光電編碼器的理論研究

【摘要】本文從光電編碼器的基本工作原理及常用的編碼方法介紹入手，并在此基礎(chǔ)上對(duì)光電編碼器的具體應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了研究。期望通過(guò)本文的研究能夠?qū)ν苿?dòng)光電編碼器的發(fā)展有所幫助。

【關(guān)鍵詞】光電編碼器；碼盤(pán)；應(yīng)用

一、光電編碼器概述

光電編碼器歸屬于數(shù)字式傳感器的范疇，它集光、機(jī)、電與一身，借助信號(hào)轉(zhuǎn)換完成測(cè)量。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的推動(dòng)下，光電編碼器的應(yīng)用不但越來(lái)廣泛，而且在生產(chǎn)和生活中所起的作用也越來(lái)越重要。光電編碼器的優(yōu)點(diǎn)在于抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)多樣、測(cè)量精確度高、分辨率高、使用壽命長(zhǎng)等等。目前，光電編碼器在醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)生產(chǎn)、商務(wù)辦公、交通運(yùn)輸?shù)鹊戎T多領(lǐng)域當(dāng)中都有應(yīng)用。不僅如此，微型的光電編碼器還被應(yīng)用于軍用領(lǐng)域中，這在一定程度上提高了我國(guó)軍用裝備的整體水平。

（一）光電編碼器的基本工作原理

1.光電編碼器的構(gòu)成

目前，應(yīng)用比較普遍的光電編碼器一般都是由光源、碼盤(pán)、接收元件、放大電路、電源、接口電路、轉(zhuǎn)換電路、角度輸出接口以及測(cè)速接口電路等幾個(gè)部分構(gòu)成。

2.工作原理

在整個(gè)光電編碼器裝置當(dāng)中，碼盤(pán)是比較重要的元器件之一，它的作用是貯存軸角絕對(duì)位置信息，一般都被固定于軸系上，并隨著軸的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。通常情況下，碼盤(pán)上刻劃的均為同心圓碼道，各個(gè)碼道均是由扇形圖案組成，這些扇形圖案有分為透光和不透光兩種，具體用來(lái)表示角度代表的一位變量。當(dāng)光源經(jīng)由碼盤(pán)及副尺后會(huì)被光電接收器讀取，由此可以轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這部分信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路之后，再通過(guò)接口電路處理便會(huì)進(jìn)入到數(shù)據(jù)系統(tǒng)當(dāng)中；當(dāng)單片機(jī)采集到相關(guān)數(shù)據(jù)之后，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行精碼細(xì)分，同時(shí)對(duì)粗碼進(jìn)行二進(jìn)制處理，使其轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀欢M(jìn)制碼，然后以精碼為基礎(chǔ)，對(duì)粗碼進(jìn)行校正，最終形成總代碼，并利用角度接口完成角度位置信息的輸出。

（二）常用的編碼方法

1.增量式編碼器

這是目前應(yīng)用較為普遍的光電編碼器之一，這種編碼器一般每輸出一個(gè)脈沖信號(hào)就代表有一個(gè)增量位移，由此可以產(chǎn)生出于位移增量等值的脈沖信號(hào)，但卻并不能通過(guò)該脈沖信號(hào)確定出增量的準(zhǔn)確位置。增量式編碼器雖然無(wú)法直接獲得軸上的絕對(duì)位置信息，但能夠獲得相對(duì)的位置增量，其可以輸出兩組脈沖信號(hào)，這兩組信號(hào)的相位相差為90o角，它們屬于正交信號(hào)，通過(guò)對(duì)這兩組信號(hào)初相差的判斷，能夠獲得旋轉(zhuǎn)方向，碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周，便可以輸出一個(gè)零位標(biāo)志信號(hào)。

2.絕對(duì)式編碼器

這是一種能夠在任何時(shí)刻、位置均可以對(duì)機(jī)械位移進(jìn)行測(cè)量的編碼器，由測(cè)量所得的結(jié)果全部都是絕對(duì)位置數(shù)據(jù)，并且相同位置在斷電再續(xù)電后測(cè)試的結(jié)果完全相同，正因如此，使得測(cè)試結(jié)果相對(duì)比較安全，一般不會(huì)丟失。最為重要的是，即便存在不正確的測(cè)量結(jié)果，也不會(huì)對(duì)后續(xù)的位置測(cè)量造成影響，換言之，絕對(duì)式編碼器的可靠性更高。

二、光電編碼器的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)研究

（一）光電編碼器的具體應(yīng)用

為了對(duì)光電編碼器有一個(gè)更深入的了解，下面對(duì)其具體應(yīng)用進(jìn)行研究。

1.在軸轉(zhuǎn)速測(cè)量中的應(yīng)用

光電編碼器不但能夠直接對(duì)角位移進(jìn)行測(cè)量，而且還能夠?qū)S的實(shí)際轉(zhuǎn)速測(cè)量。由上文可知，增量式編碼器輸出的信號(hào)為脈沖信號(hào)。故此，可以采用測(cè)量脈沖頻率及周期的方法來(lái)對(duì)軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量?；诿}沖計(jì)數(shù)的軸轉(zhuǎn)速測(cè)量有以下幾種方法：其一，M法測(cè)速。該方法具體是指在指定的時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行測(cè)量，以此來(lái)獲取被測(cè)速度。通常情況下，應(yīng)用該方法測(cè)量軸轉(zhuǎn)速時(shí)，要求轉(zhuǎn)速必須足夠快，若是轉(zhuǎn)速過(guò)低，則會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)值過(guò)少，這樣會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成影響，在應(yīng)用中需要對(duì)此予以注意；其二，T法測(cè)速。該方法主要是通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)相鄰脈沖的時(shí)間來(lái)對(duì)軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。這種方法能夠用于較低轉(zhuǎn)速的測(cè)量，并且可以獲得相對(duì)較高的分辨率。

2.工位編碼

對(duì)于絕對(duì)式編碼器而言，它的每一個(gè)轉(zhuǎn)角位置全都對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的編碼輸出，如果編碼器與轉(zhuǎn)盤(pán)之間為同軸相連的話，那么轉(zhuǎn)盤(pán)上的每一個(gè)工位所安裝的工件也都有一個(gè)編碼與之相對(duì)應(yīng)。當(dāng)某個(gè)工位轉(zhuǎn)動(dòng)至加工點(diǎn)位時(shí)，與該工位對(duì)應(yīng)的編碼則會(huì)由編碼器輸出給控制系統(tǒng)。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，對(duì)工位編碼進(jìn)行說(shuō)明：想要使4#工位上的工件轉(zhuǎn)至加工點(diǎn)位處等待加工，系統(tǒng)可以通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，絕對(duì)式編碼器輸出的編碼會(huì)發(fā)生不斷變化，假設(shè)1#工位的二進(jìn)制碼為“0000”，當(dāng)輸出由3#工位的“0100”轉(zhuǎn)變?yōu)椤?110”時(shí)，則代表轉(zhuǎn)盤(pán)已經(jīng)將4#工位旋轉(zhuǎn)至加工點(diǎn)位處，此時(shí)電動(dòng)機(jī)會(huì)自行停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

（二）光電編碼器的發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，使其對(duì)光電編碼器的各方面性能提出了更高的要求，這也在一定程度上推動(dòng)了編碼器技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。與此同時(shí)，機(jī)械制造水平較之以往大幅度提高，這為光電編碼器的小型化提供了可能，大體上可將光電編碼器的發(fā)展方向歸納為以下幾個(gè)方面：

1.產(chǎn)品系列化

由于各個(gè)領(lǐng)域?qū)怆娋幋a器的要求越來(lái)越高，為了進(jìn)一步滿足市場(chǎng)需求，使得光電編碼器產(chǎn)品逐步朝著制造標(biāo)準(zhǔn)化和系列化的方向發(fā)展，各種型號(hào)產(chǎn)品的推出，可以使用戶的選擇性更多。

2.體積小型化

目前，國(guó)外已經(jīng)成功研制出了反射式光電編碼器，其不但具備較高的精度，而且體積也非常小。而我國(guó)在編碼器小型化方面的研究較少，為此，應(yīng)當(dāng)將開(kāi)發(fā)小體積的光電編碼器作為未來(lái)一段時(shí)期的研究重點(diǎn)。

3.可適應(yīng)各種惡劣工況

由于光電編碼器常常會(huì)在一些比較惡劣的工況下運(yùn)行。為此，除了要確保編碼器具有良好的精度之外，還應(yīng)當(dāng)使其具備抗沖擊、耐腐蝕、抗高溫、防震動(dòng)等能力，這也將成為研究的主要趨勢(shì)之一。

三、結(jié)論

總而言之，想要使光電編碼器能夠在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)獲得更為廣泛的應(yīng)用，除了要加大理論方面的研究力度之外，還應(yīng)當(dāng)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上對(duì)相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行不斷改進(jìn)和完善，既要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系列化，又要使編碼器逐步向小型化方向發(fā)展，只有這樣，才能使其在越來(lái)越多的領(lǐng)域當(dāng)中得到應(yīng)用，這對(duì)于促進(jìn)光電編碼器的發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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