编码盘及旋转编码器的制作方法

本发明实施例涉及角度位置测量技术领域，特别是涉及一种编码盘及旋转编码器。

背景技术：

随着工控脚步的跨越式前进，机械手臂、大行程位移测控装置等相应的工厂设备对旋转设备的要求更加苛刻，旋转设备的角度位置测量在整个工控领域中非常重要，编码器作为伺服驱动系统位置测量传感器的应用越来越广泛，旋转编码器的精度决定了工控系统的整体性。

在旋转编码器的生产研发过程中，不仅要提高旋转编码器的测量性能，还要控制成本关注产品的经济性。目前，使用最多的旋转编码器种类为光电编码器。

光电编码器多采用编码盘作为编码器计数部件，即需要在圆盘上按一定编码方式刻制有很多栅距不等或相等的同心分布码道(每一圈成为一个码道)，而圈与圈之间是以一定规律编排的用于测量角位移的圆盘。这种编码盘的刻制的精度要求很高，制造工艺复杂，制造成本比较高，且多采用多圈同心分布码道来提高分辨率，不易实现小型化。此外，光电编码器需要较多接收光电的接受元件，使得电路较复杂，电路处理信号难度较大。

技术实现要素：

本公开实施例提供了一种编码盘及旋转编码器，不仅在保证旋转编码器精度同时，实现了旋转编码器的小型化，还降低了制造工艺难度，信号处理电路更为简单。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例一方面提供了一种编码盘，应用于旋转编码器，包括多条呈环形阵列分布的光纤，且相邻光纤的外侧壁相紧贴。

可选的，各光纤的规格、型号均相同。

本发明实施例另一方面提供了一种旋转编码器，包括光源、光纤编码盘、光信号检测器及信号处理器；

其中，所述光纤编码盘包括多条呈环形阵列分布的光纤，且相邻光纤的外侧壁相紧贴；所述光源与所述光信号检测器位于所述光纤编码盘延光纤长度方向的两端；所述光纤编码盘与所述光信号检测器同轴同频旋转；所述信号处理器与所述光信号检测器相连；

所述光信号检测器用于采集所述光纤编码盘在随被测机械转动过程中所述光源信号通过各光纤出射的携带脉冲波动信息的光信号；

所述信号处理器用于根据所述被测机械转动过程中接收到的脉冲波动信息总个数计算所述被测机械的转动角度。

可选的，所述光纤编码盘包括环状固定支架和多条光纤；

所述环形固定支架固定在所述被测机械的转轴上；在垂直于所述环状固定支架轴线的截面的外侧壁上贴合排列各光纤，且各光纤的光轴与所述环状固定支架轴线相平行。

可选的，所述光纤编码盘中的各光纤的端面与所述环形固定支架的端面相平齐。

可选的，所述光源的发光面积不大于所述光纤编码盘的各光纤的截面面积。

可选的，所述信号处理器根据下述公式计算所述被测机械的转动角度α：

式中，n为所述光纤编码盘包含光纤的总个数，m为脉冲波动信息的个数。

可选的，所述信号处理器为包括第一转换电路和第二转化电路的fpga板卡；

其中，所述第一转换电路用于将所述光信号转化为相应的数字脉冲信号；

所述第二转化电路用于统计数字脉冲信号的变化量，并根据所述数字脉冲信号的变化量计算所述被测机械的转动角度。

可选的，所述fpga板卡包括无线通信模块，所述第一转换电路和所述第二转化电路通过所述无线通信模块进行数据传输。可选的，还包括与所述信号处理器相连的角度值反馈模块；

所述角度值反馈模块用于将所述信号处理器计算得到的转动角度发送至所述被测机械的控制系统。

本申请提供的技术方案的优点在于，通过多条呈环形阵列且相邻光纤紧密排列的光纤结构替代传统编码器的编码盘。当被测量转轴转动时，发光光源通过对应的光纤，使光信号检测器接收到所监测目标的光信号，然后利用信号处理器根据被测机械转动过程中接收到的脉冲波动信息总个数计算计算得到其精确的旋转角度值。由于光纤的尺寸可以做到很小且制造工艺难度较小，从而可降低整个编码盘的尺寸和制造工艺难度，在保证旋转编码器的测量精度同时，实现编码器的小型化；信号处理器的实现电路只需计算光信号携带脉冲波动信息总个数，然后根据总个数、光纤总数量便可计算得到被测机械转动角度，该信号处理电路易于实现，且结构也更为简单。此外，该旋转编码器不需要寻找参考原点，在其断电后，任何重新给电时皆可对位置进行测量。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或相关技术的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的编码盘的一种实施方式下的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的旋转编码器的一种实施方式下的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

在介绍了本发明实施例的技术方案后，下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。

首先参见图1，图1为本发明实施例提供的编码盘在一种具体实施方式下的结构示意图，作为旋转编码器的编码盘，本发明实施例可包括以下内容：

编码盘由多条呈环形阵列分布的光纤1组成，且相邻光纤1的外侧壁相紧贴。也就是说，每两根相邻光纤1具有共同的切面。

为了便于后续信号处理，降低信号处理难度，组成编码盘的各光纤1的型号、规格可均相同，也即编码盘为由多条参数完全相同、相互接触的光纤构成。

可以理解的是，编码盘要随着被测机械转动而转动，也就是说，编码盘要固定在被测机械上，且其转轴与被测机械转轴相重合。在一种实施方式中，可将多条光纤1层环形阵列分布在环状固定支架0的外侧壁上，即在垂直于环状固定支架1中轴线的截面的外侧壁上贴合并紧密排列各光纤，且各光纤1的光轴与环状固定支架0的轴线相平行。

可选的，为了使得光信号可完全准确通过光纤，可设置每条光纤1的端面与环状固定支架0的端面相平齐。

在本实施例中，环状固定支架0可固定在被测机械的转轴上，从而实现将编码盘固定在被测机械的转轴上。制备环形固定支架0可为任何一种材料，且环形固定支架0的结构参数，例如径向长度、内圈半径、外圈半径等参数可根据具体应用场景和用户需求进行设置。随着光纤束的固定支架外径的增大，编码器的分辨率也会相应提高，在环状固定支架0外径一定的情况下，可以对环状固定支架0内径进行定制，实现不同尺寸的转轴。也就是说，可根据用户需求的分辨率确定环形固定支架0的外径，然后根据被测机械的转轴尺寸确定环形固定支架0的内径，最后根据用户对编码盘的重量要求、生成成本及各光纤的成本确定环形固定支架0的材料。

需要说明的是，本实施例中的所有光纤都是贴合于环状固定支架0的，“环形阵列分布”具体是指当环状固定支架0上所有的光纤1均固定好后，环状固定支架0垂直于轴线的方向的截面上包括以环状固定支架0截面的圆心为中心环形分布的多个光纤的圆形(或椭圆形、或类圆形)截面，且任何一个光纤的截面与相邻的两个光纤的截面相接触，如图1所示。另外每条光纤1均与环状固定支架0的轴线相平行。

在本发明实施例提供的技术方案中，通过多条呈环形阵列且相邻光纤紧密排列的光纤结构替代传统编码器的编码盘，由于光纤的尺寸可以做到很小且制造工艺难度较小，从而可降低整个编码盘的尺寸和制造工艺难度，在保证旋转编码器的测量精度同时，实现编码器的小型化。

此外，本申请还提供了一种旋转编码器，请参见图2，图2为本发明实施例提供的旋转编码器在一种具体实施方式下的结构示意图，本发明实施例可包括以下内容：

一种旋转编码器可包括光源21、光纤编码盘22、光信号检测器23及信号处理器24。

其中，光源21与光信号检测器23位于光纤编码盘22延光纤长度方向的两端；光纤编码盘22与光信号检测器23同轴同频旋转；信号处理器24与光信号检测器23相连。

本实施例中，光纤编码盘22可包括多条呈环形阵列分布的光纤，且相邻光纤的外侧壁相紧贴。在一种实施方式中，光纤编码盘22可包括环状固定支架0和多条光纤1；环形固定支架0固定在被测机械的转轴上；在垂直于环状固定支架0轴线的截面的外侧壁上贴合排列各光纤1，且各光纤1的光轴与环状固定支架轴线相平行。本发明实施例所述光纤编码盘22的功能可根据上述实施例中的编码盘的各功能模块的具体实现，其具体实现过程可以参照上述任何一个实施例的相关描述，此处不再赘述。

需要说明的是，光源21出射光线进入与之相对准的光纤中，经光纤传输后出射携带脉冲波动信息的光信号，而在本申请中，需要根据对光纤出射的光信号的脉冲波动信息总个数计算被测机械的转动角度，也就是说，脉冲波动信息总个数的统计精度决定着最终转动角度的计算精度，所以，光源的发光面积不大于光纤编码盘的各光纤的截面面积。即光源出射的光信号只能进入与之对准的光纤，而不会进入相邻光纤内部。

可以理解的是，光信号检测器23可用于采集光纤编码盘22在随被测机械转动过程中光源信号通过各光纤出射的携带脉冲波动信息的光信号。

可选的，可将光信号检测器23和光源21可通过夹具固定在光线编码盘22的固定环形固定支架0的两端，光纤编码盘22与光信号检测器23随着被测机械转动而转动，光信号检测器23的转动角度就是被测量机械转轴转动的角度。

信号处理器24可用于根据被测机械转动过程中接收到的脉冲波动信息总个数计算被测机械的转动角度。

为了提高数据处理运算速度，简化信号处理电路的复杂程度，信号处理器24可采用支持并行计算的fpga板卡，fpga板卡可包括第一转换电路和第二转化电路。

其中，第一转换电路用于将所述光信号转化为相应的数字脉冲信号；第二转化电路用于统计数字脉冲信号的变化量，并根据数字脉冲信号的变化量计算所述被测机械的转动角度。本实施例通过统计脉冲信号的变化量并计算转换为被测机械转轴的转动角度，旋转编码器不需要寻找参考原点，在断电后，任何重新给电时皆可对位置进行直接测量。

由上可知，本发明实施例通过多条呈环形阵列且相邻光纤紧密排列的光纤结构替代传统编码器的编码盘。当被测量转轴转动时，发光光源通过对应的光纤，使光信号检测器接收到所监测目标的光信号，然后利用信号处理器根据被测机械转动过程中接收到的脉冲波动信息总个数计算计算得到其精确的旋转角度值。由于光纤的尺寸可以做到很小且制造工艺难度较小，从而可降低整个编码盘的尺寸和制造工艺难度，在保证旋转编码器的测量精度同时，实现编码器的小型化；信号处理器的实现电路只需计算光信号携带脉冲波动信息总个数，然后根据总个数、光纤总数量便可计算得到被测机械转动角度，该信号处理电路易于实现，且结构也更为简单。此外，该旋转编码器不需要寻找参考原点，在其断电后，任何重新给电时皆可对位置进行测量。

在一种具体实施方式中，信号处理器24可根据下述公式计算被测机械的转动角度α：

式中，n为所述光纤编码盘包含光纤的总个数，m为脉冲波动信息的个数，m％n为求余。

具体来说，光纤编码盘22有n根光纤，沿着圆周方向分布的光信号检测器随着转动轴的转动，发光光源通过每一根光纤的光信号在每根光纤进行转动时会有脉冲波动，光信号的脉冲波动信息被光信号检测器接收并传输给fpga处理电路。fpga处理电路通过第一路转换电路把光信号检测器接收到的光信号转化为数字脉冲信号，再将数字脉冲信号发送到第二路处理电路，统计所述脉冲信号的变化量并计算转换为被测机械转轴转动的角度。最终实现对转动轴的角度位置的检测。例如，当旋转编码器转过了m根光纤，光信号检测器就会检测到m个光信号的脉冲波动信息，经过第一，第二转换电路，统计出此时的转动数量m，并根据公式(1)换算出精确地转动角度值。

可选的，fpga板卡还可包括无线通信模块，第一转换电路和第二转化电路通过无线通信模块进行数据传输。当然，第一转换电路和第二转化电路也可通过有线传输，这均不影响本申请的实现。

在一种具体实施方式中，旋转编码器还可包括与信号处理器23相连的角度值反馈模块。角度值反馈模块用于将信号处理器22计算得到的转动角度发送至所述被测机械的控制系统。也就是说，信号处理器3在根据统计得到的脉冲信号的变化量计算转换为被测机械转轴转动的角度后，还可以将转轴的实际角度位置输出到被测量电机的控制系统进行反馈处理，实现精确控制转轴转动位置与速度。

为了验证本申请可提高旋转编码器的测量精度，本申请可选取纤核直径为8μm，包层直径为125μm的单模光纤构成光纤码盘，环状固定支架夹具外径可为150mm，则沿着圆周分布的光纤根数为150mm*3.1415926/125μm＝3768。因此，该编码器的分辨率至少为360/(3768)＝343″，角度单位：角秒。进一步而言，随着光纤束的固定支架外径的增大，编码器的分辨率也会相应提高。

相关技术中的绝对式编码器一般由11位的分辨率，就是360/(2^11)＝632″(角度单位：角秒)，由此可知，本申请的旋转编码器与相关技术的旋转编码器相比，分辨率可以大幅度提升，大大地降低了制造成本。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的一种旋转编码器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。