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(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖、數(shù)字量或模擬量信號(hào)輸出的傳感器。利用它可以實(shí)現(xiàn)角度、直線位移、轉(zhuǎn)速等模擬物理量的測(cè)量。

一、特點(diǎn)

    它具有體積小、重量輕、品種多、功能全、高頻響應(yīng)、分辨能力高、承載能力強(qiáng)、力矩小、耗能低；性能穩(wěn)定、可靠、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

 

二、編碼器分類

1、按信號(hào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的位置信息。

2） 式編碼器

    利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制（格雷碼）方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)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(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測(cè)位置。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。它的特點(diǎn)是：

（1）可以直接讀出角度坐標(biāo)的值；

（2）沒有累積誤差；

（3）電源切除后位置信息不會(huì)丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，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(cè)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(cè)量的檢測(cè)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(tǒng)稱為碼盤。從編碼器的使用記數(shù)來分類，有二進(jìn)制編碼、二進(jìn)制循環(huán)碼（葛萊碼）、二-十進(jìn)制碼等編碼器。從結(jié)構(gòu)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(gè)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(gè)等分段。該碼盤的工作原理是三極記數(shù)：粗、中、精計(jì)數(shù)。碼盤轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)由對(duì)“一轉(zhuǎn)脈沖”的計(jì)數(shù)表示。在一轉(zhuǎn)以內(nèi)的角度位置有葛萊碼的4*16不同的數(shù)值表示。每1/4圓葛萊碼的細(xì)分有外圓的增量碼完成。

    增量式光電編碼器：測(cè)速，測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，測(cè)移動(dòng)角度、距離(相對(duì))。

A：工作原理圖

B：工作原理：

1）光電編碼器的組成：一個(gè)中心有軸的光電碼盤，在圓盤上有規(guī)則地刻有透光和不透光的線條，在圓盤兩側(cè)，安放發(fā)光元件和光敏元件。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(jīng)過整形后變?yōu)槊}沖，獲得四組正弦波信號(hào)組合：A、/A、B、/B ，每個(gè)正弦波相差90度相位差（相對(duì)于一個(gè)周波為360度）用以判斷旋轉(zhuǎn)方向。碼盤上有Z相標(biāo)志（參考機(jī)械零位），每轉(zhuǎn)一圈輸出一個(gè)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(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，如果A相脈沖比B相脈沖超前則光電編碼器為正轉(zhuǎn)，否則為反轉(zhuǎn)；通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。

3）當(dāng)脈沖數(shù)已固定，而需要提高分辨率時(shí)，可利用90°相位差A(yù)、B兩路信號(hào)，對(duì)原脈沖數(shù)進(jìn)行2倍頻或4倍頻。

4）軸的每圈轉(zhuǎn)動(dòng)，增量型編碼器提供一定數(shù)量的脈沖。周期性的測(cè)量或者單位時(shí)間內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)可以用來測(cè)量移動(dòng)的速度。如果在一個(gè)參考點(diǎn)后面脈沖數(shù)被累加，計(jì)算值就代表了轉(zhuǎn)動(dòng)角度或行程的參數(shù)。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(shè)備接收軸的旋轉(zhuǎn)感應(yīng)信號(hào)， 因此可用來實(shí)現(xiàn)雙向的定位控制；另外，三通道增量型旋轉(zhuǎn)編碼器每一圈產(chǎn)生一個(gè)稱之為零位信號(hào)的脈沖。
C：關(guān)于碼盤

a）脈沖信號(hào)

  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(wěn)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(wěn)定性就要比玻璃的差一個(gè)數(shù)量級(jí)，塑料碼盤是經(jīng)濟(jì)型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。

b)分辨率

    編碼器以每旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)分度5~10000線。

c)機(jī)械轉(zhuǎn)速和電氣轉(zhuǎn)速

  機(jī)械轉(zhuǎn)速

    編碼器的機(jī)械轉(zhuǎn)速以每分鐘大可以旋轉(zhuǎn)多少圈表示——rpm。

  電氣轉(zhuǎn)速

    編碼器的電氣轉(zhuǎn)速也稱為開關(guān)頻率，是讀取每個(gè)脈沖信號(hào)的反應(yīng)速度，以每秒多少次表示——Hz。

1.大工作速度應(yīng)同時(shí)兼顧編碼器的機(jī)械轉(zhuǎn)速、電氣轉(zhuǎn)速以及編碼器后續(xù)接收設(shè)備的開關(guān)頻率。

Nmax=Fmax×60/Z；Nmax：大轉(zhuǎn)速；Fmax：高響應(yīng)頻率；Z：每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)

2.每秒鐘光電編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)：

   N=電機(jī)的轉(zhuǎn)速n×每轉(zhuǎn)線數(shù)/60

   例如，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=1000轉(zhuǎn)/分，線數(shù)為600，則每秒鐘光電編碼器的脈沖個(gè)數(shù)應(yīng)為
   N=1000 × 600/60=10000（個(gè)）脈沖

   若n=1轉(zhuǎn)/分
   則N=1 × 600/60 =10（個(gè)）

d)信號(hào)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(zhǎng)線差分驅(qū)動(dòng)（對(duì)稱A，/A；B，/B；Z，/Z）；

   HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號(hào)接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對(duì)應(yīng)。

e)信號(hào)連接

   連接設(shè)備：計(jì)數(shù)器、PLC、計(jì)算機(jī)

   連接方式：

1. 單相連接：

    用于正反向計(jì)數(shù)和測(cè)速

2. A、B兩相連接：

    用于正反向計(jì)數(shù)、判斷正反向和測(cè)速

3. A、B、Z三相連接：

    用于帶參考位修正的位置測(cè)量。

1）PLC和計(jì)算機(jī)連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關(guān)頻率有低有高。

2）三相連接：

    由于帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)的連接，電流對(duì)于電纜貢獻(xiàn)的電磁場(chǎng)為0，衰減小，抗干擾，可傳輸較遠(yuǎn)的距離。

    對(duì)于TTL的帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá)150米。

    對(duì)于HTL的帶有對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá)300米。