本實用新型涉及光電測量設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種編碼盤、應(yīng)用該編碼盤的光電測角編碼器。

背景技術(shù)：

測量旋轉(zhuǎn)角度的方法主要有兩種，一種是相對式測角，另外一種是絕對式測角。在測量旋轉(zhuǎn)角的過程中，光電編碼器是極其重要的工具；光電編碼器是一種集光、機、電為一體的數(shù)字化檢測裝置，它具有分辨力高、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用可靠、易于維護、性價比高等優(yōu)點，近十多年來，已發(fā)展為一種成熟的多規(guī)格、高性能的系列工業(yè)化產(chǎn)品，在數(shù)控機床、機器人、雷達、光電經(jīng)緯儀、地面指揮儀、高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

光電編碼器按照工作原理可分為增量式和絕對式兩類，分別應(yīng)用在相對式測角和絕對式測角領(lǐng)域。增量式編碼器(簡稱增量編碼器)是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器(簡稱絕對編碼器)的每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。

目前我國采用絕對式測角方法的系統(tǒng)一般都使用CCD或CMOS作為圖像采集器件，受限于這些圖像傳感器需要一定的曝光時間，而且無論是一維還是二維的圖像其數(shù)據(jù)量巨大，讀取和存儲這些數(shù)據(jù)需要一定的時間，分析數(shù)據(jù)也需要消耗一定的時間，所以采用這些圖形傳感器的編碼盤雖然可以達到很高的精度，但無法實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速下的實時角度測量。而許多采用相對式測角方法的系統(tǒng)其使用的傳感器是光敏二極管，光敏二極管的響應(yīng)速度非?？炜烧J(rèn)為是實時響應(yīng)，數(shù)據(jù)量很小，處理這些數(shù)據(jù)的方法也很簡單快捷，所以這樣的編碼盤測量速度極快，可以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速下的實時角度測量，但其對增量編碼光柵的精度，系統(tǒng)的機械裝配尺寸的控制以及機械穩(wěn)定性要求很高，越高精度的系統(tǒng)對這些標(biāo)準(zhǔn)的要求就越高，其難達到較高的測角精度。

隨著測量技術(shù)的發(fā)展，測繪的精度和速率要求越來越高，為適應(yīng)此需求，全站儀得到了更為廣泛的應(yīng)用；例如中國專利授權(quán)公告號CN204718602U公布的一種可自動識別目標(biāo)的伺服全站儀，上述設(shè)備配備了兩套絕對編碼盤測角系統(tǒng)，實現(xiàn)了遙控或無人自助操作；由于絕對編碼盤測角系統(tǒng)自身的特點，使得設(shè)備在高速運動狀態(tài)下無法獲得目標(biāo)物的準(zhǔn)確坐標(biāo)，因此不能跟蹤移動中的目標(biāo)，造成測量效率較低；因此設(shè)置一種可適應(yīng)全站儀在高速運動狀態(tài)、低速運動狀態(tài)、靜止?fàn)顟B(tài)同時適用的光電測角編碼器是本領(lǐng)域技術(shù)人員急需解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種低成本且高速度、高精度的編碼盤、應(yīng)用該編碼盤的光電測角編碼器。

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供的編碼盤，包括：光柵盤，該光柵盤的盤面上同軸設(shè)置相對編碼和絕對編碼，所述相對編碼所處的第一碼道與所述光柵盤的中心同心設(shè)置，所述絕對編碼所處的第二碼道與所述光柵盤的中心同心設(shè)置。

進一步，所述相對編碼為等間隔依次交替設(shè)置的透光碼和不透光碼，便于檢測和識別。

進一步，所述絕對編碼為單圈一維絕對編碼，一維編碼方案其對圖像傳感器要求低，數(shù)據(jù)量較少，信號解算的復(fù)雜度較低，硬件成本較低。

進一步，所述相對編碼所處的第一碼道緊鄰所述光柵盤的圓周邊緣設(shè)置，所述單圈一維絕對編碼所處的第二碼道緊鄰所述相對編碼所處的第一碼道內(nèi)側(cè)設(shè)置；或所述單圈一維絕對編碼所處的第二碼道緊鄰所述光柵盤的圓周邊緣設(shè)置，所述相對編碼所處的第一碼道緊鄰所述單圈一維絕對編碼所處的第二碼道內(nèi)側(cè)設(shè)置。

進一步，所述絕對編碼為多碼道二維絕對編碼，所述相對編碼所處的第一碼道緊鄰所述光柵盤的圓周邊緣設(shè)置，所述多碼道二維絕對編碼所處的碼道緊鄰所述相對編碼所處的第一碼道內(nèi)側(cè)設(shè)置，信息容量大，可以獲得更高的精度。

一種光電測角編碼器，包括上述的編碼盤，該編碼盤的中心設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸，還包括中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、用于采集相對編碼信號的增量信號采集系統(tǒng)、用于采集絕對編碼信號的圖像采集系統(tǒng)，所述中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與所述增量信號采集系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)電連接，用于處理增量信號采集系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)采集到的信息。

進一步，所述增量信號采集系統(tǒng)為反射式光電編碼器，所述反射式光電編碼器裝配在所述旋轉(zhuǎn)軸的軸承上，該反射式光電編碼器平行于所述光柵盤設(shè)置，并且與光柵盤的條碼刻畫面同側(cè)，以使反射式光電編碼器正對所述相對編碼所處的第一碼道的中心，易于讀取光柵盤上的相對編碼。

進一步，所述圖像采集系統(tǒng)包括CCD傳感器單元和LED照明單元，所述CCD傳感器單元裝配在所述旋轉(zhuǎn)軸的軸承上，該CCD傳感器單元與光柵盤的條碼刻畫面同側(cè)，以使CCD傳感器單元正對所述絕對編碼所處的碼道的中心，所述LED照明單元對稱設(shè)置在所述旋轉(zhuǎn)軸的軸承的相對另一側(cè)，便于讀取光柵盤上的絕對編碼。

進一步，所述增量信號采集系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)設(shè)置在光柵盤的不同徑線上，避免圖像采集系統(tǒng)的LED照明單元影響增量信號采集系統(tǒng)的編碼器的信號采集。

上述光電測角編碼器的工作方法，包括如下步驟：

A、打開光電測角編碼器，初始化光電信號，讀取絕對碼盤位置，以此角度值作為相對測角的起始位。

B、旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)后，由增量信號采集系統(tǒng)讀取增量編碼信號，并由中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算當(dāng)前的位置、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向，將計算所得的轉(zhuǎn)速與預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速進行比對，高于預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速時由中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)控制圖像采集系統(tǒng)停止工作，關(guān)閉絕對測角，僅使用增量信號采集系統(tǒng)進行相對測角；計算所得的轉(zhuǎn)速低于預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速時，由中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)控制圖像采集系統(tǒng)開始工作，開啟絕對測角，圖像采集系統(tǒng)讀取絕對碼盤的信號進行圖像分析，由中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算絕對角度，相對測角與絕對測角同步工作；由中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)絕對測角和相對測角系統(tǒng)對獲得的角度值進行修正，絕對測角獲得的絕對碼盤信號出現(xiàn)誤差時，依據(jù)相對碼盤測得的相對角度剔除誤差條碼，對絕對角度值進行修正。

實用新型的技術(shù)效果：（1）本實用新型的編碼盤，相對于現(xiàn)有技術(shù)，相對編碼和絕對編碼同軸設(shè)置在同一光柵盤上，使得光電測角編碼器可根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同選取相對編碼或絕對編碼作為測量依據(jù)；（2）在絕對式測角的支持下，相對式測角無需過零信號就能計算出絕對角度；（3）在相對測角的支持下，絕對式測角可以極大程度的提高條碼識別的正確率和識別速度，通過錯誤碼剔除，在提高測量速度的同時提高了正確性和精度；（4）因為絕對式測角系統(tǒng)所測速較慢，因此當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速大于一定值，絕對式測角系統(tǒng)就無法正常工作，而此時，相對式測角系統(tǒng)能夠正常工作，中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可以直接關(guān)閉絕對式測角系統(tǒng)，降低系統(tǒng)的功耗，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸的速度小于設(shè)定值時，馬上開啟絕對式測角系統(tǒng)，因此可適應(yīng)全站儀在高速運動狀態(tài)、低速運動狀態(tài)、靜止?fàn)顟B(tài)的不同需求；（5）因為該系統(tǒng)包含了兩套測角系統(tǒng)，因此其可以向外提供兩套測角系統(tǒng)的角度值。

附圖說明

下面結(jié)合說明書附圖對本實用新型作進一步詳細(xì)說明：

圖1是本實用新型實施例1的編碼盤的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中A區(qū)域的局部放大圖；

圖3是本實用新型實施例1的編碼盤的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：光柵盤1，中心2，第一碼道3，第二碼道4，相對編碼5，透光碼51，不透光碼52，單圈一維絕對編碼6，二維絕對編碼7。

具體實施方式

實施例1

本實施例的編碼盤，包括條碼光柵盤1，如圖1所示，該條碼光柵盤上面是雙碼道盤（碼道內(nèi)的透光碼和不透光碼未示出），第一碼道3緊鄰光柵盤1的圓周邊緣設(shè)置，第二碼道4緊鄰第一碼道3內(nèi)側(cè)設(shè)置；如圖2所示，第一碼道3內(nèi)是2500線的一維增量相對編碼5，由2500條等間隔依次交替設(shè)置的透光碼51和不透光碼52構(gòu)成；第二碼道4內(nèi)是1080線的單圈一維絕對編碼6，條碼光柵盤1的中心2固定裝配旋轉(zhuǎn)軸，確保旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動中心和光柵盤碼道的旋轉(zhuǎn)中心同心。

實施例2

本實施例的編碼盤，同樣包括條碼光柵盤1，該條碼光柵盤1上面是雙碼道盤，第二碼道4緊鄰光柵盤1的圓周邊緣設(shè)置，第一碼道3緊鄰第二碼道4內(nèi)側(cè)設(shè)置；第一碼道3內(nèi)是2500線的一維增量相對編碼5，由2500條等間隔依次交替設(shè)置的透光碼51和不透光碼52構(gòu)成；第二碼道4內(nèi)是1080線的單圈一維絕對編碼6，條碼光柵盤1的中心2固定裝配旋轉(zhuǎn)軸，確保旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動中心和光柵盤碼道的旋轉(zhuǎn)中心同心。

實施例3

如圖3所示，本實施例的編碼盤包括設(shè)置一維增量相對編碼5和二維絕對編碼7的條碼光柵盤1，該條碼光柵盤1的圓周邊緣設(shè)置一維增量相對編碼5，該一維增量相對編碼5由等間隔依次交替設(shè)置的透光碼51和不透光碼52構(gòu)成；二維絕對編碼7設(shè)置在一維增量相對編碼5的內(nèi)側(cè)，一維增量相對編碼5和二維絕對編碼7同心設(shè)置。

實施例4

一種光電測角編碼器，包括上述實施例的編碼盤，該編碼盤的中心設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸，中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、用于采集相對編碼信號的增量信號采集系統(tǒng)、用于采集絕對編碼信號的圖像采集系統(tǒng)，所述中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與所述增量信號采集系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)電連接，用于處理增量信號采集系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)采集到的信息。增量信號采集系統(tǒng)為反射式光電編碼器，反射式光電編碼器裝配在旋轉(zhuǎn)軸的軸承上，該反射式光電編碼器平行于光柵盤設(shè)置，并且與光柵盤的條碼刻畫面同側(cè)，以使反射式光電編碼器正對相對編碼所處的第一碼道的中心。圖像采集系統(tǒng)包括CCD傳感器單元和LED照明單元，CCD傳感器單元裝配在旋轉(zhuǎn)軸的軸承上，該CCD傳感器單元與光柵盤的條碼刻畫面同側(cè)，以使CCD傳感器單元正對絕對編碼所處的碼道的中心，LED照明單元對稱設(shè)置在旋轉(zhuǎn)軸的軸承的相對另一側(cè)，便于讀取光柵盤上的絕對編碼。增量信號采集系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)設(shè)置在光柵盤的不同徑線上，避免圖像采集系統(tǒng)的LED照明單元影響增量信號采集系統(tǒng)的編碼器的信號采集。中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以采用單片機或者DSP模塊來實現(xiàn)，例如DSP2812。

該增量信號采集系統(tǒng)所使用的模擬式光電編碼器包含三路信號，第一路是數(shù)字的過零（基準(zhǔn)線）信號，第二路是模擬的正弦信號，第三路是模擬的余弦信號。過零信號的主要是確定基準(zhǔn)線位置、防止漏碼和防止累積誤差。第二和第三路的正弦和余弦信號是我們直接裝配調(diào)試信號，利用其特性，可按照雙蹤示波器的李薩如圖形調(diào)試增量信號采集系統(tǒng)的裝配調(diào)試。第一步，該兩路信號經(jīng)過濾波，放大等模擬處理后送給ADC芯片進行數(shù)字化處理。中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)對編碼器的ADC芯片送來的兩路數(shù)字正余弦信號相除得到其正切值，然后按查表法或者直接計算反正切，求出相位角a’。同時對數(shù)字正余弦信號進行二值化處理，可以確定當(dāng)前所處的象限，對a’進行修正，可求當(dāng)前的象位角a。另外，通過對兩路數(shù)字正余弦信號的二值化處理后還可以求出旋轉(zhuǎn)軸系的轉(zhuǎn)動方向和對條碼計數(shù)，可判定于已知位置M相距多少個條碼，假設(shè)該值為N，則最終的角度C為：

C = M+N×P+a×P÷360°（P = 360°÷2500）。

圖像采集系統(tǒng)對CCD信號經(jīng)過濾波，放大等模擬處理后送給ADC芯片進行數(shù)字化處理后送出，中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)接收到該組數(shù)字信號后，通過對信號亞像素級的邊沿檢測處理，可求出每個條碼的兩個精細(xì)邊沿。每個條碼邊沿到邊沿的距離即是該條碼的寬度，條碼的寬度對應(yīng)條碼的碼值。一組條碼值對應(yīng)了該種絕對碼編碼方式的一個位置，其是唯一的位置。另外，因為我們的編碼系統(tǒng)里增量碼和絕對碼存在位置關(guān)系，所以此時依據(jù)增量碼測角系統(tǒng)測的測量值可以檢驗該組絕對碼值得正確性，它們之間可以互相糾錯。最終可以求出該組絕對碼值，該碼值對應(yīng)到一個角度值L。每個條碼的兩個邊沿的中心即是該條碼的中心位置，依據(jù)該組條碼中每個條碼中心的相互關(guān)系，結(jié)合其理論的每個條碼的中心于中心的關(guān)系，可以求出當(dāng)前位置與該組條碼值位置的偏離量e，則可以求出當(dāng)前位置精確的角度A為：A= L+e。

由于本系統(tǒng)的增量式測角方案測量速度遠高于絕對式測角方案，但其測量精度低于絕對式測角，因此，在旋轉(zhuǎn)軸系高速轉(zhuǎn)動時，本測角系統(tǒng)會關(guān)掉絕對式測角系統(tǒng)，起到降低功耗的作用；當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸系緩慢轉(zhuǎn)動時，啟動絕對式測角系統(tǒng)，提高測角精度。

實施例5

上述電測角編碼器的工作方法，包括如下步驟：

A、打開光電測角編碼器，初始化光電信號，讀取絕對碼盤位置，以此角度值作為相對測角的起始位。

B、旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)后，由增量信號采集系統(tǒng)讀取增量編碼信號，并由中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算當(dāng)前的位置、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向，將計算所得的轉(zhuǎn)速與預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速進行比對，高于預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速時由中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)控制圖像采集系統(tǒng)停止工作，關(guān)閉絕對測角，僅使用增量信號采集系統(tǒng)進行相對測角；計算所得的轉(zhuǎn)速低于預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速時，由中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)控制圖像采集系統(tǒng)開始工作，開啟絕對測角，圖像采集系統(tǒng)讀取絕對碼盤的信號進行圖像分析，由中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算絕對角度，相對測角與絕對測角同步工作；由中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)絕對測角和相對測角系統(tǒng)對獲得的角度值進行修正，絕對測角獲得的絕對碼盤信號出現(xiàn)誤差時，依據(jù)相對碼盤測得的相對角度剔除誤差條碼，對絕對角度值進行修正。

預(yù)設(shè)速度需要根據(jù)絕對碼盤、相對碼盤的精度、圖像采集系統(tǒng)、中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的運算能力等參數(shù)進行調(diào)整，以實施例1中的雙碼道條碼光柵盤的應(yīng)用為例，旋轉(zhuǎn)軸以轉(zhuǎn)速超過400轉(zhuǎn)/分的高速狀態(tài)進行旋轉(zhuǎn)時，中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)控制圖像采集系統(tǒng)停止工作，關(guān)閉絕對測角，僅使用增量信號采集系統(tǒng)進行相對測角；旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速低于400轉(zhuǎn)/分時，由中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)控制圖像采集系統(tǒng)開始工作，開啟絕對測角，相對測角與絕對測角同步工作，以同時獲得兩個角度值。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而并非是對本實用新型的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬于本實用新型的精神所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本實用新型的保護范圍之中。