光电池在光栅位移检测中的应用

时间:2022-06-25 07:34:36

光电池在光栅位移检测中的应用

摘 要:光电池是一种根据光生伏特效应制成的直接把光能转变成电能的光电器件。本文根据光电池的光照短路电流与光强度成线性关系的特性,讨论了光电池在贴片机运动控制系统光栅位移检测中的应用,从而实现高精度的加工控制和定位。

关键词:光电池 光栅 脉冲计数 分辨率

中图分类号:TG659 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2013)02(b)-0132-02

在贴片机伺服控制系统中,常用长光栅来测量直线位移,实现闭环控制,保证定位精度。光栅尺制造过程中,可运用激光测长技术制造出高精度的光栅尺,从而提高光栅测量的分辨率,但仍未必能够满足伺服控制系统所需的控制精度和定位要求。本文基于光电池的输出特性的研究,提出了一种将光电池单体串联或并联成阵列结构,形成光电池组,通过位移—— 脉冲细分转换电路,提高光栅检测装置读数分辨率,从而实现高精度的加工控制及定位的方法。

1 光电池的工作原理及其特性

1.1 光电池的工作原理

光照改变半导体PN结电场,从而引起PN结电势的变化效应,称PN结光电效应。光电池的核心部分是一个PN结,它是一种根据光生伏特效应制成的直接把光能转变成电能的光电器件。(图1)

当光照射到PN结上时,如果光子能量足够大(光子能量大于硅的禁带宽度),就将在PN结附近激发出大量的光生电子—空穴对。在PN结内电场作用下,N区的光生空穴被拉向P区,P区的光生电子被拉向N区;其结果在P区聚积正电荷,带正电,为光电池的正极,在N区聚积负电荷,带负电,为光电池的负极,即在P区和N区间形成一定伏特数的电位差,称为光生电动势。

1.2 光电池伏安特性

一个光电池单元可以等效于一个电流源(光生电流)和一个普通二极管的并联。普通二极管包括扩散电流(正向电流)、结电阻、结电容及串联电阻。一般,很大且极小,忽略二者的影响,光电池的等效电路可简化为图2所示。

2 光栅检测装置的结构及工作原理

光栅尺是利用光的透射现象制成的光电检测元件,可将机械位移转变为数字脉冲,由于检测精度比较高,常用作位置检测反馈元件。本文以增量式光栅尺在动臂式贴片机X-Y平面运动控制系统中的应用为例,介绍光栅位移检测的原理。光栅检测装置的结构示意图如图4所示。

光栅检测装置大致由六个部分组成,其中光源、透镜、指示光栅、光电池和驱动电路都安装在同一支架(即贴片头支架)上构成光栅读数头,标尺光栅则固定安装在贴片机机架上,并且指示光栅与标尺光栅尺面应相互平行,保持适当的间隙。其工作原理为:当贴片头移动时,装载于贴片头上的指示光栅相对标尺光栅移动,通过光栅读数头的光电转换,发送出与位移量相对应的数字脉冲作为实际位移信息,反馈给运动控制器,形成闭环控制回路,从而实现高精度的定位。

3 位移——脉冲变换电路

虽然在光栅尺制造过程中,可利用激光测长等技术来缩小栅距,制造出高精度的光栅,但仍未必能够满足系统的伺服控制要求。因而,希望通过电子细分电路来提高光栅检测的分辨率。具体实现方式如在图4所示,在与标尺光栅刻线平行的方向上安装有四块光电池,分别标记为P1~P4,它们彼此间隔四分之一个栅距。当指示光栅与标尺光栅相对移动时,四块光电池接受近似正弦规律变化的光强,产生出四路频率、幅值相同,但相位互差的电压信号。将这些信号送至光栅读头中的细分变换电路,经差动放大后,形成两路方波信号(A和B)。为了能够在方波信号的一个周期内获得4个等间隔分布的脉冲信号,需要对方波A和B进行处理。首先将方波A和B反相,得到方波C和D,再将这四路方波经微分电路处理(在方波的上升沿或下降沿产生脉冲信号),然后再经过逻辑组合电路便可得到满足上述要求的脉冲信号。

为了辨别贴片头的移动方向(即正向或方向),可将4路方波(A、B、C、D)和4个脉冲(、、、)经逻辑组合电路进行方向判别。当贴片头带动指示光栅正向移动时,通过与门G1~G4和或门Y1得到正向运行脉冲()输出。同样,当其反向移动时,通过与门G5~G8和或门Y2得到反向运行脉冲()输出。这样指示光栅与标尺光栅每相对移动一个栅距W,经细分转换装置便可发出四个脉冲信号,每个脉冲表示贴片头移动四分之一个栅距位移。这样,采用如图5所示的细分转换电路,光栅检测装置的实际分辨率较栅距的分辨率提高了4倍。依次类推,采用多块光电池串联或并联,并设置好合适的间隔,便可进一步提高光栅检测装置的读数分辨率。图6为光栅检测转置的输出脉冲波形图,清晰地表示出了贴片头带动指示光栅相对于标尺光栅正反向移动时细分转换电路的输出波形。

4 结语

根据光电池的输出特性,可将光电池单体在与标尺光栅刻线平行的方向上间隔合适的栅距,串联或并联成阵列结构,形成光电池组,通过位移—— 脉冲细分转换电路,可提高光栅检测装置的读数分辨率,从而能够实现高精度的加工控制及定位。这在数控机床、贴片机等精度要求很高的伺服系统中有着广泛的应用价值。

参考文献

[1] 曾光宇,张志伟,张存林.光电检测技术[M].2版.北京:清华大学出版社,2009.

[2] 陈中儒.光电传感器—— 光电池[J].科技资讯,2008(8).

[3] 宋爱琴.硅光电池特性的研究[J].实验室科学,2011,14(2).

[4] 康华光,陈大钦.电子技术基础(模拟部分)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[5] 吴建平.传感器原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2009:214-217.

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