第3章第3.2節(jié)光電編碼

§3.3.2光電編碼器光電編碼器可分為增量式編碼器和絕對式編碼器。一．增量式編碼器增量式編碼器的原理是光柵莫爾條紋。形成莫爾條紋是光柵。

在鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明暗相間、等間距分布的細小條紋（又稱為刻線），這就是光柵，圖13-1為透射光柵的示意圖。圖中a為柵線的寬度（不透光），b為柵線間寬（透光），a+b=W稱為光柵的柵距（也稱光柵常數(shù)）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9。目前常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條線條。圖13–1透射光柵示意圖

2．莫爾條紋把兩塊柵距相等的光柵（光柵1、光柵2）面向?qū)ΟB合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個很小的夾角θ，如圖13-2所示，這樣就可以看到在近于垂直柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋叫莫爾條紋。由圖13-2可見，在d-d線上，兩塊光柵的柵線重合，透光面積最大，形成條紋的亮帶，它是由一系列四棱形圖案構(gòu)成的；在f-f線上，兩塊光柵的柵線錯開，形成條紋的暗帶，它是由一些黑色叉線圖案組成的。因此莫爾條紋的形成是由兩塊光柵的遮光和透光效應(yīng)形成的。圖13-2光柵莫爾條紋的形式莫爾條紋演示莫爾條紋測位移具有以下三個方面的特點。(1)位移的放大作用當光柵每移動一個光柵柵距W時，莫爾條紋也跟著移動一個條紋寬度BH，如果光柵作反向移動，條紋移動方向也相反。莫爾條紋的間距BH與兩光柵線紋夾角θ之間的關(guān)系為（13-1）

θ越小，BH越大，這相當于把柵距W放大了1/θ倍。例如θ=0.1°，則1/θ≈573，即莫爾條紋寬度BH是柵距W的573倍，這相當于把柵距放大了573倍，說明光柵具有位移放大作用，從而提高了測量的靈敏度。（2）莫爾條紋移動方向如光柵1沿著刻線垂直方向向右移動時，莫爾條紋將沿著光柵2的柵線向上移動；反之，當光柵1向左移動時，莫爾條紋沿著光柵2的柵線向下移動。因此根據(jù)莫爾條紋移動方向就可以對光柵1的運動進行辨向。(3)誤差的平均效應(yīng)莫爾條紋由光柵的大量刻線形成，對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。莫爾條紋光學放大作用舉例

有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，主光柵與指示光柵的夾角=1.8，則：分辨力=柵距W=1mm/50=0.02mm=20m（由于柵距很小，因此無法觀察光強的變化）L≈W/θ=0.02mm/（1.8*3.14/180）=0.02mm/0.0314=0.637mm莫爾條紋的寬度是柵距的32倍：由于較大，因此可以用小面積的光電池“觀察”莫爾條紋光強的變化。5．結(jié)構(gòu)1）光源光源一般采用近紅外發(fā)光二極管，此類LED動態(tài)響應(yīng)快，使用壽命長，發(fā)光峰值波長為0.94μ，與所使用的光電信息轉(zhuǎn)換器件峰值波長相近，外形尺寸為直徑2mm，長度5mm，和環(huán)氧樹脂透鏡封裝在一起。2）光柵盤主光柵盤安裝在轉(zhuǎn)動軸上，與被測軸連接作同步轉(zhuǎn)動，指示光柵一般不使用整塊光柵盤，而是使用光柵的一角，但柵距與主光柵相同。5．結(jié)構(gòu)3）光電信息轉(zhuǎn)換器件光電信息轉(zhuǎn)換器件，也叫光電接收器，一般使用光敏二極管或光敏三極管，與LED的峰值波長匹配。實用上一般使用一對光電接收器，放置間距調(diào)整到莫爾條紋間距的四分之一，這樣兩光電接收器輸出的信號相位差正好是900。4）機械結(jié)構(gòu)主安裝光柵盤的轉(zhuǎn)軸通過滾珠軸承與機械外殼連接，外殼由金屬封閉，以防電磁場的干擾，實際應(yīng)用時固定編碼器外殼，轉(zhuǎn)動軸與被測軸連接即可。透射式圓光柵固定信號處理電路框圖如圖3.3.2－2所示。當光柵盤轉(zhuǎn)動時，光電接收器輸出近似的正弦信號，經(jīng)放大后由施密特比較器進行整形。辨向電路如圖3.3.2－3所示。（1）辨向原理采用圖13-3中一個光電元件的光柵讀數(shù)頭，無論主光柵作正向還是反向移動，莫爾條紋都作明暗交替變化，光電元件總是輸出同一規(guī)律變化的電信號，此信號不能辨別運動方向。為了能夠辨向，需要有相位差為π/2的兩個電信號。圖13-5為辨向的工作原理和它的邏輯電路。在相隔BH/4間距的位置上，放置兩個光電元件1和2，得到兩個相位差π/2的電信號u1和u2（圖中波形是消除直流分量后的交流分量），經(jīng)過整形后得兩個方波信號u1′和u2′。1）精確測量角度和角位移；

2）精確測量轉(zhuǎn)速；

3）測量線速度，由測量轉(zhuǎn)速間接求得；

4）測量線性位移，由測量角位移間接求得。7．增量式編碼器的應(yīng)用二．絕對式編碼器光學碼盤也稱為光學編碼器是一種絕對式編碼器。它以二進制代碼運算為基礎(chǔ)，用碼道的透光和不透光兩種狀態(tài)代表二進制代碼的“1”和“0”，它配以一定的電路可實現(xiàn)角位移量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。因此光學碼盤也稱為是軸角數(shù)字編碼器增量式編碼其一般沒有確定的零位，它以相對值的形式反映位移信息；絕對式編碼器具有確定不變的零位，它所反映的位移信息是以零點為起點的絕對值。1．光學碼盤的工作原理圖為光學碼盤的刻線圖案，在光學度盤上刻有許多圈同心的黑白粗光柵，這種同心的粗光柵稱為碼道。碼道分為精碼道（即外層碼道它代表數(shù)位的低位）和粗碼道（即里圈碼道它代表數(shù)位的高位）。

10碼道光電絕對式碼盤絕對式編碼器按照角度直接進行編碼，可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式有接觸式、光電式等形式。透光區(qū)不透光區(qū)零位標志絕對式接觸式編碼器演示4個電刷4位二進制碼盤+5V輸入公共碼道最小分辨角度為α=360°/2n

光學碼盤的工作原理如圖所示。在碼道3的一邊裝有光源1和柱面透鏡2，另一邊配有與每一碼道3相對應(yīng)的光電接收器4如硅光電池或光敏二極管陣列等。光源1發(fā)出的光束經(jīng)柱面透鏡2聚光成狹長的強光束后，通過每一碼道的透光和不透光部分，使光電接收器4輸出透光為“1”而不透光為“0”的二進制代碼輸出信號，實現(xiàn)角度的數(shù)字編碼，通過適當?shù)淖g碼電路和計數(shù)電路，進行軸角的數(shù)字測量與顯示。2．碼盤的編碼方法在通訊技術(shù)中，把各種信息變成便于傳輸?shù)男盘栠^程叫做編碼，而把代表各種信息的信號稱為代碼。二進制代碼的“0”和“1”是光學編碼器的編碼單元。圖為一個由五個碼道組成的二進制碼盤以及其編碼表及展開圖。在圖中黑陰影部分代表不透光的“0”，亮區(qū)代表透光的“1”。二進制碼盤的碼道數(shù)n和碼道編碼容量M之間關(guān)系為：

M＝2n當n=5，M=32，也就是說五碼道碼盤的碼道在一個圓周上被分成32個等分。角度分辨率γ與碼道數(shù)n間的關(guān)系為γ＝360o/M＝360o/2n對應(yīng)于五個碼道，γ＝360o/M＝360o/25＝11.25o。對于21個碼道，γ＝0o68”。碼盤的角度分辨率代表著單位數(shù)字量的角度值，由此可知，光學碼盤的碼道越多，角度分辨率和數(shù)字轉(zhuǎn)換與測量的精度越高。從圖中我們也可以看出，二進制碼在進位或相鄰兩數(shù)變化時，常常是多個位數(shù)上的代碼同時進行轉(zhuǎn)換，如從(01111)2向(10000)2進位時(即相當于從十進制的15到16)，五個碼道同時發(fā)生代碼轉(zhuǎn)換

3．循環(huán)碼及其轉(zhuǎn)換采用二進制編碼器時，任何微小的制作誤差，都可能造成讀數(shù)的粗誤差。這主要是因為二進制碼當某一較高的數(shù)碼改變時，所有比它低的各位數(shù)碼均需同時改變。如果由于刻劃誤差等原因，某一較高位提前或延后改變，就會造成粗誤差。為了消除粗誤差，可用循環(huán)碼代替二進制碼。表13-1給出了四位二進制碼與循環(huán)碼的對照表。從表中看出，循環(huán)碼是一種無權(quán)碼，從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時，僅有一位數(shù)碼發(fā)生變化。如果任一碼道刻劃有誤差，只要誤差不太大，且只可能有一個碼道出現(xiàn)讀數(shù)誤差，產(chǎn)生的誤差最多等于最低位的一個比特。所以只要適當限制各碼道的制造誤差和安裝誤差，都不會產(chǎn)生粗誤差。由于這一原因使得循環(huán)碼碼盤獲得了廣泛的應(yīng)用。圖13-8所示的是一個6位的循環(huán)碼碼盤。對于n位循環(huán)碼碼盤，與二進制碼一樣，具有2n種不同編碼，最小分辨率α=360°/2n。表13-1四位二進制碼與循環(huán)碼對照表圖13-86位循環(huán)碼碼盤

絕對式編碼器由光源、碼盤、光電信息轉(zhuǎn)換器件、電路和機械結(jié)構(gòu)組成。在基體上形成透明和不透明碼區(qū)的循環(huán)碼盤，其制成方法是利用一個精密設(shè)計制造的母碼盤，通過光刻方法復(fù)制生產(chǎn)出使用的碼盤，碼盤的制造精度直接影響編碼器的輸出精度。

絕對式編碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.3.2－8所示。5．絕對式編碼器的結(jié)構(gòu)6．絕對式編碼器的特點

1）能反映被測值（角度，位移等）的絕對值，也能測出變化量的相對值（讀出初始值和終值），不怕掉電。

2）如測量值大于360度，則需要用二個碼盤，由齒輪精確傳動，使大碼盤轉(zhuǎn)一周，小碼盤轉(zhuǎn)一個單位（1位）。這樣，只要讀出大碼盤和小碼盤的值，就可測出較大的角度范圍。

3）抗干擾特強，測量精度高，適合生產(chǎn)第一線使用。

4）碼盤的碼道數(shù)增加，分辨率也增加，精度提高，但尺寸增大，造價昂貴。碼道寬度由光電接收器的幾何參數(shù)和物理特性決定。5．結(jié)構(gòu)角編碼器的應(yīng)用角編碼器除了能直接測量角位移或間接測量直線位移外，可用于數(shù)字測速、工位編碼、伺服電機控制等。.間接測量

在間接測量中，多使用旋轉(zhuǎn)式位置傳感器。測量到的回轉(zhuǎn)運動參數(shù)僅僅是中間值，但可由這中間值再推算出與之關(guān)聯(lián)的移動部件的直線位移間接測量須使用絲杠-螺母、齒輪-齒條等傳動機構(gòu)。工作臺絲杠編碼器進給電機θ

xM法測速（適合于高轉(zhuǎn)速場合）T

編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N

個脈沖，在T

時間段內(nèi)有m1

個脈沖產(chǎn)生，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：n=60m1/（NT）

m1例題T

有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r，在5s時間內(nèi)測得65536個脈沖，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：n=60m1/（TN）

n=60×65536/（1024×5）r/min=768r/min

m1編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個脈沖，在T時間段內(nèi)有m1個脈沖產(chǎn)生，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：n=60m1/（NT）T法測速（適合于低轉(zhuǎn)速場合）時鐘脈沖fc

編碼器輸出脈沖

m2

···編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個脈沖，用已知頻率fc作為時鐘，填充到編碼器輸出的兩個相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為m2，則轉(zhuǎn)速(r/min)為n=60fc/（Nm2）

T法測速舉例時鐘脈沖fc

編碼器輸出脈沖

m2

···

n=60fc/（Nm2）

=60*1000000/（1024*3000）=19.53r/min

有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r，測得兩個相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為3000，時鐘頻率fc為1MHz，則轉(zhuǎn)速（