編碼器基本原理
一,、概述
將機(jī)械轉(zhuǎn)動的模擬量(位移)轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號,這類傳感器稱為編碼器又稱數(shù)字編碼器。
編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性而廣泛用于各種位移測量,。
編碼器的種類很多。按其結(jié)構(gòu)形式有直線式編碼器和旋轉(zhuǎn)式編碼器。由于許多直線位移是通過轉(zhuǎn)軸的運動產(chǎn)生的,因此旋轉(zhuǎn)式編碼器應(yīng)用更為廣泛。

編碼器按其檢測原理分為電磁式,、接觸式、光電式等,。
光電式編碼器具有非接觸和體積小的特點,分辨率高,它作為精密位移傳感器在自動測量和自動控制技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用,。
目前我國已有23位光電編碼器,為科學(xué)研究、軍事,、航天和工業(yè)生產(chǎn)提供了對位移量進(jìn)行精密檢測的手段,。
旋轉(zhuǎn)式編碼器又分為增量式編碼器和絕對式編碼器。
增量式編碼器的輸出是一系列脈沖,需要一個計數(shù)系統(tǒng)對脈沖進(jìn)行累計計數(shù),一般還需要基準(zhǔn)數(shù)據(jù)即零位基準(zhǔn)才能完成角位移測量,。

絕對式編碼器不需要基準(zhǔn)數(shù)據(jù)及計數(shù)系統(tǒng),，它在任意位置都可給出與位置相對應(yīng)的固定數(shù)字碼輸出。
1增量型編碼器(incremental encoder)
增量型編碼器每轉(zhuǎn)一周可產(chǎn)生一系列的脈沖,，脈沖的數(shù)量可表示角位移的測量。編碼器內(nèi)有一圓盤——編碼盤,。通常為一光學(xué)玻璃,碼盤最外圈的碼道上均布有相當(dāng)數(shù)量的透光與不透光的扇形區(qū)域,用來產(chǎn)生記數(shù)脈沖的增量碼道,，扇形區(qū)的多少決定了編碼器的分辨率,扇形區(qū)越多
分辨率越高。例如一個每轉(zhuǎn)5000的增量形編碼器,，其碼盤上共有5000個透光和不透光的扇形區(qū)域,。這個碼盤被安裝到編碼器的旋轉(zhuǎn)軸上
增量式編碼器的碼盤刻線間距均等對應(yīng)每一個分辨率區(qū)間,可輸出一個增量脈沖。
光源發(fā)出平行且定向的光束照到碼盤上,光敏元件接受被調(diào)制的光線,獲得四組正弦波信號組合成A,、B,、C、D,每個正弦波相差90度相位差(相對于一個周波為360度),將C,、D信號反向疊加在A,、B兩相上,可增強穩(wěn)定信號;另每轉(zhuǎn)輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。
用一些數(shù)字電子元器件將信號放大,并整形出正交波的脈沖系列,由電纜傳出,。由于A,、B兩相相差90度,可通過比較A相在前還是B相在前,以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖,，可獲得編碼器的零位參考位,。
可辨向光柵盤結(jié)構(gòu)和辨向原理如圖2,有A相、B相和Z相三條環(huán)帶。A相和B相在碼盤上互相錯半個區(qū)域,在相位上相差1/4周期,在波形上相差900,即相互垂直,。利用B相的上升沿觸發(fā)檢測A相的狀態(tài),由此判斷旋轉(zhuǎn)方向,。當(dāng)碼盤以某個方向勻速旋轉(zhuǎn)時(如CW),A相超前B相首先導(dǎo)通;當(dāng)碼盤反方向(CCW)勻速旋轉(zhuǎn)時,A相滯后于B相。
采用簡單的邏輯電路判斷編碼器輸出的A相和B相輸出脈沖時序便可確定碼盤的旋轉(zhuǎn)方向,。并且對A相或者B相的輸出脈沖進(jìn)行計數(shù)統(tǒng)計,，得出旋轉(zhuǎn)的角位移或者角速度。如果碼盤做變速運動,可把它看做多個運動周期的組合,，其辨向方法和速度計算方法相同,。Z相脈沖用來設(shè)置碼盤旋轉(zhuǎn)每周的清零,作為軸的初始位置計算當(dāng)前的角度(360。范圍內(nèi)),。它的優(yōu)點是原理構(gòu)造簡單,機(jī)械平均壽命可在幾萬小時以上,抗*力強,可靠性高,適合于長距離傳輸,。其缺點是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。
2,、絕對型編碼器（旋轉(zhuǎn)型)
絕對編碼器光碼盤上有許多道光通道刻線,每道刻線依次以2線,、4線、8線,、16線.....編排,，這樣,在編碼器的每一個位置,通過讀取每道刻線的通、暗,獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯yi的2進(jìn)制編碼(格雷碼),這就稱為n位絕對編碼器,。這樣的編碼器是由光電碼盤的機(jī)械位置決定的,它不受停電,、干擾的影響。
絕對編碼器由機(jī)械位置決定的每個位置是唯yi的,它無需記憶,無需找參考點,而且不用一直計數(shù),什么時候需要知道位置,什么時候就去讀取它的位置,。這樣,編碼器的抗干擾特性,、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。

3,、光電編碼器
光電式編碼器主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤(碼盤),、狹縫以及安裝在圓盤兩邊的光源和光敏元件等組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,。碼盤由光學(xué)玻璃制成,其上到有許多同心碼道,每位碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分,即亮區(qū)和暗區(qū),。碼盆構(gòu)造如圖2所示,它是一個8位二進(jìn)制碼盤。當(dāng)光源將光投射在碼盤上時,，轉(zhuǎn)動碼盤,，通過亮區(qū)的光線經(jīng)狹縫后，由光敏元件所接收,。光敏元件的排列與碼道一一對應(yīng),，對應(yīng)于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號,前者為“1”,后者為“O”。Y碼盤旋至不同位置時,光敏元件輸出信號的組合反映出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量,代表了碼盤軸的角位移大小,。
編碼器碼盤按其所用碼制可分為二進(jìn)制碼,、十進(jìn)制碼,、循環(huán)碼等。圖2所示的8位二進(jìn)制碼盤,員內(nèi)困碼盤一半透光,一半不透光.最外圈一共分成28=256個黑白間隔每一個角度方位對應(yīng)于不同的編碼,。