光电工程第27卷第6期Vol.27，No.6
2000年12月Opto-ElectronicEngineeringDec，2000═════════════════════════════════════════════════════════════文章编号：（2000）1003-501X06-0066-03
25位绝对式编码器
刘丰文，邓文和
（中国科学院光电技术研究所，四川成都610209）
摘要：介绍了在高位数、高精度光电绝对式轴角编码器小型化研制中，采用特殊的绝对编码技术和多读数头模拟量相加获得高质量的光栅信号，并用单片机实现高倍的电插补细分，成功地研制出了小尺寸的25位高精度绝对式编码器。
关键词：绝对式编码器；光电编码器；莫尔条纹
中图分类号：TN762文献标识码：A
25-BitAbsoluteTypeEncoder
LIUFeng-wen，DENGWen-he
（InstituteofOpticsandElectronics，ChineseAcademy
ofSciences，Chengdu610209，China）
Abstract：Intheminiaturizationdevelopmentoflargebitandhighprecisionphotoelectricabsoluteshaften-coder，small-sized25-bithigh-precisionabsoluteencodersaresuccessfullydevelopedbymeansofaspecialabsoluteencodingtechniqueandobtaininghighqualitygratingsignalwithaddingtheanalogquantitiesofmulti-headreading.Electricalinterpolationandsubdivisionwithhighmultiplyingpowerhavebeenachievedbymeansofsingle-chipcomputer.
Keywords：Absoluteencoders；photoelectricencoders；Moirefringe
CLCnumber：TN762
引言
绝对式编码器具有可靠性高、抗干扰能力强的特点，在精密的角度测量和传动控制中应用越来越广泛。精密测控系统也要求传感器有更高精度、更小尺寸。目前国内外在研制小型化、高位数、高精度绝对式编码器方面作过一些尝试，由于受到码盘尺寸的限制，高精度绝对式编码器小型化进展得很慢。我们在最近的研制中采用绝对编码技术，采取多种措施获得高质量的光栅信号，并采用了单片机技术实现高倍插补细分。实现了直径φ精度σ≤0.5"的25位高精度绝对式编码器。下面主要介绍研制过程中的关键158，
技术。
1技术途径
实现绝对式编码器小型化的关键技术在于减小码盘尺寸和高倍的电路插补细分。减小码盘尺寸的方法一般是压缩码道的刻划长度，减小码道之间的距离，该方法受到光敏接收元件尺寸的影响，不能无限制地缩小。因此我们在码道的编排上采取特殊的措施，充分利用光、机、电各自的优势，采用特殊的编码技术收稿日期：2000-08-09；收到修改稿日期：2000-09-14
作者简介：刘丰文（1969-），男（汉族），重庆潼南人，助理研究员，从事智能仪器和光栅传感技术研究。
期
条
编
多
种
结
位
得
路
≈θ
式中——莫尔条纹宽度；B—
——光栅常数；W—
——动静光栅夹角。θ—
公式表明莫尔条纹是一个光学放大器。莫尔条纹宽度B实际
上光栅刻线周期W被放大1/θ倍。当光栅常数W确定以后，选取
的莫尔条纹宽度B越宽（则放大倍数越高，θ越小）θ角的微小变化对莫尔条纹的宽度B的影响就越敏感，对光机结构（轴系）的要求也越苛刻。因此，使采用较窄莫尔条纹宽度有利于减小轴系晃动的影响、降低信号正交性的变化，改善信号的正弦性。在实际应用中莫尔条纹的公式为
RW
ΔR±e
式中R———刻划半径；ΔR———动静光栅偏置量；——码盘安装偏心。e—
当选用刻划中径R=60mm，刻线数16384时，莫尔条纹宽度B和动静光栅的偏置量ΔR的关系如图码盘安装偏心引起莫尔条纹宽度的变化关系如图4，保证在设计时根据以上分析，选取莫尔条纹宽度B3，B=
装调时偏心保证e≤0.001mm，
就可以获得较高质量的光栅信号。为进一步改善光栅信号的质=5mm；
2000年12月刘丰文等：25位绝对式编码器
（ωt+Δ；S1=Asinφ1）
（ωt+Δ；S2=Asinφ2）
S=S1+S269量，我们又采取一些其它措施，首先，把光栅信号谐波的影响视为相位调制，光栅信号可以写成
Δ+Δ2cosΔ1+Δ2=Asinωt+1
22
其大小接近方向相反，上式可写成ΔΔφ1，φ2与光栅刻划有关，
+S=Asinωtcos2这样得到的合成信号只有幅值调制，消除了相位变化，提高了信号的纯洁度。其次，采用多读数头平差的()()()原理，采用了四个读数头模拟量相加，将码盘的刻划误差平均一部分，同时可以提高光栅信号的正弦性，正交性，等幅性，消除机械装调中带来的一系列误差。
有了高质量的光栅信号作保障，就可以实现高倍的电路插补细分，细分采用了计算机幅值切割细分的方法，将一个莫尔条纹周期细分为2048份，最后获得分辨力为25位（0.309"），精度为σ≤0.5"的绝对式编码器。
2误差
25位绝对式编码器的误差来源有：
码盘制造误差1）
码盘制造误差主要由短、中、长周期误差组成，（以二、三次谐波为主）。在设计中90%集中在低次谐波
主要考虑减小中、长周期误差（短周期误差由莫尔条纹的平均作用可以基本消除），因此我们选用四个读数头模拟量相加，可以消除除4n次以外的所有谐波。
光机装调误差2）
编码器在装调中由于机械加工，装调工艺等条件的限制，不可避免地造成对光栅信号的质量有影响，它会造成莫尔条纹的宽度变化，从而影响信号的正交性、正弦性、等幅性等。
电路误差3）
电路误差由电路系统的设计原理，印制板布局工艺，元器件的性能等因素带来。它对编码器的精度影响很小。
分辨力盲区误差和检测误差。4）
分辨力盲区误差由绝对式编码器的位数决定，它带来误差为25位绝对式编码器的分辨力为0.039"，
检测误差是由检测中检测系统及检测人员带来的误差。±0.0195"；
最后，该绝对式编码器研制成功后经用23面棱体和0.1"数显平行光管进行精度检测，实测编码器的精度σ≤0.5"。
3结论
该绝对式编码器获得高位数的方法独特，综合运用了光学机械和电子技术等手段简化了码道，成功地解决了小型化高精度、高分辨力、绝对式等技术，获得了25位绝对式编码器。这对实际工程中的应用有重要意义。
参考文献：
［1］张善中.计量光栅技术［M］机械工业出版社.1985..北京：
［2］邓文和.高质量莫尔条纹信号的提取［J］（3）：.光电工程，1990，178-19.
［3］王祖文.单片机高倍数光栅细分［J］（5）；.光电工程.1989，1651-58.
光电工程第27卷第6期Vol.27，No.6
2000年12月Opto-ElectronicEngineeringDec，2000═════════════════════════════════════════════════════════════文章编号：（2000）1003-501X06-0066-03
25位绝对式编码器
刘丰文，邓文和
（中国科学院光电技术研究所，四川成都610209）
摘要：介绍了在高位数、高精度光电绝对式轴角编码器小型化研制中，采用特殊的绝对编码技术和多读数头模拟量相加获得高质量的光栅信号，并用单片机实现高倍的电插补细分，成功地研制出了小尺寸的25位高精度绝对式编码器。
关键词：绝对式编码器；光电编码器；莫尔条纹
中图分类号：TN762文献标识码：A
25-BitAbsoluteTypeEncoder
LIUFeng-wen，DENGWen-he
（InstituteofOpticsandElectronics，ChineseAcademy
ofSciences，Chengdu610209，China）
Abstract：Intheminiaturizationdevelopmentoflargebitandhighprecisionphotoelectricabsoluteshaften-coder，small-sized25-bithigh-precisionabsoluteencodersaresuccessfullydevelopedbymeansofaspecialabsoluteencodingtechniqueandobtaininghighqualitygratingsignalwithaddingtheanalogquantitiesofmulti-headreading.Electricalinterpolationandsubdivisionwithhighmultiplyingpowerhavebeenachievedbymeansofsingle-chipcomputer.
Keywords：Absoluteencoders；photoelectricencoders；Moirefringe
CLCnumber：TN762
引言
绝对式编码器具有可靠性高、抗干扰能力强的特点，在精密的角度测量和传动控制中应用越来越广泛。精密测控系统也要求传感器有更高精度、更小尺寸。目前国内外在研制小型化、高位数、高精度绝对式编码器方面作过一些尝试，由于受到码盘尺寸的限制，高精度绝对式编码器小型化进展得很慢。我们在最近的研制中采用绝对编码技术，采取多种措施获得高质量的光栅信号，并采用了单片机技术实现高倍插补细分。实现了直径φ精度σ≤0.5"的25位高精度绝对式编码器。下面主要介绍研制过程中的关键158，
技术。
1技术途径
实现绝对式编码器小型化的关键技术在于减小码盘尺寸和高倍的电路插补细分。减小码盘尺寸的方法一般是压缩码道的刻划长度，减小码道之间的距离，该方法受到光敏接收元件尺寸的影响，不能无限制地缩小。因此我们在码道的编排上采取特殊的措施，充分利用光、机、电各自的优势，采用特殊的编码技术收稿日期：2000-08-09；收到修改稿日期：2000-09-14
作者简介：刘丰文（1969-），男（汉族），重庆潼南人，助理研究员，从事智能仪器和光栅传感技术研究。
期
条
编
多
种
结
位
得
路
≈θ
式中——莫尔条纹宽度；B—
——光栅常数；W—
——动静光栅夹角。θ—
公式表明莫尔条纹是一个光学放大器。莫尔条纹宽度B实际
上光栅刻线周期W被放大1/θ倍。当光栅常数W确定以后，选取
的莫尔条纹宽度B越宽（则放大倍数越高，θ越小）θ角的微小变化对莫尔条纹的宽度B的影响就越敏感，对光机结构（轴系）的要求也越苛刻。因此，使采用较窄莫尔条纹宽度有利于减小轴系晃动的影响、降低信号正交性的变化，改善信号的正弦性。在实际应用中莫尔条纹的公式为
RW
ΔR±e
式中R———刻划半径；ΔR———动静光栅偏置量；——码盘安装偏心。e—
当选用刻划中径R=60mm，刻线数16384时，莫尔条纹宽度B和动静光栅的偏置量ΔR的关系如图码盘安装偏心引起莫尔条纹宽度的变化关系如图4，保证在设计时根据以上分析，选取莫尔条纹宽度B3，B=
装调时偏心保证e≤0.001mm，
就可以获得较高质量的光栅信号。为进一步改善光栅信号的质=5mm；
2000年12月刘丰文等：25位绝对式编码器
（ωt+Δ；S1=Asinφ1）
（ωt+Δ；S2=Asinφ2）
S=S1+S269量，我们又采取一些其它措施，首先，把光栅信号谐波的影响视为相位调制，光栅信号可以写成
Δ+Δ2cosΔ1+Δ2=Asinωt+1
22
其大小接近方向相反，上式可写成ΔΔφ1，φ2与光栅刻划有关，
+S=Asinωtcos2这样得到的合成信号只有幅值调制，消除了相位变化，提高了信号的纯洁度。其次，采用多读数头平差的()()()原理，采用了四个读数头模拟量相加，将码盘的刻划误差平均一部分，同时可以提高光栅信号的正弦性，正交性，等幅性，消除机械装调中带来的一系列误差。
有了高质量的光栅信号作保障，就可以实现高倍的电路插补细分，细分采用了计算机幅值切割细分的方法，将一个莫尔条纹周期细分为2048份，最后获得分辨力为25位（0.309"），精度为σ≤0.5"的绝对式编码器。
2误差
25位绝对式编码器的误差来源有：
码盘制造误差1）
码盘制造误差主要由短、中、长周期误差组成，（以二、三次谐波为主）。在设计中90%集中在低次谐波
主要考虑减小中、长周期误差（短周期误差由莫尔条纹的平均作用可以基本消除），因此我们选用四个读数头模拟量相加，可以消除除4n次以外的所有谐波。
光机装调误差2）
编码器在装调中由于机械加工，装调工艺等条件的限制，不可避免地造成对光栅信号的质量有影响，它会造成莫尔条纹的宽度变化，从而影响信号的正交性、正弦性、等幅性等。
电路误差3）
电路误差由电路系统的设计原理，印制板布局工艺，元器件的性能等因素带来。它对编码器的精度影响很小。
分辨力盲区误差和检测误差。4）
分辨力盲区误差由绝对式编码器的位数决定，它带来误差为25位绝对式编码器的分辨力为0.039"，
检测误差是由检测中检测系统及检测人员带来的误差。±0.0195"；
最后，该绝对式编码器研制成功后经用23面棱体和0.1"数显平行光管进行精度检测，实测编码器的精度σ≤0.5"。
3结论
该绝对式编码器获得高位数的方法独特，综合运用了光学机械和电子技术等手段简化了码道，成功地解决了小型化高精度、高分辨力、绝对式等技术，获得了25位绝对式编码器。这对实际工程中的应用有重要意义。
参考文献：
［1］张善中.计量光栅技术［M］机械工业出版社.1985..北京：
［2］邓文和.高质量莫尔条纹信号的提取［J］（3）：.光电工程，1990，178-19.
［3］王祖文.单片机高倍数光栅细分［J］（5）；.光电工程.1989，1651-58.