2N个扇区，排列在一条 编码码道上，构成2N个绝对编码；在构成N位二进制编码编码时，当前扇区的信息在当前 编码的第一个位置上使用，然后在下一个编码的第二个位置上使用，以此类推，共使用了 N 次；而现有的绝对编码器需要N条码道，每条码道上2N个扇区，共有NX 2N个扇区，才能构成 个2N绝对编码，在构成编码时，每个扇区的信息只使用了一次。总之，本实用新型的编码器 在进行绝对定位时，所用的编码码道数只有1条，编码码道的扇区总数仅为2N个，即可实现 2N个位置编码；因此，本实用新型在实现相同编码个数的情况下，所需要的编码码道数和编 码码道的扇区总数大大减小，仅为现有绝对编码器的N分之一，从而使其结构更简单、制作 方便，成本大大降低，抗干扰能力强。上述的定位码道的扇区与编码码道相邻的扇区错开1/2扇区弧度。这样，以定位码道输出的标准信号作为时间基准的时钟信号，即在定位码道侧的
4光敏元件输出的每个脉冲跳变沿作为时间基准读取编码码道对应的二进制码，读码时，光 敏元件处于对应于编码码道每个扇区的中间位置，距离扇区的边沿最远，干扰最小，读数更 准确、可靠。上述的编码盘的编码码道两侧的发光元件和光敏元件分别为N个，且相邻的发光 元件或光敏元件之间的距离等于扇区的宽度。这样利用编码码道上顺序分布的N对发光元件和光敏元件，可对编码盘进行并行 读码，即将相邻的N个扇区的信息同时输出，实现N位并行读码，一次性地读出N位二进制 码的全部信息。使后续处理更简单、方便、迅速。
以下结合附图和具体实施方式
对实用新型进一步的详细说明。
图1是本实用新型实施例一的编码盘的结构示意图。图2是本实用新型实施例一的编码盘的剖视示意图。图3是本实用新型实施例二的编码盘的结构示意图。
具体实施方式
实施例一图1、2示出，本实用新型的一种具体实施方式
为一种检测旋转物体转速及旋转 角度的光电编码器，包括编码盘1，编码盘上有透光扇区3a和不透光扇区3b组成的码道2， 编码盘1的码道两侧设置有发光元件4和光敏元件5，光敏元件5与数据处理装置相连。编码盘1上的码道2为内、外两条，一条为定位码道2a，另一条为编码码道2b，其 中定位码道2a由大小相同、均勻分布的2N个透光和不透光的扇区3相间排列组成， N为大于等于2的正整数；编码码道2b由与定位码道2a的扇区弧度相同的透光和不透光的扇区3组 成，透光扇区3a逻辑值为1，不透光扇区3b逻辑值为0，编码码道2b上的任意相邻的N个 扇区3构成N位二进制编码，且任意两组编码不相同，共有2N组编码。定位码道2a的扇区与编码码道2b相邻的扇区3错开1/2扇区弧度。本例中，编码盘1按N = 4进行编码。两个码道2a、2b都有24 = 16个扇区。图1 示出，定位码道2a上16个扇区3按照透光扇区3a、不透光扇区3b交替排列；编码码道2b 也有16个扇区3。按以透光扇区3a作为逻辑值1，以不透光扇区3b作为逻辑值0，按4位 循环码编码，从而形成任意相邻的N = 4个扇区3构成4位二进制编码，且任意两组编码不 相同，共有2N = 16组编码。从图1中箭头开始的第一个扇区3开始，以顺时针方向读取的 16个扇区3对应的16个二进制逻辑值依次为0000101101001111。当物体按顺时针方向旋转时，取上述码组中的任意相邻四位作为一组二进制码， 并设定起始位置对应于二进制编码0000，则编码值与物体的旋转角度(转角)之间的关系 如表1。表 权利要求1.一种检测旋转物体转速及旋转角度的光电编码器，包括编码盘(1)，编码盘(1)上有 透光扇区(3a)和不透光扇区(3b)组成的码道，编码盘的码道两侧设置有发光元件(4)和 光敏元件(5)，光敏元件(5)与数据处理装置相连，其特征在于所述编码盘(1)上的码道为内、外两条，一条为定位码道(2a)，另一条为编码码道 (2b)，其中定位码道(2a)由大小相同、均勻分布的透光和不透光的扇区(3)相间排列组成， N为大于等于2的正整数；编码码道(2b)由与定位码道(2a)的扇区弧度相同的透光和不透光的扇区(3)组成。
2.如权利要求1所述的一种检测旋转物体转速及旋转角度的光电编码器，其特征在 于所述的定位码道(2a)的扇区与编码码道(2b)相邻的扇区(3)错开1/2扇区弧度。
3.如权利要求1所述的一种检测旋转物体转速及旋转角度的光电编码器，其特征在 于所述的编码盘⑴的编码码道(2b)两侧的发光元件⑷和光敏元件(5)分别为N个， 且相邻的发光元件(4)或光敏元件(5)之间的距离等于扇区(3)的宽度。
专利摘要一种检测旋转物体转速及旋转角度的光电编码器，包括编码盘，编码盘上的码道为内、外两条，一条为定位码道，另一条为编码码道，其中定位码道由大小相同、均匀分布的2N个透光和不透光的扇区相间排列组成，N为大于等于2的正整数；编码码道由与定位码道的扇区弧度相同的2N个透光和不透光的扇区组成，透光扇区逻辑值为1，不透光扇区逻辑值为0，编码码道上的任意相邻的N个扇区构成N位二进制编码，且任意两组编码不相同，共有2N组编码。该编码器既能输出轴转动的绝对位置信息，使用方便；且其制作简单，分辨率高，成本低，抗干扰能力强。
文档编号G01D5/347GK201780116SQ20102029881
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月20日 优先权日2010年8月20日
发明者刘国清, 张昆仑, 张湘, 王滢, 王莉, 舒泽亮, 董金文, 郭小舟, 郭育华, 靖永志 申请人:西南交通大学