本發(fā)明涉及太陽能跟蹤、角度控制傳感器、角度測量和絕對式編碼器領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在當(dāng)今科技高速發(fā)展的時代，人們對能源的需求從未停止且愈演愈烈，面對主要化學(xué)能源的枯竭，開發(fā)使用新能源是人類走向未來所必須面對的一大主題。太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、核聚變能等一系列新型能源成為科研領(lǐng)域不斷深入研究和開發(fā)利用的重要能源。而太陽能更是地球上許多能源的來源，甚至可稱其為地球的“萬物之源”。因此，如何更好地研究并開發(fā)利用太陽能是人類科研領(lǐng)域的重要課題。目前，人們收集利用太陽能的主要途徑是利用帶有聚焦反光鏡或光伏模塊的收集器進(jìn)行收集太陽光中的光能和熱能。實踐證明，在一天之中，固定不動的太陽能電池板收集到的太陽能要小于它理想的最大值。這是由于太陽能電池板的靜止?fàn)顟B(tài)限制了它們能夠接受太陽光線的區(qū)域。如果可以讓太陽能電池板像向日葵一樣自動跟蹤太陽，那么它可以收集到更多的太陽能源。因此，在收集太陽能過程中，對太陽能進(jìn)行實時的跟蹤定位是解決太陽能收集效率問題的必不可少的前提和保障，而作為太陽能跟蹤系統(tǒng)的核心元件，角度控制傳感器的設(shè)計研究工作必不可少。然而，目前大多數(shù)角度傳感器并不完全符合太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的條件和特點，因此為了給太陽能跟蹤系統(tǒng)提供可靠的太陽方位信息，有必要在了解掌握傳感器測量原理的基礎(chǔ)上，改進(jìn)設(shè)計符合太陽能跟蹤系統(tǒng)特點的傳感器。

實踐證明，太陽能電池板的發(fā)電效率和它與太陽的相對角度有很大關(guān)系：當(dāng)太陽能發(fā)電的電池板被太陽光直射時，即電池板的感光面和太陽光入射線的夾角垂直時，其發(fā)電量最大，發(fā)電效率最高；當(dāng)太陽偏移時，太陽能發(fā)電的電池板和太陽光線的夾角會小于垂直時的夾角，其發(fā)電量就會變小，而且，隨著這個夾角越來越小，發(fā)電量也越來越小。因此，要使太陽能電池板發(fā)電效率提高，其重要途徑之一就是使太陽能電池板盡可能的實時垂直于太陽光入射線，而這種使太陽能電池板與太陽光線實時的保持垂直的太陽能發(fā)電方式，就是太陽能跟蹤發(fā)電。

為了確定太陽能電池板和太陽光線的相對角度關(guān)系，太陽能角度控制傳感器需要每隔一定時間，向跟蹤系統(tǒng)輸入太陽光線的方位角和高度角的數(shù)據(jù)，使跟蹤系統(tǒng)能夠感知到此時的太陽方位，進(jìn)而調(diào)整太陽板方向使其垂直于太陽光線。

隨著工業(yè)現(xiàn)代化、軍工、國防、科研等領(lǐng)域的發(fā)展，除了改進(jìn)絕對式編碼盤的原理結(jié)構(gòu)，以達(dá)到增強(qiáng)碼盤剛度和抗沖擊力的目的，還需要絕對式編碼器向小型化、智能化的方向發(fā)展。要達(dá)到這個目的，可以從兩方面進(jìn)行有效改善，即縮小碼盤與狹縫盤的徑向尺寸，以及改變碼盤上的碼道編排方式。但是，碼盤與狹縫盤的尺寸縮小后，會影響碼道區(qū)域的有效寬度。若要保證同等分辨率的情況下，碼道數(shù)量不變，只能減小碼道的寬度，這樣對減小編碼器尺寸的貢獻(xiàn)很小且容易增大誤差。而若要保證碼道寬度不變，又只能減少碼道數(shù)量，造成編碼器分辨率降低。

編碼盤是一種得到廣泛應(yīng)用的編碼式數(shù)字傳感器，它把被測轉(zhuǎn)角直接轉(zhuǎn)換成響應(yīng)代碼的檢測文件。它將被測角位移轉(zhuǎn)換為某種形式的數(shù)碼信號輸出，又被稱為絕對式編碼盤或碼盤式編碼器。它通常采用二進(jìn)制碼編碼方式將角度信息以代碼的形式刻制而成，是由按一定規(guī)律排列的刻線組成，每對應(yīng)一個位置有唯一的二進(jìn)制或其它進(jìn)制編碼，因此在不同的位置，可輸出不同的數(shù)字代碼，經(jīng)處理后輸出的角位置代碼是轉(zhuǎn)角的單值函數(shù)。它也可以說是一種機(jī)械式A/D編碼器，不同位置的角位移狀態(tài)與編碼盤輸出的數(shù)字編碼一一對應(yīng)。它是將整個圓周分成若干個扇形區(qū)間，每個區(qū)間可由不同位數(shù)的碼道，即把若干位排列在同一碼道上，然后用若干個讀數(shù)頭讀取矩陣編排的電信號，經(jīng)矩陣一碼處理成二進(jìn)制循環(huán)周期碼。絕對式編碼盤具有固定零點、抗干擾能力強(qiáng)、掉電后再啟動無須重新對零、無累積誤差等優(yōu)點。缺點是制造工藝和裝調(diào)復(fù)雜，由于位數(shù)對應(yīng)于其圈數(shù)，因此位數(shù)越高，尺寸越大，不易實現(xiàn)小型化。絕對式編碼盤有光電式、接觸式、電磁式和電容式四種。

目前使用最多、性價比最好的編碼盤是光電式編碼盤，其中所用到的光電傳感器是一種非接觸式小型電子測量設(shè)備，依靠檢測出其接收的光強(qiáng)的變化，來達(dá)到測量的目的。由于其具有非接觸、精度高、可靠性好、性能穩(wěn)定、體積小和使用方便等優(yōu)點，在自動測量和自動控制技術(shù)中也得到了廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的光電絕對式編碼盤是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤上延徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏元件。當(dāng)碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號，形成二進(jìn)制數(shù)。絕對式編碼盤是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。絕對式編碼盤的圓盤上有透光和不透光的線條圖形，絕對編碼盤可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。編碼的設(shè)計可以采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有n位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有n條碼道。

光電編碼盤是絕對光電式編碼器的核心元件，由刻畫一定圖案的碼盤和與之相配合的狹縫盤組成，碼盤上的圖案稱為碼道。它是在玻璃或金屬表面的圓環(huán)區(qū)域上可由若干圈均勻分布的透光或不透光相間的柵形緣分度元件。傳統(tǒng)的絕對式編碼器碼盤編碼方式采用自然二進(jìn)制碼方式，n位編碼器碼盤具有n條碼道，需要位數(shù)越高，徑向尺寸越大，抗沖擊性能越差。然而，由于這種結(jié)構(gòu)有多條碼道及過多過密的透光狹縫，這種在金屬盤上進(jìn)行鏤空制作編碼區(qū)的方法，會導(dǎo)致金屬碼盤剛度不足而變形，從而導(dǎo)致較大的誤差甚至誤碼，所以傳統(tǒng)的光電編碼器并不具有很好的抗沖擊性的機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此，目前現(xiàn)有的金屬盤編碼器都局限為增量式編碼盤，極大地限制了其應(yīng)用場合。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決傳統(tǒng)的光電編碼器的金屬盤上鏤空制作的編碼區(qū)，會導(dǎo)致金屬碼盤剛度不足而變形，從而導(dǎo)致較大的誤差甚至誤碼的問題，且鏤空結(jié)構(gòu)導(dǎo)致金屬碼盤的抗沖擊能力差的問題，本發(fā)明提供了一種絕對式高度角光電編碼器。

一種絕對式高度角光電編碼器，包括處理電路、發(fā)光管、光電二極管、主軸和絕對編碼盤，絕對編碼盤包括狹縫盤和金屬碼盤，且狹縫盤和金屬碼盤大小相同，金屬碼盤的有碼字區(qū)域為凹陷或涂黑的形式，

狹縫盤和金屬碼盤平行安裝在主軸上，狹縫盤和金屬碼盤間存在軸向工作間隙，金屬碼盤跟隨主軸轉(zhuǎn)動，狹縫盤保持靜止?fàn)顟B(tài)，

處理電路用于給發(fā)光管提供電能，發(fā)光管發(fā)出的光穿過狹縫盤上的狹縫入射至金屬碼盤的碼道上，經(jīng)金屬碼盤碼道上的無碼字區(qū)域反射后，反向穿過狹縫盤上的狹縫入射至光電二極管，光電二極管對接收的光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，處理電路對接收的電信號進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)化，并譯碼為角度信號；

優(yōu)選的，所述的絕對編碼盤，用于測量高度角。

所述的狹縫盤為高度角狹縫盤，金屬碼盤為高度角碼盤；

高度角碼盤上，由內(nèi)至外依次設(shè)有三圈碼道，依次為第一圈金屬碼道、第二圈金屬碼道和第三圈金屬碼道，以地理水平方向為0°，角度θ順時針方向逐漸增大至90°，

第一圈金屬碼道：

在0°≤θ＜33.75°和78.75°＜θ≤90°區(qū)域內(nèi)，全部為無碼字區(qū)域；

在33.75°≤θ≤78.75°區(qū)域內(nèi)，全部為有碼字區(qū)域；

第二圈金屬碼道：

在0°＜θ＜22.5°區(qū)域內(nèi)，包括8個矩形碼位，且8個矩形碼位在其所在區(qū)域內(nèi)均勻分布，沿順時針方向分別定義為第1個至8個矩形碼位，且相鄰的兩個矩形碼位間存在間隙，第5和第8個矩形碼位為有碼字區(qū)域，所有的間隙和第1、2、3、4、6和7個矩形碼位為無碼字區(qū)域；

在22.5°＜θ＜45°區(qū)域內(nèi)，包括8個矩形碼位，且8個矩形碼位在其所在區(qū)域內(nèi)均勻分布，沿順時針方向分別定義為第1個至8個矩形碼位，且相鄰的兩個矩形碼位間存在間隙，第1、3、5、6、7和第8個矩形碼位均為有碼字區(qū)域，所有的間隙和第2和第4個矩形碼位為無碼字區(qū)域；

在45°＜θ＜67.5°區(qū)域內(nèi)，包括8個矩形碼位，且8個矩形碼位在其所在區(qū)域內(nèi)均勻分布，沿順時針方向分別定義為第1個至8個矩形碼位，且相鄰的兩個矩形碼位間存在間隙，第5和第8個矩形碼位為有碼字區(qū)域，所有的間隙和第1、2、3、4、6和7個矩形碼位為無碼字區(qū)域；

在67.5°＜θ＜90°區(qū)域內(nèi)，包括8個矩形碼位，且8個矩形碼位在其所在區(qū)域內(nèi)均勻分布，沿順時針方向分別定義為第1個至8個矩形碼位，且相鄰的兩個矩形碼位間存在間隙，第1、3、5、6、7和第8個矩形碼位均為有碼字區(qū)域，所有的間隙和第2和第4個矩形碼位為無碼字區(qū)域；

第三圈金屬碼道：

在0°＜θ＜22.5°區(qū)域內(nèi)，包括16個矩形碼位，且16個矩形碼位沿順時針方向均勻分布，分別定義為第1個至16個矩形碼位，相鄰的兩個矩形碼位間存在間隙，且相鄰的兩個矩形碼位間的間隙寬度與矩形碼位的寬度相同，16個矩形碼位均為有碼字區(qū)域，所有的間隙均為無碼字區(qū)域；

在22.5°＜θ＜45°區(qū)域內(nèi)，包括8個矩形碼位，且8個矩形碼位沿順時針方向均勻分布，分別定義為第1個至8個矩形碼位，相鄰的兩個矩形碼位間存在間隙，且相鄰的兩個矩形碼位間的間隙寬度與矩形碼位的寬度相同，8個矩形碼位均為有碼字區(qū)域，所有的間隙均為無碼字區(qū)域；

45°＜θ＜67.5°區(qū)域內(nèi)，包括4個矩形碼位，且4個矩形碼位沿順時針方向均勻分布，分別定義為第1個至4個矩形碼位，相鄰的兩個矩形碼位間存在間隙，且相鄰的兩個矩形碼位間的間隙寬度與矩形碼位的寬度相同，4個矩形碼位均為有碼字區(qū)域，所有的間隙均為無碼字區(qū)域；

67.5°＜θ＜90°區(qū)域；包括2個矩形碼位，且2個矩形碼位沿順時針方向均勻分布，分別定義為第1和第2個矩形碼位，第1和第2個矩形碼位間存在間隙，且該間隙寬度與矩形碼位的寬度相同，2個矩形碼位均為有碼字區(qū)域，所有的間隙均為無碼字區(qū)域；

區(qū)域0°＜θ＜22.5°、22.5°＜θ＜45°、45°＜θ＜67.5°和67.5°＜θ＜90°內(nèi)的有碼字區(qū)域的寬度比為8:4:2:1，

高度角狹縫盤內(nèi)至外依次設(shè)有三圈碼道，依次為第一圈狹縫碼道、第二圈狹縫碼道和第三圈狹縫碼道，并以地理水平方向為0°，角度順時針方向逐漸增大至90°，

第一圈狹縫碼道上設(shè)有2個狹縫，分別為狹縫d₁和狹縫d₂，狹縫d₁位于0°所在的碼道半徑上，狹縫d₂位于22.5°所在的碼道半徑上；

第二圈狹縫碼道設(shè)有4個狹縫，分別為狹縫e₁、狹縫e₂、狹縫e₃和狹縫e₄，狹縫e₁位于1.4°所在的碼道半徑上，狹縫e₂位于4.2°所在的碼道半徑上，狹縫e₃位于7.0°所在的碼道半徑上，狹縫e₄位于9.8°所在的碼道半徑上；

第三圈狹縫碼道設(shè)有4個狹縫，分別為狹縫f₁、狹縫f₂、狹縫f₃和狹縫f₄，狹縫f₁位于0°所在的碼道半徑上，狹縫f₂位于22.5°所在的碼道半徑上，狹縫f₃位于45°所在的碼道半徑上，狹縫f₄位于67.5°所在的碼道半徑上，

金屬碼盤上的三圈碼道與狹縫盤上的三圈碼道相對設(shè)置。

優(yōu)選的，所述的在第二圈金屬碼道和第三圈金屬碼道之間的0°位置設(shè)有一個校驗碼位，該校驗碼位為有碼字區(qū)域，該校驗碼位用作金屬碼盤初始位置的檢驗和校正。

優(yōu)選的，所述的校驗碼位的寬度為1°。

優(yōu)選的，所述的第二圈狹縫碼道和第三圈狹縫碼道之間的0°位置設(shè)有狹縫d₀，狹縫d₀的寬度小于1°，狹縫d₀用作狹縫盤初始位置的檢驗和校正。

優(yōu)選的，所述的狹縫d₀的寬度小于1°，且大于第三圈狹縫碼道上狹縫的寬度。

優(yōu)選的，所述的狹縫d₁和狹縫d₂的寬度相同，狹縫e₁、狹縫e₂、狹縫e₃和狹縫e₄的寬度相同，狹縫f₁、狹縫f₂、狹縫f₃和狹縫f₄的寬度相同。

優(yōu)選的，所述的第二圈金屬碼道上所有的矩形碼位的寬度相同，且矩形碼位的寬度大于矩形碼位間隙的寬度。

優(yōu)選的，所述的第二圈金屬碼道上矩形碼位的寬度大于第二圈狹縫碼道上狹縫的寬度，第三圈金屬碼道上矩形碼位的最小寬度大于第三圈狹縫碼道上狹縫的寬度。

優(yōu)選的，所述的第一圈狹縫碼道、第二圈狹縫碼道和第三圈狹縫碼道上狹縫的寬度依次減小。

金屬碼盤設(shè)計思想：由于太陽高度角的角度范圍為90°，因此高度角編碼器的編碼盤僅在0°～90°的部分內(nèi)進(jìn)行設(shè)計即可，在這部分中黑色區(qū)域代表不能將光線反射回光電二極管的有碼字區(qū)域，對應(yīng)光電二極管讀到的信號為“1”，其它區(qū)域是可以將光線反射回光電二極管的無碼字區(qū)域，對應(yīng)光電二極管讀到的信號為“0”。為確定高度角的具體數(shù)值，我們設(shè)定碼盤以地理水平方向為0°，角度順時針漸增大。在金屬碼盤上刻劃著三圈碼道，由內(nèi)圈向外圈分別為第一圈、第二圈和第三圈碼道。在第二圈碼道和第三圈碼道之間的0°方向上，有一段寬度為1°的有碼字區(qū)域，用作編碼盤初始位置的檢驗和校正。在三圈碼道的共同作用下，可以使高度角編碼器讀出達(dá)到精度要求的角度碼字結(jié)果。

原理分析：本發(fā)明絕對編碼盤包括金屬碼盤和狹縫盤。兩者之間相互平行并保持一定的縫隙，將碼盤安裝在主軸上，使其隨編碼器主軸轉(zhuǎn)動，將狹縫盤安裝在主體上，使其相對編碼器主軸固定不動，碼盤與狹縫盤之間相對轉(zhuǎn)動的角度，代表太陽能高度角，輸出代碼記錄著碼盤主軸轉(zhuǎn)動的角位移位置。

金屬碼盤的有碼字區(qū)域為凹陷或涂黑的形式，且有碼字區(qū)域為非反射區(qū)，無碼字區(qū)域為反射區(qū)，當(dāng)金屬碼盤的三圈碼道分別與狹縫盤的三圈狹縫相匹配時，隨著金屬碼盤轉(zhuǎn)動，三圈狹縫盤在遇到碼盤上相對應(yīng)的碼道的非反射區(qū)段時，呈現(xiàn)高電平狀態(tài)，則有信號輸出；遇到反射區(qū)段時，呈現(xiàn)低電平狀態(tài)，沒有信號輸出。利用光電二極管接收信號，將其分布在狹縫盤每圈狹縫下對應(yīng)的位置，然后將所有的光電二極管集成一個讀數(shù)頭，并把信號傳輸至數(shù)字信號處理模塊。

本發(fā)明所述的絕對式高度角光電編碼器高度角傳感器，可以通過10個光電二極管集成的一個讀數(shù)頭將測量的碼字結(jié)果組合在一起，傳輸給處理電路；處理電路接收到高度角碼組后，按照譯碼規(guī)則將其轉(zhuǎn)為可讀的數(shù)字角度信號。

傳統(tǒng)的鏤空透光絕對式編碼器，具體參見圖1，本發(fā)明將傳統(tǒng)的鏤空透光絕對式編碼盤設(shè)計改為光反射式的絕對編碼盤，改進(jìn)的編碼盤結(jié)構(gòu)原理如圖3和圖4所示。

改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)仍然由主軸、金屬碼盤、狹縫盤、光電發(fā)光管、光電二極管及處理電路組成，金屬碼盤和狹縫盤安裝在主軸上，狹縫盤固定不動，金屬碼盤隨主軸一同轉(zhuǎn)動。

本發(fā)明帶來的有益效果是，本發(fā)明與傳統(tǒng)光電式編碼器結(jié)構(gòu)不同，本結(jié)構(gòu)主要將原鏤空的碼字部分改為凹陷或涂黑，并對編碼盤重新布局，這樣就可以增加金屬碼盤的剛性強(qiáng)度，同時更重要的是本結(jié)構(gòu)可以簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)、降低制作難度、節(jié)約制作成本。

由于狹縫盤所需鏤空的狹縫不多，不會導(dǎo)致其剛性強(qiáng)度過度降低，所以狹縫盤的設(shè)計也可以與傳統(tǒng)的光電式編碼器的狹縫盤相同。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)的鏤空透光絕對式編碼器，

圖2為本發(fā)明所述的一種絕對式高度角光電編碼器的原理示意圖；

圖3為金屬碼盤上碼道布局的原理示意圖；

圖4為狹縫盤上碼道布局的原理示意圖；

圖5為編碼盤原理示意圖。

圖6為絕對編碼盤的初始位置0°的實驗結(jié)果示意圖；

圖7為絕對編碼盤的初始位置22.5°的實驗結(jié)果示意圖；

圖8為絕對編碼盤的初始位置67.5°的實驗結(jié)果示意圖；

圖9為絕對編碼盤的初始位置11.7°的實驗結(jié)果示意圖；

圖10為絕對編碼盤的初始位置78.9°的實驗結(jié)果示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：參見圖2說明本實施方式，本實施方式所述的一種絕對式高度角光電編碼器，包括處理電路1、發(fā)光管2、光電二極管3、主軸4和絕對編碼盤，其特征在于，絕對編碼盤包括狹縫盤5和金屬碼盤6，且狹縫盤5和金屬碼盤6大小相同，金屬碼盤6的有碼字區(qū)域為凹陷或涂黑的形式，

狹縫盤5和金屬碼盤6平行安裝在主軸4上，狹縫盤5和金屬碼盤6間存在軸向工作間隙，金屬碼盤6跟隨主軸4轉(zhuǎn)動，狹縫盤5保持靜止?fàn)顟B(tài)，

處理電路1用于給發(fā)光管2提供電能，發(fā)光管2發(fā)出的光穿過狹縫盤5上的狹縫入射至金屬碼盤6的碼道上，經(jīng)金屬碼盤6碼道上的無碼字區(qū)域反射后，反向穿過狹縫盤5上的狹縫入射至光電二極管3，光電二極管3對接收的光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，處理電路1對接收的電信號進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)化，并譯碼為角度信號；

所述的絕對編碼盤，用于測量高度角。

本實施方式中，本發(fā)明絕對編碼盤包括金屬碼盤和狹縫盤。兩者之間相互平行并保持一定的縫隙，將碼盤安裝在主軸上，使其隨編碼器主軸轉(zhuǎn)動，將狹縫盤安裝在主體上，使其相對編碼器主軸固定不動，碼盤與狹縫盤之間相對轉(zhuǎn)動的角度，代表太陽能高度角，輸出代碼記錄著碼盤主軸轉(zhuǎn)動的角位移位置。

金屬碼盤6的有碼字區(qū)域為凹陷或涂黑的形式，且有碼字區(qū)域為非反射區(qū)，無碼字區(qū)域為反射區(qū)，當(dāng)金屬碼盤的三圈碼道分別與狹縫盤的三圈狹縫相匹配時，隨著金屬碼盤轉(zhuǎn)動，三圈狹縫盤在遇到碼盤上相對應(yīng)的碼道的非反射區(qū)段時，呈現(xiàn)高電平狀態(tài)，則有信號輸出；遇到反射區(qū)段時，呈現(xiàn)低電平狀態(tài)，沒有信號輸出。利用光電二極管接收信號，將其分布在狹縫盤每圈狹縫下對應(yīng)的位置，然后將所有的光電二極管集成一個讀數(shù)頭，并把信號傳輸至處理電路1。

具體實施方式二：參見圖3和4說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式一所述的一種絕對式高度角光電編碼器的區(qū)別在于，所述的狹縫盤5為高度角狹縫盤，金屬碼盤6為高度角碼盤；

高度角碼盤上，由內(nèi)至外依次設(shè)有三圈碼道，依次為第一圈金屬碼道6-1、第二圈金屬碼道6-2和第三圈金屬碼道6-3，以地理水平方向為0°，角度θ順時針方向逐漸增大至90°，

第一圈金屬碼道6-1：

在0°≤θ＜33.75°和78.75°＜θ≤90°區(qū)域內(nèi)，全部為無碼字區(qū)域；

在33.75°≤θ≤78.75°區(qū)域內(nèi)，全部為有碼字區(qū)域；

第二圈金屬碼道6-2：

在0°＜θ＜22.5°區(qū)域內(nèi)，包括8個矩形碼位，且8個矩形碼位在其所在區(qū)域內(nèi)均勻分布，沿順時針方向分別定義為第1個至8個矩形碼位，且相鄰的兩個矩形碼位間存在間隙，第5和第8個矩形碼位為有碼字區(qū)域，所有的間隙和第1、2、3、4、6和7個矩形碼位為無碼字區(qū)域；

在22.5°＜θ＜45°區(qū)域內(nèi)，包括8個矩形碼位，且8個矩形碼位在其所在區(qū)域內(nèi)均勻分布，沿順時針方向分別定義為第1個至8個矩形碼位，且相鄰的兩個矩形碼位間存在間隙，第1、3、5、6、7和第8個矩形碼位均為有碼字區(qū)域，所有的間隙和第2和第4個矩形碼位為無碼字區(qū)域；

在45°＜θ＜67.5°區(qū)域內(nèi)，包括8個矩形碼位，且8個矩形碼位在其所在區(qū)域內(nèi)均勻分布，沿順時針方向分別定義為第1個至8個矩形碼位，且相鄰的兩個矩形碼位間存在間隙，第5和第8個矩形碼位為有碼字區(qū)域，所有的間隙和第1、2、3、4、6和7個矩形碼位為無碼字區(qū)域；

在67.5°＜θ＜90°區(qū)域內(nèi)，包括8個矩形碼位，且8個矩形碼位在其所在區(qū)域內(nèi)均勻分布，沿順時針方向分別定義為第1個至8個矩形碼位，且相鄰的兩個矩形碼位間存在間隙，第1、3、5、6、7和第8個矩形碼位均為有碼字區(qū)域，所有的間隙和第2和第4個矩形碼位為無碼字區(qū)域；

第三圈金屬碼道6-3：

在0°＜θ＜22.5°區(qū)域內(nèi)，包括16個矩形碼位，且16個矩形碼位沿順時針方向均勻分布，分別定義為第1個至16個矩形碼位，相鄰的兩個矩形碼位間存在間隙，且相鄰的兩個矩形碼位間的間隙寬度與矩形碼位的寬度相同，16個矩形碼位均為有碼字區(qū)域，所有的間隙均為無碼字區(qū)域；

在22.5°＜θ＜45°區(qū)域內(nèi)，包括8個矩形碼位，且8個矩形碼位沿順時針方向均勻分布，分別定義為第1個至8個矩形碼位，相鄰的兩個矩形碼位間存在間隙，且相鄰的兩個矩形碼位間的間隙寬度與矩形碼位的寬度相同，8個矩形碼位均為有碼字區(qū)域，所有的間隙均為無碼字區(qū)域；

45°＜θ＜67.5°區(qū)域內(nèi)，包括4個矩形碼位，且4個矩形碼位沿順時針方向均勻分布，分別定義為第1個至4個矩形碼位，相鄰的兩個矩形碼位間存在間隙，且相鄰的兩個矩形碼位間的間隙寬度與矩形碼位的寬度相同，4個矩形碼位均為有碼字區(qū)域，所有的間隙均為無碼字區(qū)域；

67.5°＜θ＜90°區(qū)域；包括2個矩形碼位，且2個矩形碼位沿順時針方向均勻分布，分別定義為第1和第2個矩形碼位，第1和第2個矩形碼位間存在間隙，且該間隙寬度與矩形碼位的寬度相同，2個矩形碼位均為有碼字區(qū)域，所有的間隙均為無碼字區(qū)域；

區(qū)域0°＜θ＜22.5°、22.5°＜θ＜45°、45°＜θ＜67.5°和67.5°＜θ＜90°內(nèi)的有碼字區(qū)域的寬度比為8:4:2:1，

高度角狹縫盤內(nèi)至外依次設(shè)有三圈碼道，依次為第一圈狹縫碼道5-1、第二圈狹縫碼道5-2和第三圈狹縫碼道5-3，并以地理水平方向為0°，角度順時針方向逐漸增大至90°，

第一圈狹縫碼道5-1上設(shè)有2個狹縫，分別為狹縫d₁和狹縫d₂，狹縫d₁位于0°所在的碼道半徑上，狹縫d₂位于22.5°所在的碼道半徑上；

第二圈狹縫碼道5-2設(shè)有4個狹縫，分別為狹縫e₁、狹縫e₂、狹縫e₃和狹縫e₄，狹縫e₁位于1.4°所在的碼道半徑上，狹縫e₂位于4.2°所在的碼道半徑上，狹縫e₃位于7.0°所在的碼道半徑上，狹縫e₄位于9.8°所在的碼道半徑上；

第三圈狹縫碼道5-3設(shè)有4個狹縫，分別為狹縫f₁、狹縫f₂、狹縫f₃和狹縫f₄，狹縫f₁位于0°所在的碼道半徑上，狹縫f₂位于22.5°所在的碼道半徑上，狹縫f₃位于45°所在的碼道半徑上，狹縫f₄位于67.5°所在的碼道半徑上，

金屬碼盤6上的三圈碼道與狹縫盤5上的三圈碼道相對設(shè)置。

本實施方式，圖3中黑色區(qū)域代表不能將光線反射回光電二極管的有碼字區(qū)域，對應(yīng)光電二極管讀到的信號為“1”，其它白色區(qū)域是可以將光線反射回光電二極管的無碼字區(qū)域，對應(yīng)光電二極管讀到的信號為“0”，為確定高度角的具體數(shù)值，我們設(shè)定碼盤以地理水平方向為0°，角度順時針逐漸增大。在碼盤上刻劃著三圈碼道，由內(nèi)圈向外圈分別為第一圈、第二圈和第三圈碼道。

綜上所述，匯總得到狹縫盤5和金屬碼盤6工作原理示意圖如圖5所示。將金屬碼盤6上無碼字區(qū)域看作為“0”信號，有碼字區(qū)域看作為“1”信號。則金屬碼盤6的第一圈碼道每轉(zhuǎn)過22.5°，編碼器得到的信號分別是00、01、11、10的兩位格雷碼；金屬碼盤6的第二圈碼道轉(zhuǎn)過2.8125°得到的信號分別是0000、0001、0010、0100、1001、0011、0110、1101、1010、0101、1011、0111、1111的四位左移移位碼；金屬碼盤6的第三圈碼道將碼盤分為0°～22.5°、22.5°～45°、45°～67.5°、67.5°～90°四個區(qū)域，每個碼道區(qū)域具有不同的測量精度。0°～22.5°碼道區(qū)域的測量精度約為0.7°，22.5°～45°碼道區(qū)域的測量精度約為1.4°，45°～67.5°碼道區(qū)域的測量精度約為2.8°，67.5°～90°碼道區(qū)域可根據(jù)第二圈碼道碼字判斷，測量精度約為2.8°。本發(fā)明太陽能高度角在小角度范圍內(nèi)測量精度較高。

具體實施方式三：參見圖3和4說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式二所述的一種絕對式高度角光電編碼器的區(qū)別在于，所述的在第二圈金屬碼道6-2和第三圈金屬碼道6-3之間的0°位置設(shè)有一個校驗碼位，該校驗碼位為有碼字區(qū)域，該校驗碼位用作金屬碼盤6初始位置的檢驗和校正。

本實施方式，所述的在第二圈金屬碼道6-2和第三圈金屬碼道6-3之間的0°位置設(shè)有一個校驗碼位，該校驗碼位為有碼字區(qū)域，該校驗碼位用作金屬碼盤6初始位置的檢驗和校正，在三圈碼道的共同作用下，可以使高度角編碼器讀出達(dá)到精度要求的角度碼字結(jié)果。

具體實施方式四：參見圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式三所述的一種絕對式高度角光電編碼器的區(qū)別在于，所述的校驗碼位的寬度為1°。

本實施方式，所述的校驗碼位的寬度為1°，保證校驗碼位的寬度小于精度寬度，使高度角編碼器在精度要求內(nèi)對初始位置進(jìn)行檢驗和校正。

具體實施方式五：參見圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式二所述的一種絕對式高度角光電編碼器的區(qū)別在于，所述的第二圈狹縫碼道5-2和第三圈狹縫碼道5-3之間的0°位置設(shè)有狹縫d₀，狹縫d₀的寬度小于1°，狹縫d₀用作狹縫盤5初始位置的檢驗和校正。

本實施方式，在第二圈狹縫碼道5-2和第三圈狹縫碼道5-3中間的0°位置有一條寬度為大于0°且小于1°的狹縫d₀，用作狹縫盤5初始位置的檢驗和校正。在三圈狹縫的共同作用下，可以使發(fā)光管發(fā)出的光通過狹縫盤，按照狹縫陣列的排布照射在碼盤上，最后反射光再次通過狹縫盤將信號傳遞給光電二極管，使編碼器讀出達(dá)到精度要求的角度碼字結(jié)果。

具體實施方式六：參見圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式五所述的一種絕對式高度角光電編碼器的區(qū)別在于，所述的狹縫d₀的寬度小于1°，且大于第三圈狹縫碼道5-3上狹縫的寬度。

本實施方式，所述的狹縫d₀的寬度小于1°，且大于第三圈狹縫碼道5-3上狹縫的寬度，使高度角編碼器能夠準(zhǔn)確無誤地讀到校驗碼信息，使其對初始位置進(jìn)行正確的檢驗和校正。

具體實施方式七：參見圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式二所述的一種絕對式高度角光電編碼器的區(qū)別在于，所述的狹縫d₁和狹縫d₂的寬度相同，狹縫e₁、狹縫e₂、狹縫e₃和狹縫e₄的寬度相同，狹縫f₁、狹縫f₂、狹縫f₃和狹縫f₄的寬度相同。

具體實施方式八：參見圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式二所述的一種絕對式高度角光電編碼器的區(qū)別在于，所述的第二圈金屬碼道6-2上所有的矩形碼位的寬度相同，且矩形碼位的寬度大于矩形碼位間隙的寬度。

具體實施方式九：本實施方式與具體實施方式二、七或八所述的一種絕對式高度角光電編碼器的區(qū)別在于，所述的第二圈金屬碼道6-2上矩形碼位的寬度大于第二圈狹縫碼道5-2上狹縫的寬度，第三圈金屬碼道6-3上矩形碼位的最小寬度大于第三圈狹縫碼道5-3上狹縫的寬度。

具體實施方式十：本實施方式與具體實施方式二、七或八所述的一種絕對式高度角光電編碼器的區(qū)別在于，所述的第一圈狹縫碼道5-1、第二圈狹縫碼道5-2和第三圈狹縫碼道5-3上狹縫的寬度依次減小。

驗證試驗：

本發(fā)明編碼器分別進(jìn)行初始位置0°、兩個特殊位置22.5°、67.5°以及兩個一般位置11.7°、78.9°共五次仿真實驗。

初始位置0°的實驗結(jié)果如圖6所示，由圖可以清晰地看出狹縫d₀讀數(shù)為1，其它狹縫均為0，即處理電路1得到的I₂信號為0000000000，因此，可以直接判斷其角度值θ為0°。

特殊位置22.5°的實驗結(jié)果如圖7所示，由圖可知，初始位置檢驗狹縫d₀為0，其它狹縫有碼字信號，故編碼器處于角度測量狀態(tài)，處理電路1接收到的I₂信號為0110100000，根據(jù)譯碼原理，故推導(dǎo)出測量角度區(qū)間為[22.5°,23.2°)，取區(qū)間兩端的平均值得測量結(jié)果θ為22.9°，測量結(jié)果在要求精度范圍內(nèi)。

特殊位置67.5°的實驗結(jié)果如圖8所示，由圖可知，初始位置檢驗狹縫d₀為0，其它狹縫有碼字信號，故編碼器處于角度測量狀態(tài)，處理電路1接收到的I₂信號為1010100000，根據(jù)譯碼原理，故推導(dǎo)出測量角度區(qū)間為[67.5°,68.2°)，取區(qū)間兩端的平均值得測量結(jié)果θ為67.9°，測量結(jié)果在要求精度范圍內(nèi)。

一般位置11.7°的實驗結(jié)果如圖9所示，由圖可知，初始位置檢驗狹縫d₀為0，其它狹縫有碼字信號，故編碼器處于角度測量狀態(tài)，處理電路1接收到的I₂信號為0110011100，根據(jù)譯碼原理推導(dǎo)可知，故推導(dǎo)出測量角度區(qū)間為[12.0°,12.7°)，取區(qū)間兩端的平均值得測量結(jié)果θ為12.4°，測量結(jié)果在要求精度范圍內(nèi)。

一般位置78.9°的實驗結(jié)果如圖5-10所示，由圖可知，初始位置檢驗狹縫d₀為0，其它狹縫有碼字信號，故編碼器處于角度測量狀態(tài)，處理電路1接收到的I₂信號為0011110000，根據(jù)譯碼原理，故推導(dǎo)出測量角度區(qū)間為[78.75°,79.5°)，取區(qū)間兩端的平均值得測量結(jié)果θ為79.1°，測量結(jié)果在要求精度范圍內(nèi)。

上述五次實驗均達(dá)到要求精度，且沒有出現(xiàn)粗大誤差，因此可以認(rèn)為本發(fā)明高度角角度編碼器符合設(shè)計要求。

上述五次實驗均達(dá)到要求精度，且沒有出現(xiàn)粗大誤差，因此可以認(rèn)為本發(fā)明所述的一種絕對式高度角光電編碼器及其絕對編碼盤符合設(shè)計要求。

本發(fā)明所述一種絕對式高度角光電編碼器的結(jié)構(gòu)不局限于上述各實施方式所記載的具體結(jié)構(gòu)，還可以是上述各實施方式所記載的技術(shù)特征的合理組合。