專利名稱：分辨率可調通用游標式光柵讀數(shù)頭的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于電子技術領域，涉及一種數(shù)字式位移傳感器，更具體的說是一種分辨率 可調通用游標式光柵讀數(shù)頭。
背景技術：
光柵讀數(shù)頭是一種與標尺光柵配合用于對線性位移或轉角進行計量的幾何量傳感器，也 稱為光電編碼器。根據(jù)采用的標尺光柵是透射型或反射型分為透射型光柵讀數(shù)頭和反射型光 柵讀數(shù)頭；根據(jù)標尺光柵是長光柵或園光柵分為線性長光柵讀數(shù)頭和軸角光柵讀數(shù)頭。目前， 正在使用的光柵讀數(shù)頭主要有兩類， 一類是集成光電編碼器，它是將發(fā)光二極管(LED)光源 和檢測電路集成在一個模塊內，檢測電路上除了有信號放大器，比較器外還同時集成有光電 二極管陣列，并利用光電二極管的幾何陣列結構形成指示光柵。這類集成光電編碼器由于內 部的光電檢測電路包括指示光柵在集成電路制造時已經(jīng)固定，所以每一種光電編碼器只能對 應一種分辨率。而實際應用中，通常要保證分辨率在很大的范圍內可以選擇，所以造成集成 光電編碼器的種類非常繁多，有時為了提高分辨率，這種編碼器需要增加后級細分電路，這 些都給制造和使用都帶來很多不便，而且，由于編碼器內部的指示光柵柵距參數(shù)固定，導致 對與它匹配的標尺光柵參數(shù)要求更加嚴格，容易造成測量誤差；另一類是分離式結構光柵讀 數(shù)頭，它是將各種元件焊接在PCB電路板上和安裝固定在支架上構成光柵檢測系統(tǒng)，如目前 的軸角旋轉編碼器和長光柵讀數(shù)頭很多采用此結構，但是這種分離式結構的讀數(shù)頭存在組裝 調試復雜，精度和可靠性難以保證的缺點。
發(fā)明內容鑒于現(xiàn)有技術存在上述缺陷，本實用新型提出了一種新型的分辨率可調通用游標式光柵 讀數(shù)頭，它是一個適用于各種精度的通用型光柵位移檢測模塊，它可以根據(jù)需要任意選擇和 設定光柵檢測分辨率，并能夠使標尺光柵與指示光柵之間獲得最好的匹配，提高光柵的測量 精度，減少應用的復雜性和成本。
本實用新型實現(xiàn)上述性能所采用的技術解決方案是發(fā)光二極管、光電池和光柵信號處 理電路均被集成封裝在模塊內，僅留下發(fā)光二極管(LED)發(fā)光孔和光電池窗口，光電池窗口 寬度取固定值且等于莫爾條紋的間距，光電池窗口的上方四周是矩形指示光柵凹槽，其面積 大于光電池窗口面積，指示光柵大小等于凹槽長寬值，安裝時，指示光柵邊緣涂膠后嵌貼在 凹槽中，嵌貼時光柵的柵線與光電池單元列向保持平行，指示光柵上零位參考點位置對準下 部的光電池，指示光柵表面保持比模塊上平面略低或相同。指示光柵材料可以是玻璃光柵、 滌綸(聚酯)片基光柵或金屬光柵。根據(jù)光柵干涉理論，指示光柵柵距(周期)可以用下面 推導出的公式確定
P' = ^~+P (1)
r
公式1中，Pl'表示指示光柵的柵距，P為標尺光柵的柵距，T為莫爾條紋的間距(周期)，它等于光電池窗口的寬度。由公式(1)可知，當光電池窗口寬度固定后，對應于標尺光柵柵 距參數(shù)，指示光柵柵距就能被唯一確定，莫爾條紋間距對于光柵尺柵距的放大特性與游標測 量放大原理相同。而當標尺光柵柵距參數(shù)改變后，只要用公式(1)算得的新的指示光柵代替 原來的指示光柵就可以保證光柵付有最佳的匹配，這種通用型設計不僅保證了光柵具有很高 的測量精度，而且在標尺光柵改變時只要更換指示光柵不需要更換光柵讀數(shù)頭，這在原先采 用集成光電編碼器時是行不通的。公式(1)不僅適用于線性長光柵，它對于園光柵也同樣適 用，對于園光柵，公式中的P和P'分別代表園光柵碼盤和指示光柵的節(jié)距，T代表莫爾條紋 的節(jié)距。
本實用新型在信號處理電路中集成了光柵信號細分電路和細分倍率選擇電路，為了保證 細分的精度，在細分前設有波形重構電路，以最大限度的減少信號波形的非線性給細分帶來 的影響。光柵讀數(shù)頭檢測分辨率(R)=標尺光柵柵距(P) X細分倍率(K)，細分倍率選擇 通過對讀數(shù)頭引腳電平設置來實現(xiàn)，細分檔位數(shù)(N) =2"，其中，n為細分倍率選擇端口 (引 腳)數(shù)。由于直接將細分電路納入讀數(shù)頭模塊內部，而且細分倍率可以通過外部編程選擇， 這給應用帶來極大的方便性，它能夠讓用戶在非常寬的檢測分辨率范圍內做出選擇，同時， 還允許實時在線改變讀數(shù)頭輸出分辨率。
本實用新型的有益效果是，可以在較低成本下制造出通用型、高精度、高可靠的光柵讀 數(shù)頭，讓光柵檢測功能更全、更強、使用更方便。
以下結合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明。


圖1是本實用新型透射型結構示意圖。
圖2是本實用新型的電路框圖。
圖3是本實用新型透射型結構三視圖。
圖4是本實用新型反射型結構示意圖。
具體實施方式
在圖1中，指示光柵(2)嵌貼在指示光柵凹槽(3)內，發(fā)光二極管(1)發(fā)出的平行光 束在經(jīng)過檢測通道中的標尺光柵(圖中未標出)后，光柵影像與下部的指示光柵發(fā)生干涉作 用產(chǎn)生縱向莫爾條紋投射到底部的光電池(4)上，縱向莫爾條紋的間距等于圖3中光電池窗 口 (6)寬度，本實施例中，光電池窗口寬度=縱向莫爾條紋的間距=2鵬，由于主光電池是 平行排列的4個單元光電池陣列，所以，對應每個莫爾條紋周期，四個光電池將產(chǎn)生四路相 位差為90°的正弦信號，信號經(jīng)過信號處理電路(5)中的差分放大器放大和濾波電路處理 后，變?yōu)閮陕氛恍盘?。為了減少正、余弦信號的非線性給后級細分帶來的影響，信號處理 電路中設計了波形重構電路。信號細分采用A/D變換細分法以保證細分精度和具備多種細分 倍率，細分倍率選擇控制由內部專用電路完成，倍率設定通過引腳(7)中的S0 S2電平組 合實現(xiàn)，可以從8種細分倍率中選擇一種。本實用新型中細分倍率為Xl, X2， X4， X10' X40， X.IOO， X200， X512，也可以根據(jù)需要采用其他倍率。光柵輸出信號為二路正交的方 波信號，從引腳A，B端輸出。零位參考信號由專門的一塊光電池讀取'經(jīng)放大整形后從引腳Z端輸出。
圖4所示的實施例是本實用新型的反射型結構示意圖，圖中發(fā)光二極管和光柵檢測部分 在同一個平面，發(fā)光二極管呈一定的傾角，當讀數(shù)頭和反射式光柵尺相對移動時，光電池接 收反射進入的光柵莫爾條紋圖像，其工作原理同上述的透射式結構實施例。
本實用新型同樣適用于園光柵對軸角的檢測，并且具有上述的全部性能和特點。只要將 光電池形狀設計成部分圓環(huán)型，指示光柵根據(jù)園碼盤的參數(shù)按公式(1)計算節(jié)距，就能獲得 最好的信號質量。
安裝孔(8)分別位于本實用新型的兩邊，用于對讀數(shù)頭的安裝固定。
權利要求1.一種分辨率可調通用游標式光柵讀數(shù)頭，包括發(fā)光二極管、光電池、光柵信號處理電路、指示光柵以及封裝外殼等構成，其特征是發(fā)光二極管、光電池、光柵信號處理電路被集成封裝于單個模塊內，模塊上光電池窗口的寬度與縱向莫爾條紋間距相同。
2. 根據(jù)權利要求1所述的分辨率可調通用游標式光柵讀數(shù)頭，其特征是指示光柵嵌貼在光 電池窗口上方的指示光柵凹槽中，指示光柵的柵線與光電池平行。
3. 根據(jù)權利要求1所述的分辨率可調通用游標式光柵讀數(shù)頭，其特征是光柵信號處理電路內部集成了信號細分電路和細分倍率選擇電路，通過外部的分辨率選擇引腳設定不同的 輸出分辨率。
4. 權利要求1或2或者3所述的分辨率可調通用游標式光柵讀數(shù)頭，其特征是根據(jù)使用的 標尺光柵類型不同具有透射型封裝結構和反射性封裝結構形式。
5. 權利要求1或2或者3所述的分辨率可調通用游標式光柵讀數(shù)頭，其特征是根據(jù)光柵檢 測對象不同具有線性位移檢測結構和軸角檢測結構形式。
專利摘要一種輸出分辨率可調的通用游標式光柵讀數(shù)頭。它是將發(fā)光二極管、光電池和信號處理電路集成封裝成為單個模塊。光電池窗口寬度等于莫爾條紋間距，光電池窗口上方開有指示光柵凹槽，指示光柵采用嵌貼方法安裝在凹槽內；內部的信號處理單元包含了信號細分和倍率選擇電路，光柵信號的細分倍率由外部引腳的電平選擇。工作時，指示光柵和與它柵距相匹配的標尺光柵發(fā)生相對位移生成縱向莫爾條紋，圖像經(jīng)過光電池轉換成光電信號并經(jīng)信號處理電路處理后，輸出反映位移量特征的二路正交脈沖信號和一路零位參考信號。該實用新型用于高精度、高可靠線性位移或轉角計量中。
文檔編號G01B11/02GK201373734SQ20082017555
公開日2009年12月30日 申請日期2008年10月21日 優(yōu)先權日2008年10月21日
發(fā)明者朱孝立 申請人:朱孝立;陳軍寧;葉 飛