光電編碼器【位移傳感器】概述

光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖、數字量或模擬量信號輸出的傳感器。利用它可以實現角度、直線位移、轉速等模擬物理量的測量。

一、特點

    它具有體積小、重量輕、品種多、功能全、高頻響應、分辨能力高、承載能力強、力矩小、耗能低；性能穩定、可靠、使用壽命長等特點。

 

二、編碼器分類

1、按信號的原理分：增量式編碼器、式編碼器、混合式編碼器

1）增量式編碼器

    直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90º，從而可方便地判斷出旋轉方向，而Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。它的優點是原理構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉動的位置信息。

2） 式編碼器

    利用自然二進制或循環二進制（格雷碼）方式進行光電轉換的。式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，編碼器可有若干編碼，根據讀出碼盤上的編碼，檢測位置。編碼的設計可采用二進制碼、循環碼、二進制補碼等。它的特點是：

（1）可以直接讀出角度坐標的值；

（2）沒有累積誤差；

（3）電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制的位數來決定的，也就是說精度取決于位數，目前有10位、14位等多種。

3）混合式值編碼器

    它輸出兩組信息：一組信息用于檢測磁極位置，帶有信息功能；另一組則*同增量式編碼器的輸出信息。

    值編碼器是一種直接編碼和直接測量的檢測裝置。它能指示值位置，沒有累積誤差，電源切除后，位置信息不丟失。常用的編碼器有編碼盤和編碼尺，統稱為碼盤。從編碼器的使用記數來分類，有二進制編碼、二進制循環碼（葛萊碼）、二-十進制碼等編碼器。從結構原理分類，有接觸式、光電式和電磁式等幾種。
    混合式值編碼器就是把增量制碼與制碼同做在一塊碼盤上。在圓盤的外圈是高密度的增量條紋，中間有四個碼道組成式的四位葛萊碼，每1/4同心圓被葛萊碼分割成16個等分段。該碼盤的工作原理是三極記數：粗、中、精計數。碼盤轉的轉數由對“一轉脈沖”的計數表示。在一轉以內的角度位置有葛萊碼的4*16不同的數值表示。每1/4圓葛萊碼的細分有外圓的增量碼完成。

    增量式光電編碼器：測速，測轉動方向，測移動角度、距離(相對)。

A：工作原理圖

B：工作原理：

1）光電編碼器的組成：一個中心有軸的光電碼盤，在圓盤上有規則地刻有透光和不透光的線條，在圓盤兩側，安放發光元件和光敏元件。當圓盤旋轉時，光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化，光敏元件輸出波形經過整形后變為脈沖，獲得四組正弦波信號組合：A、/A、B、/B ，每個正弦波相差90度相位差（相對于一個周波為360度）用以判斷旋轉方向。碼盤上有Z相標志（參考機械零位），每轉一圈輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。

2）由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉與反轉，如果A相脈沖比B相脈沖超前則光電編碼器為正轉，否則為反轉；通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。

3）當脈沖數已固定，而需要提高分辨率時，可利用90°相位差A、B兩路信號，對原脈沖數進行2倍頻或4倍頻。

4）軸的每圈轉動，增量型編碼器提供一定數量的脈沖。周期性的測量或者單位時間內的脈沖計數可以用來測量移動的速度。如果在一個參考點后面脈沖數被累加，計算值就代表了轉動角度或行程的參數。雙通道編碼器輸出脈沖之間相差為90º。能使接收脈沖的電子設備接收軸的旋轉感應信號， 因此可用來實現雙向的定位控制；另外，三通道增量型旋轉編碼器每一圈產生一個稱之為零位信號的脈沖。
C：關于碼盤

a）脈沖信號

  1.A相

  2.B相

  3.Z相

    編碼器的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩定性就要比玻璃的差一個數量級，塑料碼盤是經濟型的，其成本低，但精度、熱穩定性、壽命均要差一些。

b)分辨率

    編碼器以每旋轉360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉分度5~10000線。

c)機械轉速和電氣轉速

  機械轉速

    編碼器的機械轉速以每分鐘大可以旋轉多少圈表示——rpm。

  電氣轉速

    編碼器的電氣轉速也稱為開關頻率，是讀取每個脈沖信號的反應速度，以每秒多少次表示——Hz。

1.大工作速度應同時兼顧編碼器的機械轉速、電氣轉速以及編碼器后續接收設備的開關頻率。

Nmax=Fmax×60/Z；Nmax：大轉速；Fmax：高響應頻率；Z：每轉輸出脈沖數

2.每秒鐘光電編碼器輸出的脈沖個數：

   N=電機的轉速n×每轉線數/60

   例如，當電機的轉速n=1000轉/分，線數為600，則每秒鐘光電編碼器的脈沖個數應為
   N=1000 × 600/60=10000（個）脈沖

   若n=1轉/分
   則N=1 × 600/60 =10（個）

d)信號輸出：正弦波（電流或電壓）、方波（TTL、HTL）、集電極開路（PNP、NPN）、推拉式

   其中：

   TTL為長線差分驅動（對稱A，/A；B，/B；Z，/Z）；

   HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設備接口應與編碼器對應。

e)信號連接

   連接設備：計數器、PLC、計算機

   連接方式：

1. 單相連接：

    用于正反向計數和測速

2. A、B兩相連接：

    用于正反向計數、判斷正反向和測速

3. A、B、Z三相連接：

    用于帶參考位修正的位置測量。

1）PLC和計算機連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關頻率有低有高。

2）三相連接：

    由于帶有對稱負信號的連接，電流對于電纜貢獻的電磁場為0，衰減小，抗干擾，可傳輸較遠的距離。

    對于TTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達150米。

    對于HTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達300米。