专利名称：检测旋转物体转速及旋转角度的单码道光电编码器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光电编码器，尤其涉及一种检测旋转物体转速及旋转角度的 单码道光电编码器。
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即光栅盘、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，编码盘与旋转物体的电动机同轴，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规律地穿过编码盘，光敏元件接收的 光通量随透光扇区同步变化，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 据脉冲的形状、数目确定出旋转物体的转速、转向及位置等信息。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。光电编码器的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为增量式、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。但是绝对式编码器的码道数多，其编码盘的 结构复杂，精度要求高，制作困难；且随着分辨率的增加，其成本与制作难度相应增加，限制了其应用。
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单码道光电编码 器，该编码器能输出旋转物体的转角，也能输出转动物体的转速；编码盘上只有一条码道， 发光元件和光敏元件数目少，结构简单，成本低。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 的单码道光电编码器，包括圆形的编码盘，编码盘上设有码道，码道由透光扇区和不透光扇 区组成，编码盘两侧还设有位置相对的发光元件和光敏元件；光敏元件与数据处理装置相 连，其结构特点是所述的码道由编码段和非编码段交替排列组成，编码段和非编码段均由 弧度为θ的透光和不透光的扇区排列构成，其中所述的非编码段由大于Κ+2个透光和不透光的扇区交替排列组成，且两端的扇区 均为透光扇区，K为大于等于3的奇数；所述的编码段由Κ+2个透光和不透光的扇区排列组成，且两端的扇区也为透光扇 区；编码段非端部的K个扇区的排列方式为透光扇区对应的逻辑值0，不透光扇区对应的 逻辑值1，一个编码段的中间扇区对应于K位二进制编码；且任意两个编码段位二进制编码 均不相同；所述的码道上的发光元件和光敏元件分别为两个，两发光元件相间的弧度d为 θ/2的奇数倍，且小于非编码段的弧度，大于编码段的弧度(k+2) θ本实用新型的工作过程和原理是由于非编码段由交替排列的透光和不透光扇区组成，且两发光元件相间的弧度d 为θ/2的奇数倍，且小于非编码段的弧度，大于编码段的弧度(k+2) θ，所以只可能出一个 光敏元件处于编码段而另一个处于非编码段或者两个光敏元件都位于非编码段的两种情 况；即在任一时刻，总有一个光敏元件处于非编码段。随着物体的旋转，将任意一个处于非编码段的光敏元件的输出信号进行处理，可 得到连续的高、低电平交替变化的脉冲信号，由于每个扇区的弧度θ是确定的，根据特定 时间内所检测到的脉冲个数可计算得物体的转速以及当前时刻的相对旋转角度。当两个光敏元件位于非编码段时，由于两光敏元件相间的弧度d为θ /2的奇数 倍，因此两个光敏元件获得的两相脉冲信号相差1/4周期，根据该相位差的方向即可判断 出物体的旋转方向。由于每段编码段的两端及与编码段紧邻的非编码段的两端均是透光扇区，当二个 光敏元件中的一个的输出脉冲信号发生两次跳变，即0-1-0或1-0-1，而相差1/4周期的另 一个输出信号为00时，表明后者已进入编码段；随即在非编码段的光敏元件输出脉冲信号 的每个跳变时刻，读取已进入编码段的光敏元件的输出信号，读出的K个信号即被作为K位 二进制码；读完K位码以后，该光敏元件再次连续输出00信号时，表明该光敏元件离开编码 段进入非编码段。由于任意两个编码段的K位二进制编码均不相同，每一个编码段有唯一 的编码值，该编码值与该处位置一一对应。数据处理装置根据光敏元件读出的当前编码段 的编码值，即可准确地确定出物体的绝对旋转角度。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是[0017]在一条码道上依次分布非编码段和编码段，用二个光敏元件读取编码信息。与现 有的增量式编码器相比，由于本实用新型中的编码段相当于在非编码段中设置的多个定位 基准点，能够明显减小出现定位脉冲信号的漏计或错计及由此产生的累积误差，提高检测 精确；同时配合编码段的使用，本实用新型装置也能在编码段的位置检测出旋转物体的绝 对位置。因此，本实用新型装置兼有现有的增量式和绝对式编码器的功能。与绝对式编码 器相比，本实用新型只需要一个码道，二组发光、光敏元件，较之绝对编码器的K个编码码 道，本实用新型的码道数和发光元件、光敏元件均仅为绝对编码器的1/K，其数量大大减少， 结构明显简化，成本更低，可靠性高。
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是为图1中的编码盘顺时针旋转80°后的示意图。图3为图1的侧视图。
具体实施方式
实施例一图1、2、3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单码道光电编码器，包括圆形的编码盘1，编 码盘1上设有码道，码道由透光扇区3a和不透光扇区北组成，编码盘1两侧还设有位置相 对的发光元件4和光敏元件5 ；光敏元件5与数据处理装置相连。码道由编码段加和非编 码段2b交替排列组成，编码段加和非编码段2b均由弧度为θ的透光和不透光的扇区排 列构成，其中所述的非编码段2b由大于K+2个透光和不透光的扇区交替排列组成，且两端的扇 区均为透光扇区3a，K为大于等于3的奇数；所述的编码段加由K+2个透光和不透光的扇区排列组成，且两端的扇区也为透光 扇区3a ；编码段非端部的K个扇区的排列方式为透光扇区3a对应的逻辑值为0，不透光扇 区北对应的逻辑值为1，一个编码段的中间扇区对应于一组K位二进制编码；且任意两个 编码段的K位二进制编码均不相同；所述的码道上的发光元件4和光敏元件5分别为两个，两发光元件4相间的弧度 d为Θ/2的奇数倍，且小于非编码段的弧度，大于编码段的弧度(k+2) θ。图1示出，本例中K的具体值为3，非编码段2b由13(大于5)个透光和不透光的 扇区交替排列组成。编码段加由K+2 = 5个透光和不透光的扇区排列组成。非编码段2b、 编码段加均为四个，编码盘上的扇区总数为(13+幻*4 = 72个，每个扇区弧度为5°。编码段非端部的K = 3个扇区的排列方式为透光扇区3a对应的逻辑值为0，不 透光扇区北对应的逻辑值为1，一个编码段的中间扇区的3个逻辑值对应于一组3位二进 制编码；且任意两个编码段的3位二进制编码均不相同；图1中，从右边开始、沿逆时针方 向排列的四个编码段)的编码分别是000、001、010、011。本例中，二个光敏元件的间距为32. 5°，此间距大于一个编码段的弧度25°，而小于非编码段弧度65°，保证了两个光敏元件5只能同时都位于非编码段2b，或一个处于 非编码段2b而另一个处于编码段加，不会出现二个光敏元件5都位于编码段加的情况。非编码段2b的光敏元件5输出连续变化的高、低电平交替变化的脉冲信号，由于 每个扇区的弧度θ是确定的，根据特定时间内所检测到的脉冲个数可计算得物体的转速 以及当前时刻的相对旋转角度。设物体顺时针方向旋转，从图1的当前位置开始，下方的光敏元件5处于非编码 段，将依次输出101，即发生1-0-1两次跳变，而上方的光敏元件5输出连续的00，表示上方 光敏元件5进入编码段。随之在下方光敏元件5输出信号的3个跳变时刻读上方光敏元件 5的输出，读出的3个信号000即被作为3位二进制码000。设此刻物体的绝对旋转角度是 0°，根据以上分析，从图1中可以得出，上方的光敏元件5过各编码段读出的编码信号及其 对应的绝对转角见表1。表 权利要求1. 一种检测旋转物体转速及旋转角度的单码道光电编码器，包括圆形的编码盘(1)， 编码盘(1)上设有码道，码道由透光扇区(3a)和不透光扇区(3b)组成，编码盘(1)两侧还 设有位置相对的发光元件(4)和光敏元件(5)；光敏元件( 与数据处理装置相连，其特征 在于所述的码道由编码段Oa)和非编码段Qb)交替排列组成，编码段Oa)和非编码段 (2b)均由弧度为θ的透光和不透光的扇区排列构成，其中所述的非编码段Ob)由大于Κ+2个透光和不透光的扇区交替排列组成，且两端的扇区 均为透光扇区(3a)，K为大于等于3的奇数；所述的编码段Oa)由K+2个透光和不透光的扇区排列组成，且两端的扇区也为透光扇 区(3a)；编码段非端部的K个扇区的排列方式为透光扇区(3a)对应的逻辑值为0，不透光 扇区(3b)对应的逻辑值为1，一个编码段的中间扇区对应于一组K位二进制编码；且任意 两个编码段的K位二进制编码均不相同；所述的码道上的发光元件(4)和光敏元件( 分别为两个，两发光元件(4)相间的弧 度d为θ /2的奇数倍，且小于非编码段的弧度，大于编码段的弧度(k+2) θ。
专利摘要一种检测旋转物体转速及旋转角度的单码道光电编码器，其码道由编码段和非编码段交替排列组成，编码段和非编码段均由弧度为θ的透光和不透光的扇区排列构成，其中非编码段由大于K+2个透光和不透光的扇区交替排列组成，且两端的扇区均为透光扇区，K为≥3的奇数；编码段由K+2个扇区排列组成，且两端的扇区也为透光扇区；编码段非端部的K个扇区的排列方式为该K个扇区对应一组K位二进制编码；且任意两个编码段的K位二进制编码均不相同；码道上的两发光元件相间的弧度d为θ/2的奇数倍，且小于非编码段的弧度，大于编码段的弧度(k+2)θ。该编码器能同时输出旋转物体的转角和转速；只有一条码道，发光元件和光敏元件数目少，结构简单，成本低。
文档编号G01D5/36GK201819692SQ201020298769
公开日2011年5月4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