光电编码器原理结构图

光电编码器原理结构图

增量式光电旋转编码器
   　 所谓编码器即是将某种物理量转换为数字格式的装置。运动控制系统中的编码器的作用是将位置和角度等参数转换为数字量。可采用电接触、磁效应、电容效应和光电转换等机理，形成各种类型的编码器。运动控制系统中最常见的编码器是光电编码器。
  　  光电编码器根据其用途的不同分为旋转光电编码器和直线光电编码器，分别用于测量旋转角度和直线尺寸。光电编码器的关键部件是光电编码装置，在旋转光电编码器中是圆形的码盘(codewheel或codedisk)，而在直线光电编码器中则是直尺形的码尺(codestrip)。码盘和码尺根据用途和成本的需要，可由金属、玻璃和聚合物等材料制作，其原理都是在运动过程中产生代表运动位置的数字化的光学信号。

 

 

   　 　图12.1可用于说明透射式旋转光电编码器的原理。在与被测轴同心的码盘上刻制了按一定编码规则形成的遮光和透光部分的组合。在码环的一边是发光二极管或白炽灯光源，另一边则是接收光线的光电器件。码盘随着被测轴的转动使得透过码盘的光束产生间断，通过光电器件的接收和电子线路的处理，产生特定电信号的输出，再经过数字处理可计算出位置和速度信息。
    　上面所说的是透射式光电编码器的原理。显然利用光反射原理也可制作光电编码器。   　  增量编码器的码盘如图12.2所示。在现代高分辨率码盘上，透光和遮光部分都是很细的窄缝和线条，因此也被称为圆光栅。相邻的窄缝之间的夹角称为栅距角，透光窄缝和遮光部分大约各占栅距角的1/2。码盘的分辨率以每转计数(CPR-counts per revolution)表示，亦即码盘旋转一周在光电检测部分可产生的脉冲数。例如某码盘的CPR为2048，则可以分辨的角度为10，311.8”。在码盘上，往往还另外安排一个（或一组）特殊的窄缝，用于产生定位(index)或零位(zero)信号。测量装置或运动控制系统可利用这个信号产生回零或复位操作。

  　  从原理分析，光电器件输出的电信号应该是三角波。但是由于运动部分和静止部分之间的间隙所导致的光线衍射和光电器件的特性，使得到的波形近似于正弦波，而且其幅度与码盘的分辨率无关。
  　  在图12.1的设计中安排了六组这样的挡板和光电器件组合，其中两组用于产生定位(index)脉冲信号I（有的文献中为Z）。其他四组由于位置的安排，产生4个在相位上依次相差90°的准正弦波信号，分别称为A、B、A和B。将相位相差180°的A和A送到一个比较器的两个输入端，则在比较器的输出端得到占空比为50%的方波信号A。同理，由B和B也可得到方波信号B。这样通过光电检测器件位置的特殊安排，得到了双通道的光电脉冲输出信号A和B（见图12.3）。这两个信号有如下特点：
    (1)两者的占空比均为so%；图12.3双通道信号的形成
    (2)如果朝一个方向旋转时A信号在相位上领先于B信号90°的话，那么旋转方向反过来的时候，B信号在相位上领先于A信号90°。

  　  这种双通道信号的特点为测量分辨率的提高和方向信号的获取提供了条件。
    　占空比为so%的方波信号A和B中有4个特殊的时刻，就是它们波形的前沿和后沿。
两个信号的前后信号在波形的一个周期中是按90°平均分布的。将这些沿信号取出并加以利用，可得到4倍频的脉冲信号，这样就可把光电编码器的分辨率提高到4倍。
   　 图12.4是一个由数字电路组成的处理电路，在这个电路中采用了施密特输入的反相器、异或门、或门和D触发器。电路中各处波形如图所示，用虚线隔开分别表示正转和反转两种情况下的波形。可以看到该电路产生4倍频计数信号和方向信号。使用这些信号再加上定位脉冲的配合，电子线路就可以通过对脉冲的计数来确定运动系统的位置。可以采用计数器使得其在转轴朝某一方向旋转时进行增数，而在朝相反方向旋转时进行减数，这样就可以在不掉电的前提下保持对绝对位置的记忆。

 望远镜的轴角位置指示

                              

图 3.17 一个八位编码器的(a)码盘和(b)编码器的工作原理图

 

    近代工业已经为望远镜的轴角系统提供了一系列的轴角位置指示装置。这些装置包括光电编码器，圆感应同步器以及光栅刻尺。
    (1)光电编码器
    光电编码器是一种二进制光电位置指示器，其基本原理是由不同等分的明暗相间的条纹，通过光电元件取得角度位置的二进制数字信号，最后进行解码取得角度位置的绝对值或相对值。绝对编码器的码形总是唯一的，这种码形给出了长度或角度的位置。光电编码器由光源，码盘和光电接收器所组成。码盘是编码器中的最重要的器件。图3.17是一个八位编码器的码盘和编码器的工作原理图。这里的码盘是一种自然码盘。绝对编码器的码形有多种形式。一种叫做格瑞码 的码盘特别适用于光学编码器（见图3.18(a)）。这种码盘每进一格仅改变一个数码，不易产生错码现象。

 

     

 

 

 

 

图 3.19 增量编码器码盘脉冲信息细分的工作原理，图中z表示零位 光电编码器的另一类是增量编码器。增量编码器的码盘如图3.18(b)所示。它的码盘是由明暗相间的条纹所构成。一般来讲同样分辨精度的增量编码器要比绝对编码器便宜得多。增量编码器还有一些提高分辨精度的方法。通常增量光栅码盘有四个刻道，其中两个是明暗相间的条纹码，另外两个是电源亮度指示码。这两个条纹码之间相互错开，这样这种码盘的编码器就不但可以给出码盘运动的角度和大小，而且可以给出码盘运动的方向。同时当光栅码盘的方波脉冲信息输入到顺时针 和逆时针 的增减计数器中时，这种两个条纹码的方波信息就可以分解为一倍、两倍或四倍的精细信号以提高编码器的分辨本领。如果光栅码盘的质量好，这种精细的四倍的信号可以精确到每一个信号脉冲的二分之一。
    为了获得更为精细的分辨本领一种用光栅读头的方法可以达到这个目的。（见图3.20）这时在旋转光栅的后面加上了一个小的子光栅。当相干光照射在光栅盘上时，在子光栅面上的光强为(leki,1999)：

图 3.20 增量编码器中子光栅码盘细分的工作原理图(leki,1999) 式中t1是光栅的投射率。如果第一个光栅的周期是p ，第二个光栅的周期也是p 。用w作为在焦面上的空间频率，则在焦面上的光能量为：

 

 

图 3.21增量编码器中子光栅码盘细分的光强信号和位移的关系，A.U表示任意 单位(leki,1999) Reprinted with permission from Taylor & Francis, Inc.。     当M=0时这一信号的光能量可以表示为一个级数形式。如果只取前面的两项的话，则焦点的光能是 的余弦函数。这样通过电细分，我们还可能获得更为精细的分辨精度。在实际应用中可以用四组子光栅，同时用于上下两组条纹上以提高电细分的精度。但是正如图3.21所示周期光栅的焦点能量并不是真正的余弦曲线，所以如果采用如图3.22所示的调制子光栅其焦点能量才是真正的余弦曲线，则细分后的分辨率精度就会更为准确。另外应用调制平行光源的方法，使用两个面积不同的面光源也可以使焦点能量成为正确的余弦函数。通过应用不同分辨率的增量光栅的组合，可以获得不同频率的正弦和余弦的值，这样就可制成精度非常高的绝对编码器。一般这种高精度的编码器总有多个码道，它们是直流参考码以及三至十五位的正余弦码。

图 3.22 增量编码器的两种调制子光栅的光栅具体尺寸(leki,1999)

 

    现代光栅技术结合 的本身的精度也可以极大地提高光电编码器的精度。一个16位的增量编码器，如在其码盘上加上16位的绝对码图案，通过 使增量码两相邻条纹同时成像，则 会给出码盘的精确位置，以至于获得24位以上的绝对编码器的精度，这是十分重要的技术进展。
    (2)圆感应同步器
    另一种类似的轴角编码装置是圆感应同步器。与光电编码器不同，圆感应同步器是一种模拟装置。各个数值的变化是连续的，而不是跳动式的。圆感应同步器的基本原理如图3.23所示，它由定子和动子所组成。它的动子只有一个线圈，而在它的定子上，有 个线圈构成 个极。它的每一个线圈之间的夹角是 度。当在动子中输入交流电压 ，并且动子轴线和定子的零点偏离一定角度 时，则在定子上的各个线圈内就会产生不同量的电流。如图3.24中所示，有：

图3.23 圆感应同步器的基本原理

 

 

图3.24 圆感应同步器定子上的各个线圈内的输出电压

 

式中 是一比例常数。如果将定子上的线圈如图3.23中所示互相连结起来，则在定子上就会产生如下的电流：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

利用圆感应同步器这一特性，就可以用来测定微小角度的变化。在使用圆感应同步器时为了测定角度的绝对位置，还要加上一个粗码盘。比较光电编码器，圆感应同步器有如下几个好处：(a)线圈动定盘比较便宜，(b)对环境要求较低，可以用于温度变化和有振动的场合。
    (3)编码器的应用和其它角度测定方法
    应用光电编码器在控制回路中要采用数模转换装置，而圆感应同步器可以直接用于同步驱动的控制。不过它们两种都能实现轴角位置的绝对指示或者增量指示。它们的位置精度高，误差的重复性能好，只是高位数的指示器价格较高。光栅带尺加摩尔条纹的轴角指示方法是近年新发展起来的，这种方法特别适用于大口径的望远镜。这种光栅带尺的精度约小于1微米，一般是均匀地粘贴在大型驱动轮的边缘，并通过摩尔条纹给出高达 的分辨精度。光栅带尺的缺点是不能保证全部条纹的一致性，这需要在计算机控制中使用列表法予以校正。在望远镜中光栅带尺常用于位置的绝对定标。

 

    望远镜绝对定位精度是为了准确导星、定位的需要，而增量定位则是为了精确导星的要求。因此增量编码器要求有较高的分辨精度。绝对编码器可以直接与望远镜传动轴连接，这时位置指示没有其它的误差因素。但是有的时候由于编码器的位数较低或者望远镜传动轴需要通过光线，也可以将编码器装置在第一级齿轮付上。这时编码器的分辨精度得到放大，但同时齿轮的误差也将影响角度绝对值显示的精度。这一误差对绝对位置定标有很大的影响。但是近年来有不少望远镜采用了分辨精度高的增量放大指示装置，而使用别的重复性极好的装置，如高灵敏度的水平仪或者特别的光栅刻线来提供轴角位置的绝对零点，这样就不再需要昂贵的绝对编码器了。在一些较新的望远镜中还有利用精密电磁开关来作为轴角绝对位置的编码，这种电磁开关的重复性精度约为1微米。在这种设计中每隔10或者15度就安装一个精密电磁开关。在每一个精密电磁开关之间，使用增量编码器，甚至可以使用磨擦面来带动一个低位的增量编码器。这种设计要比较其它设计成本更低。各种编码器都要进行正确的安装，才能发挥其分辩精度。当编码器和轴连接时，最重要的就是要避免在编码器轴上施加任何力和力矩。因此编码器的联轴器应该在轴向和径向上强度比较低，而在圆周方向上强度很高。

    对于新型的六杆平台式的望远镜，有的还安装了一种叫光纤谐振陀螺仪的测角装置。一种光纤谐振陀螺仪总共包括三个光纤回路。从频宽很小的激光二极管向一根光纤的一端发出一束光，同时这一光纤的末端绕回到起始端并与起始端处的光纤通过一个光藕合器藕合，形成一个在两个方向上都有光线通过的回路。在这个回路的中部，又有另一个光藕合器使得第一个回路和第二个光纤环实现藕合。同时在第二个光纤环中的对面又有第三个光藕合器以实现第二光纤环和第三光纤回路的藕合。第三光纤回路是一个开环回路，两端和探测器相连。这种系统中如果所有的回路和藕合器均为固定的并且在第二个光纤回路中两个藕合器正好位于回路的对称点上，它就会对一个特定的波长的光产生谐振。而当第二个回路相对于第一个回路有一个很小的转角时，在第二个回路中会在一个方向上的光路增加，而在另一个方向上的光路减少，因此新的系统会在两个不同的频率上产生谐振。比较原有的谐振频率，其中一个频率要大些，另一个则小些。测量谐振频率的变化就可以来了解角度的变化，以达到角度测量的目的。

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