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(duì)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(xì)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(gè)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(cuò)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(cè)位移具有以下三個(gè)方面的特點(diǎn)。(1)位移的放大作用當(dāng)光柵每移動(dòng)一個(gè)光柵柵距W時(shí)，莫爾條紋也跟著移動(dòng)一個(gè)條紋寬度BH，如果光柵作反向移動(dòng)，條紋移動(dòng)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(dāng)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(dāng)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(cè)量的靈敏度。（2）莫爾條紋移動(dòng)方向如光柵1沿著刻線垂直方向向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿著光柵2的柵線向上移動(dòng)；反之，當(dāng)光柵1向左移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋沿著光柵2的柵線向下移動(dòng)。因此根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)方向就可以對(duì)光柵1的運(yùn)動(dòng)進(jìn)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(duì)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(xué)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(qiáng)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(qiáng)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(dòng)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(dòng)軸上，與被測(cè)軸連接作同步轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)用上一般使用一對(duì)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(hào)相位差正好是900。4）機(jī)械結(jié)構(gòu)主安裝光柵盤的轉(zhuǎn)軸通過滾珠軸承與機(jī)械外殼連接，外殼由金屬封閉，以防電磁場(chǎng)的干擾，實(shí)際應(yīng)用時(shí)固定編碼器外殼，轉(zhuǎn)動(dòng)軸與被測(cè)軸連接即可。透射式圓光柵固定信號(hào)處理電路框圖如圖3.3.2－2所示。當(dāng)光柵盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電接收器輸出近似的正弦信號(hào)，經(jīng)放大后由施密特比較器進(jìn)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(gè)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(dòng)，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(hào)，此信號(hào)不能辨別運(yùn)動(dòng)方向。為了能夠辨向，需要有相位差為π/2的兩個(gè)電信號(hào)。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(gè)光電元件1和2，得到兩個(gè)相位差π/2的電信號(hào)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(gè)方波信號(hào)u1′和u2′。1）精確測(cè)量角度和角位移；

2）精確測(cè)量轉(zhuǎn)速；

3）測(cè)量線速度，由測(cè)量轉(zhuǎn)速間接求得；

4）測(cè)量線性位移，由測(cè)量角位移間接求得。7．增量式編碼器的應(yīng)用二．絕對(duì)式編碼器光學(xué)碼盤也稱為光學(xué)編碼器是一種絕對(duì)式編碼器。它以二進(jìn)制代碼運(yùn)算為基礎(chǔ)，用碼道的透光和不透光兩種狀態(tài)代表二進(jìn)制代碼的“1”和“0”，它配以一定的電路可實(shí)現(xiàn)角位移量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。因此光學(xué)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(duì)值的形式反映位移信息；絕對(duì)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(diǎn)為起點(diǎn)的絕對(duì)值。1．光學(xué)碼盤的工作原理圖為光學(xué)碼盤的刻線圖案，在光學(xué)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(duì)式碼盤絕對(duì)式編碼器按照角度直接進(jìn)行編碼，可直接把被測(cè)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(cè)方式有接觸式、光電式等形式。透光區(qū)不透光區(qū)零位標(biāo)志絕對(duì)式接觸式編碼器演示4個(gè)電刷4位二進(jìn)制碼盤+5V輸入公共碼道最小分辨角度為α=360°/2n

光學(xué)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(duì)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(qiáng)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(jìn)制代碼輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)角度的數(shù)字編碼，通過適當(dāng)?shù)淖g碼電路和計(jì)數(shù)電路，進(jìn)行軸角的數(shù)字測(cè)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?hào)過程叫做編碼，而把代表各種信息的信號(hào)稱為代碼。二進(jìn)制代碼的“0”和“1”是光學(xué)編碼器的編碼單元。圖為一個(gè)由五個(gè)碼道組成的二進(jìn)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(jìn)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(dāng)n=5，M=32，也就是說五碼道碼盤的碼道在一個(gè)圓周上被分成32個(gè)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(duì)應(yīng)于五個(gè)碼道，γ＝360o/M＝360o/25＝11.25o。對(duì)于21個(gè)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(xué)碼盤的碼道越多，角度分辨率和數(shù)字轉(zhuǎn)換與測(cè)量的精度越高。從圖中我們也可以看出，二進(jìn)制碼在進(jìn)位或相鄰兩數(shù)變化時(shí)，常常是多個(gè)位數(shù)上的代碼同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如從(01111)2向(10000)2進(jìn)位時(shí)(即相當(dāng)于從十進(jìn)制的15到16)，五個(gè)碼道同時(shí)發(fā)生代碼轉(zhuǎn)換

3．循環(huán)碼及其轉(zhuǎn)換采用二進(jìn)制編碼器時(shí)，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?yàn)槎M(jìn)制碼當(dāng)某一較高的數(shù)碼改變時(shí)，所有比它低的各位數(shù)碼均需同時(shí)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(huì)造成粗誤差。為了消除粗誤差，可用循環(huán)碼代替二進(jìn)制碼。表13-1給出了四位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的對(duì)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(shí)，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(gè)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(gè)比特。所以只要適當(dāng)限制各碼道的制造誤差和安裝誤差，都不會(huì)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(gè)6位的循環(huán)碼碼盤。對(duì)于n位循環(huán)碼碼盤，與二進(jìn)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(jìn)制碼與循環(huán)碼對(duì)照表圖13-86位循環(huán)碼碼盤

絕對(duì)式編碼器由光源、碼盤、光電信息轉(zhuǎn)換器件、電路和機(jī)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(gè)精密設(shè)計(jì)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(duì)式編碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.3.2－8所示。5．絕對(duì)式編碼器的結(jié)構(gòu)6．絕對(duì)式編碼器的特點(diǎn)

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

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

3）抗干擾特強(qiáng)，測(cè)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(jià)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(cè)量角位移或間接測(cè)量直線位移外，可用于數(shù)字測(cè)速、工位編碼、伺服電機(jī)控制等。.間接測(cè)量

在間接測(cè)量中，多使用旋轉(zhuǎn)式位置傳感器。測(cè)量到的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)部件的直線位移間接測(cè)量須使用絲杠-螺母、齒輪-齒條等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。工作臺(tái)絲杠編碼器進(jìn)給電機(jī)θ

xM法測(cè)速（適合于高轉(zhuǎn)速場(chǎng)合）T

編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N

個(gè)脈沖，在T

時(shí)間段內(nèi)有m1

個(gè)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(shí)間內(nèi)測(cè)得65536個(gè)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(gè)脈沖，在T時(shí)間段內(nèi)有m1個(gè)脈沖產(chǎn)生，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：n=60m1/（NT）T法測(cè)速（適合于低轉(zhuǎn)速場(chǎng)合）時(shí)鐘脈沖fc

編碼器輸出脈沖

m2

···編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個(gè)脈沖，用已知頻率fc作為時(shí)鐘，填充到編碼器輸出的兩個(gè)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(cè)速舉例時(shí)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(cè)得兩個(gè)相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為3000，時(shí)鐘頻率fc為1MHz，則轉(zhuǎn)速（