畢 克，侯景富，許添越，張 宇，張鐵強(qiáng)

(吉林大學(xué)a.物理學(xué)院;b.電子科學(xué)與工程學(xué)院;c.集成光電子國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130012)

陣列光電池及其在增量式光電編碼器的應(yīng)用

畢 克a，侯景富a，許添越a，張 宇b，c，張鐵強(qiáng)a

(吉林大學(xué)a.物理學(xué)院;b.電子科學(xué)與工程學(xué)院;c.集成光電子國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130012)

為解決航空航天儀器小型化問題，以光電池陣列結(jié)構(gòu)代替狹縫功能，將狹縫與光電池合二為一，使光的二次衍射變?yōu)橐淮窝苌?，以提高信?hào)質(zhì)量。由于光電池采用了陣列結(jié)構(gòu)，縮小了面積，降低光源不均勻等影響，安裝調(diào)試方便，有利于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和航空航天儀器的小型化。實(shí)踐證明，取消狹縫，采用陣列光電池既提高了信號(hào)質(zhì)量，又降低了加工成本，是增量式光電編碼器的重要改進(jìn)。

光電編碼器;陣列光電池;碼盤;狹縫

0 引 言

光電編碼器具有高分辨力、高智能化、高精度、使用可靠、無接觸測(cè)量以及易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、工業(yè)、生物工程和科技領(lǐng)域的精密測(cè)量及實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中［1-3］。尤其是增量式光電編碼器，應(yīng)用更為普遍。從宇宙飛船到超市的刷卡機(jī)，從大型軋鋼機(jī)械到普通電梯，都離不開增量式光電編碼器。光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器［4］。隨著航天航空技術(shù)對(duì)天際和空中目標(biāo)的快速、精確跟蹤和定位的需要，對(duì)光電編碼器的精確度提出了更高的要求。航天級(jí)光電編碼器不僅要求其重量輕，還需要體積小。因此，進(jìn)一步提高光電編碼器的信號(hào)質(zhì)量及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)成為科研人員不斷追求的目標(biāo)。筆者以光電池陣列結(jié)構(gòu)代替狹縫功能，將狹縫與光電池合二為一，提高了信號(hào)質(zhì)量，并且由于光電池采用了陣列結(jié)構(gòu)，縮小了面積。該方法在不增加重量減少體積的前提下，可有效地提高光電編碼器的精度。對(duì)于研制高精度的小型航天級(jí)光電編碼器具有重要意義。

1 增量式光電編碼器的工作原理

筆者使用的增量式光電編碼器是采用光閘式莫爾條紋(Moire)技術(shù)，將角位移轉(zhuǎn)換成電脈沖，以數(shù)字信號(hào)輸出的光電傳感器［5］。其精度高，量程大，分辨率高，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，具有較強(qiáng)的抗干擾能力及可靠性。增量式光電編碼器主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中1為轉(zhuǎn)軸、2為光源、3為物鏡、4為狹縫、5為碼盤、6為光電池、7為電路。

增量式光電編碼器是依靠碼盤相對(duì)狹縫的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生光閘式莫爾條紋，形成主信號(hào)A，判相信號(hào)B，及更多路信號(hào)。顯而易見碼盤和狹縫是增量式光電編碼器的核心器件。

圖1 增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of incremental photoelectric encoder

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

狹縫即定光柵與碼盤組成光柵付。從原理上講，碼盤和狹縫都是圓光柵，而且其光柵常數(shù)相同，傾角相同。相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生光閘式莫爾條紋，即線條相重合時(shí)光線通過，線條邊緣相接時(shí)光被遮擋。一般的光柵做成黑線條為整個(gè)節(jié)距(即黑、白兩柵線之和)的50% ～55%。狹縫的作用是與碼盤相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生光閘式莫爾條紋，即脈沖信號(hào)，表征轉(zhuǎn)角的大小，同時(shí)也給出相位信號(hào)以判定轉(zhuǎn)向［6，7］。狹縫是一個(gè)矩形片，其材料有玻璃、金屬、塑料等。在要求精度不高的增量式光電編碼器上多數(shù)采用塑料狹縫或金屬狹縫。這兩種狹縫價(jià)格便宜，且防震性良好。多種路信號(hào)都是由狹縫給出的，以下以只輸出A、B相信號(hào)為例進(jìn)行說明。

如圖2所示，A、B相信號(hào)是增量式光電編碼器碼盤旋轉(zhuǎn)所輸出的同樣脈沖，經(jīng)處理后均為方波信號(hào)。但A、B相信號(hào)的相位差為90°。這兩個(gè)信號(hào)的前沿和后沿都對(duì)應(yīng)此碼盤1/4節(jié)距P的信息。通過鑒相分析A、B相信號(hào)，得出碼盤的旋轉(zhuǎn)方向。如果A相脈沖超前B相脈沖為90°，定為碼盤正轉(zhuǎn)，即順時(shí)針轉(zhuǎn);如果B相脈沖超前A相脈沖為90°，說明碼盤反轉(zhuǎn)。

圖2 A、B相信號(hào)處理后波形圖Fig.2 A、B signals processing waveforms

圖3a中a、b分別表示A、B相信號(hào)所在位置。即在a區(qū)的線條與碼盤線條寬度相一致。而b區(qū)的線條與碼盤的線條寬度也相同，只是a、b兩區(qū)的線條橫向位置相差1/4P。圖3b中的P為節(jié)距，PH為線條寬度，相對(duì)a與b的間距為nP+1/4P/+1/2P=nP+3/4P。

圖3 A、B相信號(hào)位置Fig.3 A、B position signal

3 結(jié)果分析

3.1 光柵付調(diào)制的對(duì)比度分析

碼盤和狹縫組成光柵付，相對(duì)旋轉(zhuǎn)調(diào)制光信號(hào)。光柵的傅里葉級(jí)數(shù)展開式為

其中偶次衍射級(jí)缺級(jí)，因?yàn)槠淠芰恐饕性谇皫讉€(gè)衍射主極中，根據(jù)光柵方程d(sinθ0±sinθ)=jλ可知，影響對(duì)比度的只有±1主極(因?yàn)椤?缺級(jí)，其他高次分量的能量較小，故忽略不計(jì))。但光柵付屬于雙光柵衍射與干涉，通過狹縫后所產(chǎn)生的一級(jí)衍射對(duì)于碼盤本身可以看成二級(jí)衍射光，這樣可以得到光柵付的對(duì)比度公式

其中K為對(duì)比度，η為光源寬度，f為聚光鏡焦距，w為光柵距，d為光柵間隙。

從式(2)中可看出，第1項(xiàng)主要由入射束散角和二級(jí)衍射角引起，第2項(xiàng)則是入射束散角和一級(jí)衍射角引起?？梢姡粌H狹縫對(duì)入射光起到了指示作用，而且還對(duì)入射光起到了發(fā)散作用。從而證明：二級(jí)衍射是因?yàn)楠M縫的重新出現(xiàn)，使能量二次分散導(dǎo)致了對(duì)比度降低。當(dāng)采用陣列光電池代替狹縫和光電池時(shí)，則不存在狹縫對(duì)能量的二次分散。狹縫光電池的對(duì)比度K只與碼盤的一級(jí)主極大小有關(guān)。采用狹縫光電池的對(duì)比度表達(dá)式為

其中θ為光柵入射束散角。通過式(2)與式(3)比較得知，式(2)的衰減速率明顯高于式(3)。由此看出，由陣列光電池所形成莫爾條紋的對(duì)比度明顯高于由光柵付所形成莫爾條紋的對(duì)比度。

3.2 陣列光電池

筆者將光電池制作成與狹縫的通光亮窗形狀、大小和相位完全相同的陣列式結(jié)構(gòu)，利用光電池接受光的陣列感光面替代狹縫，完成其功能，將其稱為陣列光電池。將狹縫與光電池的兩種功能合二為一。光電池結(jié)構(gòu)如圖4所示，將每個(gè)a相聯(lián)做為A，b相聯(lián)做為B。陣列光電池的布局與狹縫布局不同，狹縫是各相分別在不同的窗口，且光照的不均勻影響較大。而陣列光電池的布局，是各相混合編排在同一窗口，光照的不均勻性對(duì)各相的影響較一致，從而提高了信號(hào)的質(zhì)量。采用陣列光電池，提高了增量式光電編碼器的性能，也是增量式光電編碼器的變革。

陣列光電池只有一個(gè)視窗，其中安排A、B及A-、B-或更多的光電信號(hào)接受面。由于充分利用視窗，所以視窗可以做的很小，一般可做到3 mm×4 mm。由于沒有狹縫，不需要狹縫座。這樣，有利于小型化。帶有狹縫的光電編碼器，碼盤和狹縫屬于雙光柵的衍射［8，9］。對(duì)狹縫和碼盤之間的間隙有嚴(yán)格的要求，間隙小時(shí)莫爾條紋反差大，發(fā)光管的發(fā)光角和光軸與碼盤的不垂直影響會(huì)很小。但由于軸的轉(zhuǎn)動(dòng)及軸肩的端跳造成其間隙變化對(duì)信號(hào)影響較大，而間隙大時(shí)莫爾條紋反差會(huì)變小，信號(hào)差，甚至不能工作。因此對(duì)其間隙有嚴(yán)格要求。調(diào)整間隙是編碼器生產(chǎn)中的重要工序，但調(diào)整困難，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。當(dāng)取消狹縫后，相應(yīng)的取消此工序，使編碼器調(diào)整簡(jiǎn)單方便，有利于規(guī)?；a(chǎn)。

圖4 光電池模擬結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure of photocell simulation

4 結(jié) 語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)的進(jìn)步，光電伏特型硅光電池制造工藝技術(shù)已完全能實(shí)現(xiàn)陣列光電池的制作。增量式光電編碼器的碼盤與狹縫之間間隙很小，受溫度的影響較大，溫度高時(shí)會(huì)造成擦盤現(xiàn)象。筆者通過取消狹縫，使光電池陣列結(jié)構(gòu)代替狹縫功能，將狹縫與光電池合二為一。陣列光電池位于原光電池的位置，與碼盤的間隙較大，當(dāng)間隙稍有變化時(shí)對(duì)信號(hào)的質(zhì)量也不會(huì)造成明顯影響。從而使光的二次衍射變?yōu)橐淮窝苌?，提高了信?hào)質(zhì)量，并且不存在狹縫與碼盤的間隙問題。大大降低加工精度，即降低了加工成本。經(jīng)研究證明，取消狹縫，采用陣列光電池切實(shí)可行，有利于小型化和提高光電編碼器質(zhì)量，方便產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

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Photovoltaic Array and Its Applications on Incremental Photoelectric Encoder

BIKea，HOU Jingfua，XU Tianyuea，ZHANG Yub，c，ZHANG Tieqianga

(a.College of Physics;b.College of Electronic Science and Engineering;c.State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics，Jilin University，Changchun 130012，China)

To solve the problem of aerospace equipmentminiaturization，we use photocell array structure to replace the slits，and combine the slit with the photocell.Changing the diffracted light into a secondary diffraction，improves the signal quality.Using photocell array structure，reduces the size and the effects of uneven light，conducive to industrial production and aerospace equipmentminiaturization.Practice has proved，cancel the slit to using an array of photovoltaic cells viable，incremental photoelectric encoder is an important improvement.

incremental photoelectric encoder;photovoltaic array;encoder;slit

TN 762;O482.31

A

1671-5896(2014)03-0254-04

2013-09-26

“863”國(guó)家技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2011AA050509);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目( 61106039; 51272087;51272084);國(guó)家博士后基金資助項(xiàng)目(2011049015);長(zhǎng)春市科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(11GH15)

畢克(1988— )，男，長(zhǎng)春人，吉林大學(xué)碩士研究生，主要從事光學(xué)精密機(jī)械設(shè)計(jì)、光電檢測(cè)研究，(Tel)86-13756930458(E-mail)bk823546780@sina.com;張鐵強(qiáng)(1956— )，男，長(zhǎng)春人，吉林大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事光學(xué)工程及光電檢測(cè)研究，(Tel)86-13756930458(E-mail)zhangt@jlu.edu.cn。

何桂華)