[發明專利]一種基于光強正交調制的時柵角位移傳感器

有效

• 申請號: 201510072553.2
• 申請日: 2015-02-11
• 公開（公告）號: CN104655057B
• 公開（公告）日: 2016-11-16
• 發明（設計）人: 付敏;劉小康;彭東林;朱革;夏豪杰
• 申請（專利權）人: 重慶理工大學
• 主分類號: G01B11/26
• 分類號: G01B11/26
• 代理公司: 重慶華科專利事務所 50123
• 代理人: 康海燕

技術領域

本發明涉及一種傳感器，具體涉及一種基于光強正交調制的時柵角位移傳感器。

背景技術

精密角位移測量領域主要采用光電編碼器，光電編碼器是一種通過光電轉換，將輸至軸上的機械、幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成，光柵盤上有規則地刻有透光和不透光的線條，在光柵盤兩側安放發光元件和光敏元件，光柵盤與電機同速旋轉，經發光二極管檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號。其測量精度和分辨力取決于對圓周分度的線數和編碼的位數，然而，隨著精度需求的進一步提高，特別是到1″～0.1″的精密角位移測量時，難以通過單純的提高柵線數目和編碼位數來實現，其需要采用高精度的電子細分技術，從而使傳感器的制造工藝要求苛刻、成本高、抗干擾能力差。

上世紀70年代，為了減少對柵線精密刻劃的要求，飛利浦公司設計了一種粗光柵，柵線寬度可以到mm級，同細光柵一樣有指示光柵和標尺光柵組成。測量過程采用多面棱鏡勻速旋轉，將指示光柵的圖像在標尺光柵上形成勻速掃描，假定運動速度恒定用時間量對空間進行細分。事實上，多面棱體的機械式勻速運動的勻速性是難以保證的，而且機械運動速度也無法達到很高的頻率，難以實現精確的動態位移測量。從上世紀80年代末到本世紀初，很多學者對粗光柵提出了多種改進方法，最具代表性的是重慶大學光電技術實驗室提出的圖像掃描測量方法，用自掃描光敏陣列對粗光柵柵線位置進行識別，只用一個標尺光柵即可實現測量，大大簡化了安裝工藝，但其測量精度和動態性取決于圖像掃描的精度和掃描頻率，而圖像掃描是一種離散的掃描方式，行掃描頻率有限，也無法實現高精度的測量和較高速度動態測試。

CN103591896A公開了一種基于交變光場的時柵直線位移傳感器，其采用通過接收雙排柵面的透光光線形成兩路駐波信號，再由加法電路合成一路行波信號的方式來實現直線位移的測量。如果簡單改變結構后用來測量角位移會存在如下問題：(1)多路光電接收電路使得處理電路復雜，電路控制難度大；(2)定極板和動極板都為雙排柵面，安裝難度較大，并且進行角位移測量時，不同半徑的柵面要求保證面積相等，會增加加工工藝的難度，進而增加成本。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于光強正交調制的時柵角位移傳感器，以對角位移進行精密測量，降低電路控制難度、安裝難度以及加工工藝難度。

本發明所述的基于光強正交調制的時柵角位移傳感器，包括發光元件、動盤基體、定盤基體和光電探測器，發光元件、定盤基體和光電探測器都相對固定，只有動盤基體可轉動。

所述發光元件安裝在動盤基體上方，發光元件由大小相等且互不干擾的第一、第二、第三、第四光源體沿圓周方向依次間隔排列構成，第一、第二、第三、第四光源體分別通入頻率、幅值相等，相位為0°、90°、180°、270°的正弦激勵電信號驅動，形成四組頻率、幅值相等，相位相差90°的交變光源，將圓周等分為四個互不干擾的光照區域(每個光照區域內的光強均勻分布且按照正弦規律變化)。

所述動盤基體上設有一圈沿圓周方向均勻間隔分布的呈扇環形的動盤透光面，相鄰兩個動盤透光面間隔的圓心角等于一個動盤透光面的圓心角。

所述定盤基體平行同軸安裝在動盤基體下方，與動盤基體正對且留有間隙，動盤基體能相對定盤基體轉動，定盤基體上沿圓周方向設有第一組、第二組、第三組、第四組定盤透光面，所述第一組定盤透光面的空間相位為0°(即處于第一象限內)，在軸向與第一光源體的光照區域對應，所述第二組定盤透光面的空間相位為90°(即處于第二象限內)，在軸向與第二光源體的光照區域對應，所述第三組定盤透光面的空間相位為180°(即處于第三象限內)，在軸向與第三光源體的光照區域對應，所述第四組定盤透光面的空間相位為270°(即處于第四象限內)，在軸向與第四光源體的光照區域對應；各組定盤透光面的個數相同、大小相等且都呈半正弦形(即[0，π]區間的正弦曲線圍成的區域形狀)，各組中相鄰兩個定盤透光面間隔的圓心角等于一個定盤透光面的圓心角，各個定盤透光面的圓心角等于動盤透光面的圓心角，各個定盤透光面的徑向高度略小于動盤透光面的徑向高度。第一組、第二組、第三組、第四組定盤透光面與動盤透光面的對應關系滿足：當第一組定盤透光面與動盤透光面完全正對時，第二組定盤透光面相對于動盤透光面錯開半個動盤透光面的圓心角，第三組定盤透光面相對于動盤透光面錯開一個動盤透光面的圓心角，第四組定盤透光面相對于動盤透光面錯開1.5個動盤透光面的圓心角。