編碼器基本原理
一、概述
將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的模擬量(位移)轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號(hào),這類傳感器稱為編碼器又稱數(shù)字編碼器。
編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性而廣泛用于各種位移測(cè)量。
編碼器的種類很多。按其結(jié)構(gòu)形式有直線式編碼器和旋轉(zhuǎn)式編碼器。由于許多直線位移是通過(guò)轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的,因此旋轉(zhuǎn)式編碼器應(yīng)用更為廣泛。

編碼器按其檢測(cè)原理分為電磁式、接觸式、光電式等。
光電式編碼器具有非接觸和體積小的特點(diǎn),分辨率高,它作為精密位移傳感器在自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)控制技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。
目前我國(guó)已有23位光電編碼器,為科學(xué)研究、軍事、航天和工業(yè)生產(chǎn)提供了對(duì)位移量進(jìn)行精密檢測(cè)的手段。
旋轉(zhuǎn)式編碼器又分為增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器。
增量式編碼器的輸出是一系列脈沖,需要一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)對(duì)脈沖進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù),一般還需要基準(zhǔn)數(shù)據(jù)即零位基準(zhǔn)才能完成角位移測(cè)量。

絕對(duì)式編碼器不需要基準(zhǔn)數(shù)據(jù)及計(jì)數(shù)系統(tǒng)，它在任意位置都可給出與位置相對(duì)應(yīng)的固定數(shù)字碼輸出。
1增量型編碼器(incremental encoder)
增量型編碼器每轉(zhuǎn)一周可產(chǎn)生一系列的脈沖，脈沖的數(shù)量可表示角位移的測(cè)量。編碼器內(nèi)有一圓盤(pán)——編碼盤(pán)。通常為一光學(xué)玻璃,碼盤(pán)最外圈的碼道上均布有相當(dāng)數(shù)量的透光與不透光的扇形區(qū)域,用來(lái)產(chǎn)生記數(shù)脈沖的增量碼道，扇形區(qū)的多少?zèng)Q定了編碼器的分辨率,扇形區(qū)越多
分辨率越高。例如一個(gè)每轉(zhuǎn)5000的增量形編碼器，其碼盤(pán)上共有5000個(gè)透光和不透光的扇形區(qū)域。這個(gè)碼盤(pán)被安裝到編碼器的旋轉(zhuǎn)軸上
增量式編碼器的碼盤(pán)刻線間距均等對(duì)應(yīng)每一個(gè)分辨率區(qū)間,可輸出一個(gè)增量脈沖。
光源發(fā)出平行且定向的光束照到碼盤(pán)上,光敏元件接受被調(diào)制的光線,獲得四組正弦波信號(hào)組合成A、B、C、D,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),將C、D信號(hào)反向疊加在A、B兩相上,可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào);另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。
用一些數(shù)字電子元器件將信號(hào)放大,并整形出正交波的脈沖系列,由電纜傳出。由于A、B兩相相差90度,可通過(guò)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)，通過(guò)零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。
可辨向光柵盤(pán)結(jié)構(gòu)和辨向原理如圖2,有A相、B相和Z相三條環(huán)帶。A相和B相在碼盤(pán)上互相錯(cuò)半個(gè)區(qū)域,在相位上相差1/4周期,在波形上相差900,即相互垂直。利用B相的上升沿觸發(fā)檢測(cè)A相的狀態(tài),由此判斷旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)碼盤(pán)以某個(gè)方向勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)(如CW),A相超前B相首先導(dǎo)通;當(dāng)碼盤(pán)反方向(CCW)勻速旋轉(zhuǎn)時(shí),A相滯后于B相。
采用簡(jiǎn)單的邏輯電路判斷編碼器輸出的A相和B相輸出脈沖時(shí)序便可確定碼盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向。并且對(duì)A相或者B相的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，得出旋轉(zhuǎn)的角位移或者角速度。如果碼盤(pán)做變速運(yùn)動(dòng),可把它看做多個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的組合，其辨向方法和速度計(jì)算方法相同。Z相脈沖用來(lái)設(shè)置碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)每周的清零,作為軸的初始位置計(jì)算當(dāng)前的角度(360。范圍內(nèi))。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(wàn)小時(shí)以上,抗*力強(qiáng),可靠性高,適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。
2、絕對(duì)型編碼器（旋轉(zhuǎn)型)
絕對(duì)編碼器光碼盤(pán)上有許多道光通道刻線,每道刻線依次以2線、4線、8線、16線.....編排，這樣,在編碼器的每一個(gè)位置,通過(guò)讀取每道刻線的通、暗,獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯yi的2進(jìn)制編碼(格雷碼),這就稱為n位絕對(duì)編碼器。這樣的編碼器是由光電碼盤(pán)的機(jī)械位置決定的,它不受停電、干擾的影響。
絕對(duì)編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置是唯yi的,它無(wú)需記憶,無(wú)需找參考點(diǎn),而且不用一直計(jì)數(shù),什么時(shí)候需要知道位置,什么時(shí)候就去讀取它的位置。這樣,編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。

3、光電編碼器
光電式編碼器主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤(pán)(碼盤(pán))、狹縫以及安裝在圓盤(pán)兩邊的光源和光敏元件等組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。碼盤(pán)由光學(xué)玻璃制成,其上到有許多同心碼道,每位碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分,即亮區(qū)和暗區(qū)。碼盆構(gòu)造如圖2所示,它是一個(gè)8位二進(jìn)制碼盤(pán)。當(dāng)光源將光投射在碼盤(pán)上時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)碼盤(pán)，通過(guò)亮區(qū)的光線經(jīng)狹縫后，由光敏元件所接收。光敏元件的排列與碼道一一對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號(hào),前者為“1”,后者為“O”。Y碼盤(pán)旋至不同位置時(shí),光敏元件輸出信號(hào)的組合反映出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量,代表了碼盤(pán)軸的角位移大小。
編碼器碼盤(pán)按其所用碼制可分為二進(jìn)制碼、十進(jìn)制碼、循環(huán)碼等。圖2所示的8位二進(jìn)制碼盤(pán),員內(nèi)困碼盤(pán)一半透光,一半不透光.最外圈一共分成28=256個(gè)黑白間隔每一個(gè)角度方位對(duì)應(yīng)于不同的編碼。