光電編碼器的理論研究

【摘要】本文從光電編碼器的基本工作原理及常用的編碼方法介紹入手，并在此基礎上對光電編碼器的具體應用及其發展趨勢進行了研究。期望通過本文的研究能夠對推動光電編碼器的發展有所幫助。

【關鍵詞】光電編碼器；碼盤；應用

一、光電編碼器概述

光電編碼器歸屬于數字式傳感器的范疇，它集光、機、電與一身，借助信號轉換完成測量。在科學技術不斷發展的推動下，光電編碼器的應用不但越來廣泛，而且在生產和生活中所起的作用也越來越重要。光電編碼器的優點在于抗干擾能力強、結構多樣、測量精確度高、分辨率高、使用壽命長等等。目前，光電編碼器在醫療衛生、工業生產、商務辦公、交通運輸等等諸多領域當中都有應用。不僅如此，微型的光電編碼器還被應用于軍用領域中，這在一定程度上提高了我國軍用裝備的整體水平。

（一）光電編碼器的基本工作原理

1.光電編碼器的構成

目前，應用比較普遍的光電編碼器一般都是由光源、碼盤、接收元件、放大電路、電源、接口電路、轉換電路、角度輸出接口以及測速接口電路等幾個部分構成。

2.工作原理

在整個光電編碼器裝置當中，碼盤是比較重要的元器件之一，它的作用是貯存軸角絕對位置信息，一般都被固定于軸系上，并隨著軸的旋轉而旋轉。通常情況下，碼盤上刻劃的均為同心圓碼道，各個碼道均是由扇形圖案組成，這些扇形圖案有分為透光和不透光兩種，具體用來表示角度代表的一位變量。當光源經由碼盤及副尺后會被光電接收器讀取，由此可以轉換為電信號，這部分信號經過放大電路之后，再通過接口電路處理便會進入到數據系統當中；當單片機采集到相關數據之后，會自動進行精碼細分，同時對粗碼進行二進制處理，使其轉變為自然二進制碼，然后以精碼為基礎，對粗碼進行校正，最終形成總代碼，并利用角度接口完成角度位置信息的輸出。

（二）常用的編碼方法

1.增量式編碼器

這是目前應用較為普遍的光電編碼器之一，這種編碼器一般每輸出一個脈沖信號就代表有一個增量位移，由此可以產生出于位移增量等值的脈沖信號，但卻并不能通過該脈沖信號確定出增量的準確位置。增量式編碼器雖然無法直接獲得軸上的絕對位置信息，但能夠獲得相對的位置增量，其可以輸出兩組脈沖信號，這兩組信號的相位相差為90o角，它們屬于正交信號，通過對這兩組信號初相差的判斷，能夠獲得旋轉方向，碼盤旋轉一周，便可以輸出一個零位標志信號。

2.絕對式編碼器

這是一種能夠在任何時刻、位置均可以對機械位移進行測量的編碼器，由測量所得的結果全部都是絕對位置數據，并且相同位置在斷電再續電后測試的結果完全相同，正因如此，使得測試結果相對比較安全，一般不會丟失。最為重要的是，即便存在不正確的測量結果，也不會對后續的位置測量造成影響，換言之，絕對式編碼器的可靠性更高。

二、光電編碼器的應用及其發展趨勢研究

（一）光電編碼器的具體應用

為了對光電編碼器有一個更深入的了解，下面對其具體應用進行研究。

1.在軸轉速測量中的應用

光電編碼器不但能夠直接對角位移進行測量，而且還能夠對軸的實際轉速測量。由上文可知，增量式編碼器輸出的信號為脈沖信號。故此，可以采用測量脈沖頻率及周期的方法來對軸的實際轉速進行測量。基于脈沖計數的軸轉速測量有以下幾種方法：其一，M法測速。該方法具體是指在指定的時間內對脈沖的個數進行測量，以此來獲取被測速度。通常情況下，應用該方法測量軸轉速時，要求轉速必須足夠快，若是轉速過低，則會導致計數值過少，這樣會對測量精度造成影響，在應用中需要對此予以注意；其二，T法測速。該方法主要是通過測量兩個相鄰脈沖的時間來對軸的轉速進行測量。這種方法能夠用于較低轉速的測量，并且可以獲得相對較高的分辨率。

2.工位編碼

對于絕對式編碼器而言，它的每一個轉角位置全都對應一個固定的編碼輸出，如果編碼器與轉盤之間為同軸相連的話，那么轉盤上的每一個工位所安裝的工件也都有一個編碼與之相對應。當某個工位轉動至加工點位時，與該工位對應的編碼則會由編碼器輸出給控制系統。舉個簡單的例子，對工位編碼進行說明：想要使4#工位上的工件轉至加工點位處等待加工，系統可以通過控制電動機帶動轉盤旋轉，同時，絕對式編碼器輸出的編碼會發生不斷變化，假設1#工位的二進制碼為“0000”，當輸出由3#工位的“0100”轉變為“0110”時，則代表轉盤已經將4#工位旋轉至加工點位處，此時電動機會自行停止轉動。

（二）光電編碼器的發展趨勢

近年來，隨著現代工業自動化的不斷發展，使其對光電編碼器的各方面性能提出了更高的要求，這也在一定程度上推動了編碼器技術的進步和發展。與此同時，機械制造水平較之以往大幅度提高，這為光電編碼器的小型化提供了可能，大體上可將光電編碼器的發展方向歸納為以下幾個方面：

1.產品系列化

由于各個領域對光電編碼器的要求越來越高，為了進一步滿足市場需求，使得光電編碼器產品逐步朝著制造標準化和系列化的方向發展，各種型號產品的推出，可以使用戶的選擇性更多。

2.體積小型化

目前，國外已經成功研制出了反射式光電編碼器，其不但具備較高的精度，而且體積也非常小。而我國在編碼器小型化方面的研究較少，為此，應當將開發小體積的光電編碼器作為未來一段時期的研究重點。

3.可適應各種惡劣工況

由于光電編碼器常常會在一些比較惡劣的工況下運行。為此，除了要確保編碼器具有良好的精度之外，還應當使其具備抗沖擊、耐腐蝕、抗高溫、防震動等能力，這也將成為研究的主要趨勢之一。

三、結論

總而言之，想要使光電編碼器能夠在各個領域內獲得更為廣泛的應用，除了要加大理論方面的研究力度之外，還應當在現有的基礎上對相關產品進行不斷改進和完善，既要實現產品系列化，又要使編碼器逐步向小型化方向發展，只有這樣，才能使其在越來越多的領域當中得到應用，這對于促進光電編碼器的發展具有非常重要的現實意義。

參考文獻

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