一种基于光强正交调制的时栅角位移传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种传感器，具体涉及一种基于光强正交调制的时栅角位移传感器。
【背景技术】
[0002] 精密角位移测量领域主要采用光电编码器，光电编码器是一种通过光电转换，将 输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由光栅盘和光 电检测装置组成，光栅盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在光栅盘两侧安放发光元 件和光敏元件，光栅盘与电机同速旋转，经发光二极管检测装置检测输出若干脉冲信号。其 测量精度和分辨力取决于对圆周分度的线数和编码的位数，然而，随着精度需求的进一步 提高，特别是到1"~0.1"的精密角位移测量时，难以通过单纯的提高栅线数目和编码位 数来实现，其需要采用高精度的电子细分技术，从而使传感器的制造工艺要求苛刻、成本 高、抗干扰能力差。
[0003] 上世纪70年代，为了减少对栅线精密刻划的要求，飞利浦公司设计了一种粗光 栅，栅线宽度可以到_级，同细光栅一样有指示光栅和标尺光栅组成。测量过程采用多面 棱镜匀速旋转，将指示光栅的图像在标尺光栅上形成匀速扫描，假定运动速度恒定用时间 量对空间进行细分。事实上，多面棱体的机械式匀速运动的匀速性是难以保证的，而且机械 运动速度也无法达到很高的频率，难以实现精确的动态位移测量。从上世纪80年代末到本 世纪初，很多学者对粗光栅提出了多种改进方法，最具代表性的是重庆大学光电技术实验 室提出的图像扫描测量方法，用自扫描光敏阵列对粗光栅栅线位置进行识别，只用一个标 尺光栅即可实现测量，大大简化了安装工艺，但其测量精度和动态性取决于图像扫描的精 度和扫描频率，而图像扫描是一种离散的扫描方式，行扫描频率有限，也无法实现高精度的 测量和较高速度动态测试。
[0004] CN103591896A公开了一种基于交变光场的时栅直线位移传感器，其采用通过接收 双排栅面的透光光线形成两路驻波信号，再由加法电路合成一路行波信号的方式来实现直 线位移的测量。如果简单改变结构后用来测量角位移会存在如下问题：（1)多路光电接收 电路使得处理电路复杂，电路控制难度大；（2)定极板和动极板都为双排栅面，安装难度较 大，并且进行角位移测量时，不同半径的栅面要求保证面积相等，会增加加工工艺的难度， 进而增加成本。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种基于光强正交调制的时栅角位移传感器，以对角位移进 行精密测量，降低电路控制难度、安装难度以及加工工艺难度。
[0006] 本发明所述的基于光强正交调制的时栅角位移传感器，包括发光元件、动盘基体、 定盘基体和光电探测器，发光元件、定盘基体和光电探测器都相对固定，只有动盘基体可转 动。
[0007] 所述发光元件安装在动盘基体上方，发光元件由大小相等且互不干扰的第一、第 二、第三、第四光源体沿圆周方向依次间隔排列构成，第一、第二、第三、第四光源体分别通 入频率、幅值相等，相位为0°、90°、180°、270°的正弦激励电信号驱动，形成四组频率、 幅值相等，相位相差90°的交变光源，将圆周等分为四个互不干扰的光照区域（每个光照 区域内的光强均匀分布且按照正弦规律变化）。
[0008] 所述动盘基体上设有一圈沿圆周方向均匀间隔分布的呈扇环形的动盘透光面，相 邻两个动盘透光面间隔的圆心角等于一个动盘透光面的圆心角。
[0009] 所述定盘基体平行同轴安装在动盘基体下方，与动盘基体正对且留有间隙，动盘 基体能相对定盘基体转动，定盘基体上沿圆周方向设有第一组、第二组、第三组、第四组定 盘透光面，所述第一组定盘透光面的空间相位为0° (即处于第一象限内），在轴向与第一 光源体的光照区域对应，所述第二组定盘透光面的空间相位为90° (即处于第二象限内）， 在轴向与第二光源体的光照区域对应，所述第三组定盘透光面的空间相位为180° (即处 于第三象限内），在轴向与第三光源体的光照区域对应，所述第四组定盘透光面的空间相位 为270° (即处于第四象限内），在轴向与第四光源体的光照区域对应；各组定盘透光面的 个数相同、大小相等且都呈半正弦形（即[0,JT]区间的正弦曲线围成的区域形状），各组中 相邻两个定盘透光面间隔的圆心角等于一个定盘透光面的圆心角，各个定盘透光面的圆心 角等于动盘透光面的圆心角，各个定盘透光面的径向高度略小于动盘透光面的径向高度。 第一组、第二组、第三组、第四组定盘透光面与动盘透光面的对应关系满足：当第一组定盘 透光面与动盘透光面完全正对时，第二组定盘透光面相对于动盘透光面错开半个动盘透光 面的圆心角，第三组定盘透光面相对于动盘透光面错开一个动盘透光面的圆心角，第四组 定盘透光面相对于动盘透光面错开1. 5个动盘透光面的圆心角。
[0010] 所述光电探测器固定安装在定盘基体下方，光电探测器包括测头基体和固定在测 头基体上的光电测头，所述光电测头能同时接收到第一组、第二组、第三组、第四组定盘透 光面的全部光通量，并转换为电信号输出，该电信号为第一组、第二组、第三组、第四组定盘 透光面的光通量经光电转换后获得的光电流之和。
[0011] 动盘基体相对定盘基体转动，四组频率、幅值相等，相位相差90°的交变光源（即 时间正交调制），经动盘透光面和定盘透光面调制（即空间调制）后，由光电测头接收上述 光通量并转换为光电流1〇(即反应第一组、第二组、第三组、第四组定盘透光面光通量变化 的电信号）输出，该光电流Itl经放大、隔离后转换为电行波信号UC1 (反应动盘基体相对定盘 基体的转动位置），该电行波信号Utl与相位固定的同频参考信号U^>别整形后，由比相电 路进行比相，两路信号的相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，再经标度变换得到动盘 基体相对定盘基体的角位移值。
[0012] 进一步，所述第一、第二、第三、第四光源体都采用扇环形的发光二极管阵列或者 扇环形的半导体面光源，第一、第二、第三、第四光源体可以独立控制，并且需要控制好其出 光角度，以保证相互之间不产生干扰。
[0013] 进一步，所述光电测头为圆环形光电池或者圆环形光敏阵列。
[0014] 进一步，所述光电测头由大小相等的呈扇环形的第一、第二、第三、第四光敏阵列 沿圆周方向依次间隔排列构成，分别接收第一组、第二组、第三组、第四组定盘透光面的光 通量。
[0015] 本发明与现有技术相比，具有如下效果：
[0016] 第一、第二、第三、第四光源体通入同频同幅，相位分别为0°、90°、180°和 270°的正弦激励电信号驱动，形成四组频率、幅值相等，相位相差90°的交变光源，经动盘 透光面和定盘透光面的空间调制后，由光电测头输出光电流，经放大、隔离后直接转换为电 行波信号，以高频时钟脉冲插补，计算得到动盘基体相对于定盘基体的角位移值。其处理电 路简单，电路控制较容易、安装较方便；只需要满足发光元件形成的四个光照区域的光照强 度相等，且按照正弦规律变化，对后续的光电测头和电路处理部分要求较低，实现更容易； 另外，大面积透光面相对"精"、"细"的栅线而言加工工艺难度不高，从而避免了成本的增 加。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明实施例1的结构示意图。
[0018] 图2为本发明实施例1的动盘基体上的动盘透光面与定盘基体上的定盘透光面的 空间相位关系图。
[0019] 图3为本发明实施例1的光电探测器上的光电测头的引线方式图。
[0020] 图4为本发明实施例1中光电流转换为电行波信号Utl的原理图。
[0021] 图5为本发明实施例1的信号处理原理框图。
[0022] 图6为本发明实施例2的结构示意图。
[0023] 图7为本发明实施例2的光电探测器上的光电测头的引线方式图。
[0024] 图8为本发明实施例2中光电流转换为电行波信号Utl的原理图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明作详细说明。
[0026] 实施例1 :如图1至图5所示的基于光强正交调制的时栅角位移传感器，包括发光 元件1、动盘基体2、定盘基体3和光电探测器4,发光元件1、定盘基体3和光电探测器4都 相对固定不动，只有动盘基体2可转动。
[0027] 发光元件1安装在动盘基体2上方，发光元件1由大小相等且互不干扰的第一光 源体11、第二光源体12、第三光源体13和第四光源体14沿圆周方向依次间隔排列构成，第 一光源体