光電池在光柵位移檢測中的應(yīng)用

摘 要：光電池是一種根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的直接把光能轉(zhuǎn)變成電能的光電器件。本文根據(jù)光電池的光照短路電流與光強(qiáng)度成線性關(guān)系的特性，討論了光電池在貼片機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)光柵位移檢測中的應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)高精度的加工控制和定位。

關(guān)鍵詞：光電池 光柵 脈沖計(jì)數(shù) 分辨率

中圖分類號：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（b）-0132-02

在貼片機(jī)伺服控制系統(tǒng)中，常用長光柵來測量直線位移，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，保證定位精度。光柵尺制造過程中，可運(yùn)用激光測長技術(shù)制造出高精度的光柵尺，從而提高光柵測量的分辨率，但仍未必能夠滿足伺服控制系統(tǒng)所需的控制精度和定位要求。本文基于光電池的輸出特性的研究，提出了一種將光電池單體串聯(lián)或并聯(lián)成陣列結(jié)構(gòu)，形成光電池組，通過位移—— 脈沖細(xì)分轉(zhuǎn)換電路，提高光柵檢測裝置讀數(shù)分辨率，從而實(shí)現(xiàn)高精度的加工控制及定位的方法。

1 光電池的工作原理及其特性

1.1 光電池的工作原理

光照改變半導(dǎo)體PN結(jié)電場，從而引起PN結(jié)電勢的變化效應(yīng)，稱PN結(jié)光電效應(yīng)。光電池的核心部分是一個PN結(jié)，它是一種根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的直接把光能轉(zhuǎn)變成電能的光電器件。（圖1）

當(dāng)光照射到PN結(jié)上時，如果光子能量足夠大（光子能量大于硅的禁帶寬度），就將在PN結(jié)附近激發(fā)出大量的光生電子—空穴對。在PN結(jié)內(nèi)電場作用下，N區(qū)的光生空穴被拉向P區(qū)，P區(qū)的光生電子被拉向N區(qū)；其結(jié)果在P區(qū)聚積正電荷，帶正電，為光電池的正極，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，帶負(fù)電，為光電池的負(fù)極，即在P區(qū)和N區(qū)間形成一定伏特?cái)?shù)的電位差，稱為光生電動勢。

1.2 光電池伏安特性

一個光電池單元可以等效于一個電流源（光生電流）和一個普通二極管的并聯(lián)。普通二極管包括擴(kuò)散電流（正向電流）、結(jié)電阻、結(jié)電容及串聯(lián)電阻。一般，很大且極小，忽略二者的影響，光電池的等效電路可簡化為圖2所示。

2 光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

光柵尺是利用光的透射現(xiàn)象制成的光電檢測元件，可將機(jī)械位移轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖，由于檢測精度比較高，常用作位置檢測反饋元件。本文以增量式光柵尺在動臂式貼片機(jī)X-Y平面運(yùn)動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用為例，介紹光柵位移檢測的原理。光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

光柵檢測裝置大致由六個部分組成，其中光源、透鏡、指示光柵、光電池和驅(qū)動電路都安裝在同一支架（即貼片頭支架）上構(gòu)成光柵讀數(shù)頭，標(biāo)尺光柵則固定安裝在貼片機(jī)機(jī)架上，并且指示光柵與標(biāo)尺光柵尺面應(yīng)相互平行，保持適當(dāng)?shù)拈g隙。其工作原理為：當(dāng)貼片頭移動時，裝載于貼片頭上的指示光柵相對標(biāo)尺光柵移動，通過光柵讀數(shù)頭的光電轉(zhuǎn)換，發(fā)送出與位移量相對應(yīng)的數(shù)字脈沖作為實(shí)際位移信息，反饋給運(yùn)動控制器，形成閉環(huán)控制回路，從而實(shí)現(xiàn)高精度的定位。

3 位移——脈沖變換電路

雖然在光柵尺制造過程中，可利用激光測長等技術(shù)來縮小柵距，制造出高精度的光柵，但仍未必能夠滿足系統(tǒng)的伺服控制要求。因而，希望通過電子細(xì)分電路來提高光柵檢測的分辨率。具體實(shí)現(xiàn)方式如在圖4所示，在與標(biāo)尺光柵刻線平行的方向上安裝有四塊光電池，分別標(biāo)記為P1～P4，它們彼此間隔四分之一個柵距。當(dāng)指示光柵與標(biāo)尺光柵相對移動時，四塊光電池接受近似正弦規(guī)律變化的光強(qiáng)，產(chǎn)生出四路頻率、幅值相同，但相位互差的電壓信號。將這些信號送至光柵讀頭中的細(xì)分變換電路，經(jīng)差動放大后，形成兩路方波信號（A和B）。為了能夠在方波信號的一個周期內(nèi)獲得4個等間隔分布的脈沖信號，需要對方波A和B進(jìn)行處理。首先將方波A和B反相，得到方波C和D，再將這四路方波經(jīng)微分電路處理（在方波的上升沿或下降沿產(chǎn)生脈沖信號），然后再經(jīng)過邏輯組合電路便可得到滿足上述要求的脈沖信號。

為了辨別貼片頭的移動方向（即正向或方向），可將4路方波（A、B、C、D）和4個脈沖（、、、）經(jīng)邏輯組合電路進(jìn)行方向判別。當(dāng)貼片頭帶動指示光柵正向移動時，通過與門G1～G4和或門Y1得到正向運(yùn)行脈沖（）輸出。同樣，當(dāng)其反向移動時，通過與門G5～G8和或門Y2得到反向運(yùn)行脈沖（）輸出。這樣指示光柵與標(biāo)尺光柵每相對移動一個柵距W，經(jīng)細(xì)分轉(zhuǎn)換裝置便可發(fā)出四個脈沖信號，每個脈沖表示貼片頭移動四分之一個柵距位移。這樣，采用如圖5所示的細(xì)分轉(zhuǎn)換電路，光柵檢測裝置的實(shí)際分辨率較柵距的分辨率提高了4倍。依次類推，采用多塊光電池串聯(lián)或并聯(lián)，并設(shè)置好合適的間隔，便可進(jìn)一步提高光柵檢測裝置的讀數(shù)分辨率。圖6為光柵檢測轉(zhuǎn)置的輸出脈沖波形圖，清晰地表示出了貼片頭帶動指示光柵相對于標(biāo)尺光柵正反向移動時細(xì)分轉(zhuǎn)換電路的輸出波形。

4 結(jié)語

根據(jù)光電池的輸出特性，可將光電池單體在與標(biāo)尺光柵刻線平行的方向上間隔合適的柵距，串聯(lián)或并聯(lián)成陣列結(jié)構(gòu)，形成光電池組，通過位移—— 脈沖細(xì)分轉(zhuǎn)換電路，可提高光柵檢測裝置的讀數(shù)分辨率，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的加工控制及定位。這在數(shù)控機(jī)床、貼片機(jī)等精度要求很高的伺服系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

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