CN103512598B - 一种绝对式矩阵编码器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于自动化领域测量旋转角度、旋转速度、直线位移等物理量的传感器件，尤其是一种绝对式矩阵编码器。包括同主轴间隙布置的码盘和狭缝盘及分别位于码盘左侧的光源和位于狭缝盘右侧的读数头及与读数头相连的信号处理装置，码盘跟随主轴转动，狭缝盘相对码盘不动。各圈狭缝在通光时接收到高电平信号，不通光时是低电平信号，该编码盘能输出十个编码，狭缝盘尺寸小，可采用单头读取信号，结构简单，调试方便，大幅度地提高了编码器小型化、微型化的发展。

Description

一种绝对式矩阵编码器

技术领域

本发明属于利用传递传感构件输出的测量技术领域，涉及一种用于自动化领域测量旋转角度、旋转速度、直线位移等物理量的传感器件，具体是一种绝对式矩阵编码器。

技术背景

光电轴角编码器是一种常用的测量长度、角度、速度等物理量的传感器，按编码方式的不同，大体可分为增量式、绝对式和准绝对式光电编码器三大类，其中绝对式光电轴角编码器具有绝对位置计数，精度高，可靠稳定，受外界干扰小等优点。机械工具，汽车制动***有时需要传感器产生的数字值来指示机械位置。如图1是编码盘和一些触点的概念图，根据盘转的位置，触点产生一个3位二进制编码，共有8个这样的编码。盘中暗的区域与对应的逻辑1的信号源相连；亮的区域没有连接，触点将其解释为逻辑0。使用格雷码对编码盘上的亮暗区域编码，使得其连续的码字之间只有一个数位变化。这样就不会因为器件制造的精确度有限，而使得触点转到边界位置而出现错误编码。

光电轴角编码器的核心元件是编码盘，包括图2码盘和相匹配的图3所示的狭缝盘，其中码盘与编码器主轴相连接，当主轴转动时，带动码盘同步转动。在码盘的一侧装有光源（红外发光管），在另一侧装有光电接收管，在码盘与光电接收管之间装有狭缝盘。光源发出的光穿过码盘，狭缝，被光电接收管接受。当码盘与狭缝发生相对角位移时，光电信号被调制成强弱变化的电信号，在经放大，整形，译码等技术环节，输出二进制电平码。

随着工业化和高科技的发展以及军工、科研等领域的需要，对光电轴角编码器小型化的要求越来越迫切。光电轴角编码器小型化的要求，必须使码盘和狭缝盘的径向尺寸缩小或者对码盘的码道设计编排上采用特殊的设计方法，但是，码盘与狭缝的尺寸缩小后，影响码道区域的有效宽度，也就是说，如果要保证同样的分辨率，要么码道数量不变，只能减少码道的宽度，这样对尺寸的减小贡献很小；如果要保证码道宽度不变，只能是减少码道数量，这样会造成编码器分辨率降低。

图2所示的码盘和图3所示的狭缝盘相匹配构成的矩阵编码盘，只能输出8位码，编码器的测角分辨率只能达到1.40625°。因此，要求码盘的径向尺寸缩小而又不减少编码器的输出位数，就要在码盘的码道布局上采取新的设计方法。

发明内容

本发明克服了迄今公开的技术存在的缺陷，提高编码器的测角精度，缩小编码器的结构尺寸，解决绝对式编码器小型化的需要，扩大编码器的应用和使用范围，提出了一种新型的绝对式矩阵编码器。

本发明的目的是这样实现的：一种绝对式矩阵编码器，包括同主轴间隙布置的码盘和狭缝盘及分别位于码盘左侧的光源和位于狭缝盘右侧的光敏元件及与光敏元件相连的信号处理装置，所述的码盘上沿径向刻划***道，所述的狭缝盘上对应地设置有狭缝，其特征在于：所述的码盘上码道数为3：

第一圈码道设置有不同的分区，分别为0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°四个扇形区域：在0°～90°的区域内，全部为非通光区段；在90°～180°区域内，全部为通光区段；在180°～270°的区域内，有两个通光区段和不两个不通光区段，两者等宽且相间分布，每个通光区段和不通光区段的宽度都为22.5°；在270°～360°区域内，有两个，宽度为22.5°的通光区段，通光区段的宽度为唯一一个非通光区段的一半；第二圈码道为校正码，是在整个圆周上等间距的设有16个通光区段和16个不通光区段，他们宽度为11.25当相间分布，其中一个通光区段，以0°线对称，上下各有5.625°；

第三圈码道均分为四个扇形区域，每个扇形区域的通光区段和不通光区段的设置方式相同；每一宽为90°的扇形区域中，通光区段的段数按2，4，8，16的等比数列梯次分布在每个宽为22.5°的分区域中，同一分区域中的通光区段和不通光区段的相间分布，每两个通光区段间的不通光区段与通光区段的等宽，但首、尾两个通光区段的外侧还各有一个半宽不通光区段，即其宽度为通光区段的一半，以实现通光区段和不通光区段各自的总宽度均等于11.25°。

作为优选，一种绝对式矩阵编码器，所述狭缝盘与所述码盘对应的径向位置上，在总宽为90°的扇形区域内设置有等大的条状狭缝，具体为：A：第一道设有八条狭缝，用a1、 a2、a3 、a4 、a5、a6 、a7、a8表示，a1在357.1875°、a2在2.8125°、a3在19.6875°、a4在25.3125°、a5在42.1875°、a6在47.8125°、a7在64.6875°、a8在70.3125°；B：第二道设有两条狭缝，用b1 、b2 表示，b1在5.625°、b2在11.25°；C：第三道设有四条狭缝，用c1、c2、c3、c4表示，c1在0°、c2在22.5°、c3在45°、c4在67.5°。码盘的第一圈码道与狭缝盘的第一道狭缝相匹配，码盘的第二圈码道与狭缝盘的第二道狭缝相匹配，码盘的第三圈码道与狭缝盘的第三道狭缝相匹配，当码盘顺时针转动时，第一道狭缝、第二道狭缝、第三道狭缝，在遇到码盘上相对应的码道的通光区段时，并且透过狭缝盘的狭缝就呈现高电平状态。遇到不通光区段时，呈现低电平状态，没有信号输出。这样的电平信号组合，就代表了被测对象的运动特征。

作为优选，一种绝对式矩阵编码器，所述狭缝盘为扇形，总宽为90°的范围内，每狭缝宽50um，并与通光区段径向等长。该狭缝盘尺寸更小，能有效节省材料，狭缝设置也同样紧凑，配合码盘可输出10位编码。

作为优选，一种绝对式矩阵编码器。所述的绝对式矩阵编码器，所述位于码盘左侧的光源的只有一个；所述位于狭缝盘右侧的光敏元件有14个，即每个光敏元件正对狭缝盘上每条狭缝。这充分利用了每条狭缝，较现有技术按码道数设置光敏元件，可得到更多编码。

本发明的工作原理：工作原理如图6，它包括码盘1、狭缝盘2、光源3、光敏元件4、信号处理装置5、主轴6。编码器工作时，码盘1随主轴6旋转，由光源3发出的光线透过码盘1和狭缝盘2被光敏元件4所接收，然后经放大、整形，通过译码将非周期码转化成标准的十位格雷码。

本发明的积极效果是，同是三圈码道与三道狭缝的匹配，现有技术只能输出八位编码，测角分辨率为1.40625°，本发明输出十位编码，测角分辨率为0.3515625°。现有技术狭缝窗口在360°圆周上四等分分布，本实用新型狭缝分布在90°的扇形范围内，狭缝尺寸为已有技术狭缝尺寸的1/4，结构简单，调试方便，成本低廉，促进编码器向小型化、微型化发展，扩大了编码器的应用范围。

附图说明

图1是码盘和一些触点的概念图；

图2现有技术的码盘；

图3是与图1的配套的现有技术的狭缝盘；

图4是本发明实施例的码盘的结构示意图；

图5是本发明实施例的狭缝盘的结构示意图；

图6 本发明工作原理图；

图7是本发明实施例的第一圈的高电平信号显示表，表1；

图8是图6的周期二进制码译码表，表2；

图9是本发明实施例的第三圈的周期二进制码译码表，表3；

图10是本发明的码道工作图。

图中：1、码盘，1a、通光区段，1b、不通光区段，1b’、 半宽不通光区段， 2、狭缝盘，2a、狭缝,3光源，4、光敏元件，5、信号处理装置，6、主轴。

具体实施例

下面通过实施例，并结合各附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：本发明公开了一种绝对式矩阵编码器。本发明工作原理见图6，包括同主轴6间隙布置的码盘1和狭缝盘2及分别位于码盘左侧的光源3和位于狭缝盘右侧的读数头4及与读数头4相连的信号处理装置5，所述的码盘1上沿径向刻划***道，所述的狭缝盘2上对应地设置有狭缝2a，所述的码盘1上码道数为3，包括同轴间隙布置的码盘1和狭缝盘2及分别位于码盘左侧的一个光源3和位于狭缝盘右侧的读数头4及与3个读数头4相连的信号处理装置，所述的码盘1上沿径向刻划***道，所述的狭缝盘2上对应地设置有狭缝2a，其特征在于：所述的码盘1上码道数为3，具体为码盘1和狭缝2的材质可采用K9光学玻璃、采用表面镀铬、光刻、复制的方法制成。同轴间隙布置的码盘1和狭缝盘2，外形尺寸为φ30同心圆环，所述的码盘1上沿径向刻划***道，所述的狭缝盘2上对应地设置有狭缝2a，所述的码盘1上码道数为3，第一圈码道设置有不同的分区，分别为0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°四个扇形区域：在0°～90°的区域内，全部为非通光区段1b；在90°～180°区域内，全部为通光区段；在180°～270°的区域内，有两个通光区段1a和两个不通光区段1b，两者宽度相等但相间分布，每个通光区段1a和不通光区段1b的宽度都为22.5°；在270°～360°区域内，有两个通光区段1a，通光区段1a的宽度为非通光区段1b的一半，宽度为22.5°；第二圈码道为校正码，是在整个圆周上等间距的设有16个通光区段1a和16个不通光区段，他们宽度为11.25°相间分布，其中一个通光区段，以0°线对称，上下各有5.625°；第三圈码道均分为四个扇形区域，每个扇形区域的通光区段1a和不通光区段1b的设置方式相同；每一宽为90°的扇形区域中，通光区段的段数按2，4，8，16的等比数列梯次分布在每个宽为22.5°的分区域中，同一分区域中的通光区段1a和不通光区段1b相间分布，每两个通光区段间的不通光区段与通光区段的等宽，但首、尾两个通光区段的外侧还各有一个半宽不通光区段1b’，即其宽度为通光区段的一半，以实现通光区段1a和不通光区段1b各自的宽度均等于11.25°。所述狭缝盘2与所述码盘1对应的径向位置上，在总宽为90°的扇形区域内设置有等大的条状狭缝2a，具体为：A：第一道设有八条狭缝2a，用a1、 a2、a3 、a4 、a5、a6 、a7、a8表示，a1在357.1875°、a2在2.8125°、a3在19.6875°、a4在25.3125°、a5在42.1875°、a6在47.8125°、a7在64.6875°、a8在70.3125°；B：第二道设有两条狭缝2a，用b1 、b2 表示，b1在5.625°、b2在11.25°；C：第三道设有四条狭缝2a，用c1、c2、c3、c4表示，c1在0°、c2在22.5°、c3在45°、c4在67.5°，依次相差22.5°。两者相互平行并保持一定的间隙，分别安装在编码器的旋转的主轴和固定的主体上，码盘1随编码器主轴转动，狭缝盘2相对于编码器主轴固定不转动，码盘1与狭缝盘2之间相对转动，输出代码记录着编码器主轴转动的角位移位置。码盘1的第一圈码道与狭缝盘的第一道狭缝相匹配，码盘1的第二圈码道与狭缝盘的第二道狭缝相匹配，如图4的码盘1的第三圈码道与如图5狭缝盘的第三道狭缝相匹配，当码盘1顺时针转动时，第一道狭缝2a、第二道狭缝2a、第三道狭缝2a，在遇到码盘1上相对应的码道的通光区段时，光敏元件4呈现高电平状态，会有信号输出。遇到不通光区段时，光敏元件4呈现低电平状态，没有信号输出。第一道狭缝a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8接收到的光电信号如图7的表1所示：AX代表通光区高电平信号，空格代表不通光区低电平信号，信号处理的关系式为：

图7的表1中，以A1所在行为例，代表当码盘如果在90°～112.5°，112.5°～135°，135°～157.5°，157.5°～180°，202.5°～225°，247.5°～270°，270°～292.5°，337.5°～360°位置，同时得到高电平AX，其余为低电平信号，对应高低电平用1和0表示，则A1对应行表示为二进制数为0000111101011001后续的A2到A4依次相差22.5°。A1、A2、A3、A4不是传统的周期码，通过译码处理成标准二进制码Z1、Z2、Z3、Z4，译码表见图8的表2所示。D1所在列指明码盘的16个22.5°的读数位置，对应表1中D1所对应的行的序列号。第一列的0指是码盘上0°～22.5°对应的位置。A1列就是将二进制数0000111101011001列向排列，D2列对应A1到A4为D1序号0的横向二进制数0000的十进制数0。D3列下对连续的十进制数0到15，Z1到Z4列的任一行为对应D3列下行的十进制数转成的二进制数，如D3列第3行的值为2，转成二进制数为0010，这样，Z3列下的二进制数为0011001100110011。

第二道狭缝b₁和b₂各自输出了单一的A5码和A6码，无须经特殊处理即已成为传统的第5位码A5和第6位码A6。第三道狭缝c1、c2、c3、c4接收到的光信号，如图9的表3所示，处理成传统周期二进制码的关系式为：

表中，c1行与第一列交叉对应的A7，表示在0°～22.5°, 90°～112.5°,180°～

202.5°,270°～292.5°位置得到高电平，其他角度为低电平时，读出代码A7,对应逻辑关系式。

 实施例2：一种绝对式矩阵编码器，包括圆环状的码盘1和扇形的狭缝盘2，均采用K9光学玻璃，两者布置方式同实施例1，但是外形尺寸为φ25。所述位于码盘左侧的光源的只有一个和所述位于狭缝盘右侧的光敏元件有14个，即每个光敏元件4正对狭缝盘2上每条狭缝2a。

狭缝盘2上的三道狭缝2a的刻划方式为：A：第一道设有八条狭缝2a，用a1、 a2、a3 、a4 、a5、a6 、a7、a8表示，a1在-2.8125°、a2在2.8125°、a3在19.6875°、a4在25.3125°、a5在42.1875°、a6在47.8125°、a7在64.6875°、a8在70.3125°；B：第二道设有两条狭缝2a，用b1 、b2 表示，b1在5.625°、b2在11.25°；C：第三道设有四条狭缝2a，用c1、c2、c3、c4表示，c1在0°、c2在22.5°、c3在45°、c4在67.5°。当顺时针转动时，同样可实现10个不同格雷码，以区分码盘1转过的绝对角度值。

实施例3：一种绝对式矩阵编码器，只须放大码盘1和90°扇形的狭缝盘2的径向尺寸，而不用改变刻划布局方式，采用不同的译码表，前例的四矩阵码盘，亦可变成八矩阵码盘，其可输出14个不同格雷码、分辨率可达到360°/2¹⁴=0.02°，具体工作原理见图6。这充分利用了每条狭缝，较现有技术按码道数设置光敏元件，可得到更多编码。对于同为3条码道的现有技术只能输出2³个编码。

总之，本发明与现有技术比较，同是三圈码道与三圈狭缝的匹配，材质也可采用金属。已有技术只能输出八位编码，测角分辨率为1.40625°，本实用新型输出十位编码，测角分辨率为0.3515625°。现有技术狭缝窗口在360°圆周上四等分分布，本发明狭缝窗口分布在90°范围内，狭缝尺寸为已有技术狭缝尺寸的1/4，而且采用本实用新型的编码器，只需要固定的单光源，结构简单，调试方便，成本低廉，促进编码器向小型化、微型化发展，扩大了编码器的应用范围。

Claims (4)

1.一种绝对式矩阵编码器，包括同旋转主轴（6）间隙布置的码盘（1）和狭缝盘（2）及分别位于码盘左侧的光源（3）和位于狭缝盘右侧的光敏元件（4）及与光敏元件（4）相连的信号处理装置（5），其特征在于，所述的码盘（1）上沿径向刻划***道，所述的狭缝盘（2）上对应地设置有狭缝(2a)，其特征在于：所述的码盘（1）上码道数为3，

A：第一圈码道设置有不同的分区，分别为0°～90°、90°～180°、180°～270°、

270°～360°四个扇形区域：在0°～90°的区域内，全部为不通光区段（1b）；在90°～180°区域内，全部为通光区段（1a）；在180°～270°的区域内，有两个通光区段（1a）和两个不通光区段（1b），两者等宽并相间分布，每个通光区段（1a）和不通光区段（1b）宽度都为22.5°；在270°～360°区域内，有两个宽度为22.5°通光区段（1a），是唯一一个不通光区段宽度的一半；

B：第二圈码道为校正码，是在整个圆周上等间距的设有16个通光区段（1a）和16个不通光区段（1b），他们宽度为11.25°但相间分布，其中一个通光区段（1a），以0°线对称，上下各有5.625°；

C：第三圈码道均分为四个扇形区域，每个扇形区域的通光区段和不通光区段的设置方式相同；每一宽为90°的扇形区域中，通光区段（1a）的段数按2，4，8，16的等比数列梯次分布在每个宽为22.5°的分区域中，同一分区域中的通光区段（1a）和不通光区段（1b）相间分布，每两个通光区段（1a）间的不通光区段（1b）与通光区段（1a）等宽，但首、尾两个通光区段（1a）的外侧还各有一个半宽不通光区段（1b’），即其宽度为通光区段（1a）的一半，以实现通光区段（1a）和不通光区段（1b）各自的总宽度均等于11.25°。

2.根据权利要求1所述的绝对式矩阵编码器，其特征在于：所述狭缝盘（2）与所述码盘（1）对应的径向位置上，在总宽为90°的扇形区域内设置有等大的条状狭缝(2a)，具体为：

A：第一道设有八条狭缝(2a)，用a1、 a2、 a3 、a4 、a5、 a6 、a7、 a8表示，a1在357.1875°、a2在2.8125°、a3在19.6875°、a4在25.3125°、a5在42.1875°、a6在47.8125°、a7在64.6875°、a8在70.3125°；

B：第二道设有两条狭缝(2a)，用b1 、b2 表示，b1在5.625°、b2在11.25°；

C：第三道设有四条狭缝(2a)，用c1、 c2、 c3、 c4表示，c1在0°、c2在22.5°、c3在45°、c4在67.5°。

3.根据权利要求2所述的绝对式矩阵编码器，其特征在于：所述狭缝盘（2）为扇形，总宽为90°，每狭缝(2a)宽50um，并与通光区段（1a）径向等长。

4. 根据权利要求2或3所述的绝对式矩阵编码器，其特征在于：所述位于码盘左侧的光源（3）只有一个；所述位于狭缝盘右侧的光敏元件（4）有14个，即每个光敏元件（4）正对狭缝盘（2）上每条狭缝(2a)。