一种光纤位置数字编码器及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种光纤位置数字编码器及其应用，其特征在于所述光纤位置数字编码器由光纤位置敏感头和信号解调单元组成，二者相互分离并通过光纤连接，可以实现远距离的检测。光纤位置敏感头部分是无源的，安装在一个结构中并与传动机构连接。在被测位移或角度量通过传动机构的作用下，由主光栅和指示光栅构成的编码器将从信号解调单元传输而来的光信号调制成实时相位变化的可计数光脉冲序列并返回到信号解调单元，由信号解调单元进行鉴相、脉冲计数后计算出光纤位置敏感头的实测位移或角度的数值，最后通过标准通信接口实现数据上传。通过光纤位置数字编码器与传动、转换机构结合可以实现高精度、大范围的位移传感，并进而构成基于位移、角度检测原理的一类光纤传感器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光纤位置数字编码器及其应用，所述的光纤位置数字编码器可以应用于基于位移、角度传感原理的光纤传感器，属于光纤传感器领域。
技术介绍
位置(角位置)或位移(角位移)的测量是测计量、传感领域基本的长度(角度)物理的测量。位移的测量根据测量范围和测量精度的不同，有多种方法，总体可以分为微位移的测量、小位移测量、位移测量和大位移测量，各有不同的测量技术。对于小位移测量、位移测量，最基本的方法就是刻度尺(量角器)的方法，该方法需要人目视得到结果，因此随着技术的发展，出现了位置数字编码器来实现自动测量。在位置数字编码器中，人们利用了其它技术替代目视测量，从而使其标尺的线条密度大大提高，可以达到每毫米干线量级，因此检测的精度得到极大的提高，同时其测量范围也扩大，可达数十毫米至数十厘米，利于转动机构的计圈数可以将测量范围无限扩大，是应用最为广泛的高精度测量技术。位置数字编码器是一类重要的位置传感器，包括线性直线位置、旋转角位置两种，通过计数或多比特位编码实现两个位置的距离或角度的检测，从而实现直线位移或旋转角度的测量。由于其直接数字量输出，具有很强的抗干扰能力，可靠性高，应用十分广泛。位置数字编码器主要有两种类型：增量式编码器(脉冲式编码器)，绝对式编码器(码盘式编码器)。增量式编码器是一个计数系统，移动或旋转的编码器给出一系列脉冲，它在计数中对某个基数进行加或减，从而记录移动或旋转的位移量。该种编码器在计数过程中不能中断，否则位移量不能确定。为此，一种改进的编码器是具有零位指示的编码器，即增设一路绝对零位指示信号。绝对式编码器在检测范围内的-->任意位置给出一个固定对应的数字输出，位移测量无需计数，只需要将两个位置对应的数字相减就可以得到所测量的位移量。位置数字编码器具有精度高、测量范围大、数字式检测的特点，区别于其它的直线位移和旋转角度的传感原理，如电阻位移(角度)传感器、电感位移传(角度)感器、电容位移(角度)传感器等。位置数字编码器主要有光电位置编码器、磁栅位置编码器、感应同步器、电阻接触式编码器四大类，其中，光电位置编码器具有较高的精度，应用更为广泛。光电位置编码器，包括光栅读数头和信号处理电路两部分。光栅读数头的主要部分是光栅副(一对光栅)，根据结构特点和使用场合光栅读数头可以划分为分光读数头、光电池直接接收式读数头、镜像式读数头及反射式光栅读数头。光栅读数头由光源、准直透镜、光栅副、光电探测器、狭缝、光阑及调整机构组成。光栅副是光栅读数头的主要部分，是由主光栅和指示光栅构成的一对光栅，根据光栅的莫尔条纹原理进行检测。光电位置编码器中使用的光源包括钨丝灯、微型灯泡、发光二级管，波长为可见光或910nm至940nm的近红外光的非相干光。光电探测器采用硅光电池，尺寸约为10×10mm2。光电位置编码器中准直透镜将通过狭缝的光源光束进行扩束、准直，以提高莫尔条纹的反差，在要求低时采用简单的单片透镜，要求高时采用双胶合透镜。同时还需要聚焦透镜，将光栅副形成的莫尔条纹聚焦于硅光电池。为了适应判别方向和补偿直流漂移的需要，通常需要二相或四相的信号，即二路或四路信号输出，构成多相型的光电编码器。现有的光栅读数头需要电源供电、光电探测器输出的电信号需送入近距离的信号处理电路。在有些读数头结构中，为了避免光源箱发热对读数头的影响，采用光导管传送光至读数头，也有利用光导管将光信号接收并传送至信号处理电路，光导管为很粗的光波导，不同于芯径仅几微米至几十微米的通信光纤，虽然光导管光信号耦合方便，但光传输损耗大，只能实现近距离的传输。因此，光电位置编码器无法实现远距离的遥测，也无法应用于野外、存在雷击干扰，易燃易爆，现场无法供电，以及存在较强电磁干扰的使用场合。-->磁栅位置编码器是由磁尺或磁盘、磁头和检测电路组成。磁栅上录有等间距的磁信号，磁头沿磁栅尺运动检测磁信号，并转化为电信号，从而进行位移检测。磁栅是用不导磁的材料做基底，在基体的表面上均匀地涂覆一层0.10至0.20mm的磁性薄膜，然后录上一定节距的磁信号。磁头分为动态磁头和静态磁头。动态磁头即速度响应磁头，当相对运动速度很慢或相对静止时，输出信号很小或为零，其应用受到限制，不适合于位移测量。静态磁头是磁通响应式磁头，需要激励线圈的电磁激励才能工作。因此，磁栅位置编码器应用于位移测量时要采用静态磁头，必须提供电源。由于磁头输出信号比较弱，检测电路必须与磁头的距离较近，信号易受到电磁干扰。感应同步器是利用交流电磁场和互感原理工作，由可以相对移动的滑尺和定尺(直线式)或转子和定子(旋转式)组成。工作时需要在其中一种绕组上通以交流激磁电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感生电动势，该感生电动势随两种绕组的相对位置不同呈正弦、余弦变化。因此，感应同步器应用时必须提供电源。由于耦合磁场不强，电磁耦合输出信号比较弱，检测电路必须与磁头的距离较近，信号易受到电磁干扰。电阻接触式编码器，在绝缘基体上设计粘贴导电铜箔，不粘铜箔的地方是绝缘的，利用电刷与铜箔接触导电与否读取相对位置信号。电刷与铜箔的接触导电不够可靠，应用不多。电阻接触式编码器器应用时必须提供电源，检测电路必须与传感头的距离较近，信号易受到电磁干扰。综上所述，现有的位置数字编码器的共同特点是：1、读数头与信号处理单元只在近距离范围内，难以实现数米至数千米的测量，也难以在较大的范围内构成多点测量网络；2、读数头必须提供电源，无法适应不能长时间供电的工作场合；3、读数头与信号处理单元易受到雷电和强电磁干扰，不适应野外和强电磁场环境；4、读数头与信号处理单元都带电，应用于易燃易爆场合需进行隔爆处理，不能实现本安型防爆；5、在潮湿的环境中，潮气会影响电路的长期可靠性，野外环境的应用受到限制。-->因此，现有的位置数字编码器在长距离测量、无常备电源、野外、潮湿、强电磁干扰、易燃易爆等应用场合存在不足之处，限制了其应用，本专利技术正是要解决这些问题。
技术实现思路
针对现有的位置数字编码器在长距离测量、无常备电源、野外、潮湿、强电磁干扰、易燃易爆等应用场合的不足之处，本专利技术目的在于提供一种光纤位置数字编码器及其应用，针对性地来解决现有位置数字编码器这些不足。本专利技术提供的一种光纤位置数字编码器。其特征在于：(1)光纤位置数字编码器包括光纤位置敏感头和信号解调单元两个组成部分，两部分相互分离并通过光纤连接，可以实现远距离的检测；(2)单个信号解调单元可以连接多个光纤位置敏感头，实现多点的网络化信息采集；(3)光纤位置敏感头部分是无源的，安装在一个结构中并与传动机构连接，输入光信号利用光纤从信号解调单元传输而来，光信号通过由主光栅、指示光栅构成的编码器，两光栅相对运动对光信号进行调制与编码，输出光信号通过输出光纤传输至解调单元；(4)信号解调单元包含光源、光电探测器、信号处理电路、输出电路、接口及电源，解调单元通过光纤输出光信号至光纤位置敏感头，同时接收光纤位置敏感头输出的编码光信号并进行解调、计数获得光栅之间的相对位置；(5)利用直线光栅尺实现线性位置检测，利用圆光栅实现角位置检测；(6)该光纤位置数字编码器与传动、转换机构结合可以实现高精度、大范围的位移传感，并进而构成基于位移、角度检测原理的一类光纤传感器，如光纤液本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤位置数字编码器，其特征在于所述的编码器包括光纤位置敏感头和信号解调单元两个组成部分，该两个组部分相互分离通过输出和输入光纤连接。

【技术特征摘要】
1、一种光纤位置数字编码器，其特征在于所述的编码器包括光纤位置敏感头和信号解调单元两个组成部分，该两个组部分相互分离通过输出和输入光纤连接。2、按权利要求1所述的光纤位置数字编码器，其特征在于所述的光纤位置敏感头是无源的，它是由输入光纤、输出光纤、微光学系统、位移或转动的传动机构以及数字编码光学光栅组成；其中数字编码光学光栅一面与位移或转动的传动机构相连，另一面与微光学系统相连，微光学系统的另一面则与输入和输出光纤连接；所述的数字编码光学光栅是由相互平行的主光栅、指示光栅构成，所述的光学光栅为直线光栅或圆光栅；所述的微光学系统采用C-Lens或G-Lens对光纤进行光束准直，准直后的光斑直径为数百微米。3、按权利要求2所述的光纤位置数字编码器，其特征在于所述的数字编码的光学光栅为透过率调制的透射式光栅或反射率调制的反射式光栅，分别用于透射或反射光纤检测光路；所述的数字编码的光学光栅为按光栅周期重复的调制图形，调制图形为细长矩形或扇形。4、按权利要求2所述的光纤位置数字编码器，其特征在于主光栅为单码道或零位码道；指示光栅包含两部分光栅，彼此相差1/4光栅周期，两部分光栅分别与两路光纤检测光路相对应，为左、右排列或上、下排列。5、按权利要求2或4所述的光纤位置数字编码器，其特征在于指示光栅用光学狭缝取代，则输入光纤在光栅上的光斑尺寸...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴亚明，钟少龙，
申请(专利权)人：吴亚明，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]