基于角度传感器光电控制技术的研究

张泽宇，刘长岭

（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

1 传感器结构

光电编码器是以同轴连接的光栅为位移基准，将机械几何位移量、转换成光信息，通过光电转换器变成随光变化的电信号，经过电子学各种逻辑处理，送计算机作控制信息，显示对应的机械几何位移量。传感器原理图如图1所示。

图1 传感器原理图Fig.1 Sensor schematic

2 莫尔条纹光栅与光敏器件的关系

当两个衍射光栅接触在一起或相距一个小距离时，即可观察到一组光学图案，这组图案就是莫尔条纹。结构示意图如图2所示。

图2 结构示意图Fig.2 structure diagram

莫尔条纹通常是由两块光栅叠加形成的，光栅固定在主轴上并与之一起移动，指示光栅与基座固定在一起。是传感器工作的基础，同时是传感器的核心环节。光敏器件是将光信息转换成电信息（即通过光信号产生受控电信号）的器件。

发光管发出的光，透过光栅及指示光栅，在相对移动中产生明暗交替变化的光信号，由接收管转换成随光变化的电信号。两块光栅的莫尔条纹相对位移量，有着严格的对应关系：

式中，W —莫尔条纹宽度；P—光栅栅距；θ—两光栅栅线夹角。

光敏器件电压和电流的对应关系，都是正比例特性。优点是体积小、频响高、使用寿命长。缺点是光通量低、发散角较大（约±65）、受温度环境的影响，光电信号直流分量及幅值会发生较大变化，在精密光学测量设备中，将产生不可忽视的影响。

3 光电编码器存在的实际问题

光电编码器是光、机、电组装在一体的综合系统装置。在应用现场使用中暴露出许多实际问题，有其内在因素，也有外在因素，主要表现在以下几个方面：

（1）因光编码器安装在各种环境现场，。如安装部位温度高、湿度大，导致光电检测装置内部的电子元件特性改变或损坏。导致数据采集装置和数据处理装置不能可靠的接收到光信号，或产生电信号不规则跳动。使编码器不能可靠的工作。

（2）电源电压不稳定，会给光源系统带来较大影响，即发出的光会时强时弱，光电编码器是高精度测量设备，光流超范围的变化会导致数据采集装置传递错误信息，严重影响设备测量精度。

（3）编码器外场或生产车间，实际存在各种电磁干扰源，对光电编码器数据采集装置和数据处理装置产生干扰，导致输入、输出波形带有杂波或发生失真，使反馈到调速系统的信号与实际值出现偏差，而导致系统误动作。

（4）光电编码器现场安装时，是将编码器轴与较硬的弹簧片和电动机转轴相连接，因电动机所带负载是冲击性负载，数据采集装置和数据处理装置因机械震动等原因而引起的移位或偏移，振动的速度还有可能会损坏光电编码器的内部功能，造成误发脉冲，从而导致控制系统不稳定或误动作。

（5）光源及接收系统在理论上符合设计标准，但由于各种因素的影响，提取到的光电信号在质量上并不理想，总是存在某些缺陷，影响系统的精度，如在实际应用中，设备使用一段时间之后，光强老化会发生反比例变化，同时导致信噪比变差，相应造成比较器输出方波占空比改变，严重时相位超出四分之一周期，导致设备数据发生错乱，不能正常工作。为此要求电子学系统采用光电技术措施，控制和修正光电转换偏差。

4 串联系统可靠性模型

设由n个部件组成的系统，其中任何一部件发生故障，系统肯定出现错误指令，或者说只有全部部件都正常工作，系统才能可靠传递数据，这样的系统称为串联系统，其可靠性框图如图3所示。

图3 串联系统可靠性框图Fig.3 Series system reliability block diagram

设第i个部件的寿命为 xi，可靠度为 Ri=P{Xi>t}（i=1，2，…，n）。假定 x1，x2，…，xn随机变量相互独立，若初始时刻t=0时，所有部件都是新的，且同时工作。显然串联系统的寿命和系统的可靠度为：

当第i个部件的故障率函数为λi，则系统的可靠度为：

故系统的故障率为：

因此由独立部件组成的串联系统，一个故障是所有部件故障率之和。

5 光强自动控制技术的设计

光敏元件在研制产品中的正确使用并非是设计的终点，反而是设计接受检验的起点。针对测量设备稳定性的技术要求，如何解决光敏元件温度变化造成的影响及抑制直流分量造成的细分精度误差，又能免去复杂的人工调整工作。通过对光敏器件特性的分析，用电子学系统对光电信号，采用不同的技术措施，起到抑制和控制效果。

5.1 零位信号

传统莫尔条纹通常是由两块光栅叠加形成的，光栅固定在主轴上并与之一起移动，指示光栅与基座固定在一起。由于光束透过光栅及指示光栅过程中，必然存在杂光，所以接收管输出带有不同程度的残余电压，也称之为次峰。如图4所示。

图4 零位信号Fig.4 Zero signal

在不同环境下，会产生计数错误，造成零位误差。

5.2 处理电路

本文是不要指示光栅，而将两个光电接收管粘合，与基座固定在一起。发光管发出的光，通过光栅直接裂相获取两路相差45°的零位脉冲信号。

因两个光电接收管直接获取最大通光量，接收管输出可达到数字量的效果，所以我们将两路零位脉冲信号，直接用电子学进行逻辑处理。如图5所示。

图5 电子学处理电路Fig.5 Electronics processing circuit

所不同是将比较器电路组合成与门逻辑关系，其表达式如下：

从零位波形图中可以看出，波形斜率在高低温及震动环境下，变化很小，可以准确定位起始点，同时也提高了计数精度。

5.3 抑制光电信号直流分量

由于光电接收元件是成组使用，每个光电接收元件性能不一致，在光源照明不均匀及焊接定位误差的影响，被提取的光电信号，在直流分量上多少有一些差异。其中两路正弦、余弦作为基准信号，提供给电子学细分，当直流分量达到一定数值时，会产生较大电子学细分误差，直接影响系统精度。光电信号存在直流分量是非常不利的，因此在技术上要采取抑制措施。

选用sin和cos信号时，在读数头对径位置，分别提取四路精码信号：

然后将正弦和负正弦、余弦和负余弦信号，进行差分放大，图6输出波形图。

图6 直流电平输出波形图Fig.6 DC level output waveform diagram

通过对光电信号处理后，直流分量基本上被消除了。在精度测量中，这些剩余直流分量对精度影响可以忽略不计。

5.4 采用浮动比较电平

针对电源电压变化使点灯电源产生波动及设备使用一段时间之后，引起光敏元件接收性能发生改变，为此在可靠性设计时，对设备光学系统在光能量方面，采取了如下相应稳定控制措施。

本文是将发光管与接收管，直接对应焊在线路板上，只要接通电路，接收管就一定会获得一路随温度变化的光电信息，经同相运算放大器将光电信号放大，输出一路随光流变化的直流电平。在这里称之为“浮动电平”。

5.5 采用浮动比较电平

针对电源电压变化使点灯电源产生波动及设备使用一段时间之后，引起光敏元件接收性能发生改变，为此在可靠性设计时，对设备光学系统在光能量方面，采取了如下相应稳定控制措施。

本文是将发光管与接收管，直接对应焊在线路板上，只要接通电路，接收管就一定会获得一路随温度变化的光电信息，经同相运算放大器将光电信号放大，输出一路随光流变化的直流电平。在这里称之为“浮动电平”。如图7所示

图7 浮动电平处理电路Fig.7 Floating level processing circuit

将浮动比较电平作为基准电平，与光电信号位移量电信号波形时时对比，即当外界环境影响时，不论是电源或光源，使光敏器件发生区域变化时，“浮动比较电平”会随中精码及粗码光电信号发生相同比例变化，即光电信号增加，浮动比较电平上升，反之降之。如图8所示。

图8 浮动比较电路Fig.8 Floating comparator circuit

用“浮动电平”作比较器的比较电平，方法虽然方法简单，但是它达到了自动控制的技术要求，可以实现自动调整方波占空比的效果。

6 结论

本文用编码器自身光学系统修正自身光电信息，不仅抑制了光流强弱变化，并起到稳定光强的效果，达到了控制输出方波占空比不变的作用，从而实现了光学自动补偿。

通过应用，还进一步证实理论并不能完全的保证产品质量，需要在实际工作中不断的发现问题、解决问题。即在系统结构上应采取一系列相应的可靠性设计及稳定措施。才能有效提高设备测量精度及可靠性。

［1］叶盛祥.光电位移精密测量技术［M］.成都：四川科学技术出版社，2003.

［2］魏振忠，张广军.结构光直光条中心线的鲁棒性自动提取方法［J］.仪器仪表学报，2004，25（2）：244-247.

［3］邾继贵，李艳军.基于共面标定参照物的线结构光传感器快速标定方法［J］.中国机械工程，2006，17（2）：183-186.

［4］毛英泰，误差理论与精度分析［M］.北京：国防工业出版社，1982.