光电编码器信号传输的光纤实现
光电编码器原理及应用电路
光电编码器原理及应用电路————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：光电编码器原理及应用电路1.光电编码器原理光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。
光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90度的脉冲信号。
图1 光电编码器原理示意图根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。
根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
1.1增量式编码器增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90度的脉冲信号，Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。
它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。
其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
1.2绝对式编码器绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。
这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。
显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。
光电编码器的原理及应用
光电编码器的原理及应用光电编码器是一种精密测量设备，常用于测量旋转角度或线性位置。
它通过光电传感器和编码盘之间的互动来实现测量。
本文将介绍光电编码器的原理、构造和应用。
一、原理光电编码器的工作原理基于光电传感器对编码盘上光学标记的检测。
编码盘通常由透明和不透明的区域组成。
当光线照射到编码盘上时，透明和不透明的区域将交替出现在光电传感器面前，从而导致光电传感器输出脉冲。
光电编码器的输出脉冲数与编码盘上的光学标记数目相关。
通常，编码盘上的光学标记数越多，输出脉冲数就越多，从而实现更精确的位置测量。
此外，光电编码器还可通过增量编码或绝对编码方式进行测量。
二、构造光电编码器通常由光学系统、编码盘、信号处理电路和接口电路组成。
光学系统包括光源和光电传感器，用于发射和接收光线。
编码盘作为测量对象，用于生成光学标记。
信号处理电路负责对光电传感器输出的脉冲信号进行处理和解码。
接口电路用于将处理后的信号输出给外部设备。
光电编码器的结构形式主要有旋转式和直线式两种。
旋转式编码器适用于旋转轴测量，常见的有光栅编码器和光学电子编码器。
直线式编码器适用于直线位移测量，常见的有线性光栅编码器和直线电子编码器。
三、应用光电编码器在工业控制、机械加工、自动化系统等领域中有广泛的应用。
1. 位置测量：光电编码器可用于测量机械设备的旋转角度或线性位移，例如机床的进给系统、机器人的关节角度等。
其高精度和稳定性使得测量结果可靠准确。
2. 运动控制：光电编码器可作为反馈装置用于闭环控制系统中，实现对机械设备运动的精确控制。
通过实时监测位置变化，可以对运动过程进行调整和优化，提高生产效率。
3. 位置校准：光电编码器可在传感器灵敏度高、分辨率高的情况下，对其他传感器的测量结果进行校准。
例如，在无人驾驶领域中，光电编码器可用于对雷达或摄像头的测量结果进行校准，提高车辆的定位准确性。
4. 导航系统：光电编码器可用于导航系统中船舶、飞行器等航行过程的航向或航行距离的测量。
光电编码器工作原理
光电编码器工作原理
光电编码器是一种用于测量物体位置和运动的设备。
它通过光电检测和编码技术来实现对物体位置的精确测量。
光电编码器由两部分组成：光源和光电检测器。
光源通常是一颗发光二极管（LED），它会发射出一束光束。
光束经过一个光栅或光轮，形成由透光区域和不透光区域交替排列的编码器图案。
当物体移动时，光栅或光轮会随之旋转或震动，光束通过光栅或光轮时会被阻挡或透过。
光电检测器会接收到透光和不透光的信号，并将其转化成数字脉冲信号。
编码器图案的设计是非常关键的。
常见的编码器图案有灰度编码、二进制编码和格雷码。
灰度编码是使用不同数量的光线强度来表示位置信息，二进制编码是使用0和1的组合来表示位置信息，而格雷码则是使用只有一个比特位发生变化的方式来表示位置信息。
不同的编码器图案有不同的优势，可以根据具体需求来选择。
通过对接收到的数字脉冲信号进行计数和解码，光电编码器可以准确地确定物体的位置和运动方向。
由于光电编码器的高精度和高分辨率，它常被应用于机械工程、自动化控制和数码产品等领域中。
总的来说，光电编码器利用光电检测和编码技术来实现对物体位置和运动的测量。
它的工作原理是通过光源和光电检测器来
探测并解码物体经过时产生的光信号。
这些信号经过计数和解码后，可以得到精确的位置和运动信息。
光电编码器的工作原理和应用电路
光电编码器的工作原理和应用电路1 光电编码器的工作原理光电编码器(Optical Encoder)俗称“单键飞梭”，其外观好像一个电位器，因其外部有一个可以左右旋转同时又可按下的旋钮，很多设备(如显示器、示波器等)用它作为人机交互接口。
下面以美国Greyhill公司生产的光电编码器为例，介绍其工作原理及使用方法。
光电编码器的内部电路如图1所示，其内部有1个发光二极管和2个光敏三极管。
当左右旋转旋钮时，中间的遮光板会随旋钮一起转动，光敏三极管就会被遮光板有次序地遮挡，A、B相就会输出图2所示的波形；当按下旋钮时，2、3两脚接通，其用法同一般按键。
当顺时针旋转时，光电编码器的A相相位会比B相超前半个周期；反之，A相会比B相滞后半个周期。
通过检测A、B两相的相位就可以判断旋钮是顺时针还是逆时针旋转，通过记录A或B相变化的次数，就可以得出旋钮旋转的次数，通过检测2、3脚是否接通就可以判断旋钮是否按下。
其具体的鉴相规则如下：1.A为上升沿，B=0时，旋钮右旋；2.B为上升沿，A=l时，旋钮右旋；3.A为下降沿，B=1时，旋钮右旋；4.B为下降沿，A=O时，旋钮右旋；5.B为上升沿，A=0时，旋钮左旋；6.A为上升沿，B=1时，旋钮左旋；7.B为下降沿，A=l时，旋钮左旋；8.A为下降沿，B=0时，旋钮左旋。
通过上述方法，可以很简单地判断旋钮的旋转方向。
在判断时添加适当的延时程序，以消除抖动干扰。
2 WinCE提供的驱动模型WinCE操作系统支持两种类型的驱动程序。
一种为本地驱动程序，是把设备驱动程序作为独立的任务实现的，直接在顶层任务中实现硬件操作，因此都有明确和专一的目的。
本地设备驱动程序适合于那些集成到Windows CE平台的设备，诸如键盘、触摸屏、音频等设备。
另一种是具有定制接口的流接口驱动程序。
它是一般类型的设备驱动程序。
流接口驱动程序的形式为用户一级的动态链接库(DLL)文件，用来实现一组固定的函数称为“流接口函数”，这些流接口函数使得应用程序可以通过文件系统访问这些驱动程序。
光电编码器详解
光电编码器光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。
根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。
根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
绝对脉冲编码器:APC 增量脉冲编码器:SPC1.光电编码器原理光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。
光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的脉冲信号。
1.1 增量式编码器增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。
增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。
它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。
一般来说，增量式光电编码器输出A、B两相互差 90度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。
同时还有用作参考零位的Z相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。
标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。
增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成。
码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有A、B两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。
光电编码器介绍 1光电编码器原理 光电编码器,是一种通过光电转换将
光电编码器介绍1.光电编码器原理光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。
光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90旱牧铰仿龀逍藕拧根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。
根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
1.1增量式编码器增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90海佣煞奖愕嘏卸铣鲂较颍鳽相为每转一个脉冲，用于基准点定位。
它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。
其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
1.2绝对式编码器绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。
这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。
显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。
目前国内已有16位的绝对编码器产品。
绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。
绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。
光电编码器的工作原理
光电编码器的工作原理
光电编码器是一种常用于测量和检测物理运动和位置的装置。
其工作原理基于光电效应和编码技术。
1. 光电效应
光电效应是指当光照射到特定的物质表面时，光子的能量会转化为电子的能量，从而引起电流的流动。
光电编码器利用光电效应产生光信号和电信号之间的转换。
2. 光电编码技术
光电编码器使用光栅或光轮作为编码器的核心部件。
光栅是由透明和不透明线条交替排列而成的圆盘，而光轮是由周期性的透明和不透明窗口组成的。
当光栅或光轮转动时，它们会产生不同的光信号，这些光信号会被光电元件（如光电二极管或光敏电阻）接收并转换为电信号。
3. 工作原理
在光电编码器中，光栅或光轮的旋转会导致光信号的变化。
光电元件接收到光信号后，会将其转换为电信号。
根据光信号的变化，可以确定光栅或光轮的位置和运动方向。
光电编码器通常包含两个或多个光电传感器，它们安装在固定位置，并与光栅或光轮对应。
通过比较不同光电传感器接收到的光信号，可以确定光栅或光轮的位置和方向。
4. 应用
光电编码器广泛应用于自动化系统中，用于测量和控制位置、速度和角度。
它们被用于各种设备和机械系统，如机械车床、印刷机、机器人、电梯等。
通过测量光栅或光轮的位置变化，可以实现精确的位置控制和运动检测。
光电编码器的原理与应用
光电编码器的原理与应用0引言光电编码器是一种旋转式位置传感器，在现代伺服系统中广泛应用于角位移或角速率的测量，它的转轴通常与被测旋转轴连接，随被测轴一起转动。
它能将被测轴的角位移转换成二进制编码或一串脉冲。
光电编码器分为绝对式和增量式两种类型。
增量式光电编码器具有结构简单、体积小、价格低、精度高、响应速度快、性能稳定等优点，应用更为广泛。
在高分辨率和大量程角速率／位移测量系统中，增量式光电编码器更具优越性。
绝对式编码器能直接给出对应于每个转角的数字信息，便于计算机处理，但当进给数大于一转时，须作特别处理，而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，使其结构复杂、成本高。
1增量式编码器1.1增量式光电编码器的结构增量式编码器是指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲，然后根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计数，以此来表示转过的角位移量。
增量式光电编码器结构示意图如图1所示。
图1增量式光电码盘结构示意图光电码盘与转轴连在一起。
码盘可用玻璃材料制成，表面镀上一层不透光的金属铬，然后在边缘制成向心的透光狭缝。
透光狭缝在码盘圆周上等分，数量从几百条到几千条不等。
这样，整个码盘圆周上就被等分成n个透光的槽。
增量式光电码盘也可用不锈钢薄板制成，然后在圆周边缘切割出均匀分布的透光槽。
1.2增量式编码器的工作原理增量式编码器的工作原理如图2所示。
它由主码盘、鉴向盘、光学系统和光电变换器组成。
在图形的主码盘（光电盘）周边上刻有节距相等的辐射状窄缝，形成均匀分布的透明区和不透明区。
鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使A、B两个光电变换器的输出信号在相位上相差90°。
工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。
当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。
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光电编码器信号传输的光纤实现
【摘要】为了提高光电编码器输出信号在特定应用系统中的抗干扰能力，通过分析研究绝对值型和增量式光电编码器的输出信号形式，提出了采用相应的光电转换器件将电信号转换为光信号进行传输，实验结果表明方法可行，传输信号稳定并能可靠转换，提高了编码器输出信号的抗干扰能力。
【关键词】编码器；光纤；光电转换
1.引言
光电编码器在现代电机控制系统中常用以检测转轴的位置与速度，是通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的高精度角位置测量传感器。
由于其具有分辨率高、响应速度快、体积小等特点，被广泛应用于电机控制系统中。
2.绝对值型光电编码器信号传输的光纤实现
编码器按信号输出形式分为绝对式编码器和增量式编码器。
绝对式光电编码器具有输出量可与PLC模块、ARM或FPGA等器件直接接口，无累计误差等优点，但价格高、制造工艺复杂，不宜实现小型化。
绝对型编码器有两种类型，单圈和多圈。
单圈绝对型编码器旋转一圈后自动回到零；多圈绝对型编码器旋转到编码器最大圈数、最大计数值自动回到零。
绝对型编码器一般采用格雷码盘编码。
格雷码（Gray Code）在任意两个相邻的数之间转换时，只有一个数位发生变化。
以分辨率24四位二进制码盘为例。
若绝对值编码器采用二进制8421码盘，如图1所示，两个顺序的编码之间有一位或一位以上二进制位置改变。
例如：两个顺序的二进制码，从0111变到1000，二进制码的所有位都改变它们的状态。
在改变状态的过渡时刻得到读数可能是错误的。
即位置的同步和采样变得非常困难。
而采用二进制格雷码盘，如图2所示，两个顺序的编码之间，从最后一位码到第一位码，只有一位二进制位置改变，这样使位置的同步和采样变得准确、简单、可行。
关于自然二进制码与格雷码之间的换算关系可以参考相关文献。
绝对值编码器信号输出一般有并行输出、串行输出、总线型输出、变送一体型输出。
下面对其输出方式进行简单介绍。
2.1 并行输出
绝对值编码器输出的是多位数码（格雷码或纯二进制码），并行输出就是在接口上有多点高低电平输出，以代表数码的1或0，对于位数不高的绝对编码器，一般就直接以此形式输出数码，可直接进入PLC或上位机的I/O接口，输出即时，连接简单。
但是并行输出有如下问题：
①必须是格雷码，因为如是纯二进制码，在数据刷新时可能有多位变化，读
数会在短时间里造成错码。
②所有接口必须确保连接好，因为如有个别连接不良点，该点电位始终是0，造成错码而无法判断。
③传输距离不能远，一般在一两米，对于复杂环境，最好有隔离。
④对于位数较多，要许多芯电缆，并要确保连接优良，由此带来工程难度，同样，对于编码器，要同时有许多节点输出，增加编码器的故障损坏率。
2.2 同步串行（SSI）输出
串行输出就是通过约定，在时间上有先后的数据输出，其连接的物理形式有RS232、RS422（TTL）、RS485等。
SSI接口如RS422模式，以两根数据线、两根时钟线连接，由接收设备向编码器发出中断的时钟脉冲，绝对位置值由编码器与时钟脉冲同步输出至接收设备。
由接收设备发出时钟信号触发，编码器开始输出与时钟信号同步的串行信号。
串行输出连接线少，传输距离远，提高了编码器的可靠性和保护。
一般高位数的绝对编码器都是用串行输出的。
2.3 现场总线型输出（异步串行）
现场总线型编码器是多个编码器各以一对信号线连接在一起，通过设定地址，用通讯方式传输信号，信号的接收设备只需一个接口，就可以读多个编码器信号。
总线型编码器信号遵循RS485的物理格式，目前有多种通讯规约，各有优点，还未统一，编码器常用的通讯规约有如下几种：PROFIBUS-DP；CAN；DeviceNet等。
总线型编码器可以节省连接线缆、接收设备接口，传输距离远，在多个编码器集中控制的情况下还可以大大节省成本。
2.4 变送一体型输出
其信号已经在编码器内换算后直接变送输出，其有模拟量4-20mA输出、RS485数字输出、14位并行输出等。
针对绝对值编码器的常见输出信号形式即同步串行输出（SSI），提出采用光纤传输的方法，从而提高编码器信号的抗干扰能力以及施工接线的方便性。
工业串口光纤Modem将RS-232/422/485电信号直接调制成光信号在光纤上传输，解决了电磁干扰、地环干扰和雷电破坏的难题，提高了数据通讯的可靠性、安全性和保密性，适合我方对电磁干扰环境有特殊要求的某控制系统。
如图3所示，编码器端输出的同步串行RS-422数据信号通过接口变换电路转换为TTL信号，然后经过光电转换器件变换为光信号进行传输。
同样，RS-422的时钟同步信号由接收端通过相同的方式进行转换，所不同的是数据信号和时钟同步信号转换后的光波长不相等，然后通过多模光纤来传播。
3.增量式光电编码器信号传输的光纤实现
增量式光电编码器不具有计数和接口电路，价格较低，在实际工程中比较常用。
采用三路相互正交的脉冲信号进行长距离传输，目的是为了提高信号的抗干扰能力。
但是，一般编码器的输出信号均要求与强电分开传输，而在我方具体的应用系统中，单独铺设编码器信号传输电路存在施工难度，而且增加了线路的复杂性。
为此，考虑将编码器输出信号进行光电转换，采用塑料光纤进行传输（塑料光纤作为工业级应用场合，具有柔韧性高、不易磨损等特点）。
从而可以将光纤与强电缆在同一线槽中铺设，提高信号传输抗干扰的同时，节省了步线空间并降低了综合成本。
针对输出的A、B、Z三相脉冲信号，可以直接将其转换为光信号（如图8所示），使光电编码器的输出方式统一规划为光信号（电压输出、互补输出、驱动器输出、集电极开路输出均可采用此种方法），而在接收端通过光纤接收器将光信号转换为电信号（如图9所示）进入相应的处理电路，进行计数等处理。
选用美国安华高科（Avago TECHNOL-OGIES）公司的HFBR-1523Z，HFBR-2523Z光纤收发器（660纳米）。
这组光纤收发器最高传输速率40KBd，工作温度范围0℃～70℃，最大工作电流25mA，光纤采用Ф1塑料光纤。
此处需明确波特率和比特率的区别。
波特（baud）是指信号大小方向变化的一个波形，编码器输出波特率为1024ps，即每秒传输信号波形变化1024个。
一个信号波形可以包含一个或多个二进制位，例如单比特信号的传输速率为9600bit/s，则其波特率为9600baud，它意味着每秒可传输9600个二进制脉冲。
如果信号波形由2个二进制位组成，当传输速率为9600bit/s时，则其波特率只有4800baud。
实验中选择光纤收发器的通信速率为40Kbps时，HFBR-1523Z（发射），HFBR-2523Z （接收）光纤收发器可以满足要求。
图10所示为从示波器上捕获的波形。
检测发射器HFBR-1523Z的输入DATE，波形如上面方波所示，经过电光转换，然后通过塑料光纤传输，在接受器HFBR-2523Z的1引脚上检测到的一帧接收号波形（下面），实现了编码器脉冲信号的光纤传输。
4.结论
综上所述，采用光纤接口电路，输入和输出光信号能满足要求的通讯速率，实现了编码器输出信号的光纤传输。
使用光纤作为传输介质，编码器端与控制系统间有良好的电气隔离，也避免了电机启动、运转时产生的强电磁场环境对编码器弱点脉冲信号传输的影响。
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