光电编码器在分光计中的应用

范淑媛,熊永红,李纪文

(华中科技大学物理实验中心,湖北武汉430074)

1 引 言

分光计是精确测定光偏转角的仪器,它是光学实验中常用的实验仪器.光学中的许多基本量如波长、折射率等都可以直接或间接地用光的偏转角来表示,因而这些量都可以通过使用分光计来测量.分光计的基本光学结构又是许多光学仪器(如棱镜光谱仪、光栅光谱仪、分光光度计、单色仪等)的基础[1].故掌握分光计的调节和使用,是大学物理实验课程要求学生掌握的基本技能之一.但是分光计的读数麻烦,尤其在比较暗的光学实验室内,读数费力,容易出错.本文采用角度传感器来代替分光计原来的机械读数盘,并把角度直接用数字显示出来,实现快捷方便读数.

2 光电编码器在分光计中的应用研究

2.1 原有的分光计机械盘读数方法

将读数盘的内盘即游标盘锁定,使之不能绕中心轴转动;然后将读数盘外刻度盘的锁紧螺钉锁紧,使之与望远镜同步绕中心轴转动.则望远镜绕中心轴转动的角度就可以通过读数盘读取转动之前读数和转动之后的读数之差得到.读数系统用游标来提高精度,精度为1′,用双游标来消除偏心差[2].要得到1个角度的测量值必须读取4个数据再通过计算得到.

2.2 绝对式编码器介绍

绝对式编码器是光电编码器的一种,是通过光电转换输出其主轴上的机械几何位移量,并转换成脉冲或数字的传感器.

基本结构如图1所示,码盘与狭缝盘同轴安装在编码器的主轴上,码盘或狭缝盘固定在编码器主轴上并随主轴一起转动,码盘或狭缝盘固定于基座上,与其中之一相对平行安装,两者之间保持一定的间隙,码盘与狭缝盘之间相对转动.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[3],狭缝盘上的狭缝与码盘上的码道相匹配,当码盘顺(逆)时针转动时,狭缝在遇到码盘上相对应的码道通光部分时,呈现高电平状态输出,遇有不通光区段时,呈现低电平状态输出,各狭缝处输出的高低电平状态就代表了编码器主轴的位置[4].其优点是输出的编码代表角度坐标的绝对值,容易翻译成用数字表示的角度值,且没有累积误差,数据重复性好,电源切除后位置信息不会丢失.所以光电角度传感器比其他的磁式、电容式、电阻式等传感器更方便数字化,不需要定标[5].本研究中采用的是16位的绝对编码器,测角范围在 0°～360°.

图1 编码器结构工作原理图

2.3 编码器的安装方法

将分光计原来的读数机械盘去掉,重新制作适合的分光计中心轴,分光计的中心轴是固定不动的,载物台和望远镜都可以绕着中心轴转动.将中间空心的编码器套在中心轴上,编码器的外盘固定在望远镜的支架上,编码器的空心轴固定在分光计的中心轴上,如图2所示.编码器输出的角度二进制编码信号输送到角位移显示器,最后在液晶屏上显示出对应的角度值.

读数时,在望远镜转动之前的位置处将角位移显示器的读数清零,然后转动望远镜,角度显示器可同步显示转动的角度值.最小分辨率为20″.实验前分光计的调整和原来的调整方法一致.

2.4 消除偏心差的调整方案设计

在安装编码器时,可能存在编码器的轴中心和分光计的轴中心存在不重合的情况,那么就会产生偏心差.如图3所示,如果二者同轴,望远镜从 A端转到B端,转过的角度刚好是180°;如果编码器的轴心O′在分光计的轴心O的下方,当望远镜从 A转到B时,转角∠AOB＜180°;而此时编码器相对转角∠AO′B=180°,故造成角位移显示器显示的角度大于望远镜的实际转角;同理,如果编码器的轴心O′在分光计的轴心O的上方,当编码器相对转角∠AO′B=180°时,望远镜的实际转角∠AOB＞180°.机械读数盘的偏心差是利用双游标读数来解决的,而本研究中,采用精确安装编码器来直接消除偏心差.

图3 偏心差分析

在调好的分光计的载物台上放置一双面反射镜,并固定载物台,将望远镜转至与反射镜一侧镜面正对垂直位置,观察到“+”图像,并将其调到分划板的中心位置,将角位移数字显示器的读数清零.然后将望远镜转到双面反射镜的另一侧,观察“+”图像,并也同样将其调到望远镜的分划板的中心位置,此时,如果编码器的读数为180°,则编码器的中心轴O′和分光计的中心轴O重合;如果编码器的读数大于或小于180°,就可以通过图3原理来判断编码器中心偏离的情况,从而调整角度传感器相应的安装微调螺钉,经反复多次校准,偏心差可以调整到±20″以内.

3 实验结果分析

3.1 用装有光电编码器的分光计测三棱镜最小偏向角

实验步骤:

1)分光计的调节与原来的分光计实验相同;

2)仪器调节完成后,将三棱镜放在载物台上,找最小偏向角(方法与原来的分光计实验相同);

3)找到最小偏向角对应的三棱镜的位置,转动望远镜,使得此时的折射光汇聚的像与分划板的中心线对齐,打开角位移显示器的电源,并将此时的读数清零;

4)移开三棱镜,转动望远镜,对准准直管,使得平行光汇聚的像与分划板的中心线对齐,此时角位移显示器读数即为最小偏向角的值.

5)重复第3)步和第4)步多次,即可完成最小偏向角的多次测量;

表1 用数字分光计测最小偏向角

3.2 用传统的分光计测三棱镜最小偏向角

测得数据如表2.

表2 用传统分光计测最小偏向角

通过对以上2种方法测得的数据分析,可以得出用光电编码器作为角度传感器的分光计测量的数据比传统的分光计测量的数据的A类不确定度更小,表明改造后的分光计测得的数据的可靠性更高.

4 结 论

在分光计中采用高精度的光电编码器代替原来的机械读数盘来获得望远镜转动的角度,这一方案实现了分光计的数字化.而且在精度方面,从测三棱镜玻璃最小偏向角的实验数据可以看出改造后的分光计精度更高,数据重复性更好,角度测量的最小分辨率为20″.在使用方面,改造后的分光计的调节部分与原来的相同,可以直接读出望远镜转动的角度,比原来的分光计更方便、快捷.故使用改造后的数字分光计可以使课堂中实验内容更饱满.

[1] 熊永红,张昆实,任忠明,等.大学物理实验[M].北京:科学出版社,2007:6-33,56-64.

[2] 陈红,张伟森,王德军,等.分光计实验研究[J].长春大学学报,2006,16(4):23-25.

[3] 姜义.光电编码器的原理与应用[J].技术与应用,2010(2):16-20.

[4] 赵志巍,陈赟.一种基于金属码盘的新型绝对式光电轴角编码器[J].传感技术学报,2010,23(5):656-659.

[5] 陈剑波,王姝,万振茂,等.角度传感器在分光计实验中的应用[J].物理实验,2008,28(5):5-8.