[發(fā)明專利]增量式光電軸角編碼器及其用于測量物體的角度信息方法

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• 申請日: 2018-01-18
• 公開（公告）號: CN108180929A
• 公開（公告）日: 2018-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 石屹然;車曉男;王士謙;郭晨;李旭晨;李庚垚;石要武
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: G01D5/347
• 分類號: G01D5/347
• 代理公司: 長春市吉利專利事務(wù)所 22206
• 代理人: 李曉莉

1.增量式光電軸角編碼器，其特征在于：包括激光頭(10)、核心控制芯片(11)、光盤(14)、支撐主軸(15)、安裝軸承(16)、機體外殼(17)、固定螺栓(18)、ARM芯片(19)、D觸發(fā)器(20)、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(21)及固定底座(22)，

所述光盤(14)通過光盤底座安裝在支撐主軸(15)的頂端隨支撐主軸(15)同步轉(zhuǎn)動，在光盤(14)上預(yù)錄有凹坑，任意兩個相鄰凹坑間距相等，且所有凹坑處于同一圓周上；

所述激光頭(10)設(shè)置在機體外殼(17)內(nèi)部，并位于光盤(14)上方對準(zhǔn)凹坑所在軌道，激光頭(10)上設(shè)置有聚焦透鏡(1)、聚焦線圈(2)、聚焦磁鐵(3)、光檢出器(4)、激光二極管(5)、FPC柔性電路板(6)、循跡線圈(7)、光頭小車(8)及聚焦永久磁鐵(9)，其中光檢出器(4)數(shù)量為兩個，F(xiàn)PC柔性電路板(6)用于裝載激光二極管(5)，同時在FPC柔性電路板(6)上設(shè)有輸入輸出接口，循跡線圈(7)及聚焦永久磁鐵(9)用于控制激光二極管(5)的位置；

所述安裝軸承(16)設(shè)置在機體外殼(17)底部中心位置；所述支撐主軸(15)下端依次穿過機體外殼(17)、安裝軸承(16)與外部待測物體連接；

所述固定底座(22)安裝在機體外殼(17)內(nèi)頂部,其上固定有核心控制芯片(11)、ARM芯片(19)、D觸發(fā)器(20)及單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(21)；

所述單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(21)的輸入接口與FPC柔性電路板(6)上的輸入輸出接口連接，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(21)和FPC柔性電路板(6)之間布設(shè)有功率放大電路(28)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(21)的輸出接口連接到D觸發(fā)器(20)的輸入接口；所述D觸發(fā)器(20)的輸出接口連接到ARM芯片(19)上；

所述核心控制芯片(11)通過FPC柔性電路板(6)上的輸入輸出接口與激光頭(10)通信連接，核心控制芯片(11)用于控制激光頭(10)始終對準(zhǔn)凹坑所在軌道，核心控制芯片(11)上布設(shè)有核心控制器及激光頭控制電路，核心控制器與激光頭控制電路相互之間電性連接，激光頭控制電路包含聚焦驅(qū)動電路(23)、位相補償電路Ⅰ(24)、位相補償電路Ⅱ(25)、循跡驅(qū)動電路(26)、誤差信號提取電路(27)、濾波放大電路(29)、電機驅(qū)動器(30)及光頭移動電機(31)；

所述固定螺栓(18)用于固定機體外殼(17)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增量式光電軸角編碼器，其特征在于：所述激光頭(10)與機體外殼(17)接觸處設(shè)置有固定墊片(12)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增量式光電軸角編碼器，其特征在于：所述ARM芯片(19)為STM32F103ZET6芯片。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增量式光電軸角編碼器，其特征在于：所述凹坑的長度為0.1um。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增量式光電軸角編碼器，其特征在于：所述D觸發(fā)器(20)的型號為74HC74。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增量式光電軸角編碼器，其特征在于：所述單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(21)的型號為74HC123。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增量式光電軸角編碼器，其特征在于：所述核心控制芯片(11)型號為KA9259D。

8.增量式光電軸角編碼器用于測量物體的角度信息方法，其特征在于：該方法采用權(quán)利要求1-7中任意一項所述的增量式光電軸角編碼器，具體包括如下步驟：

步驟一、電源上電后增量式光電軸角編碼器進入初始化；

步驟二、激光頭(10)中的激光二極管(5)產(chǎn)生激光束經(jīng)聚焦透鏡(1)垂直照射到光盤(14)上，再由光盤(14)反射回來照射到光檢出器(4)，光檢出器(4)檢測從光盤(14)上反射回來的激光信號,并把激光信號轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號中含有脈沖信號、循跡誤差信號和聚焦誤差信號，光檢出器(4)輸出的電信號經(jīng)誤差信號提取電路(27)提取出循跡誤差信號和聚焦誤差信號，循跡誤差信號經(jīng)A/D變換，核心控制器相位補償處理，再經(jīng)D/A變換后送到循跡驅(qū)動電路(26),經(jīng)循跡驅(qū)動電路(26)放大后,加到循跡線圈(7)上，循跡線圈(7)中通電流時，循跡線圈(7)產(chǎn)生的磁場與聚焦永久磁鐵(9)相互作用，從而控制激光頭(10)沿光盤(14)的徑向移動，實現(xiàn)循跡操作；

聚焦誤差信號經(jīng)A/D變換,核心控制器相位補償處理,再經(jīng)D/A變換后送到聚焦驅(qū)動電路(23),經(jīng)聚焦驅(qū)動電路(23)放大后，帶動聚焦線圈(2)，在聚焦線圈(2)中有電流流過，產(chǎn)生磁場，該磁場與聚焦磁鐵(3)相互作用，推動聚焦透鏡(1)作上下移動，從而將焦點正好落在光盤(14)鋁反射層上，實現(xiàn)聚焦操作；

步驟三、經(jīng)循跡操作、聚焦操作后，激光頭(10)中的激光二極管(5)產(chǎn)生激光束準(zhǔn)確照射到凹坑所在軌道，外部待測物體與支撐主軸(15)相連，外部待測物體轉(zhuǎn)動時驅(qū)動光盤(14)轉(zhuǎn)動，激光頭(10)掃描光盤(14)獲取脈沖信號，脈沖信號經(jīng)功率放大電路(28)放大后由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(21)和D觸發(fā)器(20)二分頻處理轉(zhuǎn)變成占空比為1：1的脈沖序列，再經(jīng)ARM芯片(19)的定時器雙邊沿捕獲處理得到待測物體的角度信息。