第十二讲 编码器

AA位置时，正确读数为0111，为十进制数7。若码道C4 黑区做得太短，就误读为1111，为十进制数15。反之， ’时，就会将1000读为 若黑区C4太长，当狭缝处于AA AA’ 0000。这两种情况下都将产生粗误差。
二进制码盘的粗大误差及消除
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要求各个码道刻划精确，彼此对准，这给码盘 制作造成很大困难。由于微小的制作误差，只 要有一个码道提前或延后改变，就可能造成输 出的粗大误差。 消除粗大误差方法： 双读数头法； 格雷码(循环码)代替二进制码
码盘
接触式编码器工作原理（以四位二进制码盘为例）
8421码： 是最基本、最简单 的二进制码，是用 四位 二进制来表示 一位等值的十进制 数，共十六种组合。 以8421制作的码盘和旋转轴固定在一起。 码盘上有四圈码道，相应地，对应码道上有一个电刷。 四个电刷沿着一个固定的径向 安装。 涂黑处为导电区，电刷接触导电部分时，输出高电平（“1”） 白处为绝缘区 ，电刷接触绝缘部分时，输出低电平（“0”）
特点：非接触，体积小， 寿命长，分辨率高
1.接触式编码器
接触式编码器由码盘和电刷组成 码盘：是利用制造印刷电路板的工艺，在铜箔 板上制作某种码制图形（如8-4-2-1码等）的盘 式印刷电路板。 电刷：是一种活动触头结构，在外界力的作用 下旋转码盘时，电刷与码盘接触处就产生某种 码制的某一数字编码输出。
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
2.绝对式光电编码器
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的 机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。 构成：由光学玻 璃制成的圆形码盘， 码盘上刻有同心码 道，码道上有亮区和 暗区；光源经光学系 统形成一束平行光通 过狭缝形成窄光束照 射在光电元件上； 光电编码器的精度取决于码盘的精度。
增量式编码器 转轴 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝
A C B C B
A
光敏元件
盘码及 狭缝 零位标志
辨向信号和零标志
光电编码器的光栏板上 有 A 组与 B 组两组狭缝，彼 此错开 1/4 节距，两组狭缝 相对应的光敏元件所产生的 信号 A 、 B 彼此相差 90 ° 相 位，用于辩向。当编码正转 时， A 信号超前 B 信号 90 ° ； 当码盘反转时， B 信号超前 A信号90°。
光电码盘的特点 是除了转轴之外，不 存在接触磨损，允许 高速旋转。
大多数编码器都是单盘的，全部码道则在一个圆盘上。但如要 求有很高的分辨率时，码盘制作困难，圆盘直径增大，而且精 度也难以达到。如要达到1″左右的分辨率，至少采用 20 位的码 盘。对于一个刻划直径为 400mm的20位码盘，其外圈分划间隔 不到1.2μm，可见码盘的制作不是一件易事，而且光线经过这 么窄的狭缝会产生光的衍射。这时可采用双盘编码器，它的特 点是由两个分辨率较低的码盘组合成为高分辨率的编码器。
3.绝对式磁电编码器
磁编码器是近几年发展起来的新型传感器。它主要由磁鼓与 磁阻探头组成， 它的构成如图所示。
3 2
N NS
SN NS SN NS
S
4 1 1— ; 2— ; 3— ; 4—
电磁式编码器的码盘上按照一定的编码图形，做成磁化区 （导磁率高）和非磁化区（导磁率低），采用小型磁环或微型马 蹄形磁芯作磁头， 磁环或磁头紧靠码盘，但又不与码盘表面接 触。每个磁头上绕两组绕组，原边绕组用恒幅恒频的正弦信号激 励，副边绕组用作输出信号，副边绕组感应码盘上的磁化信号转 化为电信号，其感应电势与两绕组匝数比和整个磁路的磁导有关。 当磁头对准磁化区时，磁路饱和，输出电压很低，如磁头对准非 磁化区，它就类似于变压器， 输出电压会很高，因此可以区分 状态“1”和“0”。几个磁头同时输出，就形成了数码。 电磁式编码器由于精度高，寿命长，工作可靠，对环境条件 要求较低，但成本较高。
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 °/2n α=360 =360°
二进制码盘主要特点：
（1）n 位(n个码道 )的二进制码盘具有 2n种不同编码， 称其容量为2n， 其最小分辨力θ1＝3600／2n ； （2）二进制码为有权码，编码 CnCn-1… C1对应于由零 位算起的转角为：
二、增量式角编码器
增量式编码器（即脉冲盘式编码器）是直接利用 光电转换原理输出三组方波脉冲 A、B 和C 相；A、B 两组脉冲相位差 900，从而可方便地判断出旋转方向， 而 C 相为码盘每转一圈就产生一个脉冲，用于基准点 定位。
有三个码道：最外圈——零位码道 中间——外圈A码道 B码道 最内圈—— ——B
传感器及检测技术
第6章 数字式传感器
编码器
Fra Baidu bibliotek
湖北工业大学机械学院
§6－2 角编码器
将机械转动的模拟量（位移）转换成 以数字代码形式表示的电信号，这类传感 器称为编码器。编码器以其高精度、 高分 辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测 量。 编码器的种类很多，按照测角度位移 和直线位移分别有码盘和码尺，码盘即为 角编码器。
8α
9α 10α 11α 12α 13α 14α 15α
a b c d e f g h i j k l m n o p
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000
n i −1 C 2 ∑ i θ1 i =1
（3）码盘转动中，若第K位CK变化，则所有低于第K <K)全部同时改变。 位的位Cj(j (j<K)
存在问题：
由于四个电刷扫描的不同步容易引起错 码。另外，电刷安装不精确引起的机械偏 差，码盘制作和安装不准等。
二进制码盘的粗误差（了解）
� 上图是一个四位二进制码盘展开图。当读数狭缝处于
狭缝C，每转一圈能产生一个脉冲，该脉冲信号又称 “一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。
测量电路 目前都将光敏元件输出信号的放大整形等电路与 传感器检测元件封装在一起。故测量电路部分只需计 数和细分电路。 1. 计数电路
计数电路波形图如下： 正转时 反转时
2. 细分电路 和光栅细分电路原理相同。
�
提高精度的途径（防止错码的出现）是 常采用循环码盘。循环码的特点是相邻两个 数码间只有一位变化，即使制造或安装不精 确，产生的误差最多也只是最低位，在一定 程度上可消除非单值误差。因此采用循环码 盘比8-4-2-1码盘的精度更高。
角
度
电刷位置
二进制码（B）
循环码（R）
十进制数
0 1α 2α 3α 4α 5α 6α 7α
接触式编码器
无论码盘处在哪个角度，均有一个4位二进 制编码与该角度对应。 码道的圈数就是二进制的位数。若有n圈码 道，就称为n位码盘，圆周就被分为2的n次方个 数据，能分辨的角度（即为分辨率）
显然，编码器的分辨率与码道数n有关，位 数n越大，分辨率越高，测量准确度就越高。若 要提高分辨能力，就必须增加码道数。
数字式角编码器
（参考德国沃申道夫公司资料）
信号航空插头
其他角编码器外形
拉线式角编 码器利用线轮， 能将直线运动转 换成旋转运动。
其他角编码器外形
（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）
绝对式角编码器结论
三种编码器相比较，光电式编码器的性价 比最高，它作为精密位移传感器在自动测量和 自动控制技术中得到了广泛的应用。目前我国 已有23位光电编码器， 为科学研究、军事、航 天和工业生产提供了对位移量进行精密检测的 手段。
角编码器是一种旋转式位置传感器，它的 转轴通常随被测轴一起转动，能将被测轴的角 位移转换成二进制编码或一串脉冲。 绝对式编码器（直接式） 角编码器 增量式编码器
一、绝对式角编码器
绝对式（直接）角编码器是直接将 角位移转换为二元码（即“0”或“1”）。 接触式 绝对式角编码器 光电式 非接触式编码器 磁阻式
码盘（以6位二进制码盘为例）
110000
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有多少条码道，就有多 长的二进制数，工业上 常用的是21码道。 从里向外读数 亮区：定义为高电平1 暗区：定义为低电平0 零位（全黑）：000000
缺点：码道多，要求制造精度高，否则，会产生很大的误差。
当狭缝对准a,b,c,…p位置时， 得到的数码将是 0000,0001,0010,…1111
增量式编码器 它的优点是原理 构造简单，机械平均 寿命可在几万小时以 上，抗干扰能力强， 可靠性高，适合于长 距离传输。其缺点是 无法输出轴转动的绝 对位置信息。
10码道光电绝对式码盘
零位标志
增量式码盘
编码器的安装方式 1.编码器 的套式安装
安装套
2.编码器的轴式安装
安装轴
增量式光电编码器的分辨力及分辨率 增量式光电编码器的测量精度取决于它 所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的 狭缝条纹数 n 有关，即最小能分辨的角度及 分辨率为：
360 α= n
0
1 分辨率＝ n
增量编码器原理演示
θ 顺时针旋转式超前
360 0 θ1 = m
增量编码器原理演示
θ 逆时针旋转时滞后
360 0 θ1 = m
θ
360 0 θ1 = m
360 0 θ1 = m
编码器在伺服电机中的应用
闭环控制
三相电参数
利用编码器测 量伺服电机的转速、 转角，并通过伺服 控制系统控制其各 种运行参数。
•转速测量 •转子磁极位置测量 •角位移测量
编码器在定位加工中的应用
1—绝对式编码器 2—电动机 3—转轴 4—转盘 5—工件 6—刀具
Question： 1、角度编码器的类型有哪些？ 2、二进制编码盘的粗大误差是什么？如何消除？ 3、增量式编码器如何实现辨向？ 4、编码器分辨力如何计算？