CN110411485A - 基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器及测量方法，包括转轴、光电敏感元件、码盘、掩模、凸透镜、光源、以及FPGA处理单元；所述码盘与转轴同心安装，所述光电敏感元件的输入端连接在码盘相应的码道上，将采集到的码道的光信号转化为电信号，输出端连接FPGA处理单元，所述码盘上设有绝对码道，所述掩模中间为透光区域，两端为不透光区域，可滤除多余光干扰，所述凸透镜可实现平行或聚焦光源发出的光线，所述FPGA处理单元对电信号进行处理，得到角度的准确信息。本发明通过掩模滤除光干扰，与绝对式编码的方法结合，可有效提高编码器的精度和可靠性，且结构简单、操作方便。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。

Description

基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器及测量方法

技术领域

本发明涉及编码器及其测量方法领域，尤其涉及一种基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器及其测量方法。

背景技术

绝对式旋转编码器作为一种精密测量角度位移的工具，在角度及位置测量领域具有不可替代的作用，其具有体积小，重量轻，品种多，功能全，频响高，分辨能力高，力矩小，耗能低，性能稳定，可靠使用寿命长等特点，在民用电梯、数控机床、机器人及伺服电机等领域得到广泛的应用。传统的绝对式旋转编码器主要是依靠光电敏感元件来感应光学系统通过编码盘后的产生的明暗条纹变化来得到转轴的角度和位置信息，但由于旋转编码器的单码道宽度一般不超过1mm，相邻码道之间的光干扰十分严重，一些原本不应该接触到光束的光电敏感元件意外地接受到多余的光的照射，会造成编码的错误，得到不准确的位置信息。

因此，现有技术需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单的基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器。

本发明的另一目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于上述编码器的测量方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器，该旋转编码器主要包括转轴、用于感知光信号的光电敏感元件、码盘、用于遮住非有效区域外光线的掩膜、用于形成平行光线的凸透镜、用于产生光线的光源、以及用于高速处理和分析光信号的FPGA处理单元。所述码盘与转轴同心安装，可实现编码器随转轴转动。所述光电敏感元件可将接收到的光信号转化为电信号。所述码盘设置在掩膜与光电敏感元件之间，采用透射式的圆编码器。所述掩膜设置在码盘与光源之间，实现多余光干扰的滤除。所述凸透镜放置在掩膜与光源之间，实现平行或聚焦光源发出的光线。所述光源发出的光线经一系列的传导和变化后被光电敏感元件接收，所述FPGA处理单元与光电敏感元件相连，对光电敏感元件接收转换后的电信号进行处理，得到角度的准确信息。所述码盘上还设有用于计算转动圈数的圈数计数器，所述圈数计数器与FPGA处理单元连接，用于对码盘转动的圈数进行计数。

具体的，所述光电敏感元件的输入端连接在码盘相应的码道上，读取对应码道的光信号，并转化为电信号，输出端连接FPGA处理单元。

作为本发明的优选方案，所述光电敏感元件采用CCD阵列传感器或CMOS阵列传感器进行采集。

作为本发明的优选方案，为了减少掩膜的长度，节约成本，本发明所述掩膜长度与码盘的直径相同。

作为本发明的优选方案，为了减小码盘的体积，本发明所述码盘不同于常见的码盘，其码道刻在圆盘的环状处，而不是圆面上。

作为本发明的优选方案，为了提高掩膜的光线滤除效果，本发明所述掩膜的中部设为为透光区域，两端为不透光区域；所述透光区域设为与编码器码盘位数相同大小。

作为本发明的优选方案，所述码盘通过刻蚀等方法在玻璃、金属等基材上刻蚀出对应的明暗条纹。

作为本发明的优选方案，为了拓宽绝对旋转编码器的使用场合，本发明所述圈数计数器采用光敏二极管、CCD阵列传感器或CMOS阵列传感器代替。

作为本发明的优选方案，为了拓宽绝对旋转编码器的使用场合，本发明所述FPGA处理单元采用51单片机、STM32、DSP等代替。

本发明的另一目的通过下述技术方案实现：

一种基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器的测量方法，该测量方法主要包括如下步骤：

步骤S1：码盘与转轴同心安装，并跟随转轴转动，同时光源发出光束，经凸透镜后输出平行光束；

步骤S2：平行光束通过不移动的掩膜，只有中间的透光部分可以使光束通过，两边的不透光区域可以滤除多余的光干扰；

步骤S3：通过掩膜的光束为所需的光，其照射在码盘对应区域的码道上，码盘对应区域连接有光电敏感元件，会生成代表绝对位置的绝对码；

步骤S4：光电敏感元件将带有绝对码的光信号传输给FPGA单元进行数据处理，通过计算得到准确的角度，其中，具体角度计算方法如下：

θ＝m×360°+n×k

其中，θ为旋转编码器转过的总角度；

m为圈数计数器对码盘转动的圈数进行计数结果，即编码器旋转的圈数；

n为四个码道编码代表的绝对位置数；

k为编码器每个码道代表的角度范围。

本发明的工作过程和原理是：本发明在工作时，光源向不同方向发出光线，部分光线通过平行放置在光源前端的凸透镜后，会实现由折射向平行输出的转变；掩模放置在码盘与凸透镜之间，掩膜的中部为透光码道，两端为不透光码道，且透光码道区域与编码器码盘位数区域大小相同，使得需要照射到码盘的码道上的平行光才能通过；光穿过透光码道区域后，对应投射在编码器码盘的码道上；编码器码盘的码道上刻有代表绝对位置的绝对码，当转轴转动时，同心安装的编码器码盘也会跟着转轴运动，其上的码道的位置也会做圆周的转动，进而每个位置所显示的绝对码不同；通过掩模的透光码道的光传输到码道代表不同位置的绝对码上，再由连接在码盘相应码道后的光电敏感元件读取对应码道的光信号，并转化为电信号，光电敏感元件将转化好的电信号传输给FPGA处理单元，对电信号进行处理，从而得到反映角度的准确信息。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器及测量方法采取掩模技术来滤除光干扰,其不透光的区域会限制多余的光束通过，从而无法被光电敏感元件接收，仅在掩模中间透光区域通过与编码器码盘位数相同的区域，通过光电敏感元件实现编码，大大提高了干扰光的过滤效果，使编码器获得更准确的光信号。

(2)本发明所提供的基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器及测量方法通过依次移动一个区域，来实现不同位置信息的表示。通过掩模滤除光干扰，与本发明的绝对式旋转编码器编码的方法结合，可以有效提高编码器的精度和可靠性，且结构简单、操作方便。

附图说明

图1是本发明所提供的基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器的结构示意图；

图2是凸透镜实现发散光束平行传播的原理图；

图3是本发明所提供的光线在各元件中传播及接收过程示意图；

图4是本发明所提供的码盘展开及编码方式示意图；

图5是本发明所提供的编码测量流程图。

上述附图中的标号说明：

1-转轴，2-光电敏感元件，3-码盘，4-掩膜，5-凸透镜，6-光源，7-FPGA处理单元，31-码道，32-圈数计数器，41-透光码道，42-不透光码道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本发明公开了一种基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器的结构示意图，该绝对旋转编码器主要包括转轴1，光电敏感元件2，码盘3，掩模4，凸透镜5，光源6，FPGA处理单元7，所述码盘3与转轴1同心安装，可实现编码器随转轴转动，所述光电敏感元件2的输入端连接在码盘3相应的码道上，读取对应码道的光信号，并转化为电信号，输出端连接FPGA处理单元7，所述码盘3放置在掩模4与光电敏感元件2之间，其上设有绝对码道，采用透射式的圆编码器，所述掩模4放置在码盘3与凸透镜5之间，同样是通过刻蚀等方法得到的玻璃、金属等基材上的明暗条纹，与码盘3不同之处在于，中间为透光区域，两端为不透光区域，中间透光区域通过与编码器码盘3位数相同的区域，实现多余光干扰的滤除，所述凸透镜5放置在掩模4与光源6之间，可以实现平行或聚焦光源6发出的光线，所述光源6发出的光线经一系列的传导和变化后被光电敏感元件2接收，所述FPGA处理单元7与光电敏感元件2相连，对光电敏感元件2接收转换后的电信号进行处理，得到角度的准确信息。

进一步作为优选的实施方案，所述码盘3不同于常见的码盘，其码道刻在圆盘的环状处，而不是圆面上，可以减小码盘的体积。

进一步作为优选的实施方案，所述码盘3通过刻蚀等方法在玻璃、金属等基材上刻蚀出对应的明暗条纹，其上所设计的明暗条纹变化关系即为本发明提供的一种绝对式旋转编码器编码的方法。

进一步作为优选的实施方案，所述掩模4长度与码盘3的直径相同，可以防止多余的光进入码盘3。

进一步作为优选的实施方案，所述FPGA处理单元7也可用51单片机、STM32、DSP等代替。

进一步作为优选的实施方案，所述光电敏感元件2可以采用CCD阵列传感器或CMOS阵列传感器进行采集。

如图2所示，凸透镜5对光源6发出的光线可以实现平行作用，使得从光源6处不同方向折射过来的光线通过凸透镜5后输出的均为平行光线，有利于均一地照射到后续的掩模4、码盘3等元件上。

本编码器工作时如图3所示，光源6向不同方向发出光线，部分光线通过平行放置在光源6前端的凸透镜5后，会实现由折射向平行输出的转变，有利于后续光线传输和接收的准确性，掩模4放置在码盘3与凸透镜5之间，通过刻蚀等方法在玻璃、金属等基材上得到明暗条纹，中间为透光码道41，两端为不透光码道42，间距相通，中间透光码道41通过与编码器码盘3位数相同的区域，使得需要照射到码盘3码道31上的平行光才能通过，而其余不需要的光无法通过，可以实现多余光干扰的滤除，使得所需输出的平行光无误的传输，通过掩模4的透光码道41后的光将对应地传输到编码器码盘3的码道31上，编码器码盘3的码道31上刻有代表绝对位置的绝对码，当转轴1运动时，同心安装的编码器码盘3也会跟着转轴1运动，其上的码道31的位置也会做圆周的转动，进而每个位置所显示的绝对码不同，通过掩模4的透光码道41的光传输到码道31代表不同位置的绝对码上，再由连接在码盘3相应码道31后的光电敏感元件2读取对应码道31的光信号，并转化为电信号，光电敏感元件2将转化好的电信号传输给FPGA处理单元7，对电信号进行处理，得到反映角度的准确信息，即可代表编码器所旋转到的绝对位置，圈数计数器32用于对码盘3转动的圈数进行计数，其本质上也是一个光电敏感元件，当一有光线照射到它，它会产生一个上升沿，当光线一直照射的过程中，它处于上升沿不动，直到圈数计数器32无法接收到光线时，会产生一个下降沿，进而形成一个脉冲，由内部的逻辑电路进行计数。

实施例2：

本实施例为本发明提供的一种绝对式旋转编码器编码的方法，如图4所示，为4位二进制编码盘的展开示意图，一共有16个码道，由于光电敏感元件的电路结构所致，对透光区域(图中为白色区域)编码为0，对不透光区域(图中为黑色区域)编码为1，则本图中的编码序列为1111011001010000。每4位二进制码可代表一个绝对位置，从左往右的4位分别代表第一码道、第二码道、第三码道、第四码道，当编码器码盘3跟随转轴1运动，其上的码道31的位置也会做圆周的转动，每转动一次码道的位置向左更替一位，进而每个位置所显示的绝对码不同。

具体编码方式如下表1所示：

例如，四个码道均不透光，背后的光电敏感元件2均无法接收到光线，于是对应的四个码道的编码分别为1111，此时代表的绝对位置数为0，即原点；当码盘转动时，码道的位置向左更替一位，得到编码分别为1110，这时代表的位置数为1，依次类推，得到代表4位二进制的16个位置编码，码盘3上的圈数计数器32用于对码盘3转动的圈数进行计数，当旋转一圈之后，计数器会加一，编码器码道编码又回到了1111的初始位置，继续下一圈位置的编码。本实施例是以4位二进制为例，可拓展为6位、8位等。

实施例3：

本实施例为本发明提供的一种绝对式旋转编码器角度位置测量方法，如图5所示，具体包括以下步骤：

S1、码盘与转轴同心安装，并跟随转轴转动，同时光源发出光束，经凸透镜后输出平行光束；

S2、平行光束通过不移动的掩模，只有中间的透光部分可以使光束通过，两边的不透光区域可以滤除多余的光干扰；

S3、通过掩模的光束为所需的光，其照射在码盘对应区域的码道上，码盘对应区域连接有光电敏感元件，会生成代表绝对位置的绝对码；

S4、光电敏感元件将信号传输给FPGA单元进行数据处理，通过计算得到准确的角度，其中，具体角度计算方法如下：

θ＝m×360°+n×k；

θ为旋转编码器转过的总角度(即被测对象转过的总角度)；

m为圈数计数器对码盘转动的圈数进行计数结果，即编码器旋转的圈数；

n为四个码道编码代表的绝对位置数(如4位二进制中为0-15)；

k为编码器每个码道代表的角度范围(如4位二进制中)

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器，其特征在于，包括转轴、用于感知光信号的光电敏感元件、码盘、用于遮住非有效区域外光线的掩膜、用于形成平行光线的凸透镜、用于产生光线的光源、以及用于高速处理和分析光信号的FPGA处理单元；所述码盘与转轴同心安装，可实现编码器随转轴转动；所述光电敏感元件可将接收到的光信号转化为电信号；所述码盘设置在掩膜与光电敏感元件之间，采用透射式的圆编码器；所述掩膜设置在码盘与光源之间，实现多余光干扰的滤除；所述凸透镜放置在掩膜与光源之间，实现平行或聚焦光源发出的光线；所述光源发出的光线经一系列的传导和变化后被光电敏感元件接收，所述FPGA处理单元与光电敏感元件相连，对光电敏感元件接收转换后的电信号进行处理，得到角度的准确信息；所述码盘上还设有用于计算转动圈数的圈数计数器，所述圈数计数器与FPGA处理单元连接，用于对码盘转动的圈数进行计数。

2.根据权利要求1所述的基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器，其特征在于，所述光电敏感元件的输入端连接在码盘相应的码道上，读取对应码道的光信号，并转化为电信号，输出端连接FPGA处理单元。

3.根据权利要求1所述的基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器，其特征在于，所述光电敏感元件采用CCD阵列传感器或CMOS阵列传感器进行采集。

4.根据权利要求1所述的基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器，其特征在于，所述掩膜长度与码盘的直径相同。

5.根据权利要求1所述的基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器，其特征在于，所述码盘的码道刻在圆盘的环状处。

6.根据权利要求1所述的基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器，其特征在于，所述掩膜的中部设为为透光区域，两端为不透光区域；所述透光区域设为与编码器码盘位数相同大小。

7.根据权利要求1所述的基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器，其特征在于，所述码盘通过刻蚀方法在玻璃、金属基材上刻蚀出对应的明暗条纹。

8.根据权利要求1所述的基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器，其特征在于，所述圈数计数器采用光敏二极管、CCD阵列传感器或CMOS阵列传感器代替。

9.根据权利要求1所述的基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器，其特征在于，所述FPGA处理单元采用51单片机、STM32、DSP等代替。

10.一种基于掩膜滤除光干扰的透射式绝对旋转编码器的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：码盘与转轴同心安装，并跟随转轴转动，同时光源发出光束，经凸透镜后输出平行光束；

步骤S2：平行光束通过不移动的掩膜，只有中间的透光部分可以使光束通过，两边的不透光区域可以滤除多余的光干扰；

步骤S3：通过掩膜的光束为所需的光，其照射在码盘对应区域的码道上，码盘对应区域连接有光电敏感元件，会生成代表绝对位置的绝对码；

步骤S4：光电敏感元件将带有绝对码的光信号传输给FPGA单元进行数据处理，通过计算得到准确的角度，其中，具体角度计算方法如下：

θ＝m×360°+n×k

其中，θ为旋转编码器转过的总角度；

m为圈数计数器对码盘转动的圈数进行计数结果，即编码器旋转的圈数；

n为四个码道编码代表的绝对位置数；

k为编码器每个码道代表的角度范围。