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光学编码器的工作原理及特点

编码器基础知识

本篇是连载第四章,将继续向大家介绍我们以往总结的经验。

如果能帮助到想学习编码器、想了解其工作原理的人,将是我们的荣幸。

本章介绍光学编码器的工作原理及特点

总结

  • 光学编码器检测透过码盘的光脉冲信号,并将其转换为数字信号输出。
  • 与磁性编码器相比,更容易实现高精度和高分辨率,可用于有强磁场干扰的环境。
  • 反射型光学编码器更易于实现小型化和轻薄化,并且可以采用叠加方式制造,简化组装工序。

4-1. 光学编码器的构造

光学编码器将旋转位置信息转化为光脉冲信号以对其进行检测。光学编码器由发光元件、光敏元件及码盘(即一个刻有规则的透光和不透光线条的圆盘)组成。当安装在电机转轴上的码盘旋转时,固定住的发光元件发出的光经过码盘,产生透光和不透光的光脉冲。光敏元件检测到这些光脉冲后,转换成数字信号输出。

图4-1 光学编码器的结构示意图 图4-1 光学编码器的结构示意图

发光元件(LED)

光学编码器中的发光元件大都使用价格低廉的红外LED,但是有时为了抑制光的扩散,会使用波长较短的有色LED。而对于要求高性能、高分辨率的应用,则会使用价格昂贵的激光二极管。

镜片

由于发光元件发出的光是无方向性的扩散光,所以要使用凸透镜将扩散光变成平行光。

码盘

码盘是一个刻有光栅(孔)的圆盘,可对发光元件发出的光进行通透/遮挡处理。面向工业领域的码盘使用抗震动、耐高温高湿的金属材质;面向一般民用产品的码盘使用价格低廉且能大规模生产的树脂材质;而对于要求高精度、高分辨率的应用场景,则使用玻璃材质。另外,为了使光敏元件更好的接收通过码盘传输的透光/不透光信号,有时会在码盘的对侧配置固定光栅。

光敏元件

常见的光敏元件一般是由硅(Si)、锗(Ge)、铟镓(InGaP)等半导体材料制作的光电二极管、光电晶体管。

4-2. 光学编码器的工作原理

根据结构分类

光学编码器从结构上分两种。一种是码盘夹在发光元件和光敏元件之间的“透射型”,一种是发光元件和光敏元件在同一平面,通过码盘反射光源的“反射型”。

图4-2-1 光学旋转编码器透射型(左)及反射型(右)的示意图 图4-2-1 光学旋转编码器透射型(左)及反射型(右)的示意图

透射型

光敏元件检测发光元件发出的光是否透过码盘光栅

具备以下优点:

  • 易提高信号精度
  • 光学路径简单,易于开发

反射型

光敏元件检测发光元件发出的光是否被码盘反射

具备以下优点:

  • 易小型化和轻薄化
  • 可叠加制造,能简化组装工序

根据输出信号的类型分类

光学编码器根据输出的电气信号的类型可分两种。一种是输出旋转码盘角度变化量(移动量)的增量型,一种是输出旋转码盘绝对角度的绝对值型。

关于增量型和绝对值型,在第3章中有详细说明。

实现高分辨率、高精度

光学编码器的分辨率基本是由码盘光栅数量决定的。虽然增加码盘光栅数量可以提高分辨率,但是要同时实现编码器小型化的话,每个光栅的面积要做到尽可能小。这提高了对零件组装精度的要求,终归会受到客观条件地限制。

为了进一步提高分辨率,可以通过内插值方法,将A相B相输出信号由脉冲形式改为正余弦形式,再由细分器分出更多的方波或者数字位置信息。这种方法叫做电气内插。这样,通过优化光学编码器发光元件、码盘、光敏元件的构造,减少模拟正弦波变形量,从而实现高分辨率、高精度。

图4-2 模拟正弦信号(上)和脉冲信号(下) 图4-2 模拟正弦信号(上)和脉冲信号(下)

4-3. 光学编码器的特点和主要应用

光学式编码器的原理是检测光是否通过光栅,在光栅形状上下功夫就能轻松提高精度和分辨率,因此,适用于需要一定精度的伺服控制系统及中空贯通轴型电机。因为不受周围磁场影响,也可用于强磁场环境,例如可用在大直径电机设备等。

总结

  • 光学编码器检测透过码盘的光脉冲信号,并将其转换为数字信号输出。
  • 与磁性编码器相比,更容易实现高精度和高分辨率,可用于有强磁场干扰的环境。
  • 反射型光学编码器更易于实现小型化和轻薄化,并且可以采用叠加方式制造,简化组装工序。

本章介绍了光学编码器的工作原理及特点。

您是否对其工作原理、特点及应用有了相应的了解呢?

下期将对磁性编码器的工作原理和特点进行解说。