光電編碼器原理結(jié)構(gòu)圖

增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器

所謂編碼器即是將某種物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式的裝置。運動控制系統(tǒng)中的編碼器的作用是將位置和角度等參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量?？刹捎秒娊佑|、磁效應(yīng)、電容效應(yīng)和光電轉(zhuǎn)換等機理，形成各種類型的編碼器。運動控制系統(tǒng)中最常見的編碼器是光電編碼器。

光電編碼器根據(jù)其用途的不同分為旋轉(zhuǎn)光電編碼器和直線光電編碼器，分別用于測量旋轉(zhuǎn)角度和直線尺寸。光電編碼器的關(guān)鍵部件是光電編碼裝置，在旋轉(zhuǎn)光電編碼器中是圓形的碼盤(codewheel或codedisk)，而在直線光電編碼器中則是直尺形的碼尺(codestrip)。碼盤和碼尺根據(jù)用途和成本的需要，可由金屬、玻璃和聚合物等材料制作，其原理都是在運動過程中產(chǎn)生代表運動位置的數(shù)字化的光學(xué)信號。

圖12.1可用于說明透射式旋轉(zhuǎn)光電編碼器的原理。在與被測軸同心的碼盤上刻制了按一定編碼規(guī)則形成的遮光和透光部分的組合。在碼環(huán)的一邊是發(fā)光二極管或白熾燈光源，另一邊則是接收光線的光電器件。碼盤隨著被測軸的轉(zhuǎn)動使得透過碼盤的光束產(chǎn)生間斷，通過光電器件的接收和電子線路的處理，產(chǎn)生特定電信號的輸出，再經(jīng)過數(shù)字處理可計算出位置和速度信息。

上面所說的是透射式光電編碼器的原理。顯然利用光反射原理也可制作光電編碼器。

增量編碼器的碼盤如圖12.2所示。在現(xiàn)代高分辨率碼盤上，透光和遮光部分都是很細的窄縫和線條，因此也被稱為圓光柵。相鄰的窄縫之間的夾角稱為柵距角，透光窄縫和遮光部分大約各占柵距角的1/2。碼盤的分辨率以每轉(zhuǎn)計數(shù)(CPR-countsperrevoluTIon)表示，亦即碼盤旋轉(zhuǎn)一周在光電檢測部分可產(chǎn)生的脈沖數(shù)。例如某碼盤的CPR為2048，則可以分辨的角度為10，311.8”。在碼盤上，往往還另外安排一個（或一組）特殊的窄縫，用于產(chǎn)生定位(index)或零位(zero)信號。測量裝置或運動控制系統(tǒng)可利用這個信號產(chǎn)生回零或復(fù)位操作。

從原理分析，光電器件輸出的電信號應(yīng)該是三角波。但是由于運動部分和靜止部分之間的間隙所導(dǎo)致的光線衍射和光電器件的特性，使得到的波形近似于正弦波，而且其幅度與碼盤的分辨率無關(guān)。

在圖12.1的設(shè)計中安排了六組這樣的擋板和光電器件組合，其中兩組用于產(chǎn)生定位(index)脈沖信號I（有的文獻中為Z）。其他四組由于位置的安排，產(chǎn)生4個在相位上依次相差90°的準(zhǔn)正弦波信號，分別稱為A、B、A和B。將相位相差180°的A和A送到一個比較器的兩個輸入端，則在比較器的輸出端得到占空比為50%的方波信號A。同理，由B和B也可得到方波信號B。這樣通過光電檢測器件位置的特殊安排，得到了雙通道的光電脈沖輸出信號A和B（見圖12.3）。這兩個信號有如下特點：

(1)兩者的占空比均為so%；圖12.3雙通道信號的形成

(2)如果朝一個方向旋轉(zhuǎn)時A信號在相位上領(lǐng)先于B信號90°的話，那么旋轉(zhuǎn)方向反過來的時候，B信號在相位上領(lǐng)先于A信號90°。

這種雙通道信號的特點為測量分辨率的提高和方向信號的獲取提供了條件。

占空比為so%的方波信號A和B中有4個特殊的時刻，就是它們波形的前沿和后沿。

兩個信號的前后信號在波形的一個周期中是按90°平均分布的。將這些沿信號取出并加以利用，可得到4倍頻的脈沖信號，這樣就可把光電編碼器的分辨率提高到4倍。

圖12.4是一個由數(shù)字電路組成的處理電路，在這個電路中采用了施密特輸入的反相器、異或門、或門和D觸發(fā)器。電路中各處波形如圖所示，用虛線隔開分別表示正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種情況下的波形。可以看到該電路產(chǎn)生4倍頻計數(shù)信號和方向信號。使用這些信號再加上定位脈沖的配合，電子線路就可以通過對脈沖的計數(shù)來確定運動系統(tǒng)的位置?？梢圆捎糜嫈?shù)器使得其在轉(zhuǎn)軸朝某一方向旋轉(zhuǎn)時進行增數(shù)，而在朝相反方向旋轉(zhuǎn)時進行減數(shù)，這樣就可以在不掉電的前提下保持對絕對位置的記憶。

望遠鏡的軸角位置指示

圖3.17一個八位編碼器的(a)碼盤和(b)編碼器的工作原理圖

近代工業(yè)已經(jīng)為望遠鏡的軸角系統(tǒng)提供了一系列的軸角位置指示裝置。這些裝置包括光電編碼器，圓感應(yīng)同步器以及光柵刻尺。

(1)光電編碼器

光電編碼器是一種二進制光電位置指示器，其基本原理是由不同等分的明暗相間的條紋，通過光電元件取得角度位置的二進制數(shù)字信號，最后進行解碼取得角度位置的絕對值或相對值。絕對編碼器的碼形總是唯一的，這種碼形給出了長度或角度的位置。光電編碼器由光源，碼盤和光電接收器所組成。碼盤是編碼器中的最重要的器件。圖3.17是一個八位編碼器的碼盤和編碼器的工作原理圖。這里的碼盤是一種自然碼盤。絕對編碼器的碼形有多種形式。一種叫做格瑞碼的碼盤特別適用于光學(xué)編碼器（見圖3.18(a)）。這種碼盤每進一格僅改變一個數(shù)碼，不易產(chǎn)生錯碼現(xiàn)象。

圖3.19增量編碼器碼盤脈沖信息細分的工作原理，圖中z表示零位

光電編碼器的另一類是增量編碼器。增量編碼器的碼盤如圖3.18(b)所示。它的碼盤是由明暗相間的條紋所構(gòu)成。一般來講同樣分辨精度的增量編碼器要比絕對編碼器便宜得多。增量編碼器還有一些提高分辨精度的方法。通常增量光柵碼盤有四個刻道，其中兩個是明暗相間的條紋碼，另外兩個是電源亮度指示碼。這兩個條紋碼之間相互錯開，這樣這種碼盤的編碼器就不但可以給出碼盤運動的角度和大小，而且可以給出碼盤運動的方向。同時當(dāng)光柵碼盤的方波脈沖信息輸入到順時針和逆時針的增減計數(shù)器中時，這種兩個條紋碼的方波信息就可以分解為一倍、兩倍或四倍的精細信號以提高編碼器的分辨本領(lǐng)。如果光柵碼盤的質(zhì)量好，這種精細的四倍的信號可以精確到每一個信號脈沖的二分之一。

為了獲得更為精細的分辨本領(lǐng)一種用光柵讀頭的方法可以達到這個目的。（見圖3.20）這時在旋轉(zhuǎn)光柵的后面加上了一個小的子光柵。當(dāng)相干光照射在光柵盤上時，在子光柵面上的光強為(leki,1999)：

圖3.20增量編碼器中子光柵碼盤細分的工作原理圖(leki,1999)

式中t1是光柵的投射率。如果第一個光柵的周期是p，第二個光柵的周期也是p。用w作為在焦面上的空間頻率，則在焦面上的光能量為：

圖3.21增量編碼器中子光柵碼盤細分的光強信號和位移的關(guān)系，A.U表示任意

單位(leki,1999)ReprintedwithpermissionfromTaylor&Francis,Inc.。

當(dāng)M=0時這一信號的光能量可以表示為一個級數(shù)形式。如果只取前面的兩項的話，則焦點的光能是的余弦函數(shù)。這樣通過電細分，我們還可能獲得更為精細的分辨精度。在實際應(yīng)用中可以用四組子光柵，同時用于上下兩組條紋上以提高電細分的精度。但是正如圖3.21所示周期光柵的焦點能量并不是真正的余弦曲線，所以如果采用如圖3.22所示的調(diào)制子光柵其焦點能量才是真正的余弦曲線，則細分后的分辨率精度就會更為準(zhǔn)確。另外應(yīng)用調(diào)制平行光源的方法，使用兩個面積不同的面光源也可以使焦點能量成為正確的余弦函數(shù)。通過應(yīng)用不同分辨率的增量光柵的組合，可以獲得不同頻率的正弦和余弦的值，這樣就可制成精度非常高的絕對編碼器。一般這種高精度的編碼器總有多個碼道，它們是直流參考碼以及三至十五位的正余弦碼。

圖3.22增量編碼器的兩種調(diào)制子光柵的光柵具體尺寸(leki,1999)

現(xiàn)代光柵技術(shù)結(jié)合的本身的精度也可以極大地提高光電編碼器的精度。一個16位的增量編碼器，如在其碼盤上加上16位的絕對碼圖案，通過使增量碼兩相鄰條紋同時成像，則會給出碼盤的精確位置，以至于獲得24位以上的絕對編碼器的精度，這是十分重要的技術(shù)進展。

(2)圓感應(yīng)同步器

另一種類似的軸角編碼裝置是圓感應(yīng)同步器。與光電編碼器不同，圓感應(yīng)同步器是一種模擬裝置。各個數(shù)值的變化是連續(xù)的，而不是跳動式的。圓感應(yīng)同步器的基本原理如圖3.23所示，它由定子和動子所組成。它的動子只有一個線圈，而在它的定子上，有個線圈構(gòu)成個極。它的每一個線圈之間的夾角是度。當(dāng)在動子中輸入交流電壓，并且動子軸線和定子的零點偏離一定角度時，則在定子上的各個線圈內(nèi)就會產(chǎn)生不同量的電流。如圖3.24中所示，有：

圖3.23圓感應(yīng)同步器的基本原理

圖3.24圓感應(yīng)同步器定子上的各個線圈內(nèi)的輸出電壓

式中是一比例常數(shù)。如果將定子上的線圈如圖3.23中所示互相連結(jié)起來，則在定子上就會產(chǎn)生如下的電流：

利用圓感應(yīng)同步器這一特性，就可以用來測定微小角度的變化。在使用圓感應(yīng)同步器時為了測定角度的絕對位置，還要加上一個粗碼盤。比較光電編碼器，圓感應(yīng)同步器有如下幾個好處：(a)線圈動定盤比較便宜，(b)對環(huán)境要求較低，可以用于溫度變化和有振動的場合。

(3)編碼器的應(yīng)用和其它角度測定方法

應(yīng)用光電編碼器在控制回路中要采用數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置，而圓感應(yīng)同步器可以直接用于同步驅(qū)動的控制。不過它們兩種都能實現(xiàn)軸角位置的絕對指示或者增量指示。它們的位置精度高，誤差的重復(fù)性能好，只是高位數(shù)的指示器價格較高。光柵帶尺加摩爾條紋的軸角指示方法是近年新發(fā)展起來的，這種方法特別適用于大口徑的望遠鏡。這種光柵帶尺的精度約小于1微米，一般是均勻地粘貼在大型驅(qū)動輪的邊緣，并通過摩爾條紋給出高達的分辨精度。光柵帶尺的缺點是不能保證全部條紋的一致性，這需要在計算機控制中使用列表法予以校正。在望遠鏡中光柵帶尺常用于位置的絕對定標(biāo)。

望遠鏡絕對定位精度是為了準(zhǔn)確導(dǎo)星、定位的需要，而增量定位則是為了精確導(dǎo)星的要求。因此增量編碼器要求有較高的分辨精度。絕對編碼器可以直接與望遠鏡傳動軸連接，這時位置指示沒有其它的誤差因素。但是有的時候由于編碼器的位數(shù)較低或者望遠鏡傳動軸需要通過光線，也可以將編碼器裝置在第一級齒輪付上。這時編碼器的分辨精度得到放大，但同時齒輪的誤差也將影響角度絕對值顯示的精度。這一誤差對絕對位置定標(biāo)有很大的影響。但是近年來有不少望遠鏡采用了分辨精度高的增量放大指示裝置，而使用別的重復(fù)性極好的裝置，如高靈敏度的水平儀或者特別的光柵刻線來提供軸角位置的絕對零點，這樣就不再需要昂貴的絕對編碼器了。在一些較新的望遠鏡中還有利用精密電磁開關(guān)來作為軸角絕對位置的編碼，這種電磁開關(guān)的重復(fù)性精度約為1微米。在這種設(shè)計中每隔10或者15度就安裝一個精密電磁開關(guān)。在每一個精密電磁開關(guān)之間，使用增量編碼器，甚至可以使用磨擦面來帶動一個低位的增量編碼器。這種設(shè)計要比較其它設(shè)計成本更低。各種編碼器都要進行正確的安裝，才能發(fā)揮其分辯精度。當(dāng)編碼器和軸連接時，最重要的就是要避免在編碼器軸上施加任何力和力矩。因此編碼器的聯(lián)軸器應(yīng)該在軸向和徑向上強度比較低，而在圓周方向上強度很高。

對于新型的六桿平臺式的望遠鏡，有的還安裝了一種叫光纖諧振陀螺儀的測角裝置。一種光纖諧振陀螺儀總共包括三個光纖回路。從頻寬很小的激光二極管向一根光纖的一端發(fā)出一束光，同時這一光纖的末端繞回到起始端并與起始端處的光纖通過一個光藕合器藕合，形成一個在兩個方向上都有光線通過的回路。在這個回路的中部，又有另一個光藕合器使得第一個回路和第二個光纖環(huán)實現(xiàn)藕合。同時在第二個光纖環(huán)中的對面又有第三個光藕合器以實現(xiàn)第二光纖環(huán)和第三光纖回路的藕合。第三光纖回路是一個開環(huán)回路，兩端和探測器相連。這種系統(tǒng)中如果所有的回路和藕合器均為固定的并且在第二個光纖回路中兩個藕合器正好位于回路的對稱點上，它就會對一個特定的波長的光產(chǎn)生諧振。而當(dāng)?shù)诙€回路相對于第一個回路有一個很小的轉(zhuǎn)角時，在第二個回路中會在一個方向上的光路增加，而在另一個方向上的光路減少，因此新的系統(tǒng)會在兩個不同的頻率上產(chǎn)生諧振。比較原有的諧振頻率，其中一個頻率要大些，另一個則小些。測量諧振頻率的變化就可以來了解角度的變化，以達到角度測量的目的。