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        光電編碼器傳感器的原理應用及發展

        1.前言

            工程用導軌檢查車是檢查導軌問題、指導修理導軌、保障行走安全的大型動態檢查設備,其行走速度、行走距離和方向的測定使用光電式編碼器和計算機進行。工程用導軌檢查車的光電式編碼器為三相雙路輸出多旋轉式增量編碼器。從光電式編碼器的原理介紹應用和發展。

        2.原理。

             通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換為脈沖或數字量的傳感器。這是目前最常用的傳感器,光電式編碼器由光柵和光檢測裝置構成。光幕在一定直徑的圓板上等分開多個長方形的孔。由于光線光盤與電動機同軸,因此當電動機旋轉時,光柵光盤與電動機同速旋轉,通過由發光二極管等電子部件構成檢測裝置檢測輸出多個脈沖信號。通過計算每秒光電式編碼器輸出脈沖的數量,可以反映當前電機的轉速。 另外,碼輪為了判定旋轉方向,也能夠提供相位相差90度2個脈沖信號。

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            根據檢測原理,編碼器可以分為光學式、磁性式、感應式、靜電容量式。根據其刻度方法和信號輸出形式,可分為增量、絕對值、混合動力3種。

        2.1增量型編碼器

            增量編碼器輸出直接利用光電轉換原理的3組方波脈沖a、b、z相。a、b兩組脈沖相位差90為了能夠容易地判斷旋轉方向,z相每旋轉一圈用于基準點的定位。將位移轉換為周期性電信號,將該電信號轉換為計數脈沖,用脈沖的個數表示位移的大小。原理構造簡單,機械的平均壽命超過數萬小時,具有耐干擾性高,可靠性高,適合長距離傳輸的優點。其缺點是,能夠輸出軸的旋轉的絕對位置信息。

        2.2絕對值編碼器

            絕對編碼器在圓形代碼盤上具有在半徑方向上為多個同心圓狀的代碼道,各軌道由透光性和不透光性的扇區域構成,相鄰的代碼道的扇區數呈2倍的關系,代碼盤上的代碼道數為其2進制的位數。各受光元件在碼盤處于不同位置時,根據有無受光變換為對應的電平信號,進行二進制化。該編碼器特征在于,不使用計數器就能夠讀出與固定在旋轉軸的任意位置上的位置對應的數字代碼。當然,代碼通道越多分辨率越高,對于具有n位二值分辨率的編碼器,代碼盤需要n代碼通道,F在國內已有16位絕對編碼器產品。

            絕對式的編碼器通過自然二值或循環二進制(葛萊碼)方式進行光電轉換。絕對值方式編碼器與盤上的光透過、光不透過的線圖案增量方式的編碼器不同,絕對值編碼器能夠具有多個代碼,根據讀碼盤上的代碼檢測絕對位置。由于各位置支持特定的數值代碼,因此僅與測量的開始位置和結束位置相關,不依賴于測量的中間過程。編碼的設計可以使用二進制代碼、循環碼、二進制補充代碼等。其特征是,1可以直接讀出角度坐標的絕對值。2無累積誤差3電源切斷后的位置信息不會丟失。但是,分辨率由二進制數的位數決定。也就是說,精度取決于位數,但現在有10位、14位等很多種類。

        2.3混合絕對值編碼器

             輸出2組信息的混合式絕對值編碼器一組檢測磁極,另一組與增量式編碼器相同。

        3.1從增量編碼器到絕對值編碼器

            旋轉增量式編碼器在旋轉時輸出脈沖,通過計數裝置知道其位置,在編碼器不動作時或停電時,通過計數裝置的內部記憶記憶位置。這樣,在停電后編碼器什么也能夠動作,在來電時編碼器正在輸出脈沖期間,有干擾的脈沖也不會丟失,否則,計數裝置記憶的零點偏離,而且不知道其偏離量,只有在出錯的生產結果后才知道。

            解決辦法是增加基準點,在每次編碼器通過基準點時將基準位置修正為計數裝置的記憶位置。到基準點為止不能保證位置的正確性。因此,在作業控制中,有每次查找基準點,接通電源尋找零等方法。

            這樣的方法,在一部分工程項目中很麻煩,即使不接通電源(接通電源的話知道正確的位置),也可能會發生絕對的編碼器。

            絕對型旋轉編碼器各自的位置絕對是獨特的,噪音強,無需停電記憶,因此廣泛應用于各種產業系統的角度、長度測定、定位控制。

            絕對數據編碼器的光編碼盤有多條分數線,各分數線按2條線、4條線、8條線、16條線的順序排列。這樣,在編碼器各位置,通過讀取各刻線的接通/斷開,得到從2的0次方到2的n-1次方的獨特的二進制代碼(格雷碼)的組,將其稱為n位絕對編碼器。這樣的編碼器由編碼盤的機械位置決定,不受停電和噪音的影響。

            絕對編碼器是根據機器的位置決定的每個位置的唯一性,不需要尋找記憶或基準點,也不需要經常計數,需要知道位置時,需要讀取該位置時。 由此,大幅度提高了編碼器的耐噪聲特性、數據的可靠性。

            絕對數據編碼器在定位方面比增量編碼器優越得多,因此用于定位的情況正在增加。絕對值型編碼器的輸出位數高精度多,因此并行輸出時必須切實連接每位的輸出信號,復雜的情況下需要隔離,連接電纜芯數多,導致很多不便和可靠性降低,絕對值。

        3.2從單螺旋式編碼器到多螺旋式編碼器

            旋轉單旋轉絕對值編碼器,在旋轉過程中測量光線光盤各軌道的得分線,取得固有的代碼,旋轉360度以上時代碼返回原點,不符合絕對代碼的固有原則,因此只能用于旋轉范圍360度以內的測量。

            為了測量超過360度的旋轉范圍,編碼器制造商利用時鐘齒輪機械的原理,在中心軟線盤旋轉時通過齒輪傳遞其他軟線盤(或多組齒輪、多組軟線盤),在單旋轉軟線上加上轉速的軟線,擴大編碼器的測量范圍。這樣的絕對式編碼器被稱為多旋轉絕對式編碼器,根據機械的位置進行編碼,因此不會對每個位置代碼唯一重復。

            多旋轉編碼器的另一個優點是,由于測量范圍廣,實用上有富余,因此安裝時不需要尋找零點的工夫,只要將某個中間位置作為起點即可,因此安裝調試大幅度簡化。

        4.展望 

            綜合觀察國內外光電式編碼器的現狀,其發展趨勢是高精度、高分辨率、高頻響應、小型化和智能化。

        4.1進一步提高性能

            制造高精度、高分辨率、高頻響應的光電式編碼器,是提高其性能的3個主要方向。需求主要出現在高科技航空宇宙領域和高速運行裝置的位移和速度測量中。

        4.2其體積正在向小型化發展。

            采用新的編碼方式,編碼輪的小型化,進而編碼器的小型化成為今后編碼器發展的趨勢。

        4.3最適合苛刻的工作環境

            在特定的特殊用途中,光電式編碼器要求具有良好的耐沖擊、耐高溫、耐腐蝕及防振能力,不僅在理想的動作環境下動作,而且在惡劣的條件下也能正常動作。


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