一种基于CMOS传感器的编码器的制作方法

本实用新型涉及编码器领域，具体涉及一种基于CMOS传感器的编码器。

背景技术：

随着现代科技的高速发展，人类社会进入信息化时代，信息技术对社会发展起着决定性作用。传感器是获取各种信息的基础部件，是实现信息化的关键，其性能的好坏将直接影响整个检测系统的工作状态和质量。测试技术与自动控制水平的高低，是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。目前编码器在众多的长度、角度、速度测量技术中，具有非常重要的地位。

常见的编码器工作原理有光电式、电磁式等。在高精度加工中，需要精密的编码器作为系统测量反馈，其中光电式性能优越使用最广，光电式中光栅测量编码器具有较高的精度，在精密加工中具有非常重要的地位。光栅测量编码器有个重要的特点就是使用一个高精密的光栅盘，来产生角度变化的信号源，而高精密的光栅盘的制造难度大、成本高，目前高精密高分辨率的光栅盘都是国外公司制造，价格较高。

依赖光栅来测量角度变化目前已经成为一种固定模式，但是由于高精度机械光栅制作的成本高问题，使得高分辨率编码器价格较高，国内很多要求高的测试场合都是依赖国外进口。同时由于机械式光栅的精密制作技术的发展速度非常受加工水平限制，后期发展即将遇到瓶颈。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种基于CMOS传感器的编码器，其中外部转动输入通过输入轴和同步轮或者同步轮组将角度输入变成位移量，然后采用高分辨率CMOS传感器进行位移检测，进而转换成角度变化量输出，具有结构简单，成本低，编码器分辨率高的特点，自动化工业领域应用前景广泛。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供一种基于CMOS传感器的编码器，包括输入轴和同步转动机构，所述输入轴旋转的同时驱动所述同步转动机构转动，所述同步转动机构上设置有识别图像，对应所述同步转动机构设置有CMOS传感器，所述CMOS传感器检测所述识别图像，得到所述同步转动机构上与所述CMOS传感器对应点的线位移量和角位移量。

可选地，对应所述同步转动机构设置有辅助光源，所述辅助光源照射所述识别图像，提高所述识别图像的亮度。

可选地，所述同步转动机构包括同步轮，所述同步轮与所述输入轴同轴设置并且固定连接，所述识别图像设置在所述同步轮的顶面上，所述CMOS传感器对应所述同步轮的顶面边缘设置。

可选地，所述同步转动机构上与所述CMOS传感器对应点的线位移量和角位移量的关系为：

θ＝(x/(k*C))*360 (公式1)，

其中，θ为角位移量，x为线位移量，k为所述同步轮上与所述CMOS传感器对应点的直线位移和弧度位移之比，C为所述同步轮上与所述CMOS传感器对应点所在圆的周长。

可选地，所述同步转动机构还包括外壳，所述同步轮在所述外壳内旋转，通过所述外壳安装有PCB电路板，所述PCB电路板与所述同步轮平行设置，所述CMOS传感器和所述辅助光源安装固定在所述PCB电路板上。

可选地，所述同步转动机构包括同步轮、从动轮和同步带，所述同步轮与所述输入轴同轴设置并且固定连接，所述同步带缠绕在所述同步轮与所述从动轮上，所述同步轮与所述从动轮的外圆周面上均设置有传动齿，所述同步轮旋转的同时驱动所述同步带转动，所述识别图像设置在所述同步带的外圆周面上，所述CMOS传感器对应所述同步带的外圆周面设置。

可选地，所述同步转动机构上与所述CMOS传感器对应点的线位移量和角位移量的关系为：

θ＝(x/C)*360 (公式2)，

其中，θ为角位移量，x为线位移量，C为所述同步轮的周长，所述同步带的外圆周面与所述同步轮的外圆周面齐平。

可选地，所述同步转动机构还包括支架，通过所述支架安装有PCB电路板，所述PCB电路板与所述同步带的直线段平行设置，所述CMOS传感器和所述辅助光源安装固定在所述PCB电路板上。

可选地，所述同步轮的直径为20-40mm，周长为62.8-125.6mm,所述同步轮转动一周产生的脉冲个数为6000-125600。

可选地，所述CMOS传感器连接至信号控制器，所述信号控制器连接至422/485电平芯片，所述422/485电平芯片连接输出接口；

所述CMOS传感器将检测到的图像位移信息转换成脉冲信息输出至所述信号控制器，所述信号控制器将收到的所述脉冲信息转换成位移数字量输出至所述422/485电平芯片，所述422/485电平芯片将收到的所述位移数字量进行电平转换通过所述输出接口输出。

可选地，所述识别图像为印制的纹路，使得所述同步转动机构上与所述CMOS传感器对应点的移动可以被CMOS传感器检测到。

可选地，所述同步轮采用铝合金材质。

可选地，所述输入轴采用不锈钢材质。

可选地，所述CMOS传感器采用HDNS2000芯片。

本实用新型的优点及有益效果是：

本实用新型采用半导体技术的CMOS传感器，摒弃了常规物理光栅的模式，突破了高分辨物理光栅的制造工艺的瓶颈，分辨率更高，成本更低，且发展迅速。

本实用新型采用的同步轮和CMOS传感器组合的检测模式，结构更加简单，安装更加容易，生产成本低。

本实用新型采用不同直径的同步轮或者不同分辨率的CMOS传感器可以设计出不同精度的编码器。

本实用新型相对于常规光栅编码器加工简单，材料成本低廉，且可控精度高。可替代目前市场上很多编码器产品，在现代工业自动化领域中的角度测量、位移测量、速度测量等方面具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型实施例1中编码器的主视图；

图2为本实用新型实施例1中编码器的俯视图；

图3为本实用新型实施例1中编码器所采用同步轮的俯视图；

图4为本实用新型实施例2中编码器的主视图；

图5为本实用新型实施例2中编码器的俯视图；

图6为本实用新型实施例2中编码器所采用同步带的俯视图；

图7为本实用新型编码器的电路原理图。

图中：1.输入轴；2.外壳；3.同步轮；4.PCB电路板；5.LED光源；6.CMOS传感器；7.同步轮；8.同步带；9.从动轮；10.支架。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

如图1、图2、图3所示为本实用新型实施例1，在该实施例中提供了一种基于CMOS传感器的编码器，包括输入轴1和同步转动机构，输入轴1旋转的同时驱动同步转动机构转动，同步转动机构上设置有识别图像，对应同步转动机构设置有CMOS传感器6，CMOS传感器6检测识别图像，得到同步转动机构上与CMOS传感器6对应点的线位移量和角位移量。

输入轴1对外连接需要测量的机械，例如电动机的转子，电动机的转矩传输至输入轴1，即可带动输入轴1旋转。

为了便于CMOS传感器6采集图像移动信息，对应同步转动机构设置有辅助光源，辅助光源选择LED光源5，LED光源5照射识别图像，提高识别图像的亮度，提供足够的光源来反射图像。

在本实施例中，同步转动机构包括同步轮7，同步轮7与输入轴1同轴设置并且固定连接，识别图像设置在同步轮7的顶面上，CMOS传感器6对应同步轮7的顶面边缘设置。

同步转动机构上与CMOS传感器6对应点的线位移量和角位移量的关系为：

θ＝(x/(k*C))*360 (公式1)，

其中，θ为角位移量，x为线位移量，k为同步轮7上与CMOS传感器6对应点的直线位移和弧度位移之比，C为同步轮7上与CMOS传感器6对应点所在圆的周长。

本实施例中CMOS传感器6直接检测到的是同步轮7上与CMOS传感器6对应点的直线位移，由于对应点的直线位移与弧度位移存在一定的差别，经过上述公式1的计算即可得到弧度位移以及角位移量，该计算是通过设置在信号控制器内的计算机程序完成的。上述常量系数k可以通过对同步轮7实际测定得到。

本实施例中CMOS传感器6对应同步轮7的顶面边缘，所以C为同步轮7的周长，这样设定能够使得对应点位移明显，提高编码器的测量精度。如果CMOS传感器6对应同步轮7的顶面上其他位置，则C为同步轮7的顶面上与CMOS传感器6对应点所在圆的周长。

同步转动机构还包括外壳2，外壳2是封闭的，同步轮7在外壳内旋转，通过外壳2安装有PCB电路板4，PCB电路板4与同步轮7平行设置，CMOS传感器6和LED光源5安装固定在PCB电路板4上。

输入轴1贯穿外壳2的前面板伸入外壳2内部与同步轮7固定连接，前面板的透孔处可以安装轴承。

同步轮7的直径为20-40mm，周长为62.8-125.6mm,同步轮7转动一周产生的脉冲个数为6000-125600。

例如，同步轮7的直径可以选择28mm，周长为88mm。相应地，外壳2的外径32mm，内径30mm。输入轴1的直径可以选择5mm。

如图7所示为本实施例中编码器的电路原理图，CMOS传感器6连接至信号控制器，信号控制器连接至422电平芯片或485电平芯片，422电平芯片或485电平芯片连接输出接口；

CMOS传感器6将检测到的图像位移信息转换成脉冲信息输出至信号控制器，信号控制器将收到的脉冲信息转换成位移数字量输出至422电平芯片或485电平芯片，422电平芯片或485电平芯片将收到的位移数字量进行电平转换通过输出接口输出。

上述信号控制器、422电平芯片或485电平芯片等部件可以安装固定在PCB电路板4上。

信号控制器内还设置有计算机程序进行公式1的计算。

经过422电平芯片或485电平芯片的电平转换，可以增强传输信息的抗干扰能力。

在本实施例中，识别图像为印制的纹路，纹路可以是方格纹、斜线纹等，主要是为了单一平面区别开，平面上只有具有了识别图像，才可以使得同步轮7上与CMOS传感器6对应点的移动可以被CMOS传感器6检测到，保证图像检测的不失真性和稳定性。

优选地，同步轮7采用铝合金材质，质量较轻。

输入轴1采用不锈钢材质。

CMOS传感器6采用Agilent的HDNS2000芯片，此类芯片集成了图像检测器、DSP处理器、四状态输出转换器等电子元件，可以将检测到的图像位移信息转换成脉冲信息输出。

根据设计需要，也可以为CMOS传感器6配上光学镜头，便于采集图像移动信息。

本实施例中的编码器放弃了物理光栅的传统方式，而采用高分辨率的CMOS元件以及数字图像处理技术来设计制造编码器，高分辨率的CMOS器件结合专用DSP处理器可以识别的图像位移分辨率大大提高，每厘米位移可以输出1000到几千甚至10000点以上。编码器输入轴转动一周，即输入角度变化360度，等效位移等于同步轮的周长，编码器直径大约20-40mm，周长则为62.8-125.6mm，故而本实施例中的编码器转动一周可以产生的脉冲个数为6000-125600，精度可以达到国际先进精密光栅编码器的水平。而成本相对于光栅式编码器低很多，结构简单，生产容易，使用范围广。同时由于半导体技术发展迅速，CMOS器件很多进入纳米级别，分辨率会快速提升，本实施例设计出的编码器的分辨率会大幅提高。

实施例2

如图4、图5、图6所示为本实用新型实施例1，作为本实用新型的实施例2，与实施例1所不同的是，本实施例中同步转动机构包括同步轮7、从动轮9和同步带8，同步轮7与输入轴1同轴设置并且固定连接，同步带8缠绕在同步轮7与从动轮9上，同步轮7与从动轮9的外圆周面上均设置有传动齿，同步轮7旋转的同时驱动同步带8转动，识别图像设置在同步带8的外圆周面上，CMOS传感器6对应同步带8的外圆周面设置。

由于同步带8与同步轮7是同步转动的，所以CMOS传感器6可以对同步带8进行检测代替对同步轮7进行检测。而且同步带8已经将同步轮7的圆周运动转换为直线运动，所以对同步带8进行检测更方便检测过程中的计算。

同步转动机构上与CMOS传感器6对应点的线位移量和角位移量的关系为：

θ＝(x/C)*360 (公式2)，

其中，θ为角位移量，x为线位移量，C为同步轮7的周长，同步带8的外圆周面与同步轮7的外圆周面齐平。

本实施例中上述计算公式2也是根据实施例1中的计算公式1得来的，只不过在本实施例中常量系数k＝1。

本实施例中CMOS传感器6直接检测到的是同步带8的外圆周面上与CMOS传感器6对应点的直线位移，经过上述公式2的计算即可得到角位移量，该计算是通过设置在信号控制器内的计算机程序完成的。

将同步带8的外圆周面与同步轮7的外圆周面设计为齐平，是为了方便计算。如果同步带8的外圆周面与同步轮7的外圆周面不齐平也是可以的，例如同步带8的外圆周面高于或低于同步轮7的外圆周面，计算时就要考虑该差值，等同于同步轮7的直径由调整，C的量就要做出对应调整。

本实施例中同步转动机构还包括支架10，通过支架10安装有PCB电路板4，PCB电路板4与同步带8的直线段平行设置，CMOS传感器6和LED光源5安装固定在PCB电路板4上。

支架10的下端可以与从动轮9的轴安装固定，从动轮9的轴是不转动的，轴上设置有轴承支撑从动轮9转动。

同步转动机构也可以包括外壳，外壳是封闭的，同步轮7、从动轮9和同步带8在外壳内旋转，通过外壳安装PCB电路板4。

本实施例中对从动轮9的直径没有特别要求，从动轮9的直径可以等于同步轮7的直径，也可以根据设计需要减小从动轮9的直径。

本实施例中基于CMOS传感器6的编码器的其他结构与实施例1中相同，此处不再重复描述。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。