光电式编码器

定义与分类

光电式编码器是将机械位移（角位移或直线位移）转换为数字式电信号的传感器。按结构可分为码盘式（绝对式）和脉冲盘式（增量式）两类。码盘式编码器输出与位置一一对应的数字码，示值仅与测量的起始和终止位置有关；脉冲盘式编码器将位移转换为周期电信号，再转换为计数脉冲，通过脉冲个数表示位移大小。

码盘式光电编码器

码盘式编码器（绝对编码器）主要由光源、聚光透镜、码盘、窄缝和光敏元件组组成。码盘由光学玻璃制成，其上刻有同心码道，每位码道按一定编码规律（二进制码、循环码等）分布透光（亮区）和不透光（暗区）部分，分别对应光敏元件输出的“1”和“0”。光敏元件的排列与码道一一对应。码盘转至不同位置时，光敏元件组输出的信号反映码盘的角位移大小。

一个n位二进制码盘的最小分辨率是 ${360}^{\circ }\mathrm{/}{2}^n$。例如四位码盘将圆周分为 $2^4=16$ 个方位，每个方位对应 ${22.5}^{\circ }$。分辨率只取决于位数，与码盘采用的码制无关。

二进制码盘存在粗误差问题：任何相邻两个位置当某一较高位改变时，所有比它低的各位数都要同时改变。若因刻划误差导致某一较高位提前或延后改变，将造成读数粗误差。为消除粗误差，广泛采用循环码（格雷码）。循环码是一种无权码，任何相邻两个数码间只有一位变化，因此刻划误差只影响一个码道，产生的误差最多等于最低位的一个比特，在理想单个边界过渡条件下可避免二进制多位翻转引起的粗误差。

循环码与二进制码的转换关系为：

式中 $C$ 为循环码，$B$ 为二进制码，$i$ 为所在位数，$\oplus$ 表示异或。

二进制码与循环码的转换关系为：

码盘式编码器提供转角的绝对值，停电后恢复供电仍能正确反映当时角度。当被测角大于 ${360}^{\circ }$ 时，可用两个或多个码盘与机械减速器配合扩大角度量程。此时各码盘安装轴转速不同，其原始角误差不能直接比较大小；应把各码盘的角度误差按传动比折算到同一被测轴，再结合高低位码盘的一致读出与进位容差判断是否满足量程扩展要求。

脉冲盘式光电编码器

脉冲盘式编码器（增量式编码器）在码盘上刻有均匀分布的窄缝，并配有辨向用的两个光敏元件。光敏元件1和2的输出信号A和B经放大整形后产生矩形脉冲 $P_1$ 和 $P_2$，两者相位相差 ${90}^{\circ }$。$P_1$ 和 $P_2$ 分别接到D触发器的D端和C端，D触发器在 $P_2$ 的上升沿触发。正转时 $P_1$ 超前 $P_2$ ${90}^{\circ }$，D触发器输出 $Q=1$，可逆计数器作加法计数；反转时 $P_2$ 超前 $P_1$ ${90}^{\circ }$，$Q=0$，计数器作减法计数。$P_1$ 和 $P_2$ 经与门输出脉冲P，经延时电路送到可逆计数器的计数输入端。零位脉冲接至计数器的复位端，在需要以单圈为周期给出示值时可实现每转动一圈计数器复位一次；若用于连续多圈累计位移测量，则不能每圈复位，否则会丢失累计位置。增量式编码器每次反映的是相对于上次角度的增量。

增量式编码器结构简单，可直接测量角位移，也常用于测量转轴转速。缺点是需要先找参考点。

应用

1. 位置测量：将输出的两个脉冲分别输入到可逆计数器的正、反计数端进行计数，输出脉冲数量乘以脉冲当量（转角/脉冲，即分辨率）可测出码盘转过的角度。在起始位置时，对可逆计数器清零可得到相对于该所选起点的角位移；需已知基准或回零确定坐标，不具备绝对式编码器断电恢复即知位置的含义。数控机床直线距离测量时，编码器装在伺服电动机轴上，通过滚珠丝杆带动工作台移动，根据转角、丝杆导程计算移动部件的位置。

1. 转速测量：在给定时间 $t$ 内对编码器发出的脉冲计数，转速为

式中 $t$ 为测速采样时间（s），$N$ 为时间 $t$ 内测得的编码器脉冲个数，$n$ 为编码器每转脉冲数。

特点

光电式编码器是非接触式测量，寿命长、可靠性高，测量精度和分辨率能达到很高水平。缺点是结构复杂、光源寿命较短。

格雷码将相邻区段过渡限制为单比特变化，但多码道错位、噪声、污损和不一致采样仍可产生错误码字，不能由码制保证任意故障下误差仅为一个最低位。