光電編碼器的分類與應(yīng)用研究

鐘丹陽(yáng)

摘 要：光電編碼器就是采用高精度劑量光柵作為檢測(cè)元件，可以把角度、位置等物理量利用光電效應(yīng)原理，轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào)加以輸出，在各個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域都有著良好的應(yīng)用前景，其類型多種多樣，每一種光電編碼器的特性與優(yōu)勢(shì)是不同的。具有精度高、能耗小、測(cè)量范圍廣、體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該文主要就光電編碼器的應(yīng)用分類與應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：光電編碼器 分類 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TN764 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）12（c）-0034-02

光電編碼器是廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制和自動(dòng)化領(lǐng)域里的一種傳感裝置，它的作用主要是把角度、位置等物理量利用光電效應(yīng)原理，轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào)加以輸出。按照測(cè)量方式的不同可以將光電編碼器分為旋轉(zhuǎn)編碼器和直尺編碼器兩種類型。該文對(duì)編碼器的類型以及應(yīng)用做出了闡述。

1 增量式編碼器

增量式編碼器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、價(jià)格低、精度高、響應(yīng)速度快，深受市場(chǎng)的歡迎，應(yīng)用比直尺編碼器也要廣泛。它在高分辨率和大量程角速度、位移測(cè)量系統(tǒng)中體現(xiàn)出了無(wú)可替代的作用。增量式光電編碼器是通過(guò)光電信號(hào)，將軸的機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。它的工作特點(diǎn)是每次編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)預(yù)設(shè)的角度，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)輸出。這樣通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)數(shù)量的統(tǒng)計(jì)來(lái)計(jì)算旋轉(zhuǎn)的角度，所以說(shuō)編碼器輸出的位置數(shù)據(jù)是一個(gè)相對(duì)的數(shù)據(jù)。

增量式編碼器采用的是固定脈沖信號(hào)，旋轉(zhuǎn)角度的起始位置是任意設(shè)定的，沒(méi)有固定的起始位置。由于位置數(shù)據(jù)的采集是采用的相對(duì)編碼，當(dāng)編碼器不動(dòng)或者停電的時(shí)候，技術(shù)設(shè)備內(nèi)部含有記憶芯片，能夠記憶住旋轉(zhuǎn)角度的位置，而再通電工作的時(shí)候編碼器也會(huì)因?yàn)槭艿礁蓴_而丟失脈沖，造成輸出脈沖的偏差，因此，斷電后旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)據(jù)會(huì)丟失，需要重新復(fù)位。那么解決這一問(wèn)題的辦法就是，每次經(jīng)過(guò)參考點(diǎn)的時(shí)候，都將參考位置修正成為技術(shù)設(shè)備的記憶位置。但是在參考點(diǎn)以前，就無(wú)法保證位置的準(zhǔn)確性了。

2 絕對(duì)式編碼器

增量式編碼器在工控中每次操作就需要先找到參考點(diǎn)，每一次開(kāi)機(jī)都需要找零等方法。但是這樣的工控項(xiàng)目比較麻煩，有一些工況開(kāi)機(jī)以后就馬上需要準(zhǔn)確的位置，還有一些工況不允許有任何因干擾影響而產(chǎn)生的位置錯(cuò)誤，這就促使絕對(duì)編碼器誕生。

絕對(duì)編碼器是通過(guò)光電信號(hào)掃碼分度盤(pán)上的二進(jìn)制碼刻度盤(pán)，用來(lái)準(zhǔn)確定位物體的絕對(duì)位置值。然后將掃描到的結(jié)果轉(zhuǎn)換成電信號(hào)以脈沖的形式輸送出來(lái)，得到絕對(duì)的位移量。它的工作原理就是通過(guò)對(duì)碼盤(pán)上按規(guī)律排列的明、暗區(qū)的掃描得到兩種數(shù)據(jù)。因?yàn)榇a盤(pán)是由光學(xué)玻璃制成，上面的碼道都是由透明和不透明相間的同心圓組成。當(dāng)掃描到亮區(qū)的時(shí)候就會(huì)輸出數(shù)值1，掃描到暗區(qū)的時(shí)候就輸出數(shù)值0。在不同的位置有著不同的信號(hào)組合，所以這些信號(hào)就代表了碼盤(pán)軸的角位移大小。絕對(duì)編碼器中的循環(huán)碼又可以稱之為格雷碼，是一種常用的二進(jìn)制編碼，只有“0”和“1”組成，絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器有著如下的特點(diǎn)：（1）在一個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)，每一個(gè)角度對(duì)應(yīng)著一個(gè)唯一的二進(jìn)制編碼，因此，編碼器輸出的位置數(shù)據(jù)是唯一的。（2）由于連接方式是使用機(jī)械式，所以在斷點(diǎn)以后，編碼器的位置是不動(dòng)的，通電以后就可以準(zhǔn)確取得當(dāng)前位置的數(shù)據(jù)，操作簡(jiǎn)單。（3）檢測(cè)到的數(shù)據(jù)成二進(jìn)制形式存在，不存在模擬信號(hào)的檢測(cè)誤差。

為了分析出碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向，需要在光欄板中設(shè)置好狹窄的裂縫，距離以碼盤(pán)狹縫距離（m+1/4）倍為宜，同時(shí)，還要設(shè)置好光敏元件，即sin元件與cos元件。如果檢測(cè)對(duì)象發(fā)生旋轉(zhuǎn)，那么光電編碼器就會(huì)出現(xiàn)數(shù)字脈沖的信號(hào)，為了獲取到具體的絕對(duì)位置，需要設(shè)置出基準(zhǔn)點(diǎn)。一般情況下，只要控制好脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè)角位移的變化關(guān)系，就可以計(jì)算出準(zhǔn)確的角位移，根據(jù)兩者關(guān)系，可以調(diào)出旋轉(zhuǎn)角位移、速率與旋轉(zhuǎn)方向，并利用相關(guān)的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 混合式旋轉(zhuǎn)編碼器

綜合以上兩種編碼器的性能推出了混合式編碼器，它是通過(guò)用光信號(hào)掃描分度盤(pán)，對(duì)光信號(hào)的通斷數(shù)量的檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)來(lái)計(jì)算出旋轉(zhuǎn)角度。它的特點(diǎn)是同時(shí)輸出相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度編碼和絕對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼兩種形式的編碼。它同時(shí)具備了絕對(duì)編碼器的旋轉(zhuǎn)角度編碼的唯一性和增量編碼器的應(yīng)用靈活性。所以性能上有了更高提升，廣泛應(yīng)用到了數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測(cè)定等需要檢測(cè)角度的裝置和設(shè)備當(dāng)中。

4 光電編碼器的應(yīng)用

4.1 角度測(cè)量中的應(yīng)用

在一些汽車駕駛模擬器、重力測(cè)量?jī)x、扭轉(zhuǎn)角度一和魚(yú)竿扭轉(zhuǎn)性測(cè)試方面廣泛應(yīng)用了光電編碼器，如在采用旋轉(zhuǎn)式光電編碼設(shè)計(jì)的重力測(cè)力儀中，轉(zhuǎn)軸與補(bǔ)償旋鈕軸直接相連。把補(bǔ)償旋鈕的角度位移量轉(zhuǎn)化為點(diǎn)信號(hào)量，得到有效角度數(shù)據(jù)。

4.2 長(zhǎng)度測(cè)量中的引用

在計(jì)米器中，利用光電編碼器的滾輪周長(zhǎng)來(lái)測(cè)量物體的長(zhǎng)度或者物體間的距離。比如拉線位移傳感器，就是利用傳感器內(nèi)部的收卷輪的周長(zhǎng)來(lái)測(cè)量物體的長(zhǎng)度。再如在介質(zhì)檢測(cè)中，通過(guò)直齒條、轉(zhuǎn)動(dòng)鏈條的鏈輪、同步帶輪來(lái)進(jìn)行直線位移信息的采集。同樣，光電編碼器在速度測(cè)量和位置測(cè)量、同步控制等領(lǐng)域也起到了重要作用。提高了各種測(cè)量產(chǎn)品的精確度和靈敏性，為我國(guó)的測(cè)量行業(yè)提供了重要工具。

總之，光電編碼器故障診斷的研究在工程應(yīng)用中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，特別是在大批量的光電編碼器出廠檢測(cè)和多工作場(chǎng)合檢測(cè)中十分急需。光電編碼器的產(chǎn)生為我國(guó)廣大的企業(yè)用戶帶來(lái)了精準(zhǔn)的測(cè)量產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用到了電視、冶金、紡織、氣象以及航天等各個(gè)領(lǐng)域，促進(jìn)了這些產(chǎn)業(yè)的質(zhì)的飛越。在選擇廣電編碼器過(guò)程中，需要深入分析不同類型編碼器的特點(diǎn)與原因，提升應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)

[1] Hyun Joon Shin，Dong-Hwan Eom，Sung-Shick Kim. One-class support vector machines—an application in machine fault detection and classification[J].Computers & Industrial Engineering，2005，48（2）：395-408.

[2] 羅華，高山，李翔龍.粗光柵信號(hào)全數(shù)字化處理法實(shí)現(xiàn)高倍數(shù)細(xì)分[J].光學(xué)精密工程，2007，15（2）：283-288.

[3] 慕向勇，陳輔鋒.增量式光電編碼器精粗碼校正的實(shí)現(xiàn)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008（4）：48.

[4] Jung，Jinhwan，Nam，Kwanghee.Dynamic decoupling control scheme for high-speed operation of induction motors[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，1999，46（1）：100-110.

[5] 祝敬德，李杰，王麗平，等.基于光電編碼器的相對(duì)轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，29（2）：145-148.