專利名稱：基于顏色識別的旋轉編碼器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種檢測元件，具體涉及一種基于顏色識別的旋轉編碼器。
背景技術：
現有的編碼器從原理上分主要有光電編碼器、磁柵編碼器、容柵編碼 器、感應同步器、電阻接觸式編碼器五大類。
光電編碼器由軸系、光柵付、光源及光電接收和轉換元件組成。當與主 軸相連的主光柵(即碼盤)隨主軸一起旋轉時，和指示光柵相重疊形成莫爾條 紋，通過光電轉換后輸出與轉角相對應的光電位移信號.經過電子學處理， 并與計算機和顯示裝置連接后，便可實現角位置的實時控制與測量。光電編 碼器具有以下優點體積小，精密，無接觸無磨損；同一品種既可檢測角度 位移，又可在機械轉換裝置幫助下檢測直線位移；多圈光電絕對編碼器可以 檢測相當長量程的直線位移；壽命長，安裝隨意，接口形式豐富，價格合 理，成熟技術。但光電編碼器也存在以下缺點精密但對戶外及惡劣環境下 使用提出較高的保護要求；測量直線位移需依賴機械裝置轉換，需消除機械 間隙帶來的誤差；檢測軌道運行物體難以克服滑差；無速度電壓輸出。因 此，這極大地限制了光電編碼器的應用范圍。
磁柵編碼器是由磁尺或磁盤、磁頭和檢測電路組成。磁柵上錄有等間距 的磁信號，磁頭沿磁柵尺運動檢測磁信號，并轉化為電信號，從而進行檢 測。磁柵是用不導磁的材料做基底，在基體的表面上均勻地涂覆一層0.10 至0.20mm的磁性薄膜，然后錄上一定節距的磁信號。磁頭分為動態磁頭和 靜態磁頭。動態磁頭即速度響應磁頭，當相對運動速度很慢或相對靜止時，輸出信號很小或為零，其應用便受到限制。靜態磁頭是磁通響應式磁頭，需 要激勵線圈的電磁激勵才能工作。由于磁頭輸出信號比較弱，檢測電路必須 與磁頭的即離較近，信號易受到電磁干擾。
容柵編碼器借鑒了光柵的結構形式，把電容做成柵型。編碼器分動柵和 靜柵兩部分，動柵上有發射極和接收極，在發射極和接收極之間有屏蔽極， 避免發射極到接收極之間的直接電容耦合。靜柵上有反射極和屏蔽極，屏蔽 極需可靠接地，與反射極的寬度一致。工作時，施加發射電極上的周期激勵 信號，通過發射極與反射極、反射極與接收極兩對電容耦合，在接收極上形 成合成信號。輸出信號的電位相與容柵傳感器的位移有一一對應關系(在一 個周期內是單值函數)，調相信號是一個周期信號，動柵和靜柵每相對運動 一組發射極的寬度，調相信號變化一個周期。根據這個原理可以通過鑒相器 鑒別調相信號的相位變化，從而推算出動柵和靜柵的相對位移。同時還可以 通過可逆計數器記錄輸出信號周期變化數，實現長距離的測量。容柵編碼器 有功耗低、性價比高等優點。但其工作容易受到外界的干擾，尤其是環境潮 濕和外界電磁干擾的影響尤為顯著。其次作為準絕對式傳感器在長期斷電工 作時，需要定期更換電池，所以難于作為傳感器用于長期自動測量
感應同步器是利用交流電磁場和互感原理工作，由可以相對移動的滑尺 和定尺(直線式)或轉子和定子(旋轉式)組成。工作時需要在其中一種繞組上 通以交流激磁電壓，由于電磁耦合，在另一種繞組上就產生感生電動勢，該 感生電動勢隨兩種繞組的相對位置不同呈正弦、余弦變化。因此，感應同步 器應用時必須提供電源。由于耦合磁場不強，電磁耦合輸出信號比較弱，檢 測電路必須與磁頭的沖離較近，信號易受到電磁十擾。電阻接觸式編碼器是最早的編碼器，在絕緣基體上設計粘貼導電銅箔， 不粘銅箔的地力是絕緣的，利用電刷與銅箔接觸導電與否讀取相對位置信 號。但由于電刷與銅箔的接觸導電不夠可靠，如今的應用己不多。電阻接觸 式編碼器器應用時必須提供電源，檢測電路必須與傳感頭的距離較近，信號 易受到電磁干擾。
發明內容
本發明是針對現有各種編碼器的問題，提出了一種基于顏色識別的旋轉 編碼器，通過顏色傳感器檢測色盤上的顏色，從而判別轉動角度和方向，工 藝簡單、方便小型化、具有較佳抗振耐溫及抗干擾性能、能適應任何環境使 用要求。
本發明的技術方案為 一種基于顏色識別的旋轉編碼器，其特征在于， 包括光源、色盤、至少一個顏色傳感器、處理器、旋轉主軸、遮光元件，色 盤固定在旋轉主軸上，遮光元件有透光隙，光源和顏色傳感器用遮光元件密 封，并正對遮光元件上的透光隙，光源和顏色傳感器緊靠色盤但不隨色盤轉 動，光源發出的光經色盤反射或透射后，被顏色傳感器所接收，顏色傳感器 將檢測到的彩色光轉換為數字信號，并輸出給處理器，處理器處理信號計算 出編碼器數據。
所述色盤為半透明，光源與顏色傳感器分別位于色盤的兩側，光源發出 的光透射過色盤和透光隙后被顏色傳感器接收。
所述色盤為不透明，光源與顏色傳感器位于色盤的同側，光源發出的光 經透光隙處色盤的反射后被傳感器接收。
所述顏色傳感器采用兩個或多個時，各個顏色傳感器之間呈一定夾角。本發明的有益效果在于本發明基于顏色識別的旋轉編碼器由于顏色編 碼器可實現對位置的連續檢測，因此，在采用高精度傳感器的情況下，可以 達到很高的分辨率；相對于傳統編碼器內復雜的碼盤構造，色盤的采用使得 顏色編碼器的結構更加簡化；顏色編碼器屬于絕對位置編碼器，可以方便的 實現當前位置、轉動角度和轉動方向的檢測；顏色編碼器采用光傳感，對環 境要求低，特別是抗電磁干擾能力強，能夠適應各種應用場合的需求。
圖1為本發明顏色編碼器工作原理圖2為本發明基于顏色識別的透射式旋轉編碼器結構示意圖； 圖3為本發明基于顏色識別的透射式反射式編碼器結構示意圖； 圖4為本發明顏色編碼器的程序流程圖； 圖5為本發明中顏色傳感器TCS230結構框圖6為本發明中顏色傳感器外部加了濾鏡后光電二極管的光譜響應圖。
具體實施例方式
如圖1所示原理圖，顏色編碼器主要由光源1、色盤2、顏色傳感器3 和處理器4構成，由光源1發出的光，經色盤2的反射或透射后，被顏色傳 感器3所接收，顏色傳感器3將檢測到的彩色光轉換為數字信號，并輸出給 處理器4，處理器采集傳感器的輸出信號，根據一定的軟件算法，計算編碼 器當前位置、旋轉角度、旋轉方向等，并輸出。
實現方案如圖2、 3所示基于顏色識別的旋轉編碼器結構示意圖，色盤2 以主軸6固定，并以主軸6為轉軸旋轉；光源1A、 1B和顏色傳感器3A、 3B 以遮光罩7或遮光盤8密封，且正對遮光罩7或遮光盤8上的透光隙5A、5B;遮光罩7或遮光盤8緊靠色盤2,并不隨色盤2轉動。處理器4與光源 1A、 1B和傳感器3A、 3B的連接，實現控制和數據采集。
色盤2上的色圈，可采用彩色圈或黑白色圈。若采用彩色圈，需根據顏 色傳感器3的性能，選擇光譜響應敏感度較強、線性較好的一段色譜，繞色 盤排列一圈。若采用黑白色圈，則按照顏色的由深到淺在色盤上排列一圈。
與色盤2相應的，顏色傳感器3的選擇，可以是能夠識別各種彩色光的 顏色傳感器，或只能識別黑白光的傳感器。只要傳感器對某種漸變色有較高 的識別度，即可滿足設計要求。
其光學系統可以采用反射式或透射式結構。若采用透射式結構如圖2所 示，則色盤2設計為半透明，光源1A、 1B與傳感器3A、 3B分別位于色盤2 的兩側，光源1A、 1B發出的光分別透過色盤2和透光隙5A、 5B后分別被對 應的顏色傳感器3A、 3B接收；若采用反射式結構如圖3所示，則色盤2設 計為不透明，光源1A、 1B與傳感器3A、 3B位于色盤2的同側，光源1A、 1B 發出的光經透光隙5A、 5B處色盤的反射后分別被傳感器3A、 3B接收。
為了解決色譜連接處顏色跳變產生的干擾，設計中采用兩個或多個顏色 傳感器同時檢測(濾光片的設置可以相同或不同)，如圖2、 3用了兩個顏色 傳感器3A、 3B,多個傳感器之間呈一定夾角，夾角范圍為0° 180° ，但 為保證可靠性，應盡量采用較大夾角。當其中一個傳感器的輸出值發生較大 的跳變，則程序判斷該傳感器處于顏色銜接處，并采用另一傳感器的輸出值 進行計算。 傳感器3 —般以脈沖形式輸出信號。可采用的脈沖采集方法有兩種等 時間法和等脈沖法。等時間法是用定時器設置一個固定的時間(如lms)，設置采集頻率100%，然后打開某種顏色的濾光片，在定時時間內測量采集到的 脈沖數。而等脈沖法是在濾光片打開時，測量輸出的脈沖數，當計數到255 時，計算所用的時間。不管采用上面哪種方法，都可以獲得精確的計數值。 基于以上設計，顏色編碼器具有以下特征
1、 可實現對位置的連續檢測。傳統編碼器檢測到的位置量大多是跳變的， 是一組離散量；而對于顏色編碼器，色圈上漸變色的采用，使得當轉動顏色 編碼器時，傳感器輸出信號值連續變化，從而實現了連續位置檢測。
2、 顏色編碼器屬于絕對位置編碼器。當編碼器旋轉到任意一個位置時，顏 色傳感器檢測到的是色盤上唯一確定的顏色，對應的輸出也是一個確定值， 根據傳感器輸出值與編碼器位置的一一對應關系，就可實現對絕對位置的判 斷。
顏色編碼器的程序流程如圖4所示1、編碼器上電后，進行初始化， 初始化過程包括顏色傳感器濾光片設置、定時器設置、計數器清零、清空寄 存器、指針初始化等。初始化完成后，即可進行下列循環操作；2、首先進 行數據采集，計數各個傳感器的脈沖，并分別存入寄存器；3、然后讀取指 針指向地址的脈沖值(初始值為第一個傳感器脈沖值所在地址)，與上一個 脈沖值比較，若發生較大的跳變，說明該傳感器處于顏色銜接處，此時將指 針指向另一傳感器脈沖數所在地址，并讀取脈沖數；4、由脈沖數與旋轉編 碼器編碼器位置的對應關系，計算出當前編碼器所處的位置、已旋轉的角度 和旋轉方向，并以數字信號輸出；5、最后將當前數據保存為歷史數據，并 返回到循環開始處。
顏色傳感器3選用TCS230，結構如圖5所示，其內部集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個電流/頻率轉換器。硅光電二極管陣列包括64個光 電二極管，這些二極管共分為四種類型，其中16個光電二極管帶有紅色濾 波器，16個光電二極管帶有綠色濾波器，16個光電二極管帶有藍色濾波 器，其余16個不帶有任何濾波器，可以透過全部的光信息。這些光電二極 管在芯片內是交叉排列的，能夠最大限度地減少入射光幅射的不均勻性，從 而增加顏色識別的精確度；另一方面，相同顏色的16個光電二極管是并聯 連接的，均勻分布在二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差。工作時通過 兩個可編程的引腳來動態選擇所需要的濾波器，如紅色、綠色、藍色或白 光。TCS230輸出為占空比50%的方波，且輸出頻率與光強度成線性關系，該 傳感器對光響應范圍為250000 1，典型輸出頻率范圍為2HZ 500KHZ，用 戶可通過兩個可編程引腳來選擇100%、 20%或2%的輸出比例因子。
不同波段時，傳感器外部加了 H0YA CM500濾鏡后光電二極管的光譜響 應圖如圖6所示，可以看出，不同濾波器都有自身的適應范圍，如藍光大約 在光譜范圍390 560nm時響應曲線最好，因此在不同波段需采用合適的濾 波器，曲線必須光滑連續且不能有拐點，從而達到準確檢測的目的，下面舉 例說明。
舉例1:色盤上的光譜范圍為490 540nm，兩個TCS230傳感器一個采 用藍色濾光片，另一個采用綠色濾光片。如圖5所示，這個范圍內，藍色與 綠色的響應曲線最佳，而且，兩條曲線方向相反。采用此方案，要注意正確 判別旋轉方向，如規定正轉時，打開藍色濾光片的傳感器的輸出脈沖數增 大，則打開綠色濾光片的傳感器的輸出脈沖數應減小。
舉例2:色盤上的光譜范圍為530 600nm，兩個TCS230傳感器都采用綠色濾光片。如圖5，這個范圍綠色的響應曲線最佳，采用兩個TCS230傳感 器是為了解決顏色跳變的問題，按這個方案，編碼器可以準確地測量出旋轉 速度。
權利要求
1、一種基于顏色識別的旋轉編碼器，其特征在于，包括光源、色盤、至少一個顏色傳感器、處理器、旋轉主軸、遮光元件，色盤固定在旋轉主軸上，遮光元件有透光隙，光源和顏色傳感器用遮光元件密封，并正對遮光元件上的透光隙，光源和顏色傳感器緊靠色盤但不隨色盤轉動，光源發出的光經色盤反射或透射后，被顏色傳感器所接收，顏色傳感器將檢測到的彩色光轉換為數字信號，并輸出給處理器，處理器處理信號計算出編碼器數據。
2、 根據權利要求1所述的基于顏色識別的旋轉編碼器，其特征在于，所述 色盤為半透明，光源與顏色傳感器分別位于色盤的兩側，光源發出的光透射 過色盤和透光隙后被顏色傳感器接收。
3、 根據權利要求1所述的基于顏色識別的旋轉編碼器，其特征在于，所述 色盤為不透明，光源與顏色傳感器位于色盤的同側，光源發出的光經透光隙 處色盤的反射后被傳感器接收。
4、 根據權利要求1所述的基于顏色識別的旋轉編碼器，其特征在于，所述 顏色傳感器采用兩個或多個時，各個顏色傳感器之間呈一定夾角。
全文摘要
本發明涉及一種基于顏色識別的旋轉編碼器，由光源發出的光，經色盤的反射或透射后，被至少一個顏色傳感器所接收，顏色傳感器將檢測到的彩色光轉換為數字信號，并輸出給處理器，處理器采集傳感器的輸出信號，根據一定的軟件算法，計算編碼器當前位置、旋轉角度、旋轉方向等數據，顏色編碼器可實現對位置的連續檢測，提高了編碼器的精度；相對于傳統編碼器內復雜的碼盤構造，顏色編碼器的結構更加簡化；顏色編碼器采用光傳感，對環境要求低，特別是抗電磁干擾能力強，能夠適應各種應用場合的需求。
文檔編號G01D5/26GK101629832SQ20091005544
公開日2010年1月20日 申請日期2009年7月28日 優先權日2009年7月28日
發明者婁春宏, 璐 孔, 徐耀良, 寧 楊, 石錦翔 申請人:上海電力學院
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
