柱面反射式角度传感器的研究

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1、柱面反射式角度传感器的研究摘要柱面反射式角度传感器主要由光栅环、读数头和信号处理电路三个部分组成，是无内置轴承的分体式结构。光栅环的栅线是钢环的柱面上由光刻工艺实现明暗相间的等间距刻线，其中零位刻线由低反射刻线构成。读数头采用单光源斜照明的反射式光路结构，其中的变栅距四裂相扫描光栅和零位光栅分别与光栅环的栅线和零位刻线匹配。信号处理电路实现了传感器的计数、判向、细分、数字量对径相加以及零位和限位功能。光栅环的锥面安装以及双读数头对径数字量相加，有效减小了轴系晃动、安装偏心等对测量精度的影响。【关键词】柱面反射式角度传感器光栅环读数头扫描光栅1柱面反射式角度传感器介绍柱面反射式角度传感器是一种

2、集光、机、电、软技术于一体的新型数字测角传感器，在国内尚处于研制阶段，而在国外Heidenhain、Renishaw等多家公司已大量生产。相对于透射式角度传感器，其光路结构和机械结构有本质区别，也有明显优势。柱面反射式角度传感器具有孔径大、轴向和径向厚度小、重量轻、精度高、环境适应性高、可靠性高等诸多优点。它在军用、民用和工业控制领域都有极大的应用市场。柱面反射式角度传感器主要由光栅环、读数头和信号处理电路三个部分组成，其结构图如图1所示。光栅环作为标尺光栅，直接套接在转轴上，与轴同步转动。读数头内含有光源、光敏管、指示光栅，其窗口与光栅环侧面的光栅刻线对准，将轴系的角位移量转化为光电信号，

3、并传至信号处理电路。光栅环转子和读数头定子是分体式结构，设有内置轴承，这种结构尤其适用于大型转轴系统，其大孔径的空心轴可以用于布置电缆或光路。信号处理电路对光电信号进行整形、放大、判向、细分、计数，并实现数字量对径相加，输出角位移量。本文针对以上三个主要部件，讨论其功能实现和关键技术。2柱面反射式光栅环柱面反射式光栅环由不锈钢作基体，采用机刻和光刻工艺制作，刻划后形成的无光泽线条作为光栅暗线，未被刻划的金属柱面作为光栅亮线。零位刻线由多个栅距宽度的连续暗刻线组成，由于采用了多条纹均差技术和大面积扫描，零位刻线并不影响计数细分精度。相对于玻璃光栅，柱面反射式光栅环有以下几方面优点：首先，其抗冲

4、击性能远高于玻璃光栅，具有高的环境适应性和可靠性；其次，其膨胀系数与轴承及其它部件接近，减小了温度变化对传感器性能的影响；另外，容易制作大孔径光栅环，满足大直径轴系测量的需求，具有高刻划线数、高分辨率和测角精度。金属光栅环的内侧面是锥面结构，与转轴的锥面配合，并由螺钉紧固，称为锥面安装方式。锥面安装方式可实现对光栅环偏心的校正，通过调整光栅环圆周上各个紧固螺钉的力度改变光栅环的摆角，补偿它的安装偏心和变形。理论计算表明摆角大小与所能补偿的偏心值近似呈线性关系。对于外径100mm的光栅环，当补偿1Pm的安装偏心时形成的摆角为0.0042°;同理，当形成0.05°的摆角时能够补偿11.7um的安

5、装偏心。3读数头中的光路设计及信号提取读数头用于产生表征角位移的光信号并将光信号转换为电流信号。读数头主要包括光源、指示光栅、聚光镜、光电检测器。读数头中用红外发光二极管作为单一光源。这样不但减少了元件的个数，提高了传感器的可靠性，而且也避免了多光源照明中器件参数选配的问题，提高了四裂相光电流幅值的一致性，减小了温度漂移。指示光栅包括扫描光栅、扫描掩膜和通光孔三个区域，与光栅环的柱面光栅匹配。用六相光电探测器作为光电检测器，发光二极管和光电探测器都在光栅环和指示光栅的同侧，并且采用斜照明方式，即照明光源和光电接收器在光栅环法线两侧对称的位置上。这种方式提取的信号幅值大，品质好，光路原理如图2

6、所示。平行光穿过扫描光栅，形成明暗相间的条纹，并经转动的柱面光栅反射后形成明暗变化的莫尔条纹，莫尔条纹被光电池吸收并形成电流信号。所采用多条纹均差技术和大面积扫描，有效滤掉了与光栅刻划周期不匹配的信号，即使光栅受到轻微污染或损伤，也能确保信号的稳定性，提高了光电流信号的品质，减少了一个信号周期内的位置误差。在图2所示的光路结构中，扫描视场的辐照度关于光路竖直中心线左右对称，而关于水平中心线并非对称。为了提高信号幅值的一致性，有效消除直流电平，采取了“田”字型排列的四裂相扫描光栅，光电探测器能够输出相位差90°的四路正余弦信号。经过差分放大后输出信号的幅值提高近一倍，直流分量和偶次谐波基本消除

7、。光电探测器产生的光电流信号经过前置差分放大后输出给信号处理电路。另外，为了消除轴系晃动、光栅环安装偏心以及扫描光栅倾斜等的影响，采用了对径双读数头信号数字量相加的方法。对径双读数头采用同方向安装，输出信号采用数字对径相加技术，这样不但能提高测角精度，而且能增强信号输出的稳定性。4信号处理电路4.1计数、判向和细分的功能实现读数头输出的正弦信号由施密特电路整形得到方波，再经过微分电路处理，就形成了供可逆计数器