什么是光电 编码器.docx

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什么是光电编码器

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什么是光电编码器

一、光电编码器简介

光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字检测装置，它是一种通过光电转换，将输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，它主要用于速度或位置（角度）的检测。

具有精度高、响应快、抗干扰能力强、性能稳定可靠等显著的优点。

按结构形式可分为直线式编码器和旋转式编码器两种类型。

旋转编码器主要由光栅、光源、检读器、信号转换电路、机械传动等部分组成。

光栅面上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期;分别用两个光栅面感光。

由于两个光栅面具有90°的相位差，因此将该输出输入数字加减计算器，就能以分度值来表示角度。

它们的节距从光电编码器的输出信号种类来划分，可分为增量式和绝对值式两大类。

旋转增量式编码器转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。

这样，当停电后，编码器不能有任何的移动;当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。

绝对编码器光码盘上有许多道刻线，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2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为位绝对编码器。

这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。

绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，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。

由于绝对编码器在定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工业控制定位中。

编码器信号输出有并行输出、串行输出、总线型输出、变送一体型输出等输出形式。

串行输出是时间上数据按照约定，有先后输出;空间上，所有位数的数据都在一组电缆上（先后）发出。

这种约定称为"通讯协议"，其连接的物理形式有RS232、RS422（TTL）、RS485等。

串行输出连接线少，传输距离远，可靠性就大大提高了，但传输速度比并行输出慢。

对于绝对编码器，信号并行输出是时间上数据同时发出:

空间上，每个位数的数据各占用一根线缆。

对于位数不高的绝对编码器，一般就直接以此形式输出数码，可直接进入PLC或上位机的I/O接口。

这种方式输出即时，连接简单。

但是，对于位数较多的绝对编码器，有许多芯电缆，由此带来工程难度和诸多不便、降低了可靠性。

因此，在绝对编码器多位数输出一般不采用并行输出型，而是选用串行输出或总线型输出。

二、光电编码器的分类

按测量方式的分类:

旋转编码器

直尺编码器

按编码方式的分类:

绝对式编码器

增量式编码器

混合式编码器

三、光电编码器的应用

近十几年来，光电编码器发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品，在数控机床、机器人、雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、高精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领域中得到了广泛的应用。

容栅旋转编码器原理及应用

摘要:

以旋转容栅编码器为例，简述容栅传感器的测量原理及其结构，分析容栅自身以及容栅芯片的特点，通过机械机构设计和容栅编码器后续电路设计，提高其工作可靠性，并应用于实际工程中。

关键词:

容栅传感器;电容传感器;鉴相;编码器

中图分类号:

212.1文献标识码:

A

一、引言

电容传感器具有测量分辨力和测量准确度高等特点，在很多场合被作为高精测量仪器使用，但因其自身缺陷，只能使用在微小位移的测量中，无法满足大位移测量的要求。

80年代容栅传感器的出现，彻底的改变了这种情况。

借鉴了光栅的结构形式，工程师把电容做成栅型，大大提高了测量的精度和范围，实现了大位移高精度测量。

容栅传感器相对于其他类型的传感器有许多突出的优点[2]:

1、量程大、分辨率高。

在线位移测量时，分辨率为2mm时，量程可达到20m，在角位移测量时，分辨率为0.1°时，量程为4096圈。

其测量速度也比较高，测量线速度可达到1.5m/s。

2、容栅测量属非接触式测量，因此容栅传感器具有非接触传感器的优点，诸如测量时摩擦阻力可以减到最小，不会因为测量部件的表面磨损而导致测量精度下降。

3、结构简单。

容栅传感器的敏感元件主要由动栅和静栅组成，信号线可以全部从静栅上引出，作为运动部件的动栅可以没有引线，为传感器的设计带来很大的方便。

4、配用专用集成电路的容栅传感器是一种数字传感器，和计算机的接口方便，便于长距离传送信号，几乎无数据传输误差。

数据更新速率可以达到每秒50次。

5、功耗极小。

正常工作电流小于10mA，传感器敏感元件可以长期工作，一粒钮扣电池可以连续工作1年以上。

利用这个特点，可以设计出准绝对式的位移传感器。

6、在价格上有很大优势，其性能价格比远高于同类传感器。

容栅传感器有最主要的问题是稳定性和可靠性，环境潮湿和外界电磁干扰的影响尤为显著，其次作为准绝对式传感器在长期断电工作时，需要定期更换电池，所以难于作为传感器用于长期自动测量。

容栅编码器是以脉冲数字量来表示容栅传感器敏感元件间相对位置信息，本文研究的容栅旋转编码器将容栅全部的结构密封在金属壳内，大大提高了容栅传感器的电磁兼容性和抗环境污染能力，为容栅原理用于自动测量奠定了基础。

二、容栅旋转编码器的结构和测量原理

1、容栅旋转编码器的结构组成

容栅旋转编码器分动栅和静栅二部分，都为精密加工的印刷电路板。

动栅上有发射极和接收极，在发射极和接收极之间有屏蔽极，避免发射极到接收极之间的直接电容耦合。

静栅上有反射极和屏蔽极，反射极与屏蔽极的宽度一致，屏蔽极需可靠接地。

动栅上共有48个发射电极，发射极的极距按实际要求可变，每4个发射极对应于一个反射极。

动栅上每8个发射电极为一组，共6组。

对每组发射极进行编号A到H同编号的发射极电路上相连。

运行时，两块印刷电路板的栅面平行同轴相对，间距在0.1mm左右。

图1所示的是旋转式容栅编码器的结构图。

2、容栅传感器测量原理

在动栅栅面编号为A~H发射电极上分别加上8个等幅、同频、相位依次相差p/4的方波激励电压信号（i=0，1，2，…，7）。

每组编号相同的发射极都加以相同的激励信号，经过两对电容耦合在接收极上形成容栅电压信号。

由于各组中序号相同的发射极和反射极的相对位置相同，所以可以将48个发射极和对应的反射极板间的电容简化为到的8个电容器。

Cf代表反射极与接收极相互耦合之后形成的电容器，由于接收极在动栅移动方向上的长度恰好为一组反射极长度的整数倍，又由于反射极是周期性排列的，所以接收极和反射极的相互覆盖面积不随位移变化，即Cf为一个常数。

图2所示为其等效电路图[2]。

容栅工作时，施加发射电极上的周期激励信号，通过发射极与反射极、反射极与接收极两对电容耦合，在接收极上形成合成信号。

传感器输入、输出信号与各电极之间电容耦合关系如图3[1]。

一组激励信号（i=0，1，2，…，7）通过一组电容（i=0，1，2，…，7）和定值电容Cf耦合后，得到传感器的输出信号。

不考虑激励信号的输出阻抗，并作归一化处理，可得:

（1）

把和作傅立叶展开，选择合适的零点，可视为偶函数:

（2）

（3）

式中，T-激励信号的周期;

W-静栅反射极板的节距。

容栅处理电路会滤去高次谐波，在这里采用基波求解，并作归一化处理，把公式

（2）（3）代入

（1）得:

（4）

在匀速旋转的条件下，由激励信号和电容的特点可得:

（5）

式中，k为一常系数，正负由动栅和静栅的相对运动方向决定。

从公式（5）可知，输出信号的电位相与容栅传感器的位移有一一对应关系（在一个周期内是单值函数），调相信号是一个周期信号，动栅和静栅每相对运动一组发射极的宽度，调相信号变化一个周期。

根据这个原理可以通过鉴相器鉴别调相信号的相位变化，从而推算出动栅和静栅的相对位移。

同时还可以通过可逆计数器记录输出信号周期变化数，实现长距离的测量。

接收极上的输出信号并不能直接送鉴相电路使用，在这之前还需要经过解调、滤波、放大和整形，形成方波，最后通过鉴相器输出位移信息送显示。

图4为鉴相型容栅传感器的测量原理图[2]。

3、容栅旋转编码器的数据传递

容栅旋转编码器的核心部件是容栅集成芯片，它负责把传感器的位置信息转化为数字信号输出。

容栅芯片有4根引出线，分别为+1.5V、CLK、DATA和0V线。

其中+1.5V和0V线为电源线和地线，CLK和DATA线为同步时钟信号线和数据线。

CLK信号为同步时钟信号，在一次数据传送中，开始为54ms的高电平，表示数据即将开始传送;接下来是两段各有24个宽度为13ms的窄脉冲，前后两段窄脉冲之间有110ms的高电平作为间隔;最后是75ms的高电平，以示数据传送结束。

具体波形如图5。

容栅旋转编码器的数据传送是周期性的，在慢速状态下，周期间隔为250ms，在快速状态时，为20ms。

DATA信号为数据信号，它包含了编码器的位移信息。

在数据采集时，容栅芯片在CLK信号窄脉冲的下降沿对DATA信号进行采样，先后采样两组24位数据。

一组为绝对数据，另一组为相对数据。

绝对数的初值只受上电影响，相对数据初值由数据清零信号控制。

三、容栅旋转编码器的关键技术

容栅编码器有功耗低、性价比高等优点。

但其工作容易受到外界的干扰，影响工作稳定性。

所以在设计容栅编码器时，需要一些特殊措施来抵抗干扰，提高稳定性。

环境对容栅编码器的工作影响很大，特别是湿度。

电容传感器主要是通过两极板之间的电容量变化来反映相应的被测量变化。

在大湿度的情况下，会改变两极板间的介电常数影响电容值，同时也使容栅电路的漏电流明显增大，使容栅编码器工作的稳定性将受到削弱。

因此，建立一个良好的容栅工作小环境，使其免受外界环境的影响，对其能否可靠工作非常重要。

容栅编码器是靠电容极板传递信号，因此保证极板之间的电场稳定是容栅位移信号能够正常无误传递的前提。

由于容栅编码器经常用于工业环境，其现场工作环境很差，常伴有大功率的电磁干扰，将容栅核心部件全部密封在金属壳内，而非像一般的容栅数显产品把静栅暴露于环境中，这样既有效的进行了电磁屏蔽，同时隔绝了外界水汽、油污，使编码器能在一个相对良好的环境中工作。

容栅的动栅和静栅的屏蔽极都要有效的接地，起隔离屏蔽和消除寄生电容的作用。

实际中，动栅和静栅相互独立，没有任何连线，这就需要通过外界搭桥，一般情况下，编码器的外壳就起这样的作用。

动栅上集成的容栅芯片的正极通常和动栅屏蔽极相连，这就有可能由于后续电路接地引起电池短路。

因此在进行电路设计时，必须考虑这个特点，在设计上采取针对性措施，对电路进行隔离，来解决因后续电路接地带来的电池短路问题。

容栅编码器是一种准绝对式传感器。

在平时全靠内部电池维持其正常工作，因此，电池问题不容忽视。

经过实际操作证明在电池电压降低时，将产生许多不可预料的情况。

采用超级电容和电池并联工作，可以有效的降低电池的功耗，延长容栅编码器的工作时间。

同时，通过设计电路实测电池电压报警，尽量避免由于电池电量不足影响编码器正常工作。

除了以上几点，还需要其他的一些软件和硬件上的辅助措施，才能保证容栅编码器正常稳定的工作。

四、容栅旋转编码器的应用

容栅旋转编码器具有测量分辨率高、量程大，可以应用于大位移（角位移）测量。

表1列出了不同节距数时，容栅旋转编码器的分辨率可达到的精度和测量量程。

利用上述性能，可作为多圈角位移的高精度测量。

如丝杠推进位移的高精度控制，借助齿条、链条、线束传动，可以将角位移转换为线位移。

用容栅编码器作大位移测量，如长行程油缸的位移，堆取料机在轨道上定位等，笔者曾将容栅编码器用于超大型构件水平推进的同步控制，取得良好效果。

容栅旋转编码器类似于绝对式编码器，其机电转换部件由内置电池供电，其信号发送部件由外接电源供电。

当外接电源断开时，虽然不输出数据，但传感器还是在内部电池支持下工作，对角位移的变化做出反应，在任何时间都能取得正确数据。

因为要有内部电池支持，这类传感器被称作准绝对式传感器。

由于传感器耗电极小（10mA）更换一粒钮扣电池可工作一年以上。

与光电绝对式多圈编码器相比，由于省去了机械记忆部件，其构件要简单得多，因而造价也会低得多。

容栅编码器采用RS-422通讯接口，便于计算机接口，也便于进行长距离的信号传递。

每个传感器可设置其ID编码号，便于实现多个传感器信号的网络传递。

容栅编码器数据测量周期最短为20ms，数据长度为4字节，可以和一般的串行通讯速率相匹配。

五、结束语

随着容栅技术的应用，容栅编码器破壳而出。

凭借其优异的性能和可靠性的不断改进，容栅编码器必将越来越受到关注，在今后的编码器市场上占据自己的一席。

光电编码器原理及应用电路1.光电编码器原理

光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。

这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。

光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。

由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示;通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90旱牧铰仿龀逍藕拧

根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。

根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。

1.1增量式编码器

增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相;A、B两组脉冲相位差90海佣煞奖愕嘏卸铣鲂较颍鳽相为每转一个脉冲，用于基准点定位。

它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。

其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。

1.2绝对式编码器

绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件;当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。

这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。

显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。

目前国内已有16位的绝对编码器产品。

绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。

绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。

编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。

它的特点是:

1.2.1可以直接读出角度坐标的绝对值;

1.2.2没有累积误差;

1.2.3电源切除后位置信息不会丢失。

但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。

1.3混合式绝对值编码器

混合式绝对值编码器，它输出两组信息:

一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能;另一组则完全同增量式编码器的输出信息。

光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。

它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。

2.光电编码器的应用电路

2.1EPC-755A光电编码器的应用

EPC-755A光电编码器具备良好的使用性能，在角度测量、位移测量时抗干扰能力很强，并具有稳定可靠的输出脉冲信号，且该脉冲信号经计数后可得到被测量的数字信号。

因此，我们在研制汽车驾驶模拟器时，对方向盘旋转角度的测量选用EPC-755A光电编码器作为传感器，其输出电路选用集电极开路型，输出分辨率选用360个脉冲/圈，考虑到汽车方向盘转动是双向的，既可顺时针旋转，也可逆时针旋转，需要对编码器的输出信号鉴相后才能计数。

图2给出了光电编码器实际使用的鉴相与双向计数电路，鉴相电路用1个D触发器和2个与非门组成，计数电路用3片74LS193组成。

当光电编码器顺时针旋转时，通道A输出波形超前通道B输出波形90°，D触发器输出Q（波形W1）为高电平，Q（波形W2）为低电平，上面与非门打开，计数脉冲通过（波形W3），送至双向计数器74LS193的加脉冲输入端CU，进行加法计数;此时，下面与非门关闭，其输出为高电平（波形W4）。

当光电编码器逆时针旋转时，通道A输出波形比通道B输出波形延迟90°，D触发器输出Q（波形W1）为低电平，Q（波形W2）为高电平，上面与非门关闭，其输出为高电平（波形W3）;此时，下面与非门打开，计数脉冲通过（波形W4），送至双向计数器74LS193的减脉冲输入端CD，进行减法计数。

汽车方向盘顺时针和逆时针旋转时，其最大旋转角度均为两圈半，选用分辨率为360个脉冲/圈的编码器，其最大输出脉冲数为900个;实际使用的计数电路用3片74LS193组成，在系统上电初始化时，先对其进行复位（CLR信号），再将其初值设为800H，即2048（LD信号）;如此，当方向盘顺时针旋转时，计数电路的输出范围为2048~2948，当方向盘逆时针旋转时，计数电路的输出范围为2048~1148;计数电路的数据输出D0~D11送至数据处理电路。

实际使用时，方向盘频繁地进行顺时针和逆时针转动，由于存在量化误差，工作较长一段时间后，方向盘回中时计数电路输出可能不是2048，而是有几个字的偏差;为解决这一问题，我们增加了一个方向盘回中检测电路，系统工作后，数据处理电路在模拟器处于非操作状态时，系统检测回中检测电路，若方向盘处于回中状态，而计数电路的数据输出不是2048，可对计数电路进行复位，并重新设置初值。

2.2光电编码器在重力测量仪中的应用

采用旋转式光电编码器，把它的转轴与重力测量仪中补偿旋钮轴相连。

重力测量仪中补偿旋钮的角位移量转化为某种电信号量;旋转式光电编码器分两种，绝对编码器和增量编码器。

增量编码器是以脉冲形式输出的传感器，其码盘比绝对编码器码盘要简单得多且分辨率更高。

一般只需要三条码道，这里的码道实际上已不具有绝对编码器码道的意义，而是产生计数脉冲。

它的码盘的外道和中间道有数目相同均匀分布的透光和不透光的扇形区（光栅），但是两道扇区相互错开半个区。

当码盘转动时，它的输出信号是相位差为90°的A相和B相脉冲信号以及只有一条透光狭缝的第三码道所产生的脉冲信号（它作为码盘的基准位置，给计数系统提供一个初始的零位信号）。

从A，B两个输出信号的相位关系（超前或滞后）可判断旋转的方向。

由图3（a）可见，当码盘正转时，A道脉冲波形比B道超前π/2，而反转时，A道脉冲比B道滞后π/2。

图3（b）是一实际电路，用A道整形波的下沿触发单稳态产生的正脉冲与B道整形波相'与'，当码盘正转时只有正向口脉冲输出，反之，只有逆向口脉冲输出。

因此，增量编码器是根据输出脉冲源和脉冲计数来确定码盘的转动方向和相对角位移量。

通常，若编码器有N个（码道）输出信号，其相位差为π/N，可计数脉冲为2N倍光栅数，现在N=2。

图3电路的缺点是有时会产生误记脉冲造成误差，这种情况出现在当某一道信号处于'高'或'低'电平状态，而另一道信号正处于'高'和'低'之间的往返变化状态，此时码盘虽然未产生位移，但是会产生单方向的输出脉冲。

例如，码盘发生抖动或手动对准位置时（下面可以看到，在重力仪测量时就会有这种情况）。

图4是一个既能防止误脉冲又能提高分辨率的四倍频细分电路。

在这里，采用了有记忆功能的D型触发器和时钟发生电路。

由图4可见，每一道有两个D触发器串接，这样，在时钟脉冲的间隔中，两个Q端（如对应B道的74LS175的第2、7引脚）保持前两个时钟期的输入状态，若两者相同，则表示时钟间隔中无变化;否则，可以根据两者关系判断出它的变化方向，从而产生'正向'或'反向'输出脉冲。

当某道由于振动在'高'、'低'间往复变化时，将交替产生'正向'和'反向'脉冲，这在对两个计数器取代数和时就可消除它们的影响（下面仪器的读数也将涉及这点）。

由此可见，时钟发生器的频率应大于振动频率的可能最大值。

由图4还可看出，在原一个脉冲信号的周期内，得到了四个计数脉冲。

例如，原每圈脉冲数为1000的编码器可产生4倍频的脉冲数是4000个，其分辨率为0.09°。

实际上，目前这类传感器产品都将光敏元件输出信号的放大整形等电路与传感检测元件封装在一起，所以只要加上细分与计数电路就可以组成一个角位移测量系统（74159是4-16译码器）。

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