光電池在光柵位移檢測中的應用

摘 要：光電池是一種根據(jù)光生伏特效應制成的直接把光能轉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度成線性關系的特性，討論了光電池在貼片機運動控制系統(tǒng)光柵位移檢測中的應用，從而實現(xiàn)高精度的加工控制和定位。

關鍵詞：光電池 光柵 脈沖計數(shù) 分辨率

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

在貼片機伺服控制系統(tǒng)中，常用長光柵來測量直線位移，實現(xiàn)閉環(huán)控制，保證定位精度。光柵尺制造過程中，可運用激光測長技術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)成陣列結構，形成光電池組，通過位移—— 脈沖細分轉換電路，提高光柵檢測裝置讀數(shù)分辨率，從而實現(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

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

當光照射到PN結上時，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結附近激發(fā)出大量的光生電子—空穴對。在PN結內電場作用下，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)聚積負電荷，帶負電，為光電池的負極，即在P區(qū)和N區(qū)間形成一定伏特數(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)。普通二極管包括擴散電流（正向電流）、結電阻、結電容及串聯(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 光柵檢測裝置的結構及工作原理

光柵尺是利用光的透射現(xiàn)象制成的光電檢測元件，可將機械位移轉變?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X-Y平面運動控制系統(tǒng)中的應用為例，介紹光柵位移檢測的原理。光柵檢測裝置的結構示意圖如圖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、光電池和驅動電路都安裝在同一支架（即貼片頭支架）上構成光柵讀數(shù)頭，標尺光柵則固定安裝在貼片機機架上，并且指示光柵與標尺光柵尺面應相互平行，保持適當?shù)拈g隙。其工作原理為：當貼片頭移動時，裝載于貼片頭上的指示光柵相對標尺光柵移動，通過光柵讀數(shù)頭的光電轉換，發(fā)送出與位移量相對應的數(shù)字脈沖作為實際位移信息，反饋給運動控制器，形成閉環(huán)控制回路，從而實現(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，希望通過電子細分電路來提高光柵檢測的分辨率。具體實現(xiàn)方式如在圖4所示，在與標尺光柵刻線平行的方向上安裝有四塊光電池，分別標記為P1～P4，它們彼此間隔四分之一個柵距。當指示光柵與標尺光柵相對移動時，四塊光電池接受近似正弦規(guī)律變化的光強，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獲得4個等間隔分布的脈沖信號，需要對方波A和B進行處理。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)邏輯組合電路進行方向判別。當貼片頭帶動指示光柵正向移動時，通過與門G1～G4和或門Y1得到正向運行脈沖（）輸出。同樣，當其反向移動時，通過與門G5～G8和或門Y2得到反向運行脈沖（）輸出。這樣指示光柵與標尺光柵每相對移動一個柵距W，經(jīng)細分轉換裝置便可發(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所示的細分轉換電路，光柵檢測裝置的實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)，并設置好合適的間隔，便可進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尺光柵正反向移動時細分轉換電路的輸出波形。

4 結語

根據(jù)光電池的輸出特性，可將光電池單體在與標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)成陣列結構，形成光電池組，通過位移—— 脈沖細分轉換電路，可提高光柵檢測裝置的讀數(shù)分辨率，從而能夠實現(xiàn)高精度的加工控制及定位。這在數(shù)控機床、貼片機等精度要求很高的伺服系統(tǒng)中有著廣泛的應用價值。

參考文獻

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