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

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構簡單、體積小、價格低、精度高、響應速度快、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，應用更為廣泛。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于每個轉角的數(shù)字信息，便于計算機處理，但當進給數(shù)大于一轉時，須作特別處理，而且必須用減速齒輪將兩個以上的編碼器連接起來，組成多級檢測裝置，使其結構復雜、成本高。

1增量式編碼器

1.1增量式光電編碼器的結構

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

圖1增量式光電碼盤結構示意圖

光電碼盤與轉軸連在一起。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，整個碼盤圓周上就被等分成n個透光的槽。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，它們彼此錯開1/4節(jié)距，以使A、B兩個光電變換器的輸出信號在相位上相差90°。工作時，鑒向盤靜止不動，主碼盤與轉軸一起轉動，光源發(fā)出的光投射到主碼盤與鑒向盤上。當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，光線被全部遮住，光電變換器輸出電壓為最小；當主碼盤上的透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時，光線全部通過，光電變換器輸出電壓為最大。主碼盤每轉過一個刻線周期，光電變換器將輸出一個近似的正弦波電壓，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。當光電碼盤隨工作軸一起轉動時，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確度與碼盤圓周上的狹縫條紋數(shù)n有關，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1 024個，則能分辨的最小角度α=360°/1 024=0.352°。

為了判斷碼盤旋轉的方向，必須在光欄板上設置兩個狹縫，其距離是碼盤上的兩個狹縫距離的（m+1/4）倍，m為正整數(shù)，并設置了兩組對應的光敏元件，如圖1中的A、B光敏元件，有時也稱為cos、sin元件。當檢測對象旋轉時，同軸或關聯(lián)安裝的光電編碼器便會輸出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。為了得到碼盤轉動的絕對位置，還須設置一個基準點，如圖1中的“零位標志槽”。碼盤每轉一圈，零位標志槽對應的光敏元件產(chǎn)生一個脈沖，稱為“一轉脈沖”，見圖3中的C0脈沖。

圖4給出了編碼器正反轉時A、B信號的波形及其時序關系，當編碼器正轉時A信號的相位超前B信號90°，如圖4(a)所示；反轉時則B信號相位超前A信號90°，如圖4(b)所示。A和B輸出的脈沖個數(shù)與被測角位移變化量成線性關系，因此，通過對脈沖個數(shù)計數(shù)就能計算出相應的角位移。根據(jù)A和B之間的這種關系正確地解調(diào)出被測機械的旋轉方向和旋轉角位移/速率，就是所謂的脈沖辨向和計數(shù)。脈沖的辨向和計數(shù)既可用軟件實現(xiàn)也可用硬件實現(xiàn)。

圖4光電編碼器的正轉和反轉波形

2絕對式編碼器

絕對式編碼器是把被測轉角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉換成相應代碼的檢測元件。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制編碼。圖5所示為四位二進制的碼盤，碼盤上各圈圓環(huán)分別代表一位二進制的數(shù)字碼道，在同一個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)分別代表二進制的“0”和“1”。在一個四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，每一個碼道表示二進制的一位，里側是高位，外側是低位，在360°范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為24=16個。

工作時，碼盤的一側放置電源，另一邊放置光電接受裝置，每個碼道都對應有一個光電管及放大、整形電路。碼盤轉到不同位置，光電元件接受光信號，并轉成相應的電信號，經(jīng)放大整形后，成為相應數(shù)碼電信號。但由于制造和安裝精度的影響，當碼盤回轉在兩碼段交替過程中，會產(chǎn)生讀數(shù)誤差。例如，當碼盤順時針方向旋轉，由位置“0111”變?yōu)?ldquo;1000”時，這四位數(shù)要同時都變化，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）

圖5四位二進制的碼盤                       圖6四位二進制循環(huán)碼盤

循環(huán)碼習慣上又稱格雷碼，它也是一種二進制編碼，只有“0”和“1”兩個數(shù)。圖6所示為四位二進制循環(huán)碼。這種編碼的特點是任意相鄰的兩個代碼間只有一位代碼有變化，即“0”變?yōu)?ldquo;1”或“1”變?yōu)?ldquo;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數(shù)中的一個數(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制循環(huán)碼盤

這種碼盤是在四位二進制循環(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)交線錯開，只有當信號位處的光電元件有信號時才讀數(shù)，這樣就不會產(chǎn)生非單值性誤差。

圖7帶判位光電裝置的二進制循環(huán)碼盤