光電編碼器原理結(jié)構(gòu)與故障檢修研究

韋厚余 張明

摘要：光電編碼器是一種高精度計(jì)量的光柵檢測元件的數(shù)字化測角設(shè)備，在當(dāng)下信息自動化發(fā)展迅速的時(shí)代，應(yīng)用極其廣泛。為了深入了解光電編碼器的原理結(jié)構(gòu)以及故障檢修的方式，本篇文章從光電編碼器的分類開始，介紹了其工作原理，之后通過國外內(nèi)的光電編碼器故障診斷以及檢修的方式，從而對較有代表性的故障診斷技術(shù)進(jìn)行了深入分析與比較，總而總結(jié)出了各類問題的診斷以及檢修方式，從而揭示光電編碼器診斷方法向自動化、便攜化、動態(tài)監(jiān)測以及多技術(shù)融合等方向發(fā)展的趨勢。

關(guān)鍵詞：光電編碼器;原理結(jié)構(gòu);故障檢修

前言

高分子辨力光電軸角編碼器是一種光、機(jī)、電為一體的精密的數(shù)字測角裝置。它通過高精度計(jì)量圓光柵為測量元件，通過空間角的位移從而轉(zhuǎn)化成電子信息傳輸，與計(jì)算機(jī)顯示裝置進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)以及數(shù)字控制的功能。其主要特點(diǎn)是精度高且能耗較小，測量范圍與種類較多、抗干擾能力強(qiáng)等。在我國重工業(yè)以及國防和科研方面具有廣泛的應(yīng)用。隨著我國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，測控技術(shù)的成本以及復(fù)雜性越來越高，光電編碼器的任何微小的差錯都可能會對整個(gè)系統(tǒng)與項(xiàng)目造成毀滅性打擊。據(jù)此，根據(jù)光電編碼器的準(zhǔn)確性以及高效性就有了更高的要求，從而快速檢查并修復(fù)光電編碼器的相應(yīng)故障與問題，是提高整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性最重要的內(nèi)容。

1.光電編碼器的分類

光電編碼器按照種類可以分為增量式以及絕對式兩種。其中增量式編碼器通過累計(jì)碼盤，從而在轉(zhuǎn)動過程中輸出一定的信息增量，將二進(jìn)制的信息轉(zhuǎn)化成實(shí)際的角度值，從而得到所測量的轉(zhuǎn)角值。絕對式編碼器的碼盤單一位置對應(yīng)單一的數(shù)字代碼。增量式編碼器結(jié)構(gòu)與其他種類的編碼器相比，結(jié)構(gòu)較為簡單并且容易實(shí)現(xiàn)細(xì)小操作，但在電量維持不足后容易造成數(shù)據(jù)的丟失現(xiàn)象，從而形成了一定的誤差。而對于絕對式編碼器則具有固定的零位，其傳輸?shù)拇a也是單值函數(shù)，抗干擾能力較強(qiáng)，并且在電量不足之后也不用重新進(jìn)行系統(tǒng)的標(biāo)定，沒有增量式編碼器的累積誤差的優(yōu)點(diǎn)，但是缺點(diǎn)是制造工藝較為復(fù)雜，并且不能進(jìn)行細(xì)小且細(xì)微的工作內(nèi)容[1]。當(dāng)前光電編碼器在相關(guān)產(chǎn)業(yè)當(dāng)中的種類較多，且已經(jīng)應(yīng)用到了高精尖以及航天國防等各類產(chǎn)額有當(dāng)中。針對不同的使用途徑與使用目的，不同的設(shè)備大小的位數(shù)，都會選擇不一樣的光電編碼器投入使用?？偟膩碚f，光電編碼器的位數(shù)越高、半徑越大，編碼的精度就越高，就更能適應(yīng)不同行業(yè)不同生產(chǎn)當(dāng)中的工作內(nèi)容。比如位數(shù)高、半徑大的編碼器可以使用在國防以及高精尖的項(xiàng)目之中;半徑越小且位數(shù)較低的編碼器可以應(yīng)用在對精度要求不高的自動化設(shè)備當(dāng)中。

2.光電編碼器的原理結(jié)構(gòu)

2.1光電編碼器

編碼器，主要指的是將一種物理量轉(zhuǎn)化為更直觀的數(shù)字形式的裝置。運(yùn)動控制系統(tǒng)當(dāng)中的編碼器是通過運(yùn)動的位置、速度以及角度等參數(shù)，轉(zhuǎn)化成為數(shù)字量。在此過程中可以通過電接觸、磁效應(yīng)以及光電轉(zhuǎn)化與控制系統(tǒng)等各種方式進(jìn)行編碼。運(yùn)動控制的系統(tǒng)當(dāng)中最為長線的就是光電編碼器。光電編碼器根據(jù)用途的不同也可以分成旋轉(zhuǎn)光電編碼器與直線光電編碼器，這兩種編碼器分別測量運(yùn)動的角度以及直線尺寸。光電編碼器最關(guān)鍵的部分就是編碼裝置，它在旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)備當(dāng)中使圓形碼盤，而在直線光電編碼器當(dāng)中則是直線型的尺子。根據(jù)實(shí)際用途的不同與設(shè)備的不同，可以通過多種材質(zhì)進(jìn)行制作，其中包括但不限于金屬、高分子聚合物以及玻璃等。其原理都是通過在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的電信號與光信號，從而轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號的方式進(jìn)行。對于光電編碼器來說，是一種二進(jìn)制式的位置指示與顯示器。它的基本原理時(shí)通過明暗程度不同的條紋相間交錯，并且其中設(shè)置相應(yīng)的感光元件，從不同的位置角度獲取位置以及光信號，進(jìn)行轉(zhuǎn)碼，從而轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。編碼器的編碼構(gòu)造一般是固定不變的，這種編碼構(gòu)造提供了運(yùn)動的長度以及位置的具體數(shù)值。光電編碼器通過光源、碼盤以及感光元件組成，其中碼盤是最為重要的物件[2]。

2.2光電編碼器原理結(jié)構(gòu)

增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器在于被測軸的同心碼盤上，刻制了一定規(guī)則的遮光以及透過光的部分。在另一邊則是發(fā)光二極管的光源位置，對側(cè)是接收光信號的感光元件。碼盤隨被測軸共同運(yùn)動，從而使得碼盤的光束產(chǎn)生有規(guī)律的間斷。通過相應(yīng)的感光元件與電子系統(tǒng)，從而可以將光信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，進(jìn)而通過數(shù)字化處理，計(jì)算出特定的速度與位置信息。在現(xiàn)代較高分辨率的碼盤上，透光以及遮光部分都是用較細(xì)的線條構(gòu)成的，所以在個(gè)別地區(qū)也被成為圓光柵。相鄰的夾縫之間的夾角被稱為柵距角。通過透光以及遮光的部分可以將柵距角分為兩部分。碼盤分辨率則是通過每秒幾轉(zhuǎn)的方式表示碼盤上往往會設(shè)置特殊窄縫，通過窄縫進(jìn)行基準(zhǔn)位與定位的設(shè)定。測量裝置以及運(yùn)動控制裝置也可以通過此信號，進(jìn)行復(fù)位等操作。

如上圖，在設(shè)備當(dāng)中設(shè)置了6組擋板以及感光元件，其中2組主要用于定位信號的形成，其余幾組設(shè)置時(shí)為了形成正弦波信號，擋板夾角均為90°。分別稱之為A、B、A、B。通過相位對等的A位送到比較器兩端，可以在此得出50%占比的信號A。與此同時(shí)，由相位對等B位可以得到方波信號B。這樣就可以通過光電器械的位置得到雙通道的輸出信號A與B。

3.光電編碼器的故障檢修

3.1故障特點(diǎn)

光電編碼器的主要作用是檢測設(shè)備的位移量，從而發(fā)出相應(yīng)的反饋信號，與控制設(shè)備所發(fā)出的指令相比較，十分適合速度的測量。但是由于存在著部分誤差，其抗干擾能力較差，相應(yīng)的設(shè)備如若斷電就會形成斷電記憶，開機(jī)需要找回相應(yīng)的參考數(shù)據(jù)等。由于光電編碼器為非接觸式結(jié)構(gòu)，摩擦以及磨損較小，并且體積小重量輕，安裝與維護(hù)都較為方便，測量精度高、反饋速度快[3]。

3.2故障類別

光電編碼器故障的主要表現(xiàn)方式為：

1.發(fā)射設(shè)備以及接收設(shè)備或因?yàn)闄C(jī)械振動等原因而造成電子元件損壞、位置偏移等，從而導(dǎo)致接收裝置不能更加精準(zhǔn)且快速的接收到電信號，進(jìn)而不能輸出相應(yīng)的數(shù)字信號。

2.設(shè)備安裝區(qū)域溫度過高且濕度較大，導(dǎo)致感光元件內(nèi)部電子元件特定改變直接損壞。

3.由于受到各種類型電磁波、電信號干擾，對感光元件以及光電檢測裝置產(chǎn)生干擾，從而導(dǎo)致光電檢測裝置所輸出的波形發(fā)生畸變。

3.3檢修措施

1.改變光電編碼器安裝形式：光電編碼器安裝過程中，不能直接安裝在電動外殼上，需要做好內(nèi)部與外部的防震工作?？梢酝ㄟ^軟性橡膠減輕光電編碼器所受到的沖擊。與此同時(shí)，由于設(shè)備內(nèi)部存在電阻及線圈，在工作期間發(fā)熱較多，所以需要進(jìn)行一定程度的隔熱處理。

2.選擇合理傳輸介質(zhì)，通過雙絞屏蔽電纜將屏蔽線與大地連接。此舉可以極大程度提升電纜的電磁防護(hù)能力[4]。

3.對光電編碼器內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化整改，提升各個(gè)電子元件的抗震防潮防濕能力。

4.提升電源供電質(zhì)量，消除斷電隱患。

4.總結(jié)

光電編碼器是信息自動化控制當(dāng)中檢測設(shè)備是否正常運(yùn)行的關(guān)鍵部件，其是機(jī)械與電子信息的完美結(jié)合，在應(yīng)用過程中不能盲目檢修整改，需要通過專業(yè)知識，用心探索編碼器的電路原理以及內(nèi)部構(gòu)造，從而了解各個(gè)元件的正常與高效適用環(huán)境，從而進(jìn)行更加精準(zhǔn)的設(shè)備檢修工作。

參考文獻(xiàn)

[1]陳虎，梁松海.優(yōu)先級編碼器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2011，12（06）：26-01.

[2]梁廷桂，王鈺深.譯碼器編碼器數(shù)據(jù)選擇器電子開關(guān)電源分冊[M].科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2007，11（10）：05-12

[3]孫樹紅，趙長海，萬秋華等.小型光電編碼器自動檢測系統(tǒng)[J].中國光學(xué)，2011，6（05）：11-12

[4]馮英橋，萬秋華，王樹潔等.小型光電編碼器長周期誤差的修正[J].光學(xué)（精密工程），2012，15（06）：12-21