第 1 期万秋华, 等 : 双读数系统的航天级绝对式光电编码器设计 53 1 引言光电编码器是集光机电为一体的数字化位移测量装置由于它结构简单分辨力高精度高易形成绝对代码, 因此被广泛应用于国防工 [1] 业和科技领域的动态测量和实时控制系统中通常情况下, 测控系统主体仪器的每个轴

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驻火祢
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1 第 17 卷 2009 年 1 月第 1 期光学精密工程 OpticsandPrecisionEngineering Vol.17 No.1 Jan.2009 文章编号 X(2009) 双读数系统的航天级绝对式光电编码器设计万秋华 1,2, 孙莹 1,2, 王树洁 1, 佘容红 1, 卢新然 1, 梁立辉 1,2 (1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林长春 ; 2. 中国科学院研究生院, 北京 ) 摘要 : 为了有效地减小航天相机的体积, 减轻其重量并满足冷备份要求, 设计了双读数系统的航天级绝对式光电编码器根据航天相机的要求, 对绝对式光学码盘进行了小型化设计 ; 根据码盘的特点, 研制了双读数狭缝盘及读数系统 ; 最后, 对设计的双读数系统的航天级绝对式光电编码器进行了精度检测实验结果表明 : 双读数系统的航天级绝对式光电编码器外形尺寸为 50mm 32mm 重量为 150g 分辨力为 20 精度 σ 30 本编码器具有读数系统冷备份功能, 且体积小重量轻抗干扰能力强, 可满足航天相机的要求关键词 : 航天级光电编码器 ; 绝对式码盘 ; 双读数系统 ; 小型化中图分类号 :TP 文献标识码 :A 犇犲狊犻犵狀犳狅狉狊狆犪犮犲犫狅狉狀犲犪犫狊狅犾狌狋犲狆犺狅狋狅犲犾犲犮狋狉犻犮犲狀犮狅犱犲狉狅犳犱狌犪犾狀狌犿犲狉犻犮犪犾狊狔狊狋犲犿 WAN Qiu hua 1,2,SUN Ying 1,2,WANGShu jie 1,SHERong hong 1,LU Xin ran 1,LIANGLi hui 1,2 (1. 犆犺犪狀犵犮犺狌狀犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犗狆狋犻犮狊, 犉犻狀犲犕犲犮犺犪狀犻犮狊犪狀犱犘犺狔狊犻犮狊, 犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲狊, 犆犺犪狀犵犮犺狌狀 , 犆犺犻狀犪 ; 2. 犌狉犪犱狌犪狋犲犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲狊, 犅犲犻犼犻狀犵 , 犆犺犻狀犪 ) 犃犫狊狋狉犪犮狋 :Inordertominimizevolume,lightentheweightofaspaceflightcameraefectivelyandsatis fytherequirementofcoldcopy,thedesignforspaceborneabsolutephotoelectricencoderofdualnu mericalsystemisputforwardinthispaper.basedontherequirementsofthespaceflightcamera,the miniaturizationdesignisappliedtoabsoluteopticalcodedisc;then,adualnumericalreadingslitdisc andanumericalreadingsystemaredevelopedaccordingtothecharacteristicofcodedisc;finaly,the precisiontestisimplementedonthespaceborneabsolutephotoelectricencoderwithdualnumerical readingsystem.theexperimentalresultshowsthatthephotoelectricencoderinoutlinedimensionof 50mm 32mm,weightof150gcanoferitsresolutionof20 andprecisionlowerthan30.theen coderhasthefunctionofcoldcopyfornumericalreadingsystem,andshowsitsadvantagesofsmal volume,lightweightandhighresistance,whichcanmeettherequirementsofspaceflightcamera. 犓犲狔狑狅狉犱狊 :spacebornephotoelectricencoder;absolutecodedisc;dualnumericalsystem;miniaturiza tion 收稿日期 : ; 修订日期 : 基金项目 : 国家重大工程项目

2 第 1 期万秋华, 等 : 双读数系统的航天级绝对式光电编码器设计 53 1 引言光电编码器是集光机电为一体的数字化位移测量装置由于它结构简单分辨力高精度高易形成绝对代码, 因此被广泛应用于国防工 [1] 业和科技领域的动态测量和实时控制系统中通常情况下, 测控系统主体仪器的每个轴系上只安装一个光电编码器, 且每台光电编码器只有一组读数系统然而在空间技术的环境中, 星载的光电跟踪观测瞄准设备, 对主体仪器工作的可靠性要求非常高, 对所用的光电编码器的光电转换电路要求冷备份以往采用两台光电编码器实现冷备份功能, 需要在主体仪器的每个轴系上安装两台光电编码器, 这样会占据主体仪器的很大空间长春光机所研制的航天相机中采用 4 台外形尺寸为 40mm 32mm 重量为 100g 的小型绝对式光电编码器来完成调焦偏流角的测量, 其中两台编码器互为冷备份因此, 光电编码 [2 3] 器的小型化需求日益迫切为了有效地减小航天相机的体积减轻其重量并满足冷备份要求, 本文设计了具有双读数系统的航天级绝对式光电编码器在一台编码器上实现发光管接收管等光电转换电路的冷备份, 既可减少主体仪器的光机结构有效地减轻仪器的重量, 又能保证主体仪器的工作可靠性实验证明, 双读数系统的航天级绝对式光电编码器具有读数系统冷备份功能, 比两台小型绝对式光电编码器的体积小重量轻且满足航天相机的要求 2 双读数系统的航天级绝对式光电编码器的组成及工作原理双读数系统的航天级绝对式光电编码器结构原理如图 1 所示, 它包括 : 主发光管码盘双读数狭缝盘主光电接收管主轴主处理电路备发光管备光电接收管备处理电路主编码器工作时, 码盘随主轴旋转, 主发光管发出的光经码盘双读数狭缝盘照射到主光电接收管上, 主光电接收管产生的光电信号实时送入编码器主处理电路, 主处理电路将主光电信号图 1 编码器结构原理框图 Fig.1 Principleblockdiagramofencoderstructure 处理成 16bit 自然二进制角度代码输出备编码器工作时, 码盘随主轴旋转, 备发光管发出的光经码盘双读数狭缝盘照射到备光电接收管上, 备光电接收管产生光电信号实时送入编码器备处理电路, 备处理电路将备光电信号处理成 16bit 自然二进制角度代码输出主编码器工作时, 备编码器不通电工作 ; 备编码器工作时, 主编码器不通电工作 ; 主备编码器互为冷备份 3 双读数系统的航天级绝对式光电编码器设计 3.1 码盘的小型化设计双读数系统的航天级绝对式光电编码器的码盘码道按矩阵式编码原理排列矩阵式编码的特 [4] 点是码道圈数少, 编码器的直径较小为了进一步缩小码盘的直径, 设计中将码道及隔离圈的刻划中径减小, 码道和隔离圈的径向宽度缩小到 1mm 为避免各接收元件之间串光, 码道设计采用错位排列, 其对应狭缝及光电接收管也错位排列错位排列的矩阵码道展开图如图 2 所示错位排列的矩阵式码盘如图 3 所示码道共分 5 圈, 从里到外依次为 A B C D G 圈 A 圈在 180~360 区间内通光, 为第 1 位和第 2 位, 即 A1 和 A2;B 圈的零点在 A 圈零点的处 B 圈在 0~180 刻第 3 位 A3, 即在半周内有一条通光区 ; 在 180~360 刻第 4 位 A4, 即在半周内有两条通光区 C 圈的零点在 A 圈零点的处 C 圈刻有 4 位不同的码道,0~90 刻

3 54 光学精密工程第 17 卷图 2 错位排列的矩阵码道展开图 Fig.2 Spreaddiagramofmatrixcodetrackindislo cationarray 图 4 读数头位置分布图第 5 位 A5, 在这一扇形区内刻 2 条通光区 ; 在 90 ~180 刻第 6 位 A6, 在这一扇形区内刻 4 条通光区 ; 在 180~270 刻第 7 位 A7, 在这一扇形区内刻 8 条通光区 ; 在 270~360 刻第 8 位 A8, 在这一扇形区内刻 16 条通光区 ;D 圈为精粗校正码道, 刻有 128 个通光区 ;G 圈为精码码道, 刻有 256 个通光区, 作为细分码道码盘的基底材料采用 K9 光学玻璃, 码盘的外径为 39 mm, 码盘采用光刻复制的方法制备 Fig.4 Position distributionsofnumericalreading heads 时针转动时, 读数头 a 1 及读数头 a 2 取出两个光电信号 A 1 和 A 2, 这两路信号即作为第 1 位和第 2 位码道在 B 圈设置两个读数头 a 3 及 a 4, 当码盘顺时针转动时, 读数头 a 3 首先扫描 A 3, 后扫描 A 4 ; 而读数头 a 4 则首先扫描 A 4, 后扫描 A 3 在 C 圈中设置 4 个读数头 a 5 a 6 a 7 a 8, 当码盘顺时针转动时, 读数头 a 5 将先扫过 A 5, 然后依次扫过 A 6 A 7 A 8 ; 与此同时 a 6 将依次扫过 A 6 A 7 A 8 A 5 ;a 7 将依次扫过 A 7 A 8 A 5 A 6 ;a 8 依次扫过 A 8 A 5 A 6 A 7 读数头在不同象限输出不同的信息, 矩阵码表如表 1 所示表 1 矩阵码表 Tab.1 Tableofmatrixcode 0 ~90 90 ~ ~ ~360 a1 A1 A1 图 3 错位排列的矩阵式码盘图 Fig.3 Diagramofmatrixcodediscindislocationarray 3.2 双读数狭缝盘及读数系统设计双读数系统的航天级绝对式光电编码器的读数头由 26 个光电接收管组成, 分为 a 组和 b 组双读数头的位置分布如图 4 所示 a 组读数头由 a 1 a 3 a 5 a 2 a 6 a G0 a G90 a 4 a 7 a 9 a 8 a G180 a G270 等光电接收管组成在 A 圈设置两个读数头 a 1 及 a 2, 当码盘顺 a2 A2 A2 a3 A3 A3 A4 A4 a4 A4 A4 A3 A3 a5 A5 A6 A7 A8 a6 A6 A7 A8 A5 a7 A7 A8 A5 A6 a8 A8 A5 A6 A7 b 组读数头与 a 组相差 45 a 组 b 组各自独立工作 a 组与 b 组互为备份 b 组读数头由 b1 b3 b5 b2 b6 bg0 bg90

4 第 1 期万秋华, 等 : 双读数系统的航天级绝对式光电编码器设计 55 b4 b7 b9 b8 bg180 bg270 等光电接收管组成 b 组读数头输出信号的译码方法与 a 组相同双读数狭缝盘如图 5 所示图 5 双读数狭缝盘图 Fig.5 Diagramofdualnumericalreadingslitdisc 双读数狭缝盘基底材料采用 K9 光学玻璃, 狭缝盘直径与码盘直径一致为 39 mm, 狭缝盘的圈数与码盘的圈数相同, 每个通光区的位置与读数头的位置相对应 ; 精码狭缝宽度为 20μm, 粗码狭缝宽度为 50μm 狭缝盘采用光刻复制的方法制备 3.3 编码器机械结构设计编码器机械结构由轴系码盘双读数狭缝盘发光管光电接收管等部件组成轴系由主轴端设计为弹性锁紧机构, 将相机轴锁紧轴套作为编码器的主体部分通过弹性片与相机主体弹性联结轴系径向跳动 <0.003mm, 轴端面跳动 <0.003 mm 轴承选择深沟球轴承 628/6 P4, 做防冷焊处理编码器外形尺寸为 50 mm 32mm 3.4 处理电路设计新研制的双读数系统的航天级绝对式光电编码器同时具有主份备份功能, 采用两台就可完成航天相机调焦偏流角测量及备份的功能编码器主份处理电路采用一套单片机系统完成调焦偏流编码器的数据处理, 减小了电路的体积主份处理电路和备份处理电路完全相同编码器子系统由调焦编码器 ( 主备 ) 偏流编码器 ( 主备 ) 主份处理电路备份处理电路组成编码器子系统组成原理框图如图 7 所示调焦编码器和偏流编码器的主份处理电路在同一块线路板上, 由粗码放大整形输入 / 输出接口精码放大模 / 数转换器单片机程序存储器串行接口等部分组成 ; 主份处理电路采用一个单片机控制, 将调焦编码器和偏流编码器的主份信号经过精码细分粗码译码精粗校正后, 转换成 16bit 自然二进制角度代码, 再经串行接口电路传送给相机主控制器轴轴承套和轴承构成编码器机械结构如图 6 所示码盘与主轴端面粘接, 当主轴转动时, 带动码盘转动双读数狭缝盘与狭缝架固定, 同时也与轴套固定编码器主轴与相机轴配合, 编码器图 7 编码器子系统组成原理框图 Fig.7 Principleblockdiagramofencodersubsystem Fig.6 图 6 编码器机械结构图 Mechanicalstructureofencoder 调焦编码器和偏流编码器的备份处理电路在同一块线路板上, 由粗码放大整形输入 / 输出接口精码放大模 / 数转换器单片机程序存储器串行接口等部分组成 ; 备份处理电路工作原理与主份相同备份处理电路将备调焦编码器和备偏流编码器角度代码传送给相机备控制器

5 56 光学精密工程第 17 卷处理电路中所用的电子器件为航天级器件 ; 主份备份供电电源隔离 ;COMS 器件进行防拴锁处理 ; 主份与备份电路采取防潜通措施 4 精度检测编码器的精度检测装置如图 8 所示, 检测编码器是一台精度为 2 的 23bit 绝对式光电编码器, 作为角度基准记为该角度的误差值 [5 7] 全周 0 ~360 范围内, 每隔 30 测 1 个点, 共 13 个点, 按 (1) 式求出标准偏差主 ( 备 ) 编码器精度测量结果如表 2 所示狀狀 ( ) 狓犻犻 =1 狀狓犻犻 =1 σ=. (1) 槡狀 -1 编码器误差分布如图 9 所示, 系列 1 为主编码器误差分布曲线,σmain 17.38,δmainmax=15,δmainmin =-40 ; 系列 2 为备编码器误差分布曲线,σspare 27.29,δsparemax=25,δsparemin=-60 Fig.8 图 8 编码器精度检测装置原理图 Principleofprecisiontestequipmentforen coder 检测采用比较法, 将被测编码器与检测编码器相同位置的角度值进行比较, 求出两者的差值, 图 9 编码器误差分布图表 2 编码器精度测量结果 ( 单位 : 角秒 ) Tab.2 Resultsofprecisionmeasurementofencoder(Unit:( )) 测量位置主编码器误差值备编码器误差值参考文献 : [1] 董莉莉, 熊经武. 光电轴角编码器的发展动态 [J]. 光学精密工程,2000,8(2): DONGLL,XIONGJW.Developmentofphotoelec tricrotaryencoder[j]. 犗狆狋. 犘狉犲犮犻狊犻狅狀犈狀犵.,2000,8 (2): (inChinese) 5 结论 Fig.9 Errordistributionofencoder 双读数系统的航天级绝对式光电编码器具有冷备份功能, 且体积小重量轻抗干扰能力强实验结果表明 : 双读数系统的航天级绝对式光电编码器外形尺寸为 50 mm 32 mm 重量为 150g 分辨力为 20 精度为 σ 30 该编码器可实现航天相机的调焦偏流角的测量, 满足航天相机的要求, 并能有效地减小相机的体积, 减轻其重量本编码器还可应用于其它航天仪器设备中, 完成位移量的测量与控制 [2] EVITONIDB,KIRKJ,LOBSINGERI.Ultra highresolution Cartesianabosoluteopticalencoder [J]. 犛犘犐犈,2003,5190: [3] 熊文卓, 孔智勇, 张炜. 光电轴角编码器光电信号正交性偏差的相量校正方法 [J]. 光学精密工程, 2007,11: XIONG W ZH,KONG ZH Y,ZHANG W.Phase

第 1 期万秋华, 等 : 双读数系统的航天级绝对式光电编码器设计 57 correctionofquartering deviation ofphotoelectric rotaryencoder[j]. 犗狆狋. 犘狉犲犮犻狊犻狅狀犈狀犵.,2007,11: 1745 1748.(inChinese) [4] 曹振夫. 小型绝对式矩阵编码器 [J]. 光学机械, 1995,5:65 70.

6 第 1 期万秋华, 等 : 双读数系统的航天级绝对式光电编码器设计 57 correctionofquartering deviation ofphotoelectric rotaryencoder[j]. 犗狆狋. 犘狉犲犮犻狊犻狅狀犈狀犵.,2007,11: (inChinese) [4] 曹振夫. 小型绝对式矩阵编码器 [J]. 光学机械, 1995,5: CAO ZH F. Microabsolute matrixencoder[j]. 犗狆狋犻犮狊犪狀犱犉犻狀犲犕犲犮犺犪狀犻犮狊,1995,5:65 70.(inChi nese) [5] 佘琳, 冯长有, 丁林辉. 两步法测量编码器测角误差 [J]. 光学精密工程,2004,12(1): SHEL,FENGCH Y,DINGL H.Measurementof encodererrorswithtwo stepmethod[j]. 犗狆狋. 犘狉犲犮犻狊犻狅狀犈狀犵,2004,12(1):66 70.(inChinese) [6] 邓方, 陈杰, 陈文颉, 等. 一种高精度的光电编码器检测方法及其装置 [J]. 北京理工大学学报,2007,27 (11): DENGF,CHENJ,CHEN WJ, 犲狋犪犾..Ahighpre cisiontest methodandapparatusforphotoelectric encoder[j]. 犑狅狌狉狀犪犾狅犳犅犲犻犼犻狀犵犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔 ( 犖犪狋狌狉犪犾犛犮犻犲狀犮犲犈犱犻狋犻狅狀 ),2007,27(11): ,1008.(inChinese) [7] 洪喜, 续志军, 杨宁. 基于径向基函数网络的光电编码器误差补偿法 [J]. 光学精密工程,2008,16(4): HONGX,XUZHJ,YANG N.Errorcompensation ofopticalencoderbasedon RBF network method [J]. 犗狆狋. 犘狉犲犮犻狊犻狅狀犈狀犵.,2008,16(4): (in Chinese) 作者简介 : 万秋华 (1962-), 女, 吉林长春人, 研究员, 博士, 主要从事光电位移精密测量及高精度光电编码器等方面的研究 E mail:wanqh@ciomp.ac.cn 孙莹 (1982-), 女, 吉林敦化人, 博士研究生, 主要从事光电位移转换技术及光电编码器的研究 E mail: sun96ying@163.com 王树洁 (1963-), 女, 吉林长春人, 大学, 高级工程师, 主要从事光电位移转换技术及光电编码器的研究佘容红 (1957-), 女, 吉林长春人, 大专学历, 高级实验师, 主要从事电子仪器方面的研究 E 卢欣然 (1978-), 男, 辽宁本溪人, 硕士研究生, 助理研究员, 主要从事光电位移转换技术及光电编码器的研究 E mail:luxinranciomp@yahoo.com.cn 梁立辉 (1980-), 男, 吉林舒兰人, 博士研究生, 助理研究员, 主要从事光电位移转换技术及光电编码器的研究 E mail:leungleehuei@126.com 下期预告基于涂料性能参数的红外隐身技术陈隨, 张健, 王艳武, 杨立 ( 海军工程大学船舶与动力学院动力工程系, 湖北武汉 ) 根据数值传热学的方法模拟出目标表面温度分布, 并分析了隐身涂料的性能参数 ( 短波吸收率 αs 长波吸收率 αl 与表面发射率 εt) 对目标表面温度的影响 ; 最后, 模拟出这些性能参数对红外探测系统作用距离的影响分析结果表明 : 三种性能参数均会对目标表面温度产生影响 αs αl 与表面温度成正比,εt 与表面温度成反比, 影响幅度可达 10 左右 ; 探测系统作用距离与背景温度气象条件探测器性能等多种因素相关, 根据实际情况调整涂料性能参数可使作用距离最小基本满足红外隐身涂料设计选型与使用方面的实际需求

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