（生物医学工程专业论文）光学编码器电气特性在线检测技术研究.pdf

a l o n gw i t ht h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o ne n t e r p r i s ed e v e l o p m e n t , t h eo p t i c a le n c o d e r a p p l i c a t i o nd o m a i ne x p a n d su n c e a s i n g l y d u r i n gt h eo p t i c a l e n c o d e rp r o d u c t i o n p r o c e s s ，t h ea n a l y s i si n s t r u m e n tf o ro n l i n e e x a m i n a t i o no p t i c a le n c o d e ri sv e r y i m p o r t a n t ；i tc o n t r o l st h eq u a l i t yo fo p t i c a le n c o d e r , a n di tc a na n a l y z et h ee l e c t r i c a l c h a r a c t e ro fo p t i c a le n c o d e rs i m u l t a n e o u s l y i ti st h ek e yt oq u a l i t yc o n t r o lo fo p t i c a l e n c o d e r t h i sa r t i c l es t a r t sw i t ht h ep r i n c i p l eo fo p t i c a le n c o d e r , a n du n d e ro v e r a l l u n d e r s t a n d i n go fo p t i c a le n c o d e r , w eh a v ec o m p l e t e da s e r i e so fw o r k sf o rd e s i g na n d a p p l i c a t i o no ft h eo n l i n ee l e c t r i c a ls p e c i f i c a t i o nt e s ta n dt h ea p p r a i s a li n s t r u m e n t s u c c e s s f u l l y t h i si n s t r u m e n tp r o v i d e sr o t a t i o nl i n e a rr a n g ef o r15 0 r i m 8 0 0 0 r m ，a n d i t s s i n g l ec h a n n e ls a m p l i n gr a t e i su pt o1 2 5 m s s t h i si n s t r u m e n tc a ns h o w w a v e f o r m si nt h r e ec h a n n e l ss i m u l t a n e o u s l y , a n dm a k es u p e r i m p o s i t i o no ft h e c h a n n e l s t h es i g n a lp h a s ed i f f e r e n c e ，p e a k t o - p e a kv a l u er a n g e ，d u t y f a c t o rs i z e ， f r e q u e n c y , p h a s ep a r a m e t e ra n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ci nt h e a b zv a r i o u sc h a n n e l s o ft h ei n c r e m e n t a lo p t i c a le n c o d e rc a nb er e a do u td i r e c t l y t h ei n s t r u m e n tc a nc o u n t t h eo u t p u tp u l s eo fo p t i c a le n c o d e ra n dm a k eo v e r a l la s s e s s m e n to fo p t i c a le n c o d e r t h er e s e a r c hw o r ko ft h ep a p e rh a sp r o v i d e dan e wh i 【g hm e a n sf o rt h ep a r a m e t e r a d j u s t m e n t , t h ep e r f o r m a n c ee x a m i n a t i o na n d t h eq u a l i t yc o n t r o lo fi n c r e m e n t a lm o d e t h ee n c o d e rp r o d u c t i o n w i t ht h ee x a m i n a t i o ni n s t r u m e n tt h i s a r t i c l em a k e sf o u re x p e r i m e n t sw h i c ha r e h e l p f u lt ou n d e r s t a n dt h ef a c t o r sw h i c hc o u l di n f l u e n c et h eo p t i c a le n c o d e r t h i si s m e a n i n g f u lt ot h ep r o d u c t i o na n da p p l i c a t i o no fo p t i c a le n c o d e r k e yw o r d s ：o p t i c a le n c o d e r , m o i r 6f r i n g e ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，d u t yf a c t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁姿盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：绑 签字魄 细7 年2月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤叠盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：兰三冬穆 导师签名： 签字同期：7 归7 年三月多日 ， 3 ， 、 月弘 惭丫彤日 第一章绪论 1 1 光学编码器概述 第一章绪论 光电轴角编码器又称为光电角位置编码器，是一种集光、机、电一体的数字 测角装置。是将旋转角位置、角位移及角速度等物理量转换成电信号的位移传感 器。光电轴角编码器由主轴带动编码器旋转发出脉冲，于是可检测角位移或通过 微机控制转换成直线位移量。还可以与计算机及显示装置相连接，不但能实现数 字测量与数字控制，而且由于光学编码器采用圆光栅或编码盘做检测元件，与其 他同类用途的传感器相比，具有不易受外界噪音特别是磁场的影响，分辨力高、 测量精度高、寿命长、工作可靠性好、测量范围广、体积小、重量轻和易于维护 等优点，因此广泛地应用于雷达、光电经纬仪、指挥仪、机器人和高精度闭环调 速系统等诸多领域。光学编码器作为一种高精度的测角传感器已广泛应用于工业 控制和测试领域】。旋转式光学编码器，作为一种具有高性能的以数字量完成反 馈的器件，代替了以传统的以模拟量作为速度反馈参数的系统，不受非线性、温 度变化和元件老化等因素的影响1 2 j ，可以满足控制过程的快速性和准确性的要 求。使用光学编码器测量位移，准确无误的计数起着决定性作用。 1 1 1 光学编码器的分类 作为光电传感检测元件的光学编码器，具有精度高、响应快、抗干扰能力强、 性能稳定可靠等显著的优点，它通常用于角位移和线位移的测量系统中，如：机 器人的关节，天文望远镜等机械设备的转角和倾角，自控机床的刀具，高精度闭 环调速系统等诸多领域。如果加设机械变换装置，旋转式光学编码器也可以用于 测量深度、行程等直线位移。它在控制系统的位置反馈测量及传动误差的比较测 量方面也发挥着越来越大的作用p j 。 光学编码器有增量型与绝对值型两种。给光学编码器输入连续的信号，经光 学编码器的核心部件编码盘及相应的电路调制变换，以不同形式的代码电信号输 出。根据输出信号的特征，分为增量型光学编码器和绝对值型光学编码器。 第一章绪论 1 1 1 1 增量型光学编码器 增量型光学编码器的输出轴转角被分成一系列位置的增量，敏感元件对这些 增量响应，每当出现一个单位增量时，敏感元件就向计数器发出一个脉冲，计数 器把这些计数脉冲累加起来，并以各种进制的代码形式在输出端给出所需要的输 入角度瞬时值的信息。增量型编码器一般给出两种方波，它们的相位差9 0 。( 电 气上) ，通常称为通道a 和通道b 。只有一个通道的读数给出与转速有关的信息， 与此同时，通过所取得的第二通道信号与第一通道信号的进行顺序对比的基础 上，得到旋转方向的信号。还有一个可利用的信号称为z 通道或零通道，该通道 给出编码器轴的绝对零位。此信号是一个方波，其相位与a 通道在同一条中心 线上，宽度与a 通道信号相同，码盘如图1 1 。这种光学编码器的最大优点是结 构简单、价格低廉；缺点是无固定零位，遇到停电等故障所有信息全部丢失。为 避免这个缺点，最近研制出一种具有固定零位的增量型光学编码器，兼容了绝对 值型光学编码器的特点。目前这种编码器的分辨率己做到1 ，并且无需通过电 路细分。 。 图1 1 增量型光学编码器码盘 增量型编码器的精度取决于机械和电气的因素，这些因素有：光栅分度误差、 光盘偏心、轴承偏心、电子读数装置引入的误差以及光学部分的不精确性。确定 编码器精度的测量单位是电气上的度数，编码器的精度决定了编码器产生的脉冲 分度。以下用3 6 0 电气度数来表示机械轴的转动，而轴的转动必须是一个完整的 周期。 要知道多少机械角度相当于电气上的3 6 0 。，可以用下列公式来计算： 第一章绪论 电气3 6 0 = 慧器 编码器分度的误差是以电气度数为单位的两个连续脉冲波的最大偏移来表 示。误差存在于任何编码器中，这是由前述各因素引起的。 e l t r a 编码器的最大误差为2 5 。电气度( 在已声明的任何条件下) ，相当 于额定值偏移7 。至于标称相位差9 0 。( 电气上) 的两个通道的最大偏差为 3 5 。( 电气度数) ，相当于1 0 左右。 除了上述传统的编码器外，还有一些与其它电输出信号组合在一起的编码器 也是增量型编码器的组成部分。与换向用各相信号组合在一起的增量型编码器就 是实例，它通常用作为电机的反馈元件。这些补充信号模拟霍尔效应各相信号的 功能，这些相信号平常出现在换向电机( 无刷电机) 中，它们通常由磁性检测元 件生成。在e l t r a 编码器中这些换向信号用光学方法生成。并以三个主波的形 式出现，它们彼此偏移1 2 0 。控制电动机用的转换器需要这些信号，以便为电 机旋转提供相位正确的电压或电流。这些换向脉冲可以在机械轴旋转一圈内重复 多次，因为它们直接取决于所连接电机的磁极数，所以我们的编码器有多种换向 信号用于4 、6 或更多个磁极的电动机。 正弦波编码器是增量型编码器家族的一部分，重要的区别在于其输出信号不 是数字式的，而是正弦波模拟式的。它的出现主要是为了满足电气领域的需要， 作为电动机的反馈检测元件。在与其它传统相比的基础上，人们需要提高动态特 性时可以采取这种编码器。为了保证良好的电机控制性能，编码器的反馈信号必 须能够提供大量的脉冲，尤其是在转速很低的时候。采用传统的增量编码器产生 大量脉冲，从许多方面来看都有问题；当电机高速旋转时( 6 0 0 0 r p m ) 要传输和 处理数字信号是很困难的。在这种情况下，处理给伺服电机的信号所需带宽( 例 如编码器每转脉冲数位( 1 0 0 0 0 ) ) 将很容易的超过m h z 的门限。而另一方面， 采用模拟信号大大减少了上述麻烦，并有能力模拟编码器的大量脉冲。这要感谢 正弦和余弦模拟信号的内插法，它为旋转角度提供了计算方法。这种方法可以获 得基本正弦的高倍增，如可从每转1 0 2 4 个正弦波编码器中获得每转超过1 0 0 0 0 0 0 个脉冲。接受此信号所需的带宽只要稍许大于1 0 0 k h z 级已足够。编码器输出信 号由两个正弦波和一个模拟信号零组成：两个正弦波输出的相位电气上差9 0 。， 我们称它们为正弦和余弦( 最多2 0 4 8 正弦波转) ；模拟零信号位于上述两个通 道之间的中心线上。另外还有两个周期为3 6 0 。( 机械度数，每转一个正弦波) 的正弦信号组合在一起，以实现换向信号的功能。具有每转一个脉冲分度输出信 号是非常有用的，例如作为解算器使用时，能以同样的方法获得转角的绝对位置。 第一章绪论 零信号也是模拟的，并以相同于部分正弦波的形式出现。此信号很容易变成方形， 以使提供一个代表可变开启角的参考脉冲。确定这种编码器精度的基本数据为单 个正弦波( 每转2 0 4 8 个正弦波) 的线性度和在任何角位置上的最大偏差( 与实 际机械位置相比) 。这些增量正弦波中的一个正弦波的最大线性误差为1 0 。编 码器每转的误差，显然取决于编码器每转的正弦波数量，例如每转2 0 4 8 正弦波 的线性误差计算如下： e l i n ：0 1 3 6 0 6 0 x6 0 兰o 0 17 5 。 2 0 4 8 ( 1 2 ) 与实际相比的角度测量误差通常是由前述诸因素造成的，如能重视轴承的质 量和光盘在轴上的同心度，则误差可保持更小。 增量型编码器存在零点累计误差，抗干扰较差，接收设备的停机需断电记忆， 开机应找零或参考位等问题，这些问题如选用绝对值型编码器可以解决。 1 1 1 2 绝对值型光学编码器 绝对值型光学编码器。这种编码器也叫空间编码器或直读式编码器。绝对值 型光学编码器编码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2 线、4 线、8 线、 1 6 线编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗， 获得一组从2 的零次方到2 的n 1 次方的唯一的2 进制编码( 格雷码) ，这就称 为n 位绝对值型光学编码器。这样的编码器是由编码盘的机械位置决定的，它不 受停电、干扰的影响。绝对值型光学编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的， 它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么 时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。 其优点是具有固定的零位，角度值的代码单值化，无累计误差，抗干扰能力强； 缺点是敏感件多，码盘图案、制造工艺复杂，成本也高。它可作为一个测角仪使 用，早期多用于军事装备和设施上，目前这种编码器已做到2 4 位，分辨率达0 0 7 7 ” ( 美国b e i 公司) 。 绝对值型光学编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，它无需记忆，无 需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它 的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。 旋转单圈绝对值编码器，以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编 码，当转动超过3 6 0 度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则， 这样的编码只能用于旋转范围3 6 0 度以内的测量，称为单圈绝对值编码器。 第一章绪论 如果要测量旋转超过3 6 0 度范围，就要用到多圈绝对值编码器。 编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传 动另一组码盘( 或多组齿轮，多组码盘) ，在单圈编码的基础上再增加圈数的编 码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对值型光学编码器就称为多圈式绝对值 型光学编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无 需记忆。 多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在 安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了 安装调试难度。 绝对值型光学编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向 有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区 数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是 光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件 根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数( 如图1 2 a ，b 所示) 。 这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位 置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有n 位二进 制分辨率的编码器，其码盘必须有n 条码道。目前国内已有1 6 位的绝对值型光 学编码器产品。 图1 - 2 a 二进制码盘图1 2 b 系统组成 1 1 2 光学编码器发展现状 目前，我国生产的光栅式光电轴角编码器的分辨力通常在1 0 线周 1 0 0 0 0 线周不等，最高频率相应在1 0 0 k h z ，系统也日趋小型化；德国的光栅式编码器 第一章绪论 可达到9 0 0 0 线周，系统的准确度可达到4 - 1 ”，h e i d e n h a i n 公司生产的r o d 2 0 0 型外径尺寸为由9 2 5 m m ，光源通常采用的是5 v ，0 6 w 的微型灯泡；日本的光栅 式轴角编码器分辨力通常在1 0 0 线周- - - 6 0 0 0 线周，c a n o n 公司的分辨力高达 2 2 5 0 0 0 线周，一般采用发光二极管和半导体激光器作为光源，以光电二极管做 受光器件。 光栅式光学编码器正向着高分辨力的方向发展。如日本尼康公司生产的 2 h r 3 2 4 0 0 轴角编码器，每转可输出1 2 9 6 万个脉冲( 0 0 l ) ，可谓日本的最高 分辨力。我国在光电轴角编码器的开发方面上也已经取得了长足的进展，1 9 8 5 年 航天部一院计量站研制的精密数显转台，分辨力0 0 1 ”；1 9 9 5 年中科院长春光 机所和中国计量科学研究院联合研制出的角度基准，分辨力0 0 0 1 ，精度p + v = 0 0 5 盯( 误差修正后) ；成都光电所研制的j c 2 1 精密测角仪的增量型光电轴角 编码器分辨力达到了0 0 2 ”，测角精度r o 0 4 1 4 。 绝对值型编码器因为其体积大、价格高、信号线多、制造工艺复杂等原因， 故以往市场受限。近几年来，随着机器人应用中对绝对位置信息需要，绝对值型 编码器的市场需求也在不断扩大。长春光机所于8 0 年代中期研制出了2 3 位绝 对值型轴角编码器，分辨力为o 0 2 ，该仪器的动态测量精度a ( 不确定度) 为 0 1 9 ( 峰值) ，f 0 0 1 ( 系统误差) ，r 0 0 4 ”；成都光电所研制的e o s m 光电经纬仪等装置使用g b j 2 8 0 等高精度绝对值型光电轴角编码器分辨力达到 0 0 7 8 ”，测角精度r 0 5 。近年来有的使用一种新颖独特的黑白条纹编码方 式进行角度测量，系统小巧轻便、稳定可靠，实现了对传统绝对值型编码器的原 理性的突破。如何提高编码器的精度也是一项重要的课题。增量型和绝对值型编 码器都可以采用电子技术或软件技术对光学最小分辨角进行细分，这个细分值 通常也成为精码值，光学编码器的测量精度得到了大幅度的提高。 光电轴角编码器作为一种高性能的传感器，使用在越来越多的领域。与c c d ， c m o s 及纳米技术相结合也日益成为新型编码器的目标之一，有着十分广阔的 发展空间。9 0 年代以来，c c d 作为一种成熟的光电转换器件已广泛应用在图像 传感和非接触式测量领域。c m o s 图像传感器是近些年来开发的一种极具发展潜 力的固体图像传感器件，目前在成像质量等方面与c c d 相比还有不足之处。但 c m os 具有很多优点，如芯片内部集成了么d 转换器、输出为数字信号、外围 线路简单、工作时不需要相位驱动脉冲、价格便宜等，而且在功耗、集成度上都 有很大的突破。这些优点使得它很适合于图像监控等场合。采用c m o s 图像传 感器作为编码器系统的光电探测器，一种典型的结构是使光电探测器用四个感 光单元组成，每个感光单元平行地由电路接通。四组成像单元依次相差p 4 ，从而 构成可逆计数与细分的排列，形成光学四倍频，特别在准绝对值型光学编码器中， 第一章绪论 利用c m o s 的编码能力，可使编码盘图案简单化，因此很多厂家竟相研制。 随着科学技术向着微小领域的不断深化，纳米技术的飞速发展，光电轴角编 码器技术也逐渐向着纳米领域靠近。实现光栅纳米测量时，可以利用精密的机械 和光学结构保证纳米级的测量重复性，采用高细分的信号处理技术获得纳米级 的分辨力。德国的h e i d e n h a i n 公司推出的双光栅系统，使用多普勒方法，使测量 分辨力可稳定地达到l n m 。 1 2 光学编码器检测仪器现状 光学编码器的检测仪器，是光学编码器生产过程中，至关重要的一个不可缺 少的环节。由于每个企业生产的光学编码器的性能都不完全一样，所要求检测的 数据不同，所以各个企业所拥有的光学编码器检测仪器出于针对本企业所生产的 光学编码器的性能的原因，也都不完全一样。又由于光学编码器生产企业所要求 的光学编码器电气特性检测仪器的数量不多，所以市场上并没有批量生产的光学 编码器电器特性检测仪器。各个光学编码器生产企业多采取定做的方式制造本企 业所需要的光学编码器电气特性检测仪器。 目前市场上所有的光学编码器，多是外国企业生产，国内企业多是采用代工 或代理的方式生产销售国外品牌的光学编码器。一些国内生产光学编码器的企 业，受国外企业制约的因素之一就是没有独立的光学编码器电气特性检测仪器， 不能很好的检测光学编码器的电气特性( 质量) ，也不能够分析光学编码器在生 产、应用中出现的问题。 现在企业所有的光学编码器电气特性检测仪器，多是单一的检测功能，只能 够就光学编码器输出的脉冲计数，检测产品是否合格，并没有分析光学编码器信 号的功能。 1 3 本课题的主要研究内容及意义 本课题主要针对增量型光学编码器，通过设计的综合检测仪器进行电气特性 方面的研究。 由于输出信号通道少、接口简单、价格低廉，增量型编码器是目前最为常用 的编码器。当前，这种光学编码器的用量最大，约占光学编码器总量的8 0 。 光电式编码器在制作完毕之后，它的精度已经确定，但是因为在码盘制作、系统 安装、电子电路设计等很多因素，会导致信号输出产生各种误差，因此在编码器 第一章绪论 制造过程中，特别是在码盘、发射和接收电路等装配完成后，测定和分析各相信 号输出波形及其相位情况，可以对衍射光栅刻线质量、码盘对轴承的偏心程度、 编码器径向和轴向跳动影响、电子电路工作性能以及工作环境影响等多种因素的 影响和整体工作参数进行综合评测，测定结果不仅直接反应编码器工作性能和工 作参数范围，也是进行产品参数调节最重要的数据依据，它直接关系到编码器产 品的质量评估、参数调整和工艺进度，是整个产品生产过程中极其重要的环节。 本文报道的光学编码器电气测试仪器的研制，可以采集增量型编码器的输出 信号原始波形，检测和分析产品信号的幅值、相差、信号干扰等的动态特性，具 有多通道信号采集、比较、鉴相和进行高速冲击实验等功能，是编码器产品生产 必不可少的检测设备之一。 由于目前光学编码器的正规生产企业，多为国外企业代工。国外企业就可以 通过控制光学编码器电气特性检测仪器，来控制国内代工企业的生产方向，使得 国内企业不能够生产高端产品。即便国内企业开发出高端光学编码器，由于没有 相对应的电气特性检测仪器，也不能够分析该高端光学编码器的电气特性，当然 也不能够批量的生产光学编码器。 本课题应企业生产要求，设计并制成光学编码器电气特性在线检测仪器，满 足企业生产高端产品的要求。本文从光学编码器的工作原理开始，系统的介绍了 光学编码器的工作原理，对光学编码器有全面深刻的认识。本文成功地完成了光 学编码器在线电气性能测试和评价的仪器系统设计和应用。该仪器提供电机转数 线性范围15 0 转分 - 8 0 0 0 转分，单通道最高采样率1 2 5 m s s 。该仪器可以同 时显示三个通道的波形，并实现通道的叠加，可以直接读取增量型编码器的a b z 各通道信号的相位差、分度、幅值范围、占空比大小、频率、相位参数及其动态 特性，实现计数功能，综合评估编码器的电气性能。研制工作为编码器的生产提 供了参数调整、性能检测和质量控制的仪器。该仪器是国内首部适应高转速情况 下对光学编码器各项指标进行综合检测的仪器。 本文通过光学编码器电气测试仪器对增量型光学编码器进行一系列的实验， 包括：高低转速对比实验、高速冲击实验、码盘落尘实验。在实验中，得到一系 列结果，包括：落尘会堵塞码盘，导致丢失脉冲；在电机刚启动的过程中，由于 光学编码器机械问题，导致输出脉冲不准确：光学编码器在低速运行过程中比高 速运行信号准确。从而推断出在光学编码器的生产及应用过程中，对光学编码器 性能有影响的一系列因素，包括：光学编码器在应用过程中要注意固定，生产环 境要做到无尘等，对光学编码器的生产及现实应用具有现实的指导意义。 第二章光学编码器原理及结构 第二章光学编码器原理及结构 光学编码器是将圆光栅莫尔条纹和光电转换技术相结合，将机械轴转动的角 度量转换成数字信息量输出的一种现代传感器1 5 】。光学编码器监控机械部件的旋 转或位置，包括绝对值型和增量型1 6 j 。增量型光学编码器成对使用计量光栅，分 别称为标尺光栅和指示光栅，光栅式测量是根据波动光学中光的干涉和衍射的特 性，利用光通过相叠的两片光栅片时形成莫尔条纹的原理进行的。两光栅的叠合 形成叠栅条纹，条纹的宽度与光栅节距有着确定的关系。当标尺光栅和指示光栅 发生相对移动时，叠栅条纹就发生相应的移动，其移动方向代表着光栅对之间的 相对移动方向，这样利用叠栅条纹就可以测量位移、角位移等相关的力学量1 7 】。 2 1 光学编码器的结构 光栅式测量是根据波动光学中光的干涉和衍射的特性，利用光通过相叠的两 片光栅片时形成莫尔条纹的原理设计的【引。增量型光栅编码器大多采用透射光电 检测方式，如图2 1 所示，光源为砷化稼红外发光二极管，接收光电元件为光电 池、光电二极管或者p i n 光电管。主光栅和指示光栅在平行光照射下，形成莫尔 条纹，其中主光栅是我们测量中的主要对象，它决定测量的精度。光电转换输出 的信号是对两片光栅相对运动位移的放大后的莫尔条纹亮暗变化的真实反映。 随着主光栅的移动，光电信号应该是一个三角波，但是实际上，由于光源不 可能是绝对的平行光，光栅线间距、缝宽和线宽等不能完全一致，实际输出波形 为近似正弦形分布。每移动一个栅距角，光电转换输出一个周期。增量型圆光栅 付产生的原始电信号如图2 2 所示： 镕二 光学螅码原理碡结# 回 i i 冈 譬 、 j 国 图2 - l 光学编码罂工作原理结构圈 玛1 1y 、 r l 1 、 、， 7 襄，车 j j r 、 、， k ， 乓 ， 、 j 圈2 - 2 圆光栅产生原始输出信号 s i h z 与光栅码盘上刻线相对应的三路输出信号分别为s i n i c o s i z ，经过精心设计 的电路整形、去噪后成为用户使用的标准输出通道a b i z ，有些编码器可以不具 备z 通道。 增量型光学编码嚣在工作过程中，主要有a 、b 、z 三项输出。每旋转一周 a 与b 输出同等数目的固定的脉冲数( 具体数目由码盘决定) ，z 输出个脉冲。 第二章光学编码器原理及结构 当编码器正方向旋转时，a 超前b 9 0 0 ；当反方向旋转时，b 超前a 9 0 0 ( 图2 3 ) 。 a 通道 b 通道 正方向_ i 卜 反方向 2 2 莫尔条纹 图2 - 3a 、b 脉冲波形 从上个世纪5 0 年代到7 0 年代，栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、磁 栅、容栅和球栅，这几种测量系统都是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外 的增量式测量结合了起来，测量单位不是像激光一样的光波波长，而是通用的米 制( 或英制) 标尺 9 1 。它们有各自的优势，相互补充，在竞争中都得到了发展。 由于光栅测量系统的综合技术性能优于其他几种，而且制造费用又比感应同步 器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最快，技术性能最高，市场占有率最高，产 业最大。光栅在栅式测量系统中的占有率已超过8 0 ，光栅长度测量系统的分辨 力已覆盖微米级、亚微米级和纳米级，测量速度从6 0 m r a i n ，到4 8 0 m m i n 。 计量光栅技术的基础是莫尔条纹【1 0 1 ( m o i r ef r i n g e s ) ，1 8 7 4 年由英国物理学 家l r a y l e i g h 首先提出这种图案的工程价值，直到2 0 世纪5 0 年代人们才开始利 用光栅的莫尔条纹进行精密测量。19 5 0 年德国h e i d e n h a i n 首创d i a d u r 复制工 艺，也就是在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的 光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户所接受，进入商品市场。1 9 5 3 年英国 f e n - a n t i 公司提出了一个4 相信号系统，可以在一个莫尔条纹周期实现4 倍频细 分，并能鉴别移动方向，这就是4 倍频鉴相技术，是光栅测量系统的基础，并一 直广泛应用至今。 德国h e i d e n h a i n 公司19 61 年开始开发光栅尺和圆栅编码器，并制造出栅距 为4 p m ( 2 5 0 线m m ) 的光栅尺和1 0 0 0 0 线障的圆光栅测量系统，能实现l 微米 和1 角秒的测量分辨力。1 9 6 6 年制造出了栅距为2 0 p m ( 5 0 线r a m ) 的封闭式直 线光栅编码器。在8 0 年代又推出a u r o d u r 工艺，是在钢基材料上制作高反射 第二章光学编码器原理及结构 率的金属线纹反射光栅。并在光栅一个参考标记( 零位) 的基础上增加了距离编 码。在1 9 8 7 年又提出一种新的干涉原理，采用衍射光栅实现纳米级的测量，并 允许较宽松的安装。1 9 9 7 年推出用于绝对值型光学编码器的e n d a t 双向串行快 速连续接口，使绝对值型光学编码器和增量编码器一样很方便的应用于测量系 统。现在光栅测量系统已十分完善，应用的领域很广泛，全世界光栅直线传感器 的年产量在6 0 万件左右，其中封闭式光栅尺约占8 5 ，开启式光栅尺约占1 5 。 在h e i d e n h a i n 公司的产品销售额中大约直线光栅编码器占4 0 ，圆光栅编码器 占3 0 ，数显、数控及倍频器占3 0 。h e i d e n h a i n 公司总部的年销售额约为7 亿欧元( 不含h e i d e n h a i n 跨国公司所属的4 0 家企业) 。国外企业的人均产值在 1 肛1 5 万美元左右，研究开发人员约占雇员的1 0 ，产品研发经费约占销售额的 15 。 2 2 1 光栅 在玻璃尺或玻璃盘上类似于刻线标尺或度盘那样，进行长刻线( 一般为 1 0 1 2 m m ) 的密集刻划，得到如图2 4 所示的黑白相间、间隔相同的细小条纹， 没有刻划的白的地方透光，刻划的发黑，不透光。这就是光栅。按形状和用途光 栅可分为长光栅和圆光栅两种。 ( a ) 图2 - 4 a 长光栅 憾 图2 - 4 b 圆光栅 如图2 - 4 所示，w 为栅距，口为线宽，6 为缝宽，一般取口= 6 = 詈。 2 2 2 莫尔条纹 将栅距相等的两块光栅的刻线面相对重叠在一起，并且使二者栅线有很小的 第二章光学编码器原理及结构 交角口，这样就可以看到在近似垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，称为莫尔 条纹 1l - 1 4 】，如图2 5 所示。莫尔条纹是基于光的干涉效应产生的。 图2 5 a 莫尔条纹图2 5 b 横向莫尔条纹的距离 2 223 莫尔条纹测量位移原理 根据莫尔条纹的性质，在理想情况下，对于一固定点的光强，随着主光栅相 对于指示光栅的位移x 变化而变化的关系如图2 - 6 ( a ) 所示，但由于光栅副中留 有间隙、光栅的衍射效应、栅线质量等因素的影响，光电元件输出信号为近似于 图2 - 6 ( b ) 所示的正弦波。主光栅移动一个栅距w ，输出信号u 变化一个周期2 死。 输出信号经整形变为脉冲，脉冲数、条纹数、光栅移动的栅距数是一一对应的， 因此位移量为x = n w ，其中为条纹数，w 是栅距。 ( a ) 光珊位移石 图2 - 6 光强与位移的关系 光栅位移工 第二章光学编码器原理及结构 2 2 2 4 莫尔条纹的转换特点 在光栅式测量中，利用莫尔条纹实现了输入信号( 位移量的转换) 。由上述 讨论不难得出，莫尔条纹转换的主要特点有： 莫尔条纹的移动量和移动方向与光栅尺的位移量和位移方向之间的对应关 系：在光栅式测量中，一方面，莫尔条纹的移动量与光栅尺的位移量之间有严格 的对应关系；另一方面，在两块光栅尺的栅线交角口一定的条件下，莫尔条纹的 移动方向与光栅尺的移动方向之间也有严格的对应关系。因此，在实际测量中， 不仅可以根据莫尔条纹的移动量来判定光栅尺的位移量，而且还可以根据莫尔条 纹的移动方向来判定标尺光栅的移动方向。 莫尔条纹间距对光栅栅距的放大作用：在两光栅尺栅线夹角矽较小的情况 下，莫尔条纹宽度矽和光栅栅距d 栅线夹角臼之间有下列近似关系： 形d 口 ( 2 - 1 ) 令d = o 0 2 r a m ，椤= 0 o o l 4 7 5 3 2 m d ( 即0 】。) 则= 1 1 4 5 9 2 m m 。即光栅尺 移过一个栅距o 0 2 m m ，莫尔条纹移过一个条纹宽度1 1 4 5 9 2 m m 。这说明莫尔条 纹间距对光栅栅距有放大作用。这样，光电接收元件就可以直接布置在放大了的 莫尔条纹宽度范围上。此外，从式( 2 1 ) 可以看到，在光栅栅距d 一定时，调 节不同的口角，可得到不同的条纹宽度值。以上这些，给光栅式测量系统中的信 号接收以及其它实际调试带来了许多方便。 莫尔条纹对光栅栅距局部误差的消差作用：在光栅式测量中，标尺光栅作为 测量基准，其作用和通常光学计量仪器中线纹尺的作用是一样的。但与线纹尺相 比，光栅尺的栅线比较密集，在l m m 内一般有几十到几百条栅线。其次，从信 号提取方式来看，光栅式测量和一般线纹尺式测量是不同的。显然，在这一区域 内，个别栅线的栅距误差，或者个别栅线的断裂或其它疵病，对整个莫尔条纹的 位置及形状的影响将很微小，即莫尔条纹具有减小光栅栅距局部误差的作用。这 时，莫尔条纹位置的标准差仃。和单根栅线位置标准差盯之间的关系可由下式表 示： 口 o r2 乍 4 聍 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中玎参与形成莫尔条纹的栅线数。若n = 5 0 0 ，由式( 2 2 ) 可 1 4 - 第二章光学编码器原理及结构 以得出盯，= 0 0 4 5t r 。这说明在光栅式测量条件下，莫尔条纹位置的可靠性将大 为提高，极个别栅线的栅距误差对测量结果的影响将被缩小。因此，与线纹尺式 测量相比，光栅式测量有更高的精度。 2 2 2 5 圆光栅莫尔条纹方程 在圆光栅中，应用的都是黑白光栅。节距角万相同的两径向辐射光栅偏心迭 合，如图2 7 所示。设两块径向辐射光栅，光栅中心为0 1 及o ，节距角万相同。 设这两光栅偏心迭合，偏心量0 1 0 ，= e 。求莫尔条纹方程( 图2 7 中仅画出了光 栅上半部的栅线，下半部的栅线未画出) 。 取直角坐标系。以偏心0 2 0 1 方向为x 轴，0 ，0 的中点0 为坐标原点，节距角万 值由x 轴起算。两块光栅的栅线序号如图1 所示，图中取零号栅线和x 轴重合。 由图可知，对光栅上半部来说，栅线交点( 2 ，1 ) ，( 3 ，2 ) ，( 4 ，3 ) ，构成 莫尔条纹i ；交点( 3 ，1 ) ，( 4 ，2 ) ，( 5 ，3 ) ，构成莫尔条纹i i ；类此，作为 一般情况，这一簇莫尔条纹i 、i i 、，是由光栅d 2 序号为聍的栅线和光栅0 ， 序号为( n + k ) 的栅线的交点轨迹所构成。在图l 中，k 为整数，但根据两光栅 栅线相对位置的不同，k 可取大于零的任意有理数。每取一个k 值对应一条莫尔 条纹，相邻两条条纹所对应的k 值，其差值为1 。如图中，k = 1 ，得条纹i ，k = 2 ， 得条纹，。 光栅0 。的栅线方程为： y = t g ( 以回工一2 t g ( 玎回 光栅d 2 的栅线方程为： 少= t g ( 刀回工+ j e 辔( 刀o 3 对光栅0 。考虑栅线序号铆+ 七) ，将式( 2 3 ) 改写为： ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) y = 留【( 甩+ 七) 胡x - 詈t g ( n + 七) 司 ( 2 5 ) 第二章光学编码器原理及结构 对方程( 2 - 4 ) ，( 2 5 ) 求解交点的轨迹，即得莫尔条纹方程如下： y 2 一南少上4 = ot g k 6 方程( 2 6 ) 为圆方程，圆心为( o ， ( 2 6 ) 半径为五詈厉。占及p 一定 时，原新坐标位置及圆半径值均随k 的取值不同而不同。因此，方程( 2 - 6 ) 所 表达的是一簇圆形图样。令y = 0 ，有x = 要。则所得图形特征为：条纹簇的圆 心位于y 轴上，全部圆条纹均通过两个光栅的中心d 。及0 ：。 由于光栅上下两半完全对称，因此，光栅下半部的莫尔条纹花样和上半部的 完全一样，致使圆心坐标变为( 0 ，荔斋儿 n 2 l c o 当动光栅转动时( 例如0 顺时针方向转动) ，各圆形条纹逐渐向外扩张。转 过一个光栅节距角万，条纹向外移动一个条纹宽度。如条纹由移到，由移 到i ，。 位于与偏心方向垂直位置上的莫尔条纹近似的垂直于栅线，仿照对长光栅形 成的莫尔条纹的称呼，称这个位置上的莫尔条纹为横向莫尔条纹。沿着偏心方向 的莫尔条纹近似的平行于栅线，相应的称为纵向莫尔条纹。在实际应用中，这一 类圆光栅较多的是应用横向莫尔条纹。现对横向莫尔条纹中的有关问题分析如 下： 在式( 2 6 ) 中，x = 0 时，得m 的两个根为： =主1、蕊eyk+ 志)2 主、丽+ i 丽) =吉丽e一面eyk 万) 5 j 而一面 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 公式( 2 8 ) 表示的根对实用无意义，故不考虑。式( 2 - 7 ) 表示了横向莫尔 条纹的位置，下标七表示条纹位置随k 的取值不同而变化，当万足够小，k 的取 值不大，乘积七万也足够小时，则式( 2 7 ) 可简化，莫尔条纹的位置可由下式表 第二章光学编码器原理及结构 不， p y k2 西 ( 2 9 ) 条纹宽度等于相邻两条纹之间的距离，这两条纹所对应的k 值相差为l ，故 条纹宽度形为： 形2 以一n + - 2 面而e ( 2 1 0 ) 由式( 2 - 9 ) 和( 2 - l o ) 可见，条纹位置以及条纹宽度均与偏心量p ，节 距角万以及k 的取值有关。在e 及万一定时，则随k 值不同而变化。例如：当 k = 4 ，k + t = 58 = 1 = o 0 0 0 3 r a d ，e = o 0 8 m m ，时，得y 4 = 6 6 7 m m ，弘= 5 3 3 m m ， = 儿一乃= 1 3 4 r a m ；而当k = 3 ，k + l = 4 时，则y 3 = 8 8 9 r a m ，m = 6 6 7 m m 。 = 乃一y 4 = 2 2 2 r a m 。 ，1 7 b 冀 0 2 口：0 ；歹 号t 图2 7 圆光栅莫尔条纹图样 1 7 第三章在线检测仪器设计 第三章在线检测仪器设计 光电式编码器在制作完毕之后，它的精度已经确定，但是因为在码盘制作、 系统安装、电子电路设计等很多因素，会导致信号输出产生各种误差，因此在编 码器制造过程中，特别是在码盘、发射和接收电路等装配完成后，测定和分析各 相信号输出波形及其相位情况，可以对衍射光栅刻线质量、码盘对轴承的偏心程 度、编码器径向和轴向跳动影响、电子电路工作性能以及工作环境等多种因素的 影响进行综合评测，测定结果不仅直接反应编码器工作性能和工作参数范围，也 是进行产品参数调节最重要的数据依据，它直接用于编码器产品的质量评估、参 数调整和工艺设计。 本文报道的光学编码器电气测试仪器的研制，可以采集增量型编码器的输出 信号原始波形，检测和分析产品信号的幅值、相差、信号干扰等的动态特性，具 有多通道信号采集、比较、鉴相和进行高速冲击实验等功能，是编码器产品生产 必不可少的检测设备之一，现已有四部机器在线应用。 整个系统由三部分组成，即电机和待测编码器，检测主机，计算机三部分。 其中硬件设计集中在机箱部分，软件设计集中在计算机部分仪器照片及仪器系统 流程图见图3 1 中a 和b 。 测试仪首先提供了编码器工作所需的稳压电源，包括5 - 2 4 v 任意连续可调， 其调节由计算机控制，仪器内部安装了旋转编码器拖动电机，设计电机转速为0 8 0 0 0 转分任意可调，电机转速亦由微机自动控制调节。编码器的输出多路信号 经过高速a d 后转换为数字信号存储、显示并进行分析处理，系统工作将给出 被测编码器各通道信号的幅值、相位、工作频率等特性参数，并评价编