单码道绝对式时栅角位移测量系统的制作方法

本发明属于精密测量传感器技术领域，具体涉及一种单码道绝对式时栅角位移测量系统。

背景技术

在精密测量领域，精密角位移测量主要采用光电编码器，光电编码器的精度主要来自于刻线数与编码方式。增量式编码器的优点是易于实现小型化，响应迅速，结构简单，其缺点是掉电后容易造成数据损失，且有误差累积现象。绝对式光电轴角编码器具有固定零点，输出代码是轴角的单值函数，抗干扰能力强，掉电后再启动无须重新标定以及无累积误差等优点。绝对式光电轴角编码器分为单码道编码和多码道编码两种，其中单码道绝对编码方式是国际上出现的新技术，是当前国内外研究的热门课题。其优点有：(1)智能化，具有记忆功能，数据稳定可靠；(2)结构简单，便于小型化，应用范围广；(3)成本低廉节约资源。

绝对式单码道编码突破了传统的光栅编码原理，使用一种新颖独特的黑白条纹编码方式进行角度测量，它的实现需要融合传感器技术、图像处理技术、计算机控制技术为一体。该系统基本原理固然简单，但实现起来由于受到传感器像素空间分辨率的限制和不均匀性的影响，以及模数转换出现的误差，对系统的数据处理算法有较高的要求，实现有难度。

日本由于机器人的迅速发展，编码向小型化、智能化发展，日本光机事业部今井基胜提出了m系列绝对码，并开发了m系列新型绝对式编码器，这种码的特点是码盘采用一条码道，用检测器来检测绝对位置。m系列绝对码与二进制码一样，也会产生粗误差。为了克服粗误差，需要在脉冲圆盘上平行制作与m系列码相同脉冲数的增量图形，再将绝对值部分的检出器的间隔变成1/2节距。m系列绝对码编码器虽然提出了码盘上刻制1条码道，但编码器整体结构没有简化，所以这种码道设计不能称为完全的单码道编码。

南京师范大学郁有文提出一种全新的码制--绝对式简码。该编码方式的设计是在格雷码和m系列绝对码的基础上进行设计的,具有格雷码没有粗差和m系列绝对码单道码道的特点，由基码(包括滚动码和质码)组成；测量时需要该编码刻制的码盘构成的编码器和狭缝盘配合提取信号，而且简码位数决定狭缝盘上的狭缝数和光电接收元件数，因此无法制作较高位数的光电轴角编码器。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种结构简单的单码道绝对式时栅角位移测量系统，以实现精密角位移的绝对式测量，降低编码难度。

本发明所述的单码道绝对式时栅角位移测量系统，包括发光元件、动盘基体、定盘基体、光电探测器以及信号处理电路，发光元件同轴安装在动盘基体正上方，定盘基体同轴安装在动盘基体正下方，光电探测器同轴安装在定盘基体正下方，发光元件、定盘基体、光电探测器保持固定。

所述发光元件由一路交流激励信号驱动，形成单交变光场。

所述动盘基体上设有n个相同且呈扇环形的全透光栅面和n+1个相同且呈扇环形的半透光栅面，n个全透光栅面沿圆周方向间隔均匀分布，并围成半圈，一个全透光栅面所对的圆心角等于相邻两个全透光栅面间隔的圆心角等于n+1个半透光栅面沿圆周方向间隔均匀分布，并围成另外半圈，一个半透光栅面所对的圆心角等于相邻两个半透光栅面间隔的圆心角等于

所述定盘基体的圆周被均分为6个呈扇环形的透光调制区，每个透光调制区所对的圆心角为60°，且在垂直于发光元件的方向上被单交变光场完全覆盖；第2m+1个透光调制区内从其起始位置开始沿圆周方向设有四个相同且间隔均匀的第一双余弦透光面(即第2m+1个透光调制区内沿圆周方向设有四个相同且间隔均匀的第一双余弦透光面，该透光调制区内的第一个第一双余弦透光面的起始位置与该透光调制区的起始位置相同)，一个第一双余弦透光面所对的圆心角等于(即等于一个半透光栅面所对的圆心角的2倍)，相邻两个第一双余弦透光面间隔的圆心角等于(即等于一个半透光栅面所对的圆心角的)；第2m+2个透光调制区内从其起始位置开始沿圆周方向设有四个相同且间隔均匀的第二双余弦透光面(即第2m+2个透光调制区内沿圆周方向设有四个相同且间隔均匀的第二双余弦透光面，该透光调制区内的第一个第二双余弦透光面的起始位置与该透光调制区的起始位置相同)，一个第二双余弦透光面所对的圆心角等于(即等于一个全透光栅面所对的圆心角的2倍)，相邻两个第二双余弦透光面间隔的圆心角等于(即等于一个全透光栅面所对的圆心角的)；其中，m依次取0至2的所有整数。

所述光电探测器包括沿圆周方向分布且围成一圈的6组光电测头，6组光电测头能同时独立接收6个所述透光调制区的全部光通量。

动盘基体相对定盘基体转动，单交变光场经全透光栅面、半透光栅面、第一双余弦透光面、第二双余弦透光面空间调制后，由6组光电测头接收6个透光调制区的全部光通量，并转化为光电信号输出(即6组光电测头输出24路光电流信号)，24路光电流信号输入到信号处理电路中，合成6个电行波信号，由于动盘基体具有全透光栅面和半透光栅面，处于全透光栅面的交变光强信号峰值最大，处于半透光栅面的交变光强约为全透光栅面的1/2，交接处的光强为两者之间，从而使得6个电行波信号的峰值不同，上电后分别对第n1组、第n1+2组、第n1+4组光电测头所对应的3个电行波信号的幅值用二值化处理进行编码(即确定动盘基体的大概角度，也即确定动盘基体转动到哪一个对极)，根据编码值选取相应的第n2组、第n2+3组光电测头所对应的2个电行波信号比相，并转换得到粗码值，根据编码值选取的相应的第n2组、第n2+3组光电测头所对应的2个电行波信号中的任意一个与参考信号比相，并转换得到精码值(即对极内角位移值)，精码值与粗码值相加得到绝对角位移值；其中，n1的取值为1或2，n2的取值为1或2或3。

所述第一双余弦透光面沿圆周方向展开后的形状为[-π,π]区间的两条幅值相等、相位相差180°的余弦曲线段ⅰ围成的全封闭轴对称图形ⅰ。所述第二双余弦透光面沿圆周方向展开后的形状为[-π,π]区间的两条幅值相等、相位相差180°的余弦曲线段ⅱ围成的全封闭轴对称图形ⅱ。第一、第二双余弦透光面的透光面积更大，从而增大了光通量，获得的光电流信号更大，同时也更便于后续光电流信号的处理。

所述发光元件可以是环形发光二极管阵列，也可以是环形同轴光源。

所述光电测头可以是扇环形光电池，也可以是扇环形光敏阵列，每组光电测头所对的圆心角为60°，6组光电测头分别与6个所述透光调制区一一对应。

所述信号处理电路包括行波信号合成模块、编码选择模块、信号调理模块和时空位移转换模块，6组光电测头输出的24路光电流信号输入至行波信号合成模块中，合成6个电行波信号，6个电行波信号输入至编码选择模块，经编码、选择后输出第n2组、第n2+3组光电测头所对应的2个电行波信号(即编码选择模块对第n1组、第n1+2组、第n1+4组光电测头所对应的3个电行波信号的幅值用二值化处理进行编码，并根据编码值选取相应的第n2组、第n2+3组光电测头所对应的2个电行波信号)，所述2个电行波信号与一路参考信号经信号调理模块调理成方波后输入至时空位移转换模块中，经比相、转换后输出绝对角位移值(即时空位移转换模块将所述2个电行波信号比相，并转换得到粗码值，将所述2个电行波信号中的任意一个与参考信号比相，并转换得到精码值，将精码值与粗码值相加得到绝对角位移值，并输出)。

所述行波信号合成模块包括电流放大模块、差动放大模块、移相模块和差分放大模块，第i组光电测头中的第一个测头、第三个测头输出的2路光电流信号经电流放大模块放大后，输入至差动放大模块，经差动放大后输出第一电压信号u13，同时其第二个测头、第四个测头输出的2路光电流信号经电流放大模块放大后，输入至差动放大模块，经差动放大后输出第二电压信号u24，第一电压信号u13输入至移相模块，经移相后输出第三电压信号u′13，第三电压信号u＇13与第二电压信号u24输入至差分放大模块，经差分放大后输出电行波信号ui；其中，i依次取1至6的所有整数。

本发明与现有技术相比，具有如下效果：

(1)动盘基体上具有全透光栅面和半透光栅面，定盘基体上具有第一、第二双余弦透光面，从而形成单码道结构，其实现了小型化高分辨率的精密角位移的绝对式测量，并且结构简单，编码难度低、加工工艺难度低，同时电路控制难度也较低。

(2)6组光电测头输出24路光电流信号，24路光电流信号有利于后期误差分析及处理，同时发光元件、定盘基体，动盘基体、光电探测器同轴安装，有效地减少了安装误差，并且简化了系统结构。

附图说明

图1为本发明中发光元件、动盘基体、定盘基体、光电探测器的位置关系示意图。

图2为本发明中绝对式角位移测量的原理框图。

图3为本发明中动盘基体的结构示意图。

图4为本发明中定盘基体的结构示意图。

图5为本发明中第一、第二双余弦透光面与全透光栅面、半透光栅面的对应关系图。

图6为全透光栅面、半透光栅面、不透光栅面的光通量状态图。

图7为本发明中定盘基体相对动盘基体的状态变化图。

图8为本发明中一个电行波信号的产生及获得精码值的原理框图。

图9为本发明中描述粗码测量原理的示意图。

图10为本发明中获得粗码值的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

如图1至图10所示的单码道绝对式时栅角位移测量系统，包括发光元件1、动盘基体2、定盘基体3、光电探测器4以及信号处理电路，发光元件1、定盘基体3、光电探测器4保持固定，动盘基体2随被测物体转动。发光元件1同轴安装在动盘基体2正上方，发光元件1为环形发光二极管阵列(也可以是环形同轴光源)，由一路正弦激励信号驱动，形成单交变光场，并且需要控制好其出光角度即发光强度，让整个光照范围内光强相同，且按照正弦规律变化，以保证动盘基体2、定盘基体3均在单交变光场中。

如图3所示，动盘基体2采用玻璃作为基体材料，通过镀膜的方式使动盘基体2上设有15个(即n＝15)相同且呈扇环形的全透光栅面21和16个相同且呈扇环形的半透光栅面22，15个全透光栅面21沿圆周方向间隔均匀分布，并围成半圈，全透光栅面21的外圆半径为58mm、内圆半径为48mm，径向高度为10mm，每个全透光栅面21所对的圆心角等于6°，相邻两个全透光栅面21间隔的圆心角也等于6°(该间隔相当于不透光栅面)，16个半透光栅面22沿圆周方向间隔均匀分布，并围成另外半圈，半透光栅面22的外圆半径为58mm、内圆半径为48mm，径向高度为10mm，每个半透光栅面22所对的圆心角等于5.625°，相邻两个半透光栅面22间隔的圆心角也等于5.625°(该间隔相当于不透光栅面)；全透光栅面、半透光栅面以及不透光栅面是通过镀膜的程度来进行区分的。

如图4所示，定盘基体3同轴安装在动盘基体2正下方，且留有0.4mm间隙，动盘基体2与定盘基体3能相对运动。定盘基体3的圆周被均分为6个呈扇环形的透光调制区，每个透光调制区所对的圆心角为60°，且在垂直于发光元件1的方向上被单交变光场完全覆盖。沿圆周逆时针方向，第1个透光调制区(即a0)内从其起始位置开始沿圆周逆时针方向设有四个相同且间隔均匀的第一双余弦透光面31，第3个透光调制区(即b0)内从其起始位置开始沿圆周逆时针方向设有四个相同且间隔均匀的第一双余弦透光面31，第5个透光调制区(即c0)内从其起始位置开始沿圆周逆时针方向设有四个相同且间隔均匀的第一双余弦透光面31，第一双余弦透光面31沿圆周方向展开后的形状为[-π,π]区间的两条幅值相等、相位相差180°的余弦曲线段ⅰ围成的全封闭轴对称图形ⅰ，第一双余弦透光面31为全透光面，每个第一双余弦透光面31的中心到圆心的距离(即每个第一双余弦透光面31的中心所在的圆的半径)为53mm，每个第一双余弦透光面31的径向高度为8mm、所对的圆心角等于11.25°，各个透光调制区内的相邻两个第一双余弦透光面31间隔的圆心角等于2.8125°。沿圆周逆时针方向，第2个透光调制区(即c1)内从其起始位置开始沿圆周逆时针方向设有四个相同且间隔均匀的第二双余弦透光面32，第4个透光调制区(即a1)内从其起始位置开始沿圆周逆时针方向设有四个相同且间隔均匀的第二双余弦透光面32，第6个透光调制区(即b1)内从其起始位置开始沿圆周逆时针方向设有四个相同且间隔均匀的第二双余弦透光面32，第二双余弦透光面32沿圆周方向展开后的形状为[-π,π]区间的两条幅值相等、相位相差180°的余弦曲线段ⅱ围成的全封闭轴对称图形ⅱ，第二双余弦透光面32为全透光面，每个第二双余弦透光面32的中心到圆心的距离(即每个第二双余弦透光面32的中心所在的圆的半径)为53mm，每个第二双余弦透光面32的径向高度为8mm、所对的圆心角等于12°，各个透光调制区内的相邻两个第二双余弦透光面32间隔的圆心角等于3°。定盘基体3采用玻璃作为基体材料，定盘基体3的上表面除了第一、第二双余弦透光面未覆盖遮光材料之外，其余部分均覆盖有遮光材料。

光电探测器4同轴固定在定盘3正下方，光电探测器4包括沿圆周方向分布且围成一圈的6组光电测头41，6组光电测头41都为扇环形光电池(也可以是扇环形光敏阵列)，每组光电测头41所对的圆心角为60°，且都由独立的四个测头构成，6组光电测头41分别与6个透光调制区一一对应，6组光电测头41能同时独立接收6个透光调制区的全部光通量。

绝对式测量的实现需要大数与小数的配合，大数(即粗码值)的获取可以通过全透光栅面与半透光栅面的状态编码信息，小数(即精码值)的获取可以通过定盘基体上的一个透光调制区内的四个第一双余弦透光面或者四个第二双余弦透光面的光通量的变化得到。

如图5所示，动盘基体2相对定盘基体3逆时针转动，以a0内的四个第一双余弦透光面31为例，如果a0内的四个第一双余弦透光面31正对动盘基体2的16个半透光栅面所围成的半圈区域，则沿圆周逆时针方向第一个第一双余弦透光面31的透光面积由一半开始减小，第二个第一双余弦透光面31的透光面积由最大开始减小，第三个第一双余弦透光面31的透光面积由一半开始增大，第四个第一双余弦透光面31的透光面积由最小开始增大。其中，第一个第一双余弦透光面31的透光面积与第三个第一双余弦透光面31的透光面积的变化关系完全相反，第二个第一双余弦透光面31的透光面积与第四个第一双余弦透光面31的透光面积的变化关系完全相反；第二个第一双余弦透光面31的透光面积的最大值与第三个第一双余弦透光面31的透光面积的最大值之间互相相差90°空间相位，第三个第一双余弦透光面31的透光面积的最大值与第四个第一双余弦透光面31的透光面积的最大值之间互相相差90°空间相位，第四个第一双余弦透光面31的透光面积的最大值与第一个第一双余弦透光面31的透光面积的最大值之间互相相差90°空间相位；这样第一个、第二个、第三个、第四个第一双余弦透光面的透光面积呈周期性变化，导致测头上获得的光电流信号也发生同样的周期性变化。

动盘基体2相对定盘基体3逆时针转动，第1组光电测头内的四个测头独立接收a0内的四个第一双余弦透光面31的全部光通量，并转换为4路光电流信号输出，第2组光电测头内的四个测头独立接收c1内的四个第二双余弦透光面32的全部光通量，并转换为4路光电流信号输出，第3组光电测头内的四个测头独立接收b0内的四个第一双余弦透光面31的全部光通量，并转换为4路光电流信号输出，第4组光电测头内的四个测头独立接收a1内的四个第二双余弦透光面32的全部光通量，并转换为4路光电流信号输出，第5组光电测头内的四个测头独立接收c0内的四个第一双余弦透光面31的全部光通量，并转换为4路光电流信号输出，第6组光电测头内的四个测头独立接收b1内的四个第二双余弦透光面32的全部光通量，并转换为4路光电流信号输出。

如图2、图8、图10所示，信号处理电路包括行波信号合成模块5、编码选择模块8、信号调理模块6和时空位移转换模块7，行波信号合成模块5包括电流放大模块51、差动放大模块52、移相模块53和差分放大模块54。

第i组光电测头41中沿圆周逆时针方向的第一个测头、第三个测头输出的2路光电流信号经电流放大模块51放大后，输入至差动放大模块52，经差动放大后输出第一电压信号u13，

同时其第二个测头、第四个测头输出的2路光电流信号经电流放大模块51放大后，输入至差动放大模块52，经差动放大后输出第二电压信号u24，

第一电压信号u13输入至移相模块53，移相90°后输出第三电压信号u′13，第三电压信号u′13与第二电压信号u24输入至差分放大模块54，经差分放大后输出电行波信号ui，

其中，i依次取1至6的所有整数，k表示电行波信号系数，角频率ω＝2πf＝2×10⁴π，w表示全透光栅面21或者半透光栅面22所对的圆心角，这里取值为6°(即)或者5.625°(即)，xi表示精码值。则6组光电测头41总共输出的24路光电流信号经行波信号合成模块5合成的6个电行波信号分别为第1组光电测头41所对应的电行波信号u1、第2组光电测头41所对应的电行波信u2、第3组光电测头41所对应的电行波信号u3、第4组光电测头41所对应的电行波信号u4、第5组光电测头41所对应的电行波信号u5、第6组光电测头41所对应的电行波信号u6。6个电行波信号u1、u2、u3、u4、u5、u6输入至编码选择模块8。

动盘基体2与定盘基体3发生相对运动时，动盘基体2共有三种透光情况，分别为全透光(对应于全透光栅面)、半透光(对应于半透光栅面)与不透光(对应于不透光栅面)，利用120°大角度编码方法可以将绝对角度值精确的转换为时间量的测量，但必须确定哪一个透光调制区内的四个第一双余弦透光面31正对动盘基体2的16个半透光栅面所围成的半圈区域，必须确定哪一个透光调制区内的四个第二双余弦透光面32正对动盘基体2的15个全透光栅面所围成的另外半圈区域。

如图6所示，当用同一光源照射三态透光栅面时，可以用测头接收三种光强信号，经光电转换后得到三个不同电平幅值的电信号值。将动盘基体分成两部分，一半为15个全透光栅面21所围成的半圈区域(假定称之为全透区域)，另一半为16个半透光栅面所围成的半圈区域(假定称之为半透区域)。处于全透区域的交变光强信号峰值最大，处于半透区域的交变光强约为全透区域的1/2，交接处的光强为两者之间，上电后编码选择模块8对电行波信号u1、u3、u5的峰值采样，并进行二值化处理，得到一个3位编码值；编码原则为：峰值最大的某个电行波信号(即对应的透光调制区处于全透区域时)，用1表示；峰值约为最大值的1/2的某个电行波信号(即对应的透光调制区处于半透区域时)，用0表示；峰值处于两者之间的某个电行波信号(即对应的透光调制区一部分处于全透区域、另一部分处于半透区域时)，用1表示。

定盘基体3相对动盘基体2的几个状态如图7所示，图中左半边为全透区域，右半边为半透区域，假定动盘基体2保持不动，定盘基体3沿圆周顺时针方向转动。根据编码原则，图7中第一个图的电行波信号u1、u3、u5的编码值为010，第二个图的电行波信号u1、u3、u5的编码值为011，第三个图的电行波信号u1、u3、u5的编码值为011。以此类推，可以得出360°范围内电行波信号u1、u3、u5的编码值(也是a0、b0、c0的编码值)，如表1所述，其可在任意位置实现测量。

表1

如图9、图10所示，将a0、a1均看做一个质点，若动盘基体2沿图示方向逆时针转动180°，则相对参考信号而言，第1组光电测头产生的电行波信号总共运动了n+1个周期，第4组光电测头产生的电行波信号总共运动了n个周期，两者相差一个周期，即2π。

当a0处于半透区域内，a1处于全透区域内时，代入公式(3)，可得电行波信号u1、u4分别为：

由式(4)和(5)可知，电行波信号u1、u4的相位差为：

同理，可以得到当b0处于半透区域内，b1处于全透区域内时，电行波信号u3、u6的相位差为：

当c0处于半透区域内，c1处于全透区域内时，电行波信号u5、u2的相位差为：

其中，xa表示a0、a1相对于动盘基体2的实际空间角度，xb表示b0、b1相对于动盘基体2的实际空间角度，xc表示c0、c1相对于动盘基体2的实际空间角度。

由公式(6)、(7)、(8)可知，电行波信号的相位差是实际空间角度的2倍，有角度放大的作用，能进一步提高绝对角位移值测量的分辨力。

参见表1，当a0、b0、c0编码值为01x时，表示旋转角度在[0°,120°)范围内，编码选择模块8将电行波信号u1、u4与一路参考信号(为同频率交变信号)经信号调理模块6调理成方波后输入至时空位移转换模块7中，时空位移转换模块7将电行波信号u1与u4进行比相，两路信号的相位差通过高频时钟插补，并经公式(9)转换得到第一组粗码值时空位移转换模块7将电行波信号u1与该参考信号比相，相位差通过高频时钟插补，并转换得到第一组精码值xa；其中，xa＝x1，

时空位移转换模块7将第一组粗码值与第一组精码值xa相加，得到动盘基体2转动的绝对角位移值：

当a0、b0、c0编码值为x01时，表示旋转角度在[120°,240°)范围内，编码选择模块8将电行波信号u3、u6与一路参考信号(为同频率交变信号)经信号调理模块6调理成方波后输入至时空位移转换模块7中，时空位移转换模块7将电行波信号u3与u6进行比相，两路信号的相位差通过高频时钟插补，并经公式(11)转换得到第二组粗码值时空位移转换模块7将电行波信号u3与该参考信号比相，相位差通过高频时钟插补，并转换得到第二组精码值xb；其中，xb＝x3，

时空位移转换模块7将第二组粗码值与第二组精码值xb相加，得到动盘基体2转动的绝对角位移值：

当a0、b0、c0编码值为1x0时，表示旋转角度在[240°,360°)范围内，编码选择模块8将电行波信号u5、u2与一路参考信号(为同频率交变信号)经信号调理模块6调理成方波后输入至时空位移转换模块7中，时空位移转换模块7将电行波信号u5与u2进行比相，两路信号的相位差通过高频时钟插补，并经公式(13)转换得到第三组粗码值时空位移转换模块7将电行波信号u5与该参考信号比相，相位差通过高频时钟插补，并转换得到第三组精码值xc；其中，xc＝x5，

时空位移转换模块7将第三组粗码值与第三组精码值xc相加，得到动盘基体2转动的绝对角位移值：

时空位移转换模块7可以将动盘基体2转动的绝对角位移值θ输出，并通过通信模块发送给上位机，通过上位机位移显示模块对绝对角位移值θ进行显示。