光電編碼器在分光計中的應用

范淑媛,熊永紅,李紀文

(華中科技大學物理實驗中心,湖北武漢430074)

1 引 言

分光計是精確測定光偏轉角的儀器,它是光學實驗中常用的實驗儀器.光學中的許多基本量如波長、折射率等都可以直接或間接地用光的偏轉角來表示,因而這些量都可以通過使用分光計來測量.分光計的基本光學結構又是許多光學儀器(如棱鏡光譜儀、光柵光譜儀、分光光度計、單色儀等)的基礎[1].故掌握分光計的調節和使用,是大學物理實驗課程要求學生掌握的基本技能之一.但是分光計的讀數麻煩,尤其在比較暗的光學實驗室內,讀數費力,容易出錯.本文采用角度傳感器來代替分光計原來的機械讀數盤,并把角度直接用數字顯示出來,實現快捷方便讀數.

2 光電編碼器在分光計中的應用研究

2.1 原有的分光計機械盤讀數方法

將讀數盤的內盤即游標盤鎖定,使之不能繞中心軸轉動;然后將讀數盤外刻度盤的鎖緊螺釘鎖緊,使之與望遠鏡同步繞中心軸轉動.則望遠鏡繞中心軸轉動的角度就可以通過讀數盤讀取轉動之前讀數和轉動之后的讀數之差得到.讀數系統用游標來提高精度,精度為1′,用雙游標來消除偏心差[2].要得到1個角度的測量值必須讀取4個數據再通過計算得到.

2.2 絕對式編碼器介紹

絕對式編碼器是光電編碼器的一種,是通過光電轉換輸出其主軸上的機械幾何位移量,并轉換成脈沖或數字的傳感器.

基本結構如圖1所示,碼盤與狹縫盤同軸安裝在編碼器的主軸上,碼盤或狹縫盤固定在編碼器主軸上并隨主軸一起轉動,碼盤或狹縫盤固定于基座上,與其中之一相對平行安裝,兩者之間保持一定的間隙,碼盤與狹縫盤之間相對轉動.碼盤上沿徑向有若干同心碼道,每條道上由透光和不透光的扇形區相間組成,相鄰碼道的扇區數目是雙倍關系,碼盤上的碼道數就是它的二進制數碼的位數[3],狹縫盤上的狹縫與碼盤上的碼道相匹配,當碼盤順(逆)時針轉動時,狹縫在遇到碼盤上相對應的碼道通光部分時,呈現高電平狀態輸出,遇有不通光區段時,呈現低電平狀態輸出,各狹縫處輸出的高低電平狀態就代表了編碼器主軸的位置[4].其優點是輸出的編碼代表角度坐標的絕對值,容易翻譯成用數字表示的角度值,且沒有累積誤差,數據重復性好,電源切除后位置信息不會丟失.所以光電角度傳感器比其他的磁式、電容式、電阻式等傳感器更方便數字化,不需要定標[5].本研究中采用的是16位的絕對編碼器,測角范圍在 0°～360°.

圖1 編碼器結構工作原理圖

2.3 編碼器的安裝方法

將分光計原來的讀數機械盤去掉,重新制作適合的分光計中心軸,分光計的中心軸是固定不動的,載物臺和望遠鏡都可以繞著中心軸轉動.將中間空心的編碼器套在中心軸上,編碼器的外盤固定在望遠鏡的支架上,編碼器的空心軸固定在分光計的中心軸上,如圖2所示.編碼器輸出的角度二進制編碼信號輸送到角位移顯示器,最后在液晶屏上顯示出對應的角度值.

讀數時,在望遠鏡轉動之前的位置處將角位移顯示器的讀數清零,然后轉動望遠鏡,角度顯示器可同步顯示轉動的角度值.最小分辨率為20″.實驗前分光計的調整和原來的調整方法一致.

2.4 消除偏心差的調整方案設計

在安裝編碼器時,可能存在編碼器的軸中心和分光計的軸中心存在不重合的情況,那么就會產生偏心差.如圖3所示,如果二者同軸,望遠鏡從 A端轉到B端,轉過的角度剛好是180°;如果編碼器的軸心O′在分光計的軸心O的下方,當望遠鏡從 A轉到B時,轉角∠AOB＜180°;而此時編碼器相對轉角∠AO′B=180°,故造成角位移顯示器顯示的角度大于望遠鏡的實際轉角;同理,如果編碼器的軸心O′在分光計的軸心O的上方,當編碼器相對轉角∠AO′B=180°時,望遠鏡的實際轉角∠AOB＞180°.機械讀數盤的偏心差是利用雙游標讀數來解決的,而本研究中,采用精確安裝編碼器來直接消除偏心差.

圖3 偏心差分析

在調好的分光計的載物臺上放置一雙面反射鏡,并固定載物臺,將望遠鏡轉至與反射鏡一側鏡面正對垂直位置,觀察到“+”圖像,并將其調到分劃板的中心位置,將角位移數字顯示器的讀數清零.然后將望遠鏡轉到雙面反射鏡的另一側,觀察“+”圖像,并也同樣將其調到望遠鏡的分劃板的中心位置,此時,如果編碼器的讀數為180°,則編碼器的中心軸O′和分光計的中心軸O重合;如果編碼器的讀數大于或小于180°,就可以通過圖3原理來判斷編碼器中心偏離的情況,從而調整角度傳感器相應的安裝微調螺釘,經反復多次校準,偏心差可以調整到±20″以內.

3 實驗結果分析

3.1 用裝有光電編碼器的分光計測三棱鏡最小偏向角

實驗步驟:

1)分光計的調節與原來的分光計實驗相同;

2)儀器調節完成后,將三棱鏡放在載物臺上,找最小偏向角(方法與原來的分光計實驗相同);

3)找到最小偏向角對應的三棱鏡的位置,轉動望遠鏡,使得此時的折射光匯聚的像與分劃板的中心線對齊,打開角位移顯示器的電源,并將此時的讀數清零;

4)移開三棱鏡,轉動望遠鏡,對準準直管,使得平行光匯聚的像與分劃板的中心線對齊,此時角位移顯示器讀數即為最小偏向角的值.

5)重復第3)步和第4)步多次,即可完成最小偏向角的多次測量;

表1 用數字分光計測最小偏向角

3.2 用傳統的分光計測三棱鏡最小偏向角

測得數據如表2.

表2 用傳統分光計測最小偏向角

通過對以上2種方法測得的數據分析,可以得出用光電編碼器作為角度傳感器的分光計測量的數據比傳統的分光計測量的數據的A類不確定度更小,表明改造后的分光計測得的數據的可靠性更高.

4 結 論

在分光計中采用高精度的光電編碼器代替原來的機械讀數盤來獲得望遠鏡轉動的角度,這一方案實現了分光計的數字化.而且在精度方面,從測三棱鏡玻璃最小偏向角的實驗數據可以看出改造后的分光計精度更高,數據重復性更好,角度測量的最小分辨率為20″.在使用方面,改造后的分光計的調節部分與原來的相同,可以直接讀出望遠鏡轉動的角度,比原來的分光計更方便、快捷.故使用改造后的數字分光計可以使課堂中實驗內容更飽滿.

[1] 熊永紅,張昆實,任忠明,等.大學物理實驗[M].北京:科學出版社,2007:6-33,56-64.

[2] 陳紅,張偉森,王德軍,等.分光計實驗研究[J].長春大學學報,2006,16(4):23-25.

[3] 姜義.光電編碼器的原理與應用[J].技術與應用,2010(2):16-20.

[4] 趙志巍,陳赟.一種基于金屬碼盤的新型絕對式光電軸角編碼器[J].傳感技術學報,2010,23(5):656-659.

[5] 陳劍波,王姝,萬振茂,等.角度傳感器在分光計實驗中的應用[J].物理實驗,2008,28(5):5-8.