一种npn/pnp光栅尺的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种NPN/PNP光栅尺，包括信号采集模块、比较器、NPN三极管和PNP三极管；信号采集模块输出传输给比较器，比较器的输出信号传输给NPN三极管，NPN三极管输出NPN信号；NPN三极管输出信号又供给PNP三极管，PNP三极管输出PNP信号。本实用新型具有以下优点：实现光栅尺NPN信号和PNP信号双输出；提高信号输出稳定性；提高信号的通用性；主板的通用性；降低成本。
【专利说明】
一种NPN/PNP光栅尺
技术领域
[0001 ] 本实用新型涉及仪器仪表领域，具体涉及一种NPN/PNP光栅尺。
【背景技术】
[0002]光栅尺也称为光栅尺位移传感器(光栅尺传感器)，是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床固定部件上，光栅读数头装在机床活动部位上，指示光栅装在光栅读数头中。光栅检测装置的关键部分是光栅读数头，它由光源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成。是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号常为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。
[0003]目前，光栅尺可分为NPN输出或PNP输出。NPN光栅尺通过24V电源供电，其内部采用的是一款比较老旧的AIC1594电源芯片，将24V电压转换成5V电压供内部芯片使用。NPN光栅尺是通过光电对管采集光栅尺位移信号，通过LM339比较器输出5V TTL方波信号来触发NPN三极管的饱和或截止状态。从而通过三极管输出NPN信号。
[0004]上述存在以下缺点:
[0005]NPN光栅尺采用的是较为普通型的三极管，型号为S8050封装为S0T-32无内置限流电阻的NPN三极管，需要外接一颗2K的限流电阻。在电路上更为复杂，NPN光栅尺内无PNP三极管，所以无法输出PNP信号。信号通用性差。
【实用新型内容】
[0006]为解决上述问题，本实用新型提出了一种NPN/PNP光栅尺。
[0007]本实用新型的解决方案如下:
[0008]一种NPN/PNP光栅尺，包括信号采集模块、比较器、NPN三极管和PNP三极管;信号采集模块输出传输给比较器，比较器的输出信号传输给NPN三极管，NPN三极管输出NPN信号；NPN三极管输出信号又供给PNP三极管，PNP三极管输出PNP信号。
[0009 ]优选的，比较器的输出信号接NPN管的基极;NPN管的发射极接地、NPN管的集电级作为输出输出NPN信号；NPN管的集电级直接接PNP管的基极;PNP管的发射极接电源、PNP管的集电级作为输出PNP信号。
[0010]优选的，比较器为LM339比较器。
[0011 ] 优选的，NPN三极管和PNP三极管为MMUN_2216的NPN型三极管和MMUN_2112的PNP三极管。
[0012]一种NPN/PNP光栅尺，包括三路比较输出路径;每路输出路径包括信号采集模块、比较器、NPN三极管和PNP三极管;信号采集模块输出传输给比较器，比较器的输出信号传输给NPN三极管，NPN三极管输出NPN信号，NPN三极管输出信号又供给PNP三极管，PNP三极管输出PNP信号;三路NPN三极管输出NPN信号分别为A、B和Z;三路PNP三极管输出PNP信号分别为-A、-B 和-Z。
[0013]优选的，A信号和B信号的相位差为90度用来判别光栅尺的移动方向，Z信号表不为光栅尺零位信号。
[0014]本实用新型具有以下优点:
[0015]1、实现光栅尺NPN信号和PNP信号双输出。
[0016]2、提高信号输出稳定性。
[0017]3、提高信号的通用性。
[0018]4、主板的通用性。
[0019]5、降低成本。
【附图说明】
[0020]图1为本实用新型NPN/PNP光栅尺工作原理图。
[0021 ]图2为本实用新型NPN/PNP光栅尺单路工作电路图。
[0022]图3为本实用新型NPN型三极管电路图。
[0023]图4为本实用新型PNP型三极管电路图。
[0024]图5为本实用新型NPN/PNP光栅尺三路工作电路图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细、完整地说明。
[0026]光栅尺，也称为光栅尺位移传感器(光栅尺传感器)，是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。
[0027]本实用新型的NPN/PNP光栅尺是在之前NPN光栅尺基础上改进而来的，光栅尺是一种高精度测量仪器，光栅尺是通过光栅玻璃滑动产生莫尔条纹。如图1所示，通过信号采集模块(即:光电对管采集)把光信号转换成电信号，信号采集模块的输出传输给比较器，需要强调的是这里的比较器优选为LM339比较器，LM339收集到信号后转换成TTL方波信号输出，LM339输出的方波信号传输给NPN三极管，NPN三极管输出NPN信号供外部使用，其NPN三极管输出信号又供给PNP三极管，使PNP三极管输出PNP信号供外部使用，从而实现NPN和PNP信号的双输出。
[0028]NPN/PNP光栅尺是需要接入24V电源，可以同时输出NPN信号和PNP信号。光栅尺其内部分别用的是NPN三极管和PNP三极管，NPN型与PNP型三极管其实就是利用三极管的饱和和截止输出两种状态，属于开关型传感器。但输出信号是截然相反的，即高电平和低电平。NPN输出是低电平0，ΡΝΡ输出的是高电平UPNP是指当有信号触发时，信号输出线out和电源线VCC连接，相当于输出高电平的电源线。NPN是指当有信号触发时，信号输出线out和Ov线连接，相当于输出低电平。
[0029]如图2本实用新型NPN/PNP光栅尺工作电路图所示，光电对管采集的信号通过比较器后直接接NPN管的基极、NPN管的发射极接地、NPN管的集电级作为输出同时NPN管的集电级直接接PNP管的基极;PNP管的发射极接电源Vcc、PNP管的集电级作为输出。
[0030]本实用新型中对于NPN/PNP三极管的选择如下:
[0031]NPN/PNP光栅尺是通过NPN三极管和PNP三极管的截止和饱和两个状态来输出信号，为了实现电路的简化选用了 ON公司封装为S0T-32的MMUN_2216的NPN型三极管和MMUN_2112的PNP型三极管，NPN型三极管内置有一颗4.7K限流电阻Rl，PNP型三极管有一颗22K限流电阻Rl和一颗22K的偏置电阻R2 JPN三极管和PNP三极管我们选用的是工业级的三极管，从而使光栅尺能在恶劣的条件下正常工作，使光栅尺输出信号更加稳定，减小光栅尺故障率，提高光栅尺使用寿命。图3为本实用新型NPN型三极管电路图，图4为本实用新型PNP型三极管电路图。同时，选用ON公司封装为S0T-32的MMUN_2216的NPN型三极管和丽UN_2112的NPN三极管减小了电路板面积。通过LM339芯片输出TTL方波信号来触发NPN三极管导通和截止，使NPN三极管输出NPN信号。
[0032]MMUN_2216的NPN型三极管和MMUN_2112的PNP三极管的电路原理图如图3本实用新型NPN型三极管电路图和图4本实用新型PNP型三极管电路图所示。NPN三极管输出NPN信号的同时也输入给PNP三极管(MMUN_2112)，PNP三极管内置一颗22K的限流电阻和一颗22K的偏置电阻，提高了 PNP三极管的稳定性和减小了电路板的体积，PNP三极管通过NPN三极管的截止和饱和状态来触发PNP三极管，使PNP三极管输出PNP信号。
[0033]本实用新型中供电电路设计，NPN/PNP光栅尺是采用的是24V电源供电，通过LM2594电源芯片将输入的24V电压转换成5V电压供电路板上的LM339使用和光电对管使用。上述供电电路为常用电路结构，在这里就不在进行详细介绍了。
[0034]光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分，目前光栅尺传感器系统采用电子细分方法。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量。
[0035]在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与判向功能。栅线为50线对/mm的光栅尺，其光栅栅距为0.02mm，若采用四细分后便可得到分辨率为5μπι的计数脉冲，这在工业普通测控中已达到了很高精度。由于位移是一个矢量，即要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，通常采用由低漂移运放构成的差分放大器。由4个光敏器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为90度，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1:1的方波。然后通过对方波的相位进行判别比较，就可以得到光栅尺的移动方向。通过对方波脉冲进行计数，可以得到光栅尺的位移和速度。
[0036]在本实用新型中ΝΡΝ/ΡΝΡ光栅尺采用了5个光电对管，1-4个光电对管实现电子细分与判断方向功能，第5个光电对管用来采集光栅尺零位信号，光电对管采集到的信号输入到LM339芯片进行细分输出TTL方波信号。如图5本实用新型ΝΡΝ/ΡΝΡ光栅尺三路工作电路图所示，通过3个NPN三极管分别采集LM339输出的三个信号，NPN三极管采集TTL方波信号使三极管处于饱和和截止两个状态，三极管分别输出A B Z三个NPN信号，A信号和B信号的差别在于它们的相位差为90度用来判别光栅尺的移动方向，Z信号表示为光栅尺零位信号。AB Z三个信号分别又输入到3个PNP三极管，使PNP三极管处于截止和饱和状态，让PNP三极管输出-A -B -Z三个PNP信号，-A信号和-B信号的差别在于它们的相位差为90度用来判别光栅尺的移动方向，-Z信号表示为光栅尺零位信号。5个光电对管分别接入比较器LM339的信号输入端，I和2光电对管接入LM339的7脚和6脚，LM339的I脚输出a信号，3和4光电对管接入LM339的5脚和4脚，LM339的2脚输出b信号，第5个光电对管接入LM339的11脚，LM339的13脚输出z信号。
[0037]与现有技术相比，本实用新型的好处是:
[0038]1、在之前NPN光栅尺基础上加以改进，设计出NPN/PNP双路信号输出光栅尺，实现了信号的通用性。更好的满足客户需求和提高产品性价比。
[0039]2、通用NPN光栅尺内部采用的是一颗普通的NPN三极管(S8050)，S8050三极管基极需要加一颗2K的限流电阻，在电路上更为复杂，本实用新型NPN/PNP光栅尺内部采用的是工业级的NPN三极管(MUN_2216 )和PNP三极管(MMUN_2112 )，而且内部自带限流电阻，PNP三极管内部还带有偏置电阻，从而减小了电路的复杂性和提高了信号输出的稳定性，能大大提高光栅尺的使用寿命。
[0040]3、NPN/PNP光栅尺是在之前NPN光栅尺基础上改进出来的，和之前NPN光栅尺电路面积相同，而且调试方式也相同，从而保证了光栅尺读数头体积不变，和之前NPN光栅尺读数头完全相同，保证了光栅尺的一致性，方便客户安装和售后。
[0041]4、NPN/PNP光栅尺因为和NPN光栅尺体积和安装方式完全相同，而且电路板减少了电阻，增加了 PNP三极管，从而保证NPN光栅尺和NPN/PNP光栅尺成本几乎相同的情况下大大提高了NPN/PNP光栅尺的性价比，增加了产品的市场竞争力。
[0042]5、NPN/PNP光栅尺通过LM339输出TTL方波信号来触发NPN三极管和PNP三极管，使三极管处于截止和饱和状态输出NPN信号和PNP信号，我们选用的是工业级的NPN三极管和PNP三极管而且内部自带限流电阻和偏置电阻，通过三个NPN三极管和三个PNP三极管组合，输出A B Z三个NPN信号和-A -B -Z三个PNP信号，A B Z三个信号用来判断NPN信号光栅尺移动的方向和光栅尺的零位点，-A -B -Z三个信号用来判断PNP信号光栅尺移动的方向和光栅尺的零位点。这样的设计方案减小了光栅尺电路板的体积，实现了电路板的通用性，加强了光栅尺信号输出的稳定性和降低了成本，实现了 NPN信号和PNP信号的双输出最终增加了产品的性价比。
【主权项】
1.一种NPN/PNP光栅尺，其特征在于:包括信号采集模块、比较器、NPN三极管和PNP三极管;信号采集模块输出传输给比较器，比较器的输出信号传输给NPN三极管，NPN三极管输出NPN信号;NPN三极管输出信号又供给PNP三极管，PNP三极管输出PNP信号。2.如权利要求1所述的一种NPN/PNP光栅尺，其特征在于:比较器的输出信号接NPN管的基极;NPN管的发射极接地、NPN管的集电级作为输出，输出NPN信号；NPN管的集电级接PNP管的基极;PNP管的发射极接电源、PNP管的集电级作为输出，输出PNP信号。3.如权利要求2所述的一种NPN/PNP光栅尺，其特征在于:比较器为LM339比较器。4.如权利要求2所述的一种NPN/PNP光栅尺，其特征在于:NPN三极管和PNP三极管为MMUN_2216的NPN型三极管和MMUN_2112的PNP三极管。5.一种NPN/PNP光栅尺，其特征在于:包括三路比较输出路径;每路输出路径包括信号采集模块、比较器、NPN三极管和PNP三极管；信号采集模块输出传输给比较器，比较器的输出信号传输给NPN三极管，NPN三极管输出NPN信号，NPN三极管输出信号又供给PNP三极管，PNP三极管输出PNP信号;三路NPN三极管输出的NPN信号分别为A、B和Z;三路PNP三极管输出PNP信号分别为-A、-B和-Z。6.如权利要求5所述的一种NPN/PNP光栅尺，其特征在于:A信号和B信号的相位差为90度用来判别光栅尺的移动方向，Z信号表示为光栅尺零位信号。
【文档编号】G01B11/02GK205561766SQ201620336838
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】刘格, 陈彪, 陈燕林
【申请人】成都鼎创光电设备有限公司