第3章第3.2节光电编码

§3.3.2光电编码器光电编码器可分为增量式编码器和绝对式编码器。一．增量式编码器增量式编码器的原理是光栅莫尔条纹。形成莫尔条纹是光栅。

在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是光栅，图13-1为透射光栅的示意图。图中a为栅线的宽度（不透光），b为栅线间宽（透光），a+b=W称为光栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9。目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条线条。图13–1透射光栅示意图

2．莫尔条纹把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）面向对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角θ，如图13-2所示，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。由图13-2可见，在d-d线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成条纹的亮带，它是由一系列四棱形图案构成的；在f-f线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。图13-2光栅莫尔条纹的形式莫尔条纹演示莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点。(1)位移的放大作用当光栅每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角θ之间的关系为（13-1）

θ越小，BH越大，这相当于把栅距W放大了1/θ倍。例如θ=0.1°，则1/θ≈573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍，这相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。（2）莫尔条纹移动方向如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下移动。因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。(3)误差的平均效应莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。莫尔条纹光学放大作用举例

有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角=1.8，则：分辨力=栅距W=1mm/50=0.02mm=20m（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）L≈W/θ=0.02mm/（1.8*3.14/180）=0.02mm/0.0314=0.637mm莫尔条纹的宽度是栅距的32倍：由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。5．结构1）光源光源一般采用近红外发光二极管，此类LED动态响应快，使用寿命长，发光峰值波长为0.94μ，与所使用的光电信息转换器件峰值波长相近，外形尺寸为直径2mm，长度5mm，和环氧树脂透镜封装在一起。2）光栅盘主光栅盘安装在转动轴上，与被测轴连接作同步转动，指示光栅一般不使用整块光栅盘，而是使用光栅的一角，但栅距与主光栅相同。5．结构3）光电信息转换器件光电信息转换器件，也叫光电接收器，一般使用光敏二极管或光敏三极管，与LED的峰值波长匹配。实用上一般使用一对光电接收器，放置间距调整到莫尔条纹间距的四分之一，这样两光电接收器输出的信号相位差正好是900。4）机械结构主安装光栅盘的转轴通过滚珠轴承与机械外壳连接，外壳由金属封闭，以防电磁场的干扰，实际应用时固定编码器外壳，转动轴与被测轴连接即可。透射式圆光栅固定信号处理电路框图如图3.3.2－2所示。当光栅盘转动时，光电接收器输出近似的正弦信号，经放大后由施密特比较器进行整形。辨向电路如图3.3.2－3所示。（1）辨向原理采用图13-3中一个光电元件的光栅读数头，无论主光栅作正向还是反向移动，莫尔条纹都作明暗交替变化，光电元件总是输出同一规律变化的电信号，此信号不能辨别运动方向。为了能够辨向，需要有相位差为π/2的两个电信号。图13-5为辨向的工作原理和它的逻辑电路。在相隔BH/4间距的位置上，放置两个光电元件1和2，得到两个相位差π/2的电信号u1和u2（图中波形是消除直流分量后的交流分量），经过整形后得两个方波信号u1′和u2′。1）精确测量角度和角位移；

2）精确测量转速；

3）测量线速度，由测量转速间接求得；

4）测量线性位移，由测量角位移间接求得。7．增量式编码器的应用二．绝对式编码器光学码盘也称为光学编码器是一种绝对式编码器。它以二进制代码运算为基础，用码道的透光和不透光两种状态代表二进制代码的“1”和“0”，它配以一定的电路可实现角位移量与数字量的转换。因此光学码盘也称为是轴角数字编码器增量式编码其一般没有确定的零位，它以相对值的形式反映位移信息；绝对式编码器具有确定不变的零位，它所反映的位移信息是以零点为起点的绝对值。1．光学码盘的工作原理图为光学码盘的刻线图案，在光学度盘上刻有许多圈同心的黑白粗光栅，这种同心的粗光栅称为码道。码道分为精码道（即外层码道它代表数位的低位）和粗码道（即里圈码道它代表数位的高位）。

10码道光电绝对式码盘绝对式编码器按照角度直接进行编码，可直接把被测转角用数字代码表示出来。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等形式。透光区不透光区零位标志绝对式接触式编码器演示4个电刷4位二进制码盘+5V输入公共码道最小分辨角度为α=360°/2n

光学码盘的工作原理如图所示。在码道3的一边装有光源1和柱面透镜2，另一边配有与每一码道3相对应的光电接收器4如硅光电池或光敏二极管阵列等。光源1发出的光束经柱面透镜2聚光成狭长的强光束后，通过每一码道的透光和不透光部分，使光电接收器4输出透光为“1”而不透光为“0”的二进制代码输出信号，实现角度的数字编码，通过适当的译码电路和计数电路，进行轴角的数字测量与显示。2．码盘的编码方法在通讯技术中，把各种信息变成便于传输的信号过程叫做编码，而把代表各种信息的信号称为代码。二进制代码的“0”和“1”是光学编码器的编码单元。图为一个由五个码道组成的二进制码盘以及其编码表及展开图。在图中黑阴影部分代表不透光的“0”，亮区代表透光的“1”。二进制码盘的码道数n和码道编码容量M之间关系为：

M＝2n当n=5，M=32，也就是说五码道码盘的码道在一个圆周上被分成32个等分。角度分辨率γ与码道数n间的关系为γ＝360o/M＝360o/2n对应于五个码道，γ＝360o/M＝360o/25＝11.25o。对于21个码道，γ＝0o68”。码盘的角度分辨率代表着单位数字量的角度值，由此可知，光学码盘的码道越多，角度分辨率和数字转换与测量的精度越高。从图中我们也可以看出，二进制码在进位或相邻两数变化时，常常是多个位数上的代码同时进行转换，如从(01111)2向(10000)2进位时(即相当于从十进制的15到16)，五个码道同时发生代码转换

3．循环码及其转换采用二进制编码器时，任何微小的制作误差，都可能造成读数的粗误差。这主要是因为二进制码当某一较高的数码改变时，所有比它低的各位数码均需同时改变。如果由于刻划误差等原因，某一较高位提前或延后改变，就会造成粗误差。为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。表13-1给出了四位二进制码与循环码的对照表。从表中看出，循环码是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最低位的一个比特。所以只要适当限制各码道的制造误差和安装误差，都不会产生粗误差。由于这一原因使得循环码码盘获得了广泛的应用。图13-8所示的是一个6位的循环码码盘。对于n位循环码码盘，与二进制码一样，具有2n种不同编码，最小分辨率α=360°/2n。表13-1四位二进制码与循环码对照表图13-86位循环码码盘

绝对式编码器由光源、码盘、光电信息转换器件、电路和机械结构组成。在基体上形成透明和不透明码区的循环码盘，其制成方法是利用一个精密设计制造的母码盘，通过光刻方法复制生产出使用的码盘，码盘的制造精度直接影响编码器的输出精度。

绝对式编码器的内部结构如图3.3.2－8所示。5．绝对式编码器的结构6．绝对式编码器的特点

1）能反映被测值（角度，位移等）的绝对值，也能测出变化量的相对值（读出初始值和终值），不怕掉电。

2）如测量值大于360度，则需要用二个码盘，由齿轮精确传动，使大码盘转一周，小码盘转一个单位（1位）。这样，只要读出大码盘和小码盘的值，就可测出较大的角度范围。

3）抗干扰特强，测量精度高，适合生产第一线使用。

4）码盘的码道数增加，分辨率也增加，精度提高，但尺寸增大，造价昂贵。码道宽度由光电接收器的几何参数和物理特性决定。5．结构角编码器的应用角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外，可用于数字测速、工位编码、伺服电机控制等。.间接测量

在间接测量中，多使用旋转式位置传感器。测量到的回转运动参数仅仅是中间值，但可由这中间值再推算出与之关联的移动部件的直线位移间接测量须使用丝杠-螺母、齿轮-齿条等传动机构。工作台丝杠编码器进给电机θ

xM法测速（适合于高转速场合）T

编码器每转产生N

个脉冲，在T

时间段内有m1

个脉冲产生，则转速（r/min)为：n=60m1/（NT）

m1例题T

有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，在5s时间内测得65536个脉冲，则转速（r/min)为：n=60m1/（TN）

n=60×65536/（1024×5）r/min=768r/min

m1编码器每转产生N个脉冲，在T时间段内有m1个脉冲产生，则转速（r/min)为：n=60m1/（NT）T法测速（适合于低转速场合）时钟脉冲fc

编码器输出脉冲

m2

···编码器每转产生N个脉冲，用已知频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为m2，则转速(r/min)为n=60fc/（Nm2）

T法测速举例时钟脉冲fc

编码器输出脉冲

m2

···

n=60fc/（Nm2）

=60*1000000/（1024*3000）=19.53r/min

有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频率fc为1MHz，则转速（