光电编码器详解

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：