第3章第3.2節(jié)光電編碼

1、 光電編碼器可分為增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器。光電編碼器可分為增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器。一增量式編碼器一增量式編碼器 增量式編碼器的原理是光柵莫爾條紋。形成莫爾條紋是增量式編碼器的原理是光柵莫爾條紋。形成莫爾條紋是光柵。光柵。 在鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明暗相間、等間距分布的細(xì)小條紋（又稱(chēng)為刻線），這就是光柵，圖13-1為透射光柵的示意圖。圖中a為柵線的寬度（不透光），b為柵線間寬（透光）， a+b=W稱(chēng)為光柵的柵距（也稱(chēng)光柵常數(shù)）。通常a=b=W/2，也可刻成a b=1.1 0.9。目前常用的光柵每毫米刻成10、25、50、 100、250條線條。 圖13 1 透射光柵示意圖 2莫爾條紋莫

2、爾條紋 把兩塊柵距相等的光柵（光柵1、光柵2）面向?qū)ΟB合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個(gè)很小的夾角，如圖13-2所示，這樣就可以看到在近于垂直柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋叫莫爾條紋。由圖13 - 2可見(jiàn)，在d - d線上，兩塊光柵的柵線重合，透光面積最大， 形成條紋的亮帶， 它是由一系列四棱形圖案構(gòu)成的；在f - f線上，兩塊光柵的柵線錯(cuò)開(kāi)，形成條紋的暗帶，它是由一些黑色叉線圖案組成的。因此莫爾條紋的形成是由兩塊光柵的遮光和透光效應(yīng)形成的。 圖13-2 光柵莫爾條紋的形式莫爾條紋莫爾條紋演示演示 莫爾條紋測(cè)位移具有以下三個(gè)方面的特點(diǎn)。 (1) 位移的放大作用 當(dāng)

3、光柵每移動(dòng)一個(gè)光柵柵距W時(shí)， 莫爾條紋也跟著移動(dòng)一個(gè)條紋寬度BH，如果光柵作反向移動(dòng)，條紋移動(dòng)方向也相反。莫爾條紋的間距BH與兩光柵線紋夾角之間的關(guān)系為 WWBH2sin（13 - 1） 越小，BH越大，這相當(dāng)于把柵距W放大了1/倍。例如=0.1，則1/573，即莫爾條紋寬度BH是柵距W的573倍， 這相當(dāng)于把柵距放大了573倍，說(shuō)明光柵具有位移放大作用， 從而提高了測(cè)量的靈敏度。 （2） 莫爾條紋移動(dòng)方向 如光柵1沿著刻線垂直方向向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿著光柵2的柵線向上移動(dòng)；反之，當(dāng)光柵1向左移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋沿著光柵2的柵線向下移動(dòng)。 因此根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)方向就可以對(duì)光柵1的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行辨向。

4、 (3) 誤差的平均效應(yīng) 莫爾條紋由光柵的大量刻線形成，對(duì)線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。 莫爾條紋莫爾條紋光學(xué)放大作用舉例光學(xué)放大作用舉例 有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，主光柵與，主光柵與指示光柵的夾角指示光柵的夾角 =1.8 ，則：，則： 分辨力分辨力 =柵距柵距W =1mm/50=0.02mm=20 m （由于柵距很小，因此無(wú)法觀察光強(qiáng)的變化）（由于柵距很小，因此無(wú)法觀察光強(qiáng)的變化）L W/ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm莫爾條紋的莫爾條紋的寬度是柵距

5、的寬度是柵距的32倍：倍：由于較大，因此可以用小面積的光電池由于較大，因此可以用小面積的光電池“觀察觀察”莫莫爾條紋爾條紋光強(qiáng)的變化。光強(qiáng)的變化。5結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)1）光源）光源 光源一般采用近紅外發(fā)光二極管，此類(lèi)LED動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，使用壽命長(zhǎng)，發(fā)光峰值波長(zhǎng)為0.94，與所使用的光電信息轉(zhuǎn)換器件峰值波長(zhǎng)相近，外形尺寸為直徑2mm，長(zhǎng)度5mm，和環(huán)氧樹(shù)脂透鏡封裝在一起。2）光柵盤(pán)）光柵盤(pán)主光柵盤(pán)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，與被測(cè)軸連接作同步轉(zhuǎn)動(dòng)，指示光柵一般不使用整塊光柵盤(pán)，而是使用光柵的一角，但柵距與主光柵相同。5結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)3）光電信息轉(zhuǎn)換器件）光電信息轉(zhuǎn)換器件 光電信息轉(zhuǎn)換器件，也叫光電接收器，一般使用光敏二極管或

6、光敏三極管，與LED的峰值波長(zhǎng)匹配。實(shí)用上一般使用一對(duì)光電接收器，放置間距調(diào)整到莫爾條紋間距的四分之一，這樣兩光電接收器輸出的信號(hào)相位差正好是900。4）機(jī)械結(jié)構(gòu)）機(jī)械結(jié)構(gòu) 主安裝光柵盤(pán)的 轉(zhuǎn)軸通過(guò)滾珠軸承與機(jī)械外殼連接，外殼由金屬封閉，以防電磁場(chǎng)的干擾，實(shí)際應(yīng)用時(shí)固定編碼器外殼，轉(zhuǎn)動(dòng)軸與被測(cè)軸連接即可。透射式圓光柵透射式圓光柵固定固定信號(hào)處理電路框圖如圖3.3.22所示。當(dāng)光柵盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電接收器輸出近似的正弦信號(hào)，經(jīng)放大后由施密特比較器進(jìn)行整形。辨向電路如圖3.3.23所示。 （1） 辨向原理 采用圖13-3中一個(gè)光電元件的光柵讀數(shù)頭， 無(wú)論主光柵作正向還是反向移動(dòng)，莫爾條紋都作明暗交替變

7、化， 光電元件總是輸出同一規(guī)律變化的電信號(hào)，此信號(hào)不能辨別運(yùn)動(dòng)方向。為了能夠辨向，需要有相位差為/2的兩個(gè)電信號(hào)。 圖13 - 5為辨向的工作原理和它的邏輯電路。在相隔BH/4間距的位置上，放置兩個(gè)光電元件1和2，得到兩個(gè)相位差/2的電信號(hào)u1和u2（圖中波形是消除直流分量后的交流分量），經(jīng)過(guò)整形后得兩個(gè)方波信號(hào)u1和u2。 1）精確測(cè)量角度和角位移；2）精確測(cè)量轉(zhuǎn)速；3）測(cè)量線速度，由測(cè)量轉(zhuǎn)速間接求得；4）測(cè)量線性位移，由測(cè)量角位移間接求得。7增量式編碼器的應(yīng)用增量式編碼器的應(yīng)用二絕對(duì)式編碼器二絕對(duì)式編碼器 光學(xué)碼盤(pán)也稱(chēng)為光學(xué)編碼器是一種絕對(duì)式編碼器。它以二進(jìn)制代碼運(yùn)算為基礎(chǔ)，用碼道的透光和

8、不透光兩種狀態(tài)代表二進(jìn)制代碼的“1”和“0”，它配以一定的電路可實(shí)現(xiàn)角位移量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。因此光學(xué)碼盤(pán)也稱(chēng)為是軸角數(shù)字編碼器增量式編碼其一般沒(méi)有確定的零位，它以相對(duì)值的形式反映位移信息；絕對(duì)式編碼器具有確定不變的零位，它所反映的位移信息是以零點(diǎn)為起點(diǎn)的絕對(duì)值。1光學(xué)碼盤(pán)的工作原理光學(xué)碼盤(pán)的工作原理 圖為光學(xué)碼盤(pán)的刻線圖案，在光學(xué)度盤(pán)上刻有許多圈同心的黑白粗光柵，這種同心的粗光柵稱(chēng)為碼道。碼道分為精碼道（即外層碼道它代表數(shù)位的低位）和粗碼道（即里圈碼道它代表數(shù)位的高位）。 10碼道光電絕對(duì)式碼盤(pán)碼道光電絕對(duì)式碼盤(pán) 絕對(duì)式編碼器按照絕對(duì)式編碼器按照角度直接進(jìn)行編碼，可角度直接進(jìn)行編碼，可直接把被

9、測(cè)轉(zhuǎn)角用數(shù)字直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來(lái)。根據(jù)內(nèi)代碼表示出來(lái)。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測(cè)方式有接部結(jié)構(gòu)和檢測(cè)方式有接觸式、光電式等形式。觸式、光電式等形式。 透光區(qū)透光區(qū)不透光區(qū)不透光區(qū)零位標(biāo)志零位標(biāo)志絕對(duì)式接觸式編碼器絕對(duì)式接觸式編碼器演示演示4 4個(gè)電刷個(gè)電刷 4 4位二進(jìn)制位二進(jìn)制碼盤(pán)碼盤(pán) +5V +5V輸入輸入 公共碼道公共碼道 最小分辨角度為最小分辨角度為 =360/2n 光學(xué)碼盤(pán)的工作原理如圖所示。在碼道3的一邊裝有光源1和柱面透鏡2，另一邊配有與每一碼道3相對(duì)應(yīng)的光電接收器4如硅光電池或光敏二極管陣列等。光源1發(fā)出的光束經(jīng)柱面透鏡2聚光成狹長(zhǎng)的強(qiáng)光束后，通過(guò)每一碼道的透光和不透光部分

10、，使光電接收器4輸出透光為“1”而不透光為“0”的二進(jìn)制代碼輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)角度的數(shù)字編碼，通過(guò)適當(dāng)?shù)淖g碼電路和計(jì)數(shù)電路，進(jìn)行軸角的數(shù)字測(cè)量與顯示。124531光源；2透鏡；3碼盤(pán)；4窄縫；5光電元件組2碼盤(pán)的編碼方法碼盤(pán)的編碼方法 在通訊技術(shù)中，把各種信息變成便于傳輸?shù)男盘?hào)過(guò)程叫做編碼，而把代表各種信息的信號(hào)稱(chēng)為代碼。二進(jìn)制代碼的“0”和“1”是光學(xué)編碼器的編碼單元。圖為一個(gè)由五個(gè)碼道組成的二進(jìn)制碼盤(pán)以及其編碼表及展開(kāi)圖。在圖中黑陰影部分代表不透光的“0”，亮區(qū)代表透光的“1”。二進(jìn)制碼盤(pán)的碼道數(shù)n和碼道編碼容量M之間關(guān)系為： M2 n當(dāng)n=5，M=32，也就是說(shuō)五碼道碼盤(pán)的碼道在一個(gè)圓周上被

11、分成32個(gè)等分。角度分辨率與碼道數(shù)n間的關(guān)系為 360 o/M360 o/2 n對(duì)應(yīng)于五個(gè)碼道，360o/M360o/2511.25 o。對(duì)于21個(gè)碼道，0o68”。碼盤(pán)的角度分辨率代表著單位數(shù)字量的角度值，由此可知，光學(xué)碼盤(pán)的碼道越多，角度分辨率和數(shù)字轉(zhuǎn)換與測(cè)量的精度越高。從圖中我們也可以看出，二進(jìn)制碼在進(jìn)位或相鄰兩數(shù)變化時(shí)，常常是多個(gè)位數(shù)上的代碼同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如從(01111)2向(10000)2進(jìn)位時(shí)(即相當(dāng)于從十進(jìn)制的15到16)，五個(gè)碼道同時(shí)發(fā)生代碼轉(zhuǎn)換 3循環(huán)碼及其轉(zhuǎn)換循環(huán)碼及其轉(zhuǎn)換 采用二進(jìn)制編碼器時(shí)，任何微小的制作誤差，都可能造成讀數(shù)的粗誤差。 這主要是因?yàn)槎M(jìn)制碼當(dāng)某一較高的

12、數(shù)碼改變時(shí)， 所有比它低的各位數(shù)碼均需同時(shí)改變。如果由于刻劃誤差等原因， 某一較高位提前或延后改變，就會(huì)造成粗誤差。 為了消除粗誤差，可用循環(huán)碼代替二進(jìn)制碼。表13-1 給出了四位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的對(duì)照表。從表中看出，循環(huán)碼是一種無(wú)權(quán)碼，從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時(shí)，僅有一位數(shù)碼發(fā)生變化。如果任一碼道刻劃有誤差，只要誤差不太大，且只可能有一個(gè)碼道出現(xiàn)讀數(shù)誤差，產(chǎn)生的誤差最多等于最低位的一個(gè)比特。所以只要適當(dāng)限制各碼道的制造誤差和安裝誤差，都不會(huì)產(chǎn)生粗誤差。 由于這一原因使得循環(huán)碼碼盤(pán)獲得了廣泛的應(yīng)用。圖13 - 8所示的是一個(gè)6位的循環(huán)碼碼盤(pán)。對(duì)于n位循環(huán)碼碼盤(pán)，與二進(jìn)制碼一樣，具有2n種不同編碼，最

13、小分辨率=360/2n。 表表13-1 四位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼對(duì)照表四位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼對(duì)照表 圖13-8 6位循環(huán)碼碼盤(pán) 絕對(duì)式編碼器由光源、碼盤(pán)、光電信息轉(zhuǎn)換器件、電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。 在基體上形成透明和不透明碼區(qū)的循環(huán)碼盤(pán)，其制成方法是利用一個(gè)精密設(shè)計(jì)制造的母碼盤(pán)，通過(guò)光刻方法復(fù)制生產(chǎn)出使用的碼盤(pán)，碼盤(pán)的制造精度直接影響編碼器的輸出精度。 絕對(duì)式編碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.3.28所示。5絕對(duì)式編碼器的結(jié)構(gòu)絕對(duì)式編碼器的結(jié)構(gòu)6絕對(duì)式編碼器的特點(diǎn)絕對(duì)式編碼器的特點(diǎn) 1）能反映被測(cè)值（角度，位移等）的絕對(duì)值，也能測(cè)出變化量的相對(duì)值（讀出初始值和終值），不怕掉電。 2）如測(cè)量值大于360度，則需要用

14、二個(gè)碼盤(pán)，由齒輪精確傳動(dòng)，使大碼盤(pán)轉(zhuǎn)一周，小碼盤(pán)轉(zhuǎn)一個(gè)單位（1位）。這樣，只要讀出大碼盤(pán)和小碼盤(pán)的值，就可測(cè)出較大的角度范圍。 3）抗干擾特強(qiáng)，測(cè)量精度高，適合生產(chǎn)第一線使用。 4）碼盤(pán)的碼道數(shù)增加，分辨率也增加，精度提高，但尺寸增大，造價(jià)昂貴。碼道寬度由光電接收器的幾何參數(shù)和物理特性決定。5結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)角編碼器的應(yīng)用角編碼器的應(yīng)用 角編碼器除了能直接測(cè)量角位移或間角編碼器除了能直接測(cè)量角位移或間接測(cè)量直線位移外，可用于數(shù)字測(cè)速、工接測(cè)量直線位移外，可用于數(shù)字測(cè)速、工位編碼、位編碼、伺服電機(jī)控制伺服電機(jī)控制等。等。 . .間接測(cè)量間接測(cè)量 在間接測(cè)量中，在間接測(cè)量中，多使用旋轉(zhuǎn)式位置多使用旋轉(zhuǎn)式位

15、置傳感器。測(cè)量到的傳感器。測(cè)量到的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)僅僅回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)僅僅是中間值，但可由是中間值，但可由這中間值再推算出這中間值再推算出與之關(guān)聯(lián)的移動(dòng)部與之關(guān)聯(lián)的移動(dòng)部件的直線位移間接件的直線位移間接測(cè)量須使用絲杠測(cè)量須使用絲杠- -螺母、齒輪螺母、齒輪- -齒條齒條等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 工作臺(tái)工作臺(tái)絲杠絲杠編碼器編碼器進(jìn)給電機(jī)進(jìn)給電機(jī) xM法測(cè)速（適合于高轉(zhuǎn)速場(chǎng)合）法測(cè)速（適合于高轉(zhuǎn)速場(chǎng)合）T 編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生 N 個(gè)脈沖，在個(gè)脈沖，在T 時(shí)間段內(nèi)有時(shí)間段內(nèi)有 m1 個(gè)脈沖產(chǎn)生，則轉(zhuǎn)速個(gè)脈沖產(chǎn)生，則轉(zhuǎn)速（r/min)為為 ：n = 60m1/（NT） m1例題例題T 有一增量式光電

16、編碼器，其參數(shù)為有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r， 在在5s時(shí)間時(shí)間內(nèi)測(cè)得內(nèi)測(cè)得65536個(gè)脈沖，則轉(zhuǎn)速（個(gè)脈沖，則轉(zhuǎn)速（r/min)為為 ： n = 60m1/（TN） n = 60 65536 /（1024 5） r/min = 768 r/min m1編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生 N 個(gè)脈沖，在個(gè)脈沖，在T 時(shí)間段內(nèi)有時(shí)間段內(nèi)有 m1 個(gè)脈沖產(chǎn)生，個(gè)脈沖產(chǎn)生，則轉(zhuǎn)速（則轉(zhuǎn)速（r/min)為為 ：n = 60m1/（NT）T法測(cè)速（法測(cè)速（適合于低轉(zhuǎn)速場(chǎng)合）適合于低轉(zhuǎn)速場(chǎng)合）時(shí)鐘脈沖時(shí)鐘脈沖fc 編碼器輸出脈沖編碼器輸出脈沖 m2 編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生 N 個(gè)脈沖，用已

17、知個(gè)脈沖，用已知頻率頻率fc作為時(shí)鐘，填充到編碼器輸出的兩作為時(shí)鐘，填充到編碼器輸出的兩個(gè)相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為個(gè)相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為m2 ，則轉(zhuǎn)速，則轉(zhuǎn)速(r/min)為為 n = 60fc / （Nm2 ） T法測(cè)速舉例法測(cè)速舉例時(shí)鐘脈沖時(shí)鐘脈沖fc 編碼器輸出脈沖編碼器輸出脈沖 m2 n = 60fc /（Nm2 ） = 60*1000000/（1024*3000） =19.53 r/min 有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r，測(cè)得兩個(gè)相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為測(cè)得兩個(gè)相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為3000，時(shí)鐘頻，時(shí)鐘頻率率fc為為1MHz ，則轉(zhuǎn)速（，則轉(zhuǎn)速（r/min)為為 ： 編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生 N 個(gè)脈沖，用已知頻率個(gè)脈沖，用已知頻率fc作為時(shí)鐘，填充到編碼器輸出的兩作為時(shí)鐘，填充到編碼器輸出的兩個(gè)相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為個(gè)相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為m2 ，則轉(zhuǎn)速，則轉(zhuǎn)速