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光電編碼器應(yīng)用原理及行業(yè)定義

光電編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式位置傳感器，在現(xiàn)代伺服系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于角位移或角速率的測量，它的轉(zhuǎn)軸通常與被測旋轉(zhuǎn)軸連接，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。它能將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼或一串脈沖。

光電編碼器分為絕對式和增量式兩種類型。增量式光電編碼器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價(jià)格低、精度高、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用更為廣泛。在高分辨率和大量程角速率／位移測量系統(tǒng)中，增量式光電編碼器更具優(yōu)越性。絕對式編碼器能直接給出對應(yīng)于每個(gè)轉(zhuǎn)角的數(shù)字信息，便于計(jì)算機(jī)處理，但當(dāng)進(jìn)給數(shù)大于一轉(zhuǎn)時(shí)，須作特別處理，而且必須用減速齒輪將兩個(gè)以上的編碼器連接起來，組成多級檢測裝置，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。

1增量式編碼器

1.1增量式光電編碼器的結(jié)構(gòu)

增量式編碼器是指隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的碼盤給出一系列脈沖，然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向用計(jì)數(shù)器對這些脈沖進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，以此來表示轉(zhuǎn)過的角位移量。增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1增量式光電碼盤結(jié)構(gòu)示意圖

光電碼盤與轉(zhuǎn)軸連在一起。碼盤可用玻璃材料制成，表面鍍上一層不透光的金屬鉻，然后在邊緣制成向心的透光狹縫。透光狹縫在碼盤圓周上等分，數(shù)量從幾百條到幾千條不等。這樣，整個(gè)碼盤圓周上就被等分成n個(gè)透光的槽。增量式光電碼盤也可用不銹鋼薄板制成，然后在圓周邊緣切割出均勻分布的透光槽。

1.2增量式編碼器的工作原理

增量式編碼器的工作原理如圖2所示。它由主碼盤、鑒向盤、光學(xué)系統(tǒng)和光電變換器組成。在圖形的主碼盤（光電盤）周邊上刻有節(jié)距相等的輻射狀窄縫，形成均勻分布的透明區(qū)和不透明區(qū)。鑒向盤與主碼盤平行，并刻有a、b兩組透明檢測窄縫，它們彼此錯(cuò)開1/4節(jié)距，以使A、B兩個(gè)光電變換器的輸出信號在相位上相差90°。工作時(shí)，鑒向盤靜止不動(dòng)，主碼盤與轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，光源發(fā)出的光投射到主碼盤與鑒向盤上。當(dāng)主碼盤上的不透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時(shí)，光線被全部遮住，光電變換器輸出電壓為最?。划?dāng)主碼盤上的透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時(shí)，光線全部通過，光電變換器輸出電壓為最大。主碼盤每轉(zhuǎn)過一個(gè)刻線周期，光電變換器將輸出一個(gè)近似的正弦波電壓，且光電變換器A、B的輸出電壓相位差為90°。

圖2增量式編碼器工作原理圖3光電編碼器的輸出波形

光電編碼器的光源最常用的是自身有聚光效果的發(fā)光二極管。當(dāng)光電碼盤隨工作軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光線透過光電碼盤和光欄板狹縫，形成忽明忽暗的光信號。光敏元件把此光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，通過信號處理電路后，向數(shù)控系統(tǒng)輸出脈沖信號，也可由數(shù)碼管直接顯示位移量。

光電編碼器的測量準(zhǔn)確度與碼盤圓周上的狹縫條紋數(shù)n有關(guān)，能分辨的角度α為：

α=360°/n（1）分辨率=1/n（2）

例如：碼盤邊緣的透光槽數(shù)為1024個(gè)，則能分辨的最小角度α=360°/1024=0.352°。

為了判斷碼盤旋轉(zhuǎn)的方向，必須在光欄板上設(shè)置兩個(gè)狹縫，其距離是碼盤上的兩個(gè)狹縫距離的（m+1/4）倍，m為正整數(shù)，并設(shè)置了兩組對應(yīng)的光敏元件，如圖1中的A、B光敏元件，有時(shí)也稱為cos、sin元件。當(dāng)檢測對象旋轉(zhuǎn)時(shí)，同軸或關(guān)聯(lián)安裝的光電編碼器便會(huì)輸出A、B兩路相位相差90°的數(shù)字脈沖信號。光電編碼器的輸出波形如圖3所示。為了得到碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對位置，還須設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，如圖1中的"零位標(biāo)志槽"。碼盤每轉(zhuǎn)一圈，零位標(biāo)志槽對應(yīng)的光敏元件產(chǎn)生一個(gè)脈沖，稱為"一轉(zhuǎn)脈沖"，見圖3中的C0脈沖。

圖4給出了編碼器正反轉(zhuǎn)時(shí)A、B信號的波形及其時(shí)序關(guān)系，當(dāng)編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)A信號的相位超前B信號90°，如圖4（a）所示；反轉(zhuǎn)時(shí)則B信號相位超前A信號90°，如圖4（b）所示。A和B輸出的脈沖個(gè)數(shù)與被測角位移變化量成線性關(guān)系，因此，通過對脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)就能計(jì)算出相應(yīng)的角位移。根據(jù)A和B之間的這種關(guān)系正確地解調(diào)出被測機(jī)械的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)角位移/速率，就是所謂的脈沖辨向和計(jì)數(shù)。脈沖的辨向和計(jì)數(shù)既可用軟件實(shí)現(xiàn)也可用硬件實(shí)現(xiàn)。

圖4光電編碼器的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)波形

2.絕對式編碼器

絕對式編碼器是把被測轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測元件。編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。

光電式碼盤是目前應(yīng)用較多的一種，它是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進(jìn)制編碼。圖5所示為四位二進(jìn)制的碼盤，碼盤上各圈圓環(huán)分別代表一位二進(jìn)制的數(shù)字碼道，在同一個(gè)碼道上印制黑白等間隔圖案，形成一套編碼。黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進(jìn)制的"0"和"1"。在一個(gè)四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，每一個(gè)碼道表示二進(jìn)制的一位，里側(cè)是高位，外側(cè)是低位，在360°范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為24=16個(gè)。

工作時(shí)，碼盤的一側(cè)放置電源，另一邊放置光電接受裝置，每個(gè)碼道都對應(yīng)有一個(gè)光電管及放大、整形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接受光信號，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號，經(jīng)放大整形后，成為相應(yīng)數(shù)碼電信號。但由于制造和安裝精度的影響，當(dāng)碼盤回轉(zhuǎn)在兩碼段交替過程中，會(huì)產(chǎn)生讀數(shù)誤差。例如，當(dāng)碼盤順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，由位置"0111"變?yōu)?1000"時(shí)，這四位數(shù)要同時(shí)都變化，可能將數(shù)碼誤讀成16種代碼中的任意一種，如讀成1111、1011、1101、…0001等，產(chǎn)生了無法估計(jì)的很大的數(shù)值誤差，這種誤差稱非單值性誤差。

為了消除非單值性誤差，可采用以下的方法。

2.1循環(huán)碼盤（或稱格雷碼盤）

循環(huán)碼習(xí)慣上又稱格雷碼，它也是一種二進(jìn)制編碼，只有"0"和"1"兩個(gè)數(shù)。圖6所示為四位二進(jìn)制循環(huán)碼。這種編碼的特點(diǎn)是任意相鄰的兩個(gè)代碼間只有一位代碼有變化，即"0"變?yōu)?1"或"1"變?yōu)?0"。因此，在兩數(shù)變換過程中，所產(chǎn)生的讀數(shù)誤差最多不超過"1"，只可能讀成相鄰兩個(gè)數(shù)中的一個(gè)數(shù)。所以，它是消除非單值性誤差的一種有效方法。

2.2帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤

這種碼盤是在四位二進(jìn)制循環(huán)碼盤的最外圈再增加一圈信號位。圖7所示就是帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤。該碼盤最外圈上的信號位的位置正好與狀態(tài)交線錯(cuò)開，只有當(dāng)信號位處的光電元件有信號時(shí)才讀數(shù)，這樣就不會(huì)產(chǎn)生非單值性誤差。