光电编码器【位移传感器】概述

光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲、数字量或模拟量信号输出的传感器。利用它可以实现角度、直线位移、转速等模拟物理量的测量。

一、特点

    它具有体积小、重量轻、品种多、功能全、高频响应、分辨能力高、承载能力强、力矩小、耗能低；性能稳定、可靠、使用寿命长等特点。

 

二、编码器分类

1、按信号的原理分：增量式编码器、式编码器、混合式编码器

1）增量式编码器

    直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的位置信息。

2） 式编码器

    利用自然二进制或循环二进制（格雷码）方式进行光电转换的。式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是：

（1）可以直接读出角度坐标的值；

（2）没有累积误差；

（3）电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。

3）混合式值编码器

    它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有信息功能；另一组则*同增量式编码器的输出信息。

    值编码器是一种直接编码和直接测量的检测装置。它能指示值位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失。常用的编码器有编码盘和编码尺，统称为码盘。从编码器的使用记数来分类，有二进制编码、二进制循环码（葛莱码）、二-十进制码等编码器。从结构原理分类，有接触式、光电式和电磁式等几种。
    混合式值编码器就是把增量制码与制码同做在一块码盘上。在圆盘的外圈是高密度的增量条纹，中间有四个码道组成式的四位葛莱码，每1/4同心圆被葛莱码分割成16个等分段。该码盘的工作原理是三极记数：粗、中、精计数。码盘转的转数由对“一转脉冲”的计数表示。在一转以内的角度位置有葛莱码的4*16不同的数值表示。每1/4圆葛莱码的细分有外圆的增量码完成。

    增量式光电编码器：测速，测转动方向，测移动角度、距离(相对)。

A：工作原理图

B：工作原理：

1）光电编码器的组成：一个中心有轴的光电码盘，在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在圆盘两侧，安放发光元件和光敏元件。当圆盘旋转时，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整形后变为脉冲，获得四组正弦波信号组合：A、/A、B、/B ，每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度）用以判断旋转方向。码盘上有Z相标志（参考机械零位），每转一圈输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。

2）由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转，否则为反转；通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。

3）当脉冲数已固定，而需要提高分辨率时，可利用90°相位差A、B两路信号，对原脉冲数进行2倍频或4倍频。

4）轴的每圈转动，增量型编码器提供一定数量的脉冲。周期性的测量或者单位时间内的脉冲计数可以用来测量移动的速度。如果在一个参考点后面脉冲数被累加，计算值就代表了转动角度或行程的参数。双通道编码器输出脉冲之间相差为90º。能使接收脉冲的电子设备接收轴的旋转感应信号， 因此可用来实现双向的定位控制；另外，三通道增量型旋转编码器每一圈产生一个称之为零位信号的脉冲。
C：关于码盘

a）脉冲信号

  1.A相

  2.B相

  3.Z相

    编码器的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

b)分辨率

    编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5~10000线。

c)机械转速和电气转速

  机械转速

    编码器的机械转速以每分钟大可以旋转多少圈表示——rpm。

  电气转速

    编码器的电气转速也称为开关频率，是读取每个脉冲信号的反应速度，以每秒多少次表示——Hz。

1.大工作速度应同时兼顾编码器的机械转速、电气转速以及编码器后续接收设备的开关频率。

Nmax=Fmax×60/Z；Nmax：大转速；Fmax：高响应频率；Z：每转输出脉冲数

2.每秒钟光电编码器输出的脉冲个数：

   N=电机的转速n×每转线数/60

   例如，当电机的转速n=1000转/分，线数为600，则每秒钟光电编码器的脉冲个数应为
   N=1000 × 600/60=10000（个）脉冲

   若n=1转/分
   则N=1 × 600/60 =10（个）

d)信号输出：正弦波（电流或电压）、方波（TTL、HTL）、集电极开路（PNP、NPN）、推拉式

   其中：

   TTL为长线差分驱动（对称A，/A；B，/B；Z，/Z）；

   HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。

e)信号连接

   连接设备：计数器、PLC、计算机

   连接方式：

1. 单相连接：

    用于正反向计数和测速

2. A、B两相连接：

    用于正反向计数、判断正反向和测速

3. A、B、Z三相连接：

    用于带参考位修正的位置测量。

1）PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。

2）三相连接：

    由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减小，抗干扰，可传输较远的距离。

    对于TTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150米。

    对于HTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达300米。