DQZHAN技術(shù)訊：編碼器工作原理及光電編碼器的工作原理分析
編碼器工作原理
**脈沖編碼器:APC
增量脈沖編碼器:SPC
兩者一般都應(yīng)用于速度控制或位置控制系統(tǒng)的檢測(cè)元件.
旋轉(zhuǎn)編碼器是用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的裝置。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（幾十個(gè)到幾千個(gè)都有），和供電電壓等。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組相位差90度的脈沖，通過(guò)這兩組脈沖不僅可以測(cè)量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。
增量型編碼器與**型編碼器的區(qū)分
編碼器如以信號(hào)原理來(lái)分，有增量型編碼器,**型編碼器。
增量型編碼器 (旋轉(zhuǎn)型)
工作原理:
由一個(gè)中心有軸的光電碼盤(pán)，其上有環(huán)形通、暗的刻線(xiàn)，有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號(hào)組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差（相對(duì)于一個(gè)周波為360度），將C、D信號(hào)反向，疊加在A(yíng)、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。
由于A(yíng)、B兩相相差90度，可通過(guò)比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過(guò)零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。
編碼器碼盤(pán)的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤(pán)是在玻璃上沉積很薄的刻線(xiàn)，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤(pán)直接以通和不通刻線(xiàn)，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個(gè)數(shù)量級(jí)，塑料碼盤(pán)是經(jīng)濟(jì)型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。
分辨率—編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少的通或暗刻線(xiàn)稱(chēng)為分辨率，也稱(chēng)解析分度、或直接稱(chēng)多少線(xiàn)，一般在每轉(zhuǎn)分度5~10000線(xiàn)。
信號(hào)輸出:
信號(hào)輸出有正弦波（電流或電壓）,方波（TTL、HTL）,集電極開(kāi)路（PNP、NPN）,推拉式多種形式，其中TTL為長(zhǎng)線(xiàn)差分驅(qū)動(dòng)（對(duì)稱(chēng)A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也稱(chēng)推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號(hào)接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對(duì)應(yīng)。
信號(hào)連接—編碼器的脈沖信號(hào)一般連接計(jì)數(shù)器、PLC、計(jì)算機(jī)，PLC和計(jì)算機(jī)連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開(kāi)關(guān)頻率有低有高。
如單相聯(lián)接，用于單方向計(jì)數(shù)，單方向測(cè)速。
A.B兩相聯(lián)接，用于正反向計(jì)數(shù)、判斷正反向和測(cè)速。
A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測(cè)量。
A、A-，B、B-，Z、Z-連接，由于帶有對(duì)稱(chēng)負(fù)信號(hào)的連接，電流對(duì)于電纜貢獻(xiàn)的電磁場(chǎng)為0，衰減*小，抗干擾*佳，可傳輸較遠(yuǎn)的距離。
對(duì)于TTL的帶有對(duì)稱(chēng)負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá)150米。
對(duì)于HTL的帶有對(duì)稱(chēng)負(fù)信號(hào)輸出的編碼器，信號(hào)傳輸距離可達(dá)300米。
編碼器的定義與功能：
在數(shù)字系統(tǒng)里，常常需要將某一信息（輸入）變換為某一特定的代碼（輸出）。把二進(jìn)制碼按一定的規(guī)律編排，例如8421碼、格雷碼等，使每組代碼具有一特定的含義（代表某個(gè)數(shù)字或控制信號(hào)）稱(chēng)為編碼。具有編碼功能的邏輯電路稱(chēng)為編碼器。編碼器有若干個(gè)輸入，在某一時(shí)刻只有一個(gè)輸入信號(hào)被轉(zhuǎn)換成為二進(jìn)制碼。如果一個(gè)編碼器有N個(gè)輸入端和n個(gè)輸出端，則輸出端與輸入端之間應(yīng)滿(mǎn)足關(guān)系N≤2n。 例如8線(xiàn)—3線(xiàn)編碼器和10線(xiàn)—4線(xiàn)編碼器分別有8輸入、3位二進(jìn)制碼輸出和10輸入、4位二進(jìn)制碼輸出。
1.4線(xiàn)—2線(xiàn)編碼器
下面分析4輸入、2位二進(jìn)制輸出的編碼器的工作原理。4線(xiàn)—2線(xiàn)編碼器的功能如表5.2.1所示。
根據(jù)邏輯表達(dá)式畫(huà)出邏輯圖如圖5.2.1所示。該邏輯電路可以實(shí)現(xiàn)如表5.2.1所示的功能，即當(dāng)I0～I(xiàn)3中某一個(gè)輸入為1，輸出 Y1Y0即為相對(duì)應(yīng)的代碼，例如當(dāng)I1為1時(shí)，Y1Y0為01。這里還有一個(gè)問(wèn)題請(qǐng)讀者注意。當(dāng)I0為1，I1～I(xiàn)3都為0和I0～I(xiàn)3均為0時(shí)Y1Y0 都是00，而這兩種情況在實(shí)際中是必須加以區(qū)分的，這個(gè)問(wèn)題留待后面加以解決。當(dāng)然，編碼器也可以設(shè)計(jì)為低電平有效。
2.鍵盤(pán)輸入8421BCD碼編碼器：
計(jì)算機(jī)的鍵盤(pán)輸入邏輯電路就是由編碼器組成。圖5.2.2是用十個(gè)按鍵和門(mén)電路組成的8421碼編碼器，其功能如表5.2.2所示， 其中S0～S9代表十個(gè)按鍵，即對(duì)應(yīng)十進(jìn)制數(shù)0～9的輸入鍵，它們對(duì)應(yīng)的輸出代碼正好是8421BCD碼，同時(shí)也把它們作為邏輯變量，ABCD 為輸出代碼(A為*高位)，GS為控制使能標(biāo)志。
對(duì)功能表和邏輯電路進(jìn)行分析，都可得知：①該編碼器為輸入低電平有效；②在按下S0～S9中任意一個(gè)鍵時(shí),即輸入信號(hào)中有一個(gè)為有效電平時(shí)，GS＝1，代表有信號(hào)輸入，而只有S0～S9均為高電平時(shí)GS＝0，代表無(wú)信號(hào)輸入,此時(shí)的輸出代碼0000為無(wú)效代碼。由此解決了前面提出的如何區(qū)分兩種情況下輸出都是全0的問(wèn)題。
綜上所述，對(duì)編碼器歸納為以下幾點(diǎn)：
1.編碼器的輸入端子數(shù)N（要進(jìn)行編碼的信息的個(gè)數(shù)）與輸出端子數(shù)n（所得編碼的位數(shù)）之間應(yīng)滿(mǎn)足關(guān)系式N≤2n。
2.編碼器的每個(gè)輸入端都代表一個(gè)二進(jìn)制數(shù)、十進(jìn)制數(shù)或其它信息符號(hào)，而且在N個(gè)輸入端中每次只允許有一個(gè)輸入端輸入信號(hào)（輸入低電平有效或輸入高電平有效），輸出為相應(yīng)的二進(jìn)制代碼或二－十進(jìn)制代碼（BCD碼）。
3.正確使用編碼器的控制端，可以用來(lái)擴(kuò)展編碼器的功能。
一、光電編碼器的工作原理
光電編碼器，是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用*多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤(pán)是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖1所示；通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤(pán)還可提供相位相差90o的兩路脈沖信號(hào)。
根據(jù)檢測(cè)原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、**式以及混合式三種。
（一）增量式編碼器
增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90o，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的**位置信息。
（二）**式編碼器
**編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤(pán)上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤(pán)上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤(pán)的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤(pán)處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有 N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤(pán)必須有N條碼道。目前國(guó)內(nèi)已有16位的**編碼器產(chǎn)品。**式編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制（葛萊碼）方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。**式編碼器與增量式
編碼器不同之處在于圓盤(pán)上透光、不透光的線(xiàn)條圖形，**編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤(pán)上的編碼，檢測(cè)**位置。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。它的特點(diǎn)是：
1．可以直接讀出角度坐標(biāo)的**值；
2．沒(méi)有累積誤差；
3．電源切除后位置信息不會(huì)丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來(lái)決定的，也就是說(shuō)精度取決于位數(shù)，目前有10位、14位等多種。
（三）混合式**值編碼器
混合式**值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測(cè)磁極位置，帶有**信息功能；另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。
光電編碼器是一種角度（角速度）檢測(cè)裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，具有體積小，精度高，工作可靠,接口數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器人、雷達(dá)、**目標(biāo)測(cè)定等需要檢測(cè)角度的裝置和設(shè)備中。
二、光電編碼器的應(yīng)用電路
（一）EPC－755A光電編碼器的應(yīng)用
EPC－755A光電編碼器具備良好的使用性能，在角度測(cè)量、位移測(cè)量時(shí)抗干擾能力很強(qiáng)，并具有穩(wěn)定可靠的輸出脈沖信號(hào)，且該脈沖信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)后可得到被測(cè)量的數(shù)字信號(hào)。因此，我們?cè)谘兄破?chē)駕駛模擬器時(shí)，對(duì)方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量選用EPC－755A光電編碼器作為傳感器，其輸出電路選用集電極開(kāi)路型，輸出分辨率選用360個(gè)脈沖/圈，考慮到汽車(chē)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)是雙向的，既可順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，也可逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，需要對(duì)編碼器的輸出信號(hào)鑒相后才能計(jì)數(shù)。圖2給出了光電編碼器實(shí)際使用的鑒相與雙向計(jì)數(shù)電路，鑒相電路用1個(gè)D觸發(fā)器和2個(gè)與非門(mén)組成，計(jì)數(shù)電路用3片74LS193組成當(dāng)光電編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道A輸出波形超前通道B輸出波形90°，D觸發(fā)器輸出Q（波形W1）為高電平，Q（波形W2）為低電平，上面與非門(mén)打開(kāi)，計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)（波形W3），送至雙向計(jì)數(shù)器74LS193的加脈沖輸入端CU，進(jìn)行加法計(jì)數(shù)；此時(shí)，下面與非門(mén)關(guān)閉，其輸出為高電平（波形W4）。當(dāng)光電編碼器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道A輸出波形比通道B輸出波形延遲90°，D觸發(fā)器輸出Q（波形W1）為低電平，Q（波形W2）為高電平，上面與非門(mén)關(guān)閉，其輸出為高電平（波形W3）；此時(shí)，下面與非門(mén)打開(kāi)，計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)（波形W4），送至雙向計(jì)數(shù)器74LS193的減脈沖輸入端CD，進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。汽車(chē)方向盤(pán)順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，其*大旋轉(zhuǎn)角度均為兩圈半，選用分辨率為360個(gè)脈沖/圈的編碼器，其*大輸出脈沖數(shù)為900個(gè)；實(shí)際使用的計(jì)數(shù)電路用3片74LS193組成，在系統(tǒng)上電初始化時(shí)，先對(duì)其進(jìn)
行復(fù)位（CLR信號(hào)），再將其初值設(shè)為800H，即2048（LD信號(hào)）；如此，當(dāng)方向盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為2048～2948，當(dāng)方向盤(pán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)電路的輸出范圍為2048～1148；計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出D0～D11送至數(shù)據(jù)處理電路。實(shí)際使用時(shí)，方向盤(pán)頻繁地進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，由于存在量化誤差，工作較長(zhǎng)一段時(shí)間后，方向盤(pán)回中時(shí)計(jì)數(shù)電路輸出可能不是2048，而是有幾個(gè)字的偏差；為解決這一問(wèn)題，我們?cè)黾恿艘粋€(gè)方向盤(pán)回中檢測(cè)電路，系統(tǒng)工作后，數(shù)據(jù)處理電路在模擬器處于非操作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)回中檢測(cè)電路，若方向盤(pán)處于回中狀態(tài)，而計(jì)數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出不是2048，可對(duì)計(jì)數(shù)電路進(jìn)行復(fù)位，并重新設(shè)置初值。
（二）光電編碼器在重力測(cè)量?jī)x中的應(yīng)用
采用旋轉(zhuǎn)式光電編碼器，把它的轉(zhuǎn)軸與重力測(cè)量?jī)x中補(bǔ)償旋鈕軸相連。重力測(cè)量?jī)x中補(bǔ)償旋鈕的角位移量轉(zhuǎn)化為某種電信號(hào)量；旋轉(zhuǎn)式光電編碼器分兩種，**編碼器和增量編碼器。增量編碼器是以脈沖形式輸出的傳感器，其碼盤(pán)比**編碼器碼盤(pán)要簡(jiǎn)單得多且分辨率更高 。一般只需要三條碼道，這里的碼道實(shí)際上已不具有**編碼器碼道的意義，而是產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖。它的碼盤(pán)的外道和中間道有數(shù)目相同均勻分布的透光和不透光的扇形區(qū)（光柵），但是兩道扇區(qū)相互錯(cuò)開(kāi)半個(gè)區(qū)。當(dāng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它的輸出信號(hào)是相位差為90°的A相和B相脈沖 信號(hào)以及只有一條透光狹縫的第三碼道所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)（它作為碼盤(pán)的基準(zhǔn)位置，給計(jì)數(shù)系統(tǒng)提供一個(gè)初始的零位信號(hào)）。從A，B兩個(gè)輸出信號(hào)的相位關(guān)系（超前或滯后）可判斷旋轉(zhuǎn)的方向。當(dāng)碼盤(pán)正轉(zhuǎn)時(shí)，A道脈沖波形比B道超前π/2，而反轉(zhuǎn)時(shí) ，A道脈沖比B道滯后π/2。是一實(shí)際電路，用A道整形波的下沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài) 產(chǎn)生的正脈沖與B道整形波相‘與’，當(dāng)碼盤(pán)正轉(zhuǎn)時(shí)只有正向口脈沖輸出，反之，只有逆向口脈沖輸出。因此，增量編碼器是根據(jù)輸出脈沖源和脈沖計(jì)數(shù)來(lái)確定碼盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和相對(duì)角位移量。通常，若編碼器有N個(gè)（碼道）輸出信號(hào)，其相位差為π/ N，可計(jì)數(shù)脈沖為2N倍光柵數(shù)，現(xiàn)在N=2。電路的缺點(diǎn)是有時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤記脈沖造成誤差， 這種情況出現(xiàn)在當(dāng)某一道信號(hào)處于“高”或“低”電平狀態(tài)，而另一道信號(hào)正處于“高”和 “低”之間的往返變化狀態(tài)，此時(shí)碼盤(pán)雖然未產(chǎn)生位移，但是會(huì)產(chǎn)生單方向的輸出脈沖。例如，碼盤(pán)發(fā)生抖動(dòng)或手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)位置時(shí)（下面可以看到，在重力儀測(cè)量時(shí)就會(huì)有這種情況）。是一個(gè)既能防止誤脈沖又能提高分辨率的四倍頻細(xì)分電路。在這里，采用了有記憶功能的D型觸發(fā)器和時(shí)鐘發(fā)生電路。每一道有兩個(gè)D觸發(fā)器串接，這樣，在時(shí)鐘脈 沖的間隔中，兩個(gè)Q端（如對(duì)應(yīng)B道的74LS175
的第2、7引腳）保持前兩個(gè)時(shí)鐘期的輸入 狀態(tài)，若兩者相同，則表示時(shí)鐘間隔中無(wú)變化；否則，可以根據(jù)兩者關(guān)系判斷出它的變化方 向，從而產(chǎn)生‘正向’或‘反向’輸出脈沖。當(dāng)某道由于振動(dòng)在‘高’、‘低’間往復(fù)變化 時(shí)，將交替產(chǎn)生‘正向’和‘反向’脈沖，這在對(duì)兩個(gè)計(jì)數(shù)器取代數(shù)和時(shí)就可消除它們的影響（下面儀器的讀數(shù)也將涉及這點(diǎn)）。由此可見(jiàn)，時(shí)鐘發(fā)生器的頻率應(yīng)大于振動(dòng)頻率的可能 *大值。由圖4還可看出，在原一個(gè)脈沖信號(hào)的周期內(nèi)，得到了四個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。例如，原每圈脈沖數(shù)為1000的編碼器可產(chǎn)生4倍頻的脈沖數(shù)是4000個(gè)，其分辨率為0.09°。實(shí)際上 ，目前這類(lèi)傳感器產(chǎn)品都將光敏元件輸出信號(hào)的放大整形等電路與傳感檢測(cè)元件封裝在一起，所以只要加上細(xì)分與計(jì)數(shù)電路就可以組成一
個(gè)角位移測(cè)量系統(tǒng)（74159是4-16譯碼器）。
三、應(yīng)用中問(wèn)題分析及改進(jìn)措施
（一）應(yīng)用中問(wèn)題分析
光電檢測(cè)裝置的發(fā)射和接收裝置都安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在使用中暴露出許多缺陷，其有內(nèi)在因素也有外在因素，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1．發(fā)射裝置或接受裝置因機(jī)械震動(dòng)等原因而引起的移位或偏移，導(dǎo)致接收裝置不能可靠的接收到光信號(hào)，而不能產(chǎn)生電信號(hào)。例如；光電編碼器應(yīng)用在軋鋼調(diào)速系統(tǒng)中，因光電編碼器是直接用螺栓固定在電動(dòng)機(jī)的外殼上，光電編碼器的軸通過(guò)較硬的彈**和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接，因電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載是沖擊性負(fù)載，當(dāng)軋機(jī)過(guò)鋼時(shí)會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸和外殼的振動(dòng)。經(jīng)測(cè)定；過(guò)鋼時(shí)光電編碼器振動(dòng)速度為2.6mm/s，這樣的振動(dòng)速度會(huì)損壞光電編碼器的內(nèi)部功能。造成誤發(fā)脈沖，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定或誤動(dòng)作，導(dǎo)致事故發(fā)生。
2．因光電檢測(cè)裝置安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，受生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素影響導(dǎo)致光電檢測(cè)裝置不能可靠的工作。如安裝部位溫度高、濕度大，導(dǎo)致光電檢測(cè)裝置內(nèi)部的電子元件特性改變或損壞。例如在連鑄機(jī)送引錠跟蹤系統(tǒng)，由于光電檢測(cè)裝置安裝的位置靠近鑄坯，環(huán)境溫度高而導(dǎo)致光電檢測(cè)裝置誤發(fā)出信號(hào)或損壞，而引發(fā)生產(chǎn)或人身事故。
3．生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾源，對(duì)光電檢測(cè)裝置產(chǎn)生的干擾，導(dǎo)致光電檢測(cè)裝置輸出波形發(fā)生畸變失真，使系統(tǒng)誤動(dòng)或引發(fā)生產(chǎn)事故。例如；光電檢測(cè)裝置安裝在生產(chǎn)設(shè)備本體，其信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至控制系統(tǒng)的距離一般在20m～100m，傳輸電纜雖然一般都選用多芯屏蔽電纜，但由于電纜的導(dǎo)線(xiàn)電阻及線(xiàn)間電容的影響再加上和其他電纜同在一起敷設(shè)，極易受到各種電磁干擾的影響，因此引起波形失真，從而使反饋到調(diào)速系統(tǒng)的信號(hào)與實(shí)際值的偏差，而導(dǎo)致系統(tǒng)精度下降。
（二）改進(jìn)措施
1．改變光電編碼器的安裝方式。光電編碼器不在安裝在電動(dòng)機(jī)外殼上，而是在電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上制作一固定支架來(lái)獨(dú)立安裝光電編碼器，光電編碼器軸與電動(dòng)機(jī)軸中心必須處于同一水平高度，兩軸采用軟橡膠或尼龍軟管相連接，以減輕電動(dòng)機(jī)沖擊負(fù)載對(duì)光電編碼器的機(jī)械沖擊。采用此方式后經(jīng)測(cè)振儀檢測(cè)，其振動(dòng)速度降至1.2mm/s。
2．合理選擇光電檢測(cè)裝置輸出信號(hào)傳輸介質(zhì)，采用雙絞屏蔽電纜取代普通屏蔽電纜。雙絞屏蔽電纜具有兩個(gè)重要的技術(shù)特性，一是對(duì)電纜受到的電磁干擾具有較強(qiáng)的防護(hù)能力，因?yàn)榭臻g電磁場(chǎng)在線(xiàn)上產(chǎn)生的干擾電流可以互相抵消。雙絞屏蔽電纜的另一個(gè)技術(shù)特點(diǎn)是互絞后兩線(xiàn)間距很小，兩線(xiàn)對(duì)干擾線(xiàn)路的距離基本相等，兩線(xiàn)對(duì)屏蔽網(wǎng)的分布電容也基本相同，這對(duì)抑制共模干擾效果更加明顯。
3．利用PLC軟件監(jiān)控或干涉。在連鑄生產(chǎn)的送引錠過(guò)程要求光電檢測(cè)裝置產(chǎn)生有時(shí)序性的電信號(hào)，同時(shí)，該信號(hào)與整個(gè)過(guò)程不同階段相對(duì)應(yīng)。如圖5。
（1）送引錠過(guò)程啟動(dòng)前，光電信號(hào)1為“1”。（2）送引錠過(guò)程啟動(dòng)后，在A(yíng)階段，輥道啟動(dòng)，引錠桿上送。當(dāng)引錠桿擋住光電裝置發(fā)射出的紅外光時(shí)，光電信號(hào)為“0”；當(dāng)紅外光透過(guò)引錠桿中部2個(gè)小圓孔時(shí)，光電裝置發(fā)出信號(hào)2和3，均為“1”。（3）送引錠過(guò)程在B階段，光電信號(hào)為“0”，輥道停下，引錠桿暫停上送，扇形10段壓下，啟動(dòng)拉矯機(jī)和“同步1”，引錠桿繼續(xù)上送。（4）送引錠過(guò)程在C階段，引錠桿上送，并不再擋住紅外光，光電信號(hào)4為“1”，啟動(dòng)“同步2”，停下“同步1”，引錠桿繼續(xù)上送。至此光電裝置工作過(guò)程結(jié)束。根據(jù)光檢測(cè)電裝置的工作過(guò)程，只要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定送引錠過(guò)程中各個(gè)光電信號(hào)發(fā)生的時(shí)間，結(jié)合送引錠過(guò)程與光電信號(hào)的關(guān)系，利用PLC應(yīng)用程序中的相關(guān)數(shù)據(jù)，編制符合要求的
PLC程序，將PLC程序輸出信號(hào)輸入至PLC的輸入模塊，替代原光電信號(hào)的輸入信號(hào)。其程序框圖如圖6所示。
什么叫光電編碼器
光電編碼器是通過(guò)讀取光電編碼盤(pán)上的圖案或編碼信息來(lái)表示與光電編碼器相連的電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息的。根據(jù)光電編碼器的工作原理可以將光電編碼器分為**式光電編碼器與增量式光電編碼器，下面簡(jiǎn)單介紹下下**式光電編碼器的的結(jié)構(gòu)與工作原理做介紹。
**式光電編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理
**式光電編碼器如圖所示，他是通過(guò)讀取編碼盤(pán)上的二進(jìn)制的編碼信息來(lái)表示**位置信息的。
編碼盤(pán)是按照一定的編碼形式制成的圓盤(pán)。圖1是二進(jìn)制的編碼盤(pán)，圖中空白部分是透光的，用“0”來(lái)表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”來(lái)表示。通常將組成編碼的圈稱(chēng)為碼道，每個(gè)碼道表示二進(jìn)制數(shù)的一位，其中*外側(cè)的是*低位，*里側(cè)的是*高位。如果編碼盤(pán)有4個(gè)碼道，則由里向外的碼道分別表示為二進(jìn)制的23、22、21和20，4位二進(jìn)制可形成16個(gè)二進(jìn)制數(shù)，因此就將圓盤(pán)劃分16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)，如0000、0001、…、1111。
按照碼盤(pán)上形成的碼道配置相應(yīng)的光電傳感器，包括光源、透鏡、碼盤(pán)、光敏二極管和驅(qū)動(dòng)電子線(xiàn)路。當(dāng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)到一定的角度時(shí)，扇區(qū)中透光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管導(dǎo)通，輸出低電平“0”，遮光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管不導(dǎo)通，輸出高電平“1”，這樣形成與編碼方式一致的高、低電平輸出，從而獲得扇區(qū)的位置腳。
光電編碼器原理
光電編碼器，是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，是目前應(yīng)用*多的傳感器。一般的光電編碼器主要由光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置組成。在伺服系統(tǒng)中，由于光電碼盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)．經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理如圖所示。通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤(pán)還可提供相位相差90°的2個(gè)通道的光碼輸出，根據(jù)雙通道光碼的狀態(tài)變化確定電機(jī)的轉(zhuǎn)向。根據(jù)檢測(cè)原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、**式以及混合式3種。
編碼器原理
光電編碼器，是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用*多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤(pán)是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖1所示；通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
1.1增量式編碼器
增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90海傭煞獎(jiǎng)愕嘏卸銑魴較潁鳽相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的**位置信息。
1.2**式編碼器
**編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤(pán)上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤(pán)上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤(pán)的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤(pán)處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有 N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤(pán)必須有N條碼道。目前國(guó)內(nèi)已有16位的**編碼器產(chǎn)品。
**式編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制（葛萊碼）方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。**式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤(pán)上透光、不透光的線(xiàn)條圖形，**編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤(pán)上的編碼，檢測(cè)**位置。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。它的特點(diǎn)是：
1.2.1可以直接讀出角度坐標(biāo)的**值；
1.2.2沒(méi)有累積誤差；
1.2.3電源切除后位置信息不會(huì)丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來(lái)決定的，也就是說(shuō)精度取決于位數(shù)，目前有10位、14位等多種。
1.3混合式**值編碼器
混合式**值編碼器，它輸出兩組信息：一組信息用于檢測(cè)磁極位置，帶有**信息功能；另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。
光電編碼器是一種角度（角速度）檢測(cè)裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，具有體積小，精度高，工作可靠,接口數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器人、雷達(dá)、**目標(biāo)測(cè)定等需要檢測(cè)角度的裝置和設(shè)備中。
