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(xì)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(jì)數(shù)（CPR-counts per revolution）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(gè)（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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可利用這個(gè)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(yùn)動(dòng)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),。
 
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(yùn)動(dòng)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(jī)理,，形成各種類型的編碼器,。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中zui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(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生代表運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(jì)算出位置和速度信息。
    　占空比為so%的方波信號A和B中有4個(gè)特殊的時(shí)刻,，就是它們波形的前沿和后沿,。
兩個(gè)信號的前后信號在波形的一個(gè)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(gè)由數(shù)字電路組成的處理電路，在這個(gè)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(jì)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(jì)數(shù)來確定運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的位置?？梢圆捎糜?jì)數(shù)器使得其在轉(zhuǎn)軸朝某一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行增數(shù),，而在朝相反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行減數(shù)，這樣就可以在不掉電的前提下保持對位置的記憶,。
 望遠(yuǎn)鏡的軸角位置指示     　
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。
　  在圖12.1的設(shè)計(jì)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(xiàn)中為Z）,。其他四組由于位置的安排，產(chǎn)生4個(gè)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(gè)比較器的兩個(gè)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(gè)信號有如下特點(diǎn)：
    （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(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)A信號在相位上于B信號90°的話，那么旋轉(zhuǎn)方向反過來的時(shí)候,，B信號在相位上于A信號90°,。
這種雙通道信號的特點(diǎn)為測量分辨率的提高和方向信號的獲取提供了條件。

圖 3.17 一個(gè)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(yuǎn)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。
圖3.24 圓感應(yīng)同步器定子上的各個(gè)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：
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(shí)為了測定角度的位置,，還要加上一個(gè)粗碼盤,。比較光電編碼器，圓感應(yīng)同步器有如下幾個(gè)好處：（a）線圈動(dòng)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(dòng)的場合。
    （3）編碼器的應(yīng)用和其它角度測定方法   
（1）光電編碼器
    光電編碼器是一種二進(jìn)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(jìn)制數(shù)字信號，zui后進(jìn)行解碼取得角度位置的值或相對值,。編碼器的碼形總是*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zui重要的器件。圖3.17是一個(gè)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,。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(jìn)一格僅改變一個(gè)數(shù)碼,，不易產(chǎn)生錯(cuò)碼現(xiàn)象。
圖 3.19 增量編碼器碼盤脈沖信息細(xì)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(gè)刻道,，其中兩個(gè)是明暗相間的條紋碼,，另外兩個(gè)是電源亮度指示碼。這兩個(gè)條紋碼之間相互錯(cuò)開,，這樣這種碼盤的編碼器就不但可以給出碼盤運(yùn)動(dòng)的角度和大小,，而且可以給出碼盤運(yùn)動(dòng)的方向。同時(shí)當(dāng)光柵碼盤的方波脈沖信息輸入到順時(shí)針 和逆時(shí)針 的增減計(jì)數(shù)器中時(shí),，這種兩個(gè)條紋碼的方波信息就可以分解為一倍、兩倍或四倍的精細(xì)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(xì)的四倍的信號可以到每一個(gè)信號脈沖的二分之一,。
    為了獲得更為精細(xì)的分辨本領(lǐng)一種用光柵讀頭的方法可以達(dá)到這個(gè)目的。（見圖3.20）這時(shí)在旋轉(zhuǎn)光柵的后面加上了一個(gè)小的子光柵,。當(dāng)相干光照射在光柵盤上時(shí),，在子光柵面上的光強(qiáng)為（leki,1999）：
圖 3.20 增量編碼器中子光柵碼盤細(xì)分的工作原理圖（leki,1999）
式中t1是光柵的投射率。如果*個(gè)光柵的周期是p ,，第二個(gè)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(xì)分的光強(qiáng)信號和位移的關(guān)系,，A.U表示任意
單位（leki,1999） Reprinted with permission from Taylor & Francis, Inc.,。
    當(dāng)M=0時(shí)這一信號的光能量可以表示為一個(gè)級數(shù)形式。如果只取前面的兩項(xiàng)的話,，則焦點(diǎn)的光能是 的余弦函數(shù),。這樣通過電細(xì)分，我們還可能獲得更為精細(xì)的分辨精度,。在實(shí)際應(yīng)用中可以用四組子光柵,，同時(shí)用于上下兩組條紋上以提高電細(xì)分的精度。但是正如圖3.21所示周期光柵的焦點(diǎn)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(diǎn)能量才是真正的余弦曲線,，則細(xì)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(gè)面積不同的面光源也可以使焦點(diǎn)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編碼器,。一般這種高精度的編碼器總有多個(gè)碼道，它們是直流參考碼以及三至十五位的正余弦碼,。

    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(dòng)的控制。不過它們兩種都能實(shí)現(xiàn)軸角位置的指示或者增量指示,。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(jià)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(yuǎn)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(dòng)輪的邊緣,，并通過摩爾條紋給出高達(dá) 的分辨精度。光柵帶尺的缺點(diǎn)是不能保證全部條紋的一致性，這需要在計(jì)算機(jī)控制中使用列表法予以校正,。在望遠(yuǎn)鏡中光柵帶尺常用于位置的定標(biāo),。
望遠(yuǎn)鏡定位精度是為了準(zhǔn)確導(dǎo)星、定位的需要,，而增量定位則是為了導(dǎo)星的要求,。因此增量編碼器要求有較高的分辨精度。編碼器可以直接與望遠(yuǎn)鏡傳動(dòng)軸連接,，這時(shí)位置指示沒有其它的誤差因素,。但是有的時(shí)候由于編碼器的位數(shù)較低或者望遠(yuǎn)鏡傳動(dòng)軸需要通過光線,，也可以將編碼器裝置在*級齒輪付上,。這時(shí)編碼器的分辨精度得到放大，但同時(shí)齒輪的誤差也將影響角度值顯示的精度,。這一誤差對位置定標(biāo)有很大的影響,。但是近年來有不少望遠(yuǎn)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*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零點(diǎn),，這樣就不再需要昂貴的編碼器了,。在一些較新的望遠(yuǎn)鏡中還有利用精密電磁開關(guān)來作為軸角位置的編碼，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(jì)中每隔10或者15度就安裝一個(gè)精密電磁開關(guān),。在每一個(gè)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(dòng)一個(gè)低位的增量編碼器,。這種設(shè)計(jì)要比較其它設(shè)計(jì)成本更低。各種編碼器都要進(jìn)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(shí)，zui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(qiáng)度比較低,，而在圓周方向上強(qiáng)度很高。
對于新型的六桿平臺式的望遠(yuǎn)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(gè)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(shí)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(gè)光藕合器藕合,，形成一個(gè)在兩個(gè)方向上都有光線通過的回路。在這個(gè)回路的中部,，又有另一個(gè)光藕合器使得*個(gè)回路和第二個(gè)光纖環(huán)實(shí)現(xiàn)藕合,。同時(shí)在第二個(gè)光纖環(huán)中的對面又有第三個(gè)光藕合器以實(shí)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(gè)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(gè)光纖回路中兩個(gè)藕合器正好位于回路的對稱點(diǎn)上,，它就會對一個(gè)特定的波長的光產(chǎn)生諧振。而當(dāng)?shù)诙€(gè)回路相對于*個(gè)回路有一個(gè)很小的轉(zhuǎn)角時(shí),，在第二個(gè)回路中會在一個(gè)方向上的光路增加，而在另一個(gè)方向上的光路減少,，因此新的系統(tǒng)會在兩個(gè)不同的頻率上產(chǎn)生諧振,。比較原有的諧振頻率，其中一個(gè)頻率要大些,，另一個(gè)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(dá)到角度測量的目的,。
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(gè)16位的增量編碼器，如在其碼盤上加上16位的碼圖案,，通過 使增量碼兩相鄰條紋同時(shí)成像,，則 會給出碼盤的位置，以至于獲得24位以上的編碼器的精度,，這是十分重要的技術(shù)進(jìn)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(gè)數(shù)值的變化是連續(xù)的，而不是跳動(dòng)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(dòng)子所組成。它的動(dòng)子只有一個(gè)線圈,，而在它的定子上,，有 個(gè)線圈構(gòu)成 個(gè)極。它的每一個(gè)線圈之間的夾角是 度,。當(dāng)在動(dòng)子中輸入交流電壓 ,，并且動(dòng)子軸線和定子的零點(diǎn)偏離一定角度 時(shí)，則在定子上的各個(gè)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