光电编码器的应用与特点

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：光电编码器是一种将旋转角度转换为数字量的传感器，是一种直接编码方式的位置检测元件。图2-12 旋转编码器的结构1.光电编码器的分类及应用特点按脉冲与对应位置的关系，光电编码器通常分为增量式光电编码器、绝对式光电编码器两大类。同时，在增量式光电编码器中还备有用作参考零位的标志脉冲或指示脉冲。如果要测量旋转超过360°范围，就要用到多圈绝对值编码器。

光电编码器是一种将旋转角度转换为数字量的传感器，是一种直接编码方式的位置检测元件。旋转编码器的结构如图2-12所示，编码器装在旋转轴上，在发光二极管和光敏二极管之间由旋转码盘隔开，在码盘上刻有缝隙，当码盘转动时，光敏二极管断续地接受发光二极管发出的光，输出方波信号，其输出信息代表了被测轴的旋转角度和速度变化。

光电编码器是机电工程中最常用的角位移/角速度数字式传感器，具有精度高、结构紧凑、工作可靠等优点。

图2-12 旋转编码器的结构

1.光电编码器的分类及应用特点

按脉冲与对应位置的关系，光电编码器通常分为增量式光电编码器、绝对式光电编码器两大类。

（1）增量式编码器增量式编码器由光源、转盘（动光栅）、遮光板（定光栅）和光敏元件组成，增量式编码器信号如图2-13所示。转动圆盘上刻有均匀的透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期。遮光板上刻有与转盘相应的透光缝隙，用来通过或阻挡光源和位于遮光板后面光敏元件之间的光线。遮光板上所刻制的两条缝隙使输出信号的电角度相差90°，即两路输出信号正交。同时，在增量式光电编码器中还备有用作参考零位的标志脉冲或指示脉冲。因此，在转动圆盘和遮光板相同半径的对应位置上刻有一道透光缝隙。标志脉冲通常与数据通道有着特定的关系，用来指示机械位置或对累计量清零。

图2-13 增量式编码器信号

增量式编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应一个增量位移角，但不能通过输出脉冲区别是哪一个增量位移角，即无法区别是在哪个位置上的增量，编码器能产生与轴角位移增量等值的电脉冲。这种编码器的作用是提供一种连续轴角位移量离散化或增量化及角位移化（角速度）的传感方法，不能直接检测出轴的绝对角度。增量型编码器存在零点累计误差，抗干扰较差，接收设备的停机需要断电记忆，开机应找零或参考位等问题，这些问题如选用绝对型编码器可以解决。

在选用增量式编码器时，应注意以下问题：

1）码盘材质的选择。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料。玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，但易碎；金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级；塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

2）安装形式。编码器有实心轴和中空轴两种结构形式。在安装使用时，实心轴经弹性联轴器与被测机械轴相连，适用于轴向窜动较小的场合；中空轴套在被测机械轴（或被减小了直径的机械延长轴）上，适用于轴向窜动较大的场合。

3）输出电路形式。编码器的信号输出有四种常见的形式：电压输出、OC输出、推挽输出和长线驱动输出。前两种输出形式在输出1电平时，处于高阻状态，易受干扰，只能用于近距离信号传输；后两种输出形式在“0”、“1”两个电平时都处于低阻抗状态，其中，推挽输出的输出电平电压高，长线驱动输出是电流输出，这两种输出形式抗干扰能力强，传输距离远，使用较广。

4）信号输出类型。增量式编码器安装于被测电动机或机械的轴上，输出信号一般有两类：A、B、C类和U、V、W类。其中A、B、C类每转一圈有A、B和Z三组脉冲输出，其中A相和B相为一组正交脉冲，相位差为90°，Z为同步脉冲。由于A、B两相相差90°，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过Z相脉冲，可获得编码器的零位参考位；U、V、W类输出为三个互差120°的方波信号。

5）每转脉冲数P_e。P_e越大，可测的最低转速越低，但制造越困难，价格越高。

（2）绝对编码器增量编码器通过对产生方波脉冲进行计数来检测旋转角度和旋转速度，而绝对编码器则通过与位数相对应的发光二极管和光敏二极管对输出的二进制码来检测旋转角度和位置。绝对型编码器码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2⁰～2^n-1的唯一的二进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。绝对编码器如图2-14所示。

图2-14 绝对编码器

绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，它无需记忆，无需寻找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。

绝对式编码器可分为单圈绝对式编码器和多圈绝对式编码器。单圈绝对值编码器，以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360°时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码只能用于旋转范围360°以内的测量，称为单圈绝对值编码器。如果要测量旋转超过360°范围，就要用到多圈绝对值编码器。

多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。

绝对编码器的主要性能参数是分辨率，即可检测的最小角度值。

2.光电编码器的技术指标

（1）分辨率光电编码器的分辨能力是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数，即用脉冲数/转（P/r）表示，并以此定义为编码器的分辨率，也称解析分度或直接称多少线，因此光栅盘上的槽或窗口数目就等于编码器的分辨率，即在转动圆盘上透光和不透光的扇形条数就等于编码器输出的增量周期数。转盘上刻制的缝隙越多，编码器的分辨率就越高。

（2）精度精度与其分辨率是两个不同的概念。精度是一种度量在所选定的分辨范围内，确定任一脉冲相对另一脉冲位置的能力。通常用角度、角分或角秒来表示。编码器的精度与转盘缝隙的加工质量、转盘的机械旋转情况等制造精度因素有关，也与安装技术有关，对使用者来说应该特别加以注意。

（3）输出的稳定性编码器输出的稳定性是指在实际运行条件下保持规定精度的能力。影响编码器输出性能稳定性的主要因素是温度对电子元器件造成的漂移、外界加于编码器的变形力，以及光源特性的变化。由于受到温度和电源变化的影响，编码器的电子电路不能保持规定的输出特性，在设计和使用中都要充分考虑到这一点。

（4）响应频率编码器输出的响应频率取决于光敏元件和电子处理电路的响应速度。每一种编码器在其分辨率确定的条件下，它的最高转速也是一定的，也就是说它的响应频率是受限的。

光电编码器的应用与特点

相关推荐