汽車工程中光電編碼器的應用現(xiàn)狀及發(fā)展

田晨喆

摘要：隨著經(jīng)濟水平的提升和社會科技的進步，當前汽車工業(yè)正朝著電子化、數(shù)字化與智能化的方向發(fā)展，而在汽車工業(yè)實現(xiàn)電子化、數(shù)字化與智能化發(fā)展的過程中需要使用相關(guān)電子儀器和零件。光電編碼器作一種精度高的數(shù)字化檢測裝置，被廣泛用于車載電子設備和零件中，對于推動汽車工業(yè)行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。本文主要闡述了光電編碼器的工作原理，介紹了汽車工程領(lǐng)域光電編碼器當前的應用現(xiàn)狀，對當前光電編碼器在汽車工程領(lǐng)域過程中存在的問題進行了分析，并提出了針對性的優(yōu)化方案。

Abstract： With the improvement of economic level and the progress of social science and technology， the current automotive industry is moving towards the direction of electronic， digital and intelligent development， and in the process of realizing the electronic， digital and intelligent development of the automotive industry， relevant electronic instruments and parts need to be used. As a high precision digital detection device， photoelectric encoder is widely used in vehicle electronic equipment and parts， which is of great significance to promote the development of automobile industry. This paper mainly describes the working principle of the photoelectric encoder， introduces the current application status of the photoelectric encoder in the field of automobile engineering， analyzes the problems existing in the process of the current photoelectric encoder in the field of automobile engineering， and puts forward the targeted optimization scheme.

關(guān)鍵詞：汽車工程;光電編碼器;工作原理

中圖分類號：TP212.14? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0188-02

0? 引言

光電編碼器具有良好的使用性能，具備較強的抗干擾能力，能夠持續(xù)、穩(wěn)定地輸出脈沖信號，正是由于光電編碼器這樣的特性，光電編碼器被迅速廣泛地應用到了電子零件和電子儀器生產(chǎn)領(lǐng)域，在汽車工業(yè)方面，光電編碼器當前在汽車車速檢測、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、汽車音樂系統(tǒng)中具有廣泛的應用。

1? 光電編碼器的原理

光電編碼器是一種集合光、電和機械為一體的檢測裝置，由于光電編碼器具有較強的抗干擾性、體積較小、生產(chǎn)成本較低等方面的特征，近年來，光電編碼器被廣泛應用于汽車工程、雷達、機器人等領(lǐng)域。光電編碼器通過光電轉(zhuǎn)換，將輸至軸上的機械、幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，基于此，光電編碼器被廣泛應用于相關(guān)機械的位置和速度的檢測中[1]。當前主要使用的編碼器有兩種，分別是增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。

1.1 增量式光電編碼器

增量式光電編碼器的特征是能夠較為精準地測量相對位置的增量變化，但不能夠測量出絕對位置，這主要基于增量式光編碼器能夠產(chǎn)生與位置變化等值的脈沖，通過脈沖能夠反映出上一個位置與當前位置之間的變化情況。當前增量式光電編碼器主要由光學系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)化器、主碼盤、鑒向盤等部分構(gòu)成，增量式光電編碼器的構(gòu)成部分較為簡單，具備生產(chǎn)成本較低，能夠?qū)崿F(xiàn)較遠距離信號傳輸?shù)奶攸c，不僅如此，增量式光電編碼器的使用年限也較長，但增量式光電編碼器無法進行絕對位置測試的這一特征限制了其應用范圍。

1.2 絕對式光電編碼器

絕對式編碼器是一種能夠直接輸出相關(guān)位置數(shù)值的一種光電編碼器，當前主要流行的絕對式光電編碼器分為了兩種，一種是循環(huán)碼盤，另一種則是帶判位光電裝置的二進制循環(huán)碼盤，循環(huán)碼盤由四位二進制代碼構(gòu)成，由于其變化在“0”和“1”之間產(chǎn)生，因此即便循環(huán)碼盤在變化的過程中產(chǎn)生誤差，其誤差讀數(shù)不會超過1。而帶判位光電裝置的二進制循環(huán)碼盤則是在循環(huán)碼盤的基礎(chǔ)上，在循環(huán)碼盤的周圍增加光電裝置，光電裝置的增加使得絕對式編碼器只有在光電裝置產(chǎn)生信號時才會讀數(shù)，有效地避免了非單值性誤差的出現(xiàn)。光電裝置的二進制循環(huán)碼盤具有檢測精度高，碼盤壽命長等方面的優(yōu)勢，但與此同時這一光電編碼器還具有造價成本高、光源使用時長較短等方面的劣勢，不僅如此，帶判位光電裝置的二進制循環(huán)碼盤使用者想要進一步提升編碼器的準確程度，其造價成本也將進一步上升，因此帶判位光電裝置的二進制循環(huán)碼盤高昂的造價成本對于推廣其使用范圍造成了一定限制。

2? 汽車工程中光電編碼器的應用現(xiàn)狀

2.1 光電編碼器在車速檢測中的應用

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，我國擁有汽車的人群越來越多，汽車交通事故量也隨之增加，汽車交通事故的增加不僅給我國造成了巨大的經(jīng)濟損失，同時也造成了諸多社會問題的出現(xiàn)，因此如何保障汽車駕駛安全成為了當前被廣泛探討的一個問題。在汽車駕駛過程中，汽車駕駛的車速是影響汽車安全駕駛的一個重要指標，因此對汽車車速進行檢測和控制被認為是緩解交通事故出現(xiàn)的重要方式。而選用光電編碼器進行脈沖測速是進行車速檢測和控制的一大方式[2]。

當前采用光電編碼器進行脈沖測速主要有三種方式，分別是測頻法（M法）、周期法（T法）和綜合法（M/T法），測頻法主要是通過測量單位時間內(nèi)多個脈沖數(shù)值實現(xiàn)的，在測量完畢后，通過計算多個脈沖的平均值得出車速，而這一測量方式通常在汽車高速行駛的情況下采用;周期法的測量方式為兩個相鄰輸出脈沖的間隔時間內(nèi)，用一個計數(shù)器對已知頻率為f的高頻時鐘脈沖進行計數(shù)，由此得出汽車車速，周期法測量車速通常被應用在汽車低速行駛的狀態(tài)下，而綜合法則是同時采用測頻法和周期法檢測出兩個車速數(shù)值，然后再進行車速計算。然而綜合測量法的實現(xiàn)難度較大，一方面，綜合測量法要同時測量出兩個車速數(shù)值，其測量的設計結(jié)構(gòu)較為復雜，需要使用較多的零部件，另一方面，綜合測量法要求同時得出兩個車速數(shù)值，而周期法在汽車高速運行的狀態(tài)下，對汽車車速的測量結(jié)果并不精準，因此綜合法也只要在汽車低速運行的狀態(tài)下才有較為精準地測量結(jié)果。

2.2 方向盤轉(zhuǎn)角傳感器

由于汽車的方向盤角度測量，其所得出的結(jié)果是一個絕對的數(shù)值，因此在汽車方向盤角度傳感器中應用的光電編碼器為絕對式光電編碼器，其原理是通過光信號掃描分度盤，而分度盤與信號傳輸通道相連，當分度盤被光信號掃描時，分度盤上的格雷碼或二進制碼刻度盤能夠確定物體的絕對位置，而信號傳輸裝置能夠檢測到二進制碼盤刻度的讀數(shù)，并將相關(guān)信息轉(zhuǎn)換為電信號以脈沖的形式輸出[3]。

絕對式光電編碼器被用于檢測汽車方向盤轉(zhuǎn)角讀數(shù)時，絕對式光電編碼器被安裝在汽車方向盤的轉(zhuǎn)動軸上，在駕駛員駕駛汽車的過程中轉(zhuǎn)動方向盤使轉(zhuǎn)動軸發(fā)生變化時，絕對式光電編碼器也會隨之發(fā)生變化，并在光電編碼器內(nèi)部裝置的作用下，輸出此時方向盤發(fā)生變化的角度值，不僅如此，光電編碼器還將通過總線系統(tǒng)，將方向盤發(fā)生變化的角度值上傳至汽車內(nèi)部網(wǎng)絡系統(tǒng)中，被汽車其他模塊所感知和使用。

2.3 汽車音樂系統(tǒng)

為了給汽車駕駛員提供良好的駕駛環(huán)境和駕駛氛圍，大多數(shù)汽車都裝載了汽車音樂系統(tǒng)。在現(xiàn)代汽車的音樂系統(tǒng)中，為了支持汽車音樂系統(tǒng)工作，往往會配備蓄電池，然而蓄電池在工作的過程中往往會受到汽車路面顛簸、發(fā)動機轉(zhuǎn)數(shù)提高等因素的影響而導致其電壓發(fā)生變化，當蓄電池電壓發(fā)生變化時，汽車音樂系統(tǒng)的音量會隨之產(chǎn)生變化，這導致汽車音樂系統(tǒng)在音量沒有調(diào)節(jié)的情況下出現(xiàn)變化，而突然的音量變化則會影響汽車駕駛員的駕駛體驗，不僅如此，在極端的情況下，還可能導致駕駛員受到驚嚇，影響汽車行駛安全，為了避免這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，現(xiàn)代汽車放棄采用模擬電壓信號作為調(diào)控汽車音樂系統(tǒng)音量的方式。而光電編碼器能夠穩(wěn)定輸出可靠的數(shù)字信號，不僅如此，光電編碼器受到外界的干擾較小，使用壽命也較長，因此當前汽車音樂系統(tǒng)中普遍使用光電編碼器作為音量調(diào)節(jié)控制器[4]。

3? 光電編碼器在汽車工程應用過程中存在的問題

3.1 機械振動導致設備位置偏移

在光電編碼器的應用過程中，由于路面顛簸或者發(fā)動機快速轉(zhuǎn)動，可能會導致相關(guān)光電編碼器設備發(fā)生位置的偏移，而在光電編碼器相關(guān)設備發(fā)生位置偏移后，可能無法可靠地接收到光信號，從而導致電信號的傳輸出現(xiàn)問題。而這無疑會導致光電編碼器在應用過程中檢測的數(shù)值不準確，進而影響汽車相關(guān)功能的正常使用。

3.2 環(huán)境因素影響光電檢測裝置的可靠性

光電編碼器是否能夠正常使用受到其工作環(huán)境的影響也非常大，在濕度較高、溫度較高的情況下，光電編碼器可能無法正常工作。光電編碼器在汽車的應用過程中，如果光電編碼器過于靠近汽車發(fā)動機等可能產(chǎn)生高溫的設備時，光電編碼器可能會無法正常使用，除此之外，光電編碼器也不能夠暴露在空氣中，否則汽車在陰雨天氣行駛時，光電編碼器可能也無法發(fā)揮其正常的功能和作用。

3.3 電磁對光電檢測設備的工作產(chǎn)生干擾

光電檢測裝置安裝在生產(chǎn)設備本體，其信號經(jīng)電纜傳輸至控制系統(tǒng)的距離一般在20～100m，傳輸電纜雖然一般都選用多芯屏蔽電纜，但受到電阻影響、電容影響以及其他電磁信號的影響，在光電編碼器相關(guān)設備傳輸信號的過程中，光電編碼器所產(chǎn)生的信號可能被其他信號所干擾，進而導致光電編碼器所檢測到的數(shù)值并不準確，在出現(xiàn)嚴重的偏差時，可能會導致汽車出現(xiàn)安全事故。

4? 優(yōu)化光電編碼器在汽車工程中的應用

4.1 改變光電編碼器的安裝方式

為了減少光電編碼器受到外部環(huán)境因素的干擾，在安裝光電編碼器的過程中應該改變光電編碼器傳統(tǒng)安裝方式，一方面，在設計光電編碼器安裝位置時，要使光電編碼器遠離汽車發(fā)熱部位，或者采用相關(guān)隔熱材料使得光電編碼器與熱源隔離，使光電編碼器在正常的溫度環(huán)境下工作;另一方面，不再將光電編碼器放置在相關(guān)設備的外殼部位，而是制作一固定支架來獨立安裝光電編碼器，減少汽車振動對光電編碼器所產(chǎn)生的影響[5]。

4.2 合理選擇光電檢測裝置輸出信號的傳輸介質(zhì)

為了減少其他電磁信號對光電編碼器信號傳輸?shù)挠绊?，需要采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜，一方面雙絞屏蔽電纜對空間中產(chǎn)生的干擾電子能夠屏蔽，避免其他電磁場對光電編碼器信號產(chǎn)生影響，另一方面是互絞后兩線間距很小，兩線對干擾線路的距離基本相等。

5? 總結(jié)

隨著光電編碼器的發(fā)展，光電編碼器在汽車工程中有了廣泛的應用，光電編碼器體積較小、生產(chǎn)成本相對低廉，而更為重要的是光電編碼器的抗干擾性較強，符合汽車工程的使用要求。而隨著汽車工業(yè)的進一步發(fā)展，適用于汽車各類電子系統(tǒng)的光電編碼器將被進一步開發(fā)，使光電編碼器朝著小型化、智能化的方向發(fā)展，在提高汽車娛樂性、舒適性、安全性以及降低汽車生產(chǎn)成本方面發(fā)揮更多的作用。

參考文獻：

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[2]姚奉嘉.基于增量光電編碼器的車速控制器設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013，3（04）：16-19.

[3]舒望.基于光電編碼器的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器[J].機電工程技術(shù)，2015，44（08）：114-116.

[4]崔士帥.淺談光電編碼器在底盤測功機中的應用[J].計量與測試技術(shù)，2008（01）：51，54.

[5]徐小俊，孫筠.光電編碼器在數(shù)控系統(tǒng)中的應用[J].湖北第二師范學院學報，2011，28（08）：91-95.