光电码盘

定义与用途

光电码盘是光电式编码器的核心部件，属于绝对式（码盘式）编码器。它将机械转动的角位移（模拟量）转换成数字式电信号，用于角位移测量。其特点是每一个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，而与测量的中间过程无关；断电后恢复供电仍能正确显示当时角度，故称为绝对型角度编码器。

结构与工作原理

码盘式编码器主要由光源、聚光透镜、与旋转轴相连的码盘、窄缝和光敏元件组组成。码盘由光学玻璃制成，其上刻有多个同心码道，每个码道按一定编码规律分布透光（亮区）和不透光（暗区）部分。光源（多采用发光二极管）发出的光束经聚光透镜投射到码盘上，转动码盘，光束经码盘进行角度编码，再经窄缝射入光敏元件组（多为硅光电池或光敏管）。光敏元件的排列与码道一一对应，每个码道有一个光敏元件接收透过的光信号。对应亮区和暗区，光敏元件输出信号分别为“1”和“0”。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光区的光信号；它不普遍提高光敏元件本身的光电转换效率。

码制与分辨率

码盘的刻划可采用二进制、十进制、循环码等方式。以n位二进制码盘为例，最内层码道将整个圆周分为一个亮区和一个暗区，对应2^1；次内层分为相间的两个亮区和两个暗区，对应2^2；以此类推，最外层对应2^n个黑白间隔。一个n位二进制码盘的最小分辨率是360°/2^n。分辨率只取决于位数，与码盘采用的码制无关。例如四位码盘（二进制或循环码）的分辨率均为360°/16=22.5°。

二进制码盘的粗误差问题

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，当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），因为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。

循环码（格雷码）方案

为了消除粗误差，应用最广的方法是采用循环码（也叫格雷码）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），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。循环码码盘获得了广泛应用。循环码存在的问题是：这是一种无权码，译码相对困难。一般的处理办法是先将它转换为二进制码，再译码。

码制转换关系

基于二进制码得到循环码的转换关系为：

式中C为循环码；B为二进制码；i为所在的位数；⊕为不进位“加”，即异或。第n位（最高位）保持不变。不进位“加”在数字电路中可用异或门实现。

相应地，循环码转换为二进制码的方法为：

精度与量程

光电码盘的精度决定了光电式编码器的精度。因此，不仅要求码盘分度精确，而且要求其透明区和不透明区的转接处有陡峭的边缘，以减小逻辑“1”和“0”相互转换时在敏感元件中引起的噪声。使用码盘式编码器时，若被测转角不超过360°，它所提供的是转角的绝对值，即从起始位置（对应于输出各位均为0的位置）所转过的角度。当被测角大于360°时，为了仍能得到转角的绝对值，可以用两个或多个码盘与机械减速器配合，扩大角度量程，如选用两个码盘，两者间的转速为10:1，此时测角范围可扩大10倍。但这种情况下，不同轴原始角误差不能直接比大小；需按传动比折算到同一被测轴，并由高低位一致读出/进位容差判断，否则其读数是没有意义的。

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。