阵列光电池及其在增量式光电编码器的应用

毕 克，侯景富，许添越，张 宇，张铁强

(吉林大学a.物理学院;b.电子科学与工程学院;c.集成光电子国家重点实验室，长春 130012)

阵列光电池及其在增量式光电编码器的应用

毕 克a，侯景富a，许添越a，张 宇b，c，张铁强a

(吉林大学a.物理学院;b.电子科学与工程学院;c.集成光电子国家重点实验室，长春 130012)

为解决航空航天仪器小型化问题，以光电池阵列结构代替狭缝功能，将狭缝与光电池合二为一，使光的二次衍射变为一次衍射，以提高信号质量。由于光电池采用了阵列结构，缩小了面积，降低光源不均匀等影响，安装调试方便，有利于产业化生产和航空航天仪器的小型化。实践证明，取消狭缝，采用阵列光电池既提高了信号质量，又降低了加工成本，是增量式光电编码器的重要改进。

光电编码器;阵列光电池;码盘;狭缝

0 引 言

光电编码器具有高分辨力、高智能化、高精度、使用可靠、无接触测量以及易于维护等优点，因此被广泛应用于国防、工业、生物工程和科技领域的精密测量及实时控制系统中［1-3］。尤其是增量式光电编码器，应用更为普遍。从宇宙飞船到超市的刷卡机，从大型轧钢机械到普通电梯，都离不开增量式光电编码器。光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器［4］。随着航天航空技术对天际和空中目标的快速、精确跟踪和定位的需要，对光电编码器的精确度提出了更高的要求。航天级光电编码器不仅要求其重量轻，还需要体积小。因此，进一步提高光电编码器的信号质量及产业化生产成为科研人员不断追求的目标。笔者以光电池阵列结构代替狭缝功能，将狭缝与光电池合二为一，提高了信号质量，并且由于光电池采用了阵列结构，缩小了面积。该方法在不增加重量减少体积的前提下，可有效地提高光电编码器的精度。对于研制高精度的小型航天级光电编码器具有重要意义。

1 增量式光电编码器的工作原理

笔者使用的增量式光电编码器是采用光闸式莫尔条纹(Moire)技术，将角位移转换成电脉冲，以数字信号输出的光电传感器［5］。其精度高，量程大，分辨率高，可实现动态测量，具有较强的抗干扰能力及可靠性。增量式光电编码器主要结构如图1所示。图1中1为转轴、2为光源、3为物镜、4为狭缝、5为码盘、6为光电池、7为电路。

增量式光电编码器是依靠码盘相对狭缝的运动产生光闸式莫尔条纹，形成主信号A，判相信号B，及更多路信号。显而易见码盘和狭缝是增量式光电编码器的核心器件。

图1 增量式光电编码器结构图Fig.1 The structure of incremental photoelectric encoder

2 实验设计

狭缝即定光栅与码盘组成光栅付。从原理上讲，码盘和狭缝都是圆光栅，而且其光栅常数相同，倾角相同。相对旋转时产生光闸式莫尔条纹，即线条相重合时光线通过，线条边缘相接时光被遮挡。一般的光栅做成黑线条为整个节距(即黑、白两栅线之和)的50% ～55%。狭缝的作用是与码盘相对旋转运动产生光闸式莫尔条纹，即脉冲信号，表征转角的大小，同时也给出相位信号以判定转向［6，7］。狭缝是一个矩形片，其材料有玻璃、金属、塑料等。在要求精度不高的增量式光电编码器上多数采用塑料狭缝或金属狭缝。这两种狭缝价格便宜，且防震性良好。多种路信号都是由狭缝给出的，以下以只输出A、B相信号为例进行说明。

如图2所示，A、B相信号是增量式光电编码器码盘旋转所输出的同样脉冲，经处理后均为方波信号。但A、B相信号的相位差为90°。这两个信号的前沿和后沿都对应此码盘1/4节距P的信息。通过鉴相分析A、B相信号，得出码盘的旋转方向。如果A相脉冲超前B相脉冲为90°，定为码盘正转，即顺时针转;如果B相脉冲超前A相脉冲为90°，说明码盘反转。

图2 A、B相信号处理后波形图Fig.2 A、B signals processing waveforms

图3a中a、b分别表示A、B相信号所在位置。即在a区的线条与码盘线条宽度相一致。而b区的线条与码盘的线条宽度也相同，只是a、b两区的线条横向位置相差1/4P。图3b中的P为节距，PH为线条宽度，相对a与b的间距为nP+1/4P/+1/2P=nP+3/4P。

图3 A、B相信号位置Fig.3 A、B position signal

3 结果分析

3.1 光栅付调制的对比度分析

码盘和狭缝组成光栅付，相对旋转调制光信号。光栅的傅里叶级数展开式为

其中偶次衍射级缺级，因为其能量主要集中在前几个衍射主极中，根据光栅方程d(sinθ0±sinθ)=jλ可知，影响对比度的只有±1主极(因为±2缺级，其他高次分量的能量较小，故忽略不计)。但光栅付属于双光栅衍射与干涉，通过狭缝后所产生的一级衍射对于码盘本身可以看成二级衍射光，这样可以得到光栅付的对比度公式

其中K为对比度，η为光源宽度，f为聚光镜焦距，w为光栅距，d为光栅间隙。

从式(2)中可看出，第1项主要由入射束散角和二级衍射角引起，第2项则是入射束散角和一级衍射角引起。可见，不仅狭缝对入射光起到了指示作用，而且还对入射光起到了发散作用。从而证明：二级衍射是因为狭缝的重新出现，使能量二次分散导致了对比度降低。当采用阵列光电池代替狭缝和光电池时，则不存在狭缝对能量的二次分散。狭缝光电池的对比度K只与码盘的一级主极大小有关。采用狭缝光电池的对比度表达式为

其中θ为光栅入射束散角。通过式(2)与式(3)比较得知，式(2)的衰减速率明显高于式(3)。由此看出，由阵列光电池所形成莫尔条纹的对比度明显高于由光栅付所形成莫尔条纹的对比度。

3.2 阵列光电池

笔者将光电池制作成与狭缝的通光亮窗形状、大小和相位完全相同的阵列式结构，利用光电池接受光的阵列感光面替代狭缝，完成其功能，将其称为阵列光电池。将狭缝与光电池的两种功能合二为一。光电池结构如图4所示，将每个a相联做为A，b相联做为B。阵列光电池的布局与狭缝布局不同，狭缝是各相分别在不同的窗口，且光照的不均匀影响较大。而阵列光电池的布局，是各相混合编排在同一窗口，光照的不均匀性对各相的影响较一致，从而提高了信号的质量。采用阵列光电池，提高了增量式光电编码器的性能，也是增量式光电编码器的变革。

阵列光电池只有一个视窗，其中安排A、B及A-、B-或更多的光电信号接受面。由于充分利用视窗，所以视窗可以做的很小，一般可做到3 mm×4 mm。由于没有狭缝，不需要狭缝座。这样，有利于小型化。带有狭缝的光电编码器，码盘和狭缝属于双光栅的衍射［8，9］。对狭缝和码盘之间的间隙有严格的要求，间隙小时莫尔条纹反差大，发光管的发光角和光轴与码盘的不垂直影响会很小。但由于轴的转动及轴肩的端跳造成其间隙变化对信号影响较大，而间隙大时莫尔条纹反差会变小，信号差，甚至不能工作。因此对其间隙有严格要求。调整间隙是编码器生产中的重要工序，但调整困难，费时费力。当取消狭缝后，相应的取消此工序，使编码器调整简单方便，有利于规模化生产。

图4 光电池模拟结构图Fig.4 The structure of photocell simulation

4 结 语

随着科学技术的发展，电子技术的进步，光电伏特型硅光电池制造工艺技术已完全能实现阵列光电池的制作。增量式光电编码器的码盘与狭缝之间间隙很小，受温度的影响较大，温度高时会造成擦盘现象。笔者通过取消狭缝，使光电池阵列结构代替狭缝功能，将狭缝与光电池合二为一。阵列光电池位于原光电池的位置，与码盘的间隙较大，当间隙稍有变化时对信号的质量也不会造成明显影响。从而使光的二次衍射变为一次衍射，提高了信号质量，并且不存在狭缝与码盘的间隙问题。大大降低加工精度，即降低了加工成本。经研究证明，取消狭缝，采用阵列光电池切实可行，有利于小型化和提高光电编码器质量，方便产业化生产。

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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”国家技术研究发展计划基金资助项目(2011AA050509);国家自然科学基金资助项目( 61106039; 51272087;51272084);国家博士后基金资助项目(2011049015);长春市科技计划基金资助项目(11GH15)

毕克(1988— )，男，长春人，吉林大学硕士研究生，主要从事光学精密机械设计、光电检测研究，(Tel)86-13756930458(E-mail)bk823546780@sina.com;张铁强(1956— )，男，长春人，吉林大学教授，硕士生导师，主要从事光学工程及光电检测研究，(Tel)86-13756930458(E-mail)zhangt@jlu.edu.cn。

何桂华)