绝对式光电编码器

定义与用途

绝对式光电编码器（码盘式光电编码器）是把机械角位移转换为数字式电信号的传感器。它的每一个角位置对应一个确定的数字码，示值只与测量的起始和终止位置有关，与测量的中间过程无关。

结构组成

主要由光源、聚光透镜、与旋转轴相连的码盘、窄缝和光敏元件组组成。光源多采用发光二极管；光敏元件多为硅光电池或光敏管。码盘由光学玻璃制成，其上刻有多个同心码道，每位码道按一定编码规律分布透光和不透光部分，分别称为亮区和暗区。光敏元件的排列与码道一一对应，即每个码道有一个光敏元件负责接收透过的光信号。窄缝用于限定取光位置和空间分辨率，使光敏元件只接收对应码道透过的光信号。

工作原理

光源发出的光束经聚光透镜投射到码盘上，转动码盘，光束经过码盘进行角度编码，再经窄缝射入光敏元件组。对应亮区和暗区，光敏元件输出信号分别为“1”和“0”。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。

码制与分辨力

码盘刻划可采用二进制、十进制、循环码等方式。以 n 位二进制码盘为例，n 个码道具有 2^n 种编码，容量为 2^n；最小分辨力为

式中，n 为码道位数（位），θ₁ 为最小分辨力（度）。最外圈角节距为 2θ₁。二进制码为有权码，编码 C_n,…,C_1 对应的转角为

式中，C_i 为第 i 位码（0 或 1），θ₁ 为最小分辨力（度），θ 为对应转角（度）。码盘转动中，当 C_i 变化时，所有低位 C_j（j<i）应同时变化。

二进制码盘的粗误差与循环码

二进制码盘最大的问题是任何微小的制作误差都可能造成读数的粗误差。因为对于二进制码，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，如 0010 与 0001、0100 与 0011、1000 与 0111。如果因刻划误差导致某一较高位提前或延后改变，将造成粗误差。例如，码盘随轴逆时针旋转时，在某一位置输出本应由数码 0000 转换到 1111（对应十进制 15），因刻划误差却可能给出数码 1000（对应十进制 8），二者相差很大，称为粗误差。

为了消除粗误差，应用最广的方法是采用循环码（格雷码）方案。循环码的特点：它是一种无权码，任何相邻的两个数码间只有一位是变化的。因此，如果码盘存在刻划误差，这个误差只影响一个码道的读数，产生的误差最多等于最低位的一个比特（即一个分辨率单位）。如果 n 较大，这种误差的影响不会太大，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，能有效克服由于制作和安装不准带来的误差。

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。