什么是光电 编码器

什么是光电编码器

什么是光电编码器

一、光电编码器简介

光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字检测装置，它是一种通过光

电转换，将输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，它主

要用于速度或位置(角度)的检测。具有精度高、响应快、抗干扰能力强、性能

稳定可靠等显著的优点。按结构形式可分为直线式编码器和旋转式编码器两种

类型。

旋转编码器主要由光栅、光源、检读器、信号转换电路、机械传动等部分

组成。光栅面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;分别用两个光栅面感光。由于两个光栅面具有90°的相位差，

因此将该输出输入数字加减计算器，就能以分度值来表示角度。它们的节距从

光电编码器的输出信号种类来划分，可分为增量式和绝对值式两大类。

旋转增量式编码器转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码

器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编

码器不能有任何的移动;当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从

知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。

绝对编码器光码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线…编排，这样在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一

组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码(格雷码)，这就称为位绝

对编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参

考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。由于绝对编码器

在定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工业控制定位中。

编码器信号输出有并行输出、串行输出、总线型输出、变送一体型输出等

输出形式。串行输出是时间上数据按照约定，有先后输出;空间上，所有位数的数据都在一组电缆上(先后)发出。这种约定称为"通讯协议"，其连接的物理形

式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。串行输出连接线少，传输距离远，可靠性就大大提高了，但传输速度比并行输出慢。对于绝对编码器，信号并行输出是

时间上数据同时发出:空间上，每个位数的数据各占用一根线缆。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。这种方式输出即时，连接简单。但是，对于位数较多的绝对编码器，有许多芯电缆，由此带来工程难度和诸多不便、降低了可靠性。因此，在绝对

编码器多位数输出一般不采用并行输出型，而是选用串行输出或总线型输出。

二、光电编码器的分类

按测量方式的分类:

旋转编码器

直尺编码器

按编码方式的分类:

绝对式编码器

增量式编码器

混合式编码器

三、光电编码器的应用

近十几年来，光电编码器发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化

产品，在数控机床、机器人、雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、高精度闭环调

速系统、伺服系统等诸多领域中得到了广泛的应用。

容栅旋转编码器原理及应用

摘要:以旋转容栅编码器为例，简述容栅传感器的测量原理及其结构，分析容栅自身以及容栅芯片的特点，通过机械机构设计和容栅编码器后续电路设计，提高其工作可靠性，并应用于实际工程中。

关键词:容栅传感器;电容传感器;鉴相;编码器

中图分类号:212.1文献标识码:A

一、引言

电容传感器具有测量分辨力和测量准确度高等特点，在很多场合被作为高

精测量仪器使用，但因其自身缺陷，只能使用在微小位移的测量中，无法满足

大位移测量的要求。80年代容栅传感器的出现，彻底的改变了这种情况。借鉴

了光栅的结构形式，工程师把电容做成栅型，大大提高了测量的精度和范围，

实现了大位移高精度测量。

容栅传感器相对于其他类型的传感器有许多突出的优点[2]:

1、量程大、分辨率高。在线位移测量时，分辨率为2mm时，量程可达到

20m，在角位移测量时，分辨率为0.1°时，量程为4096圈。其测量速度也比

较高，测量线速度可达到1.5m/s。

2、容栅测量属非接触式测量，因此容栅传感器具有非接触传感器的优点，诸如测量时摩擦阻力可以减到最小，不会因为测量部件的表面磨损而导致测量

精度下降。

3、结构简单。容栅传感器的敏感元件主要由动栅和静栅组成，信号线可以全部从静栅上引出，作为运动部件的动栅可以没有引线，为传感器的设计带来

很大的方便。

4、配用专用集成电路的容栅传感器是一种数字传感器，和计算机的接口方便，便于长距离传送信号，几乎无数据传输误差。数据更新速率可以达到每秒

50次。

5、功耗极小。正常工作电流小于10mA，传感器敏感元件可以长期工作，

一粒钮扣电池可以连续工作1年以上。利用这个特点，可以设计出准绝对式的

位移传感器。

6、在价格上有很大优势，其性能价格比远高于同类传感器。

容栅传感器有最主要的问题是稳定性和可靠性，环境潮湿和外界电磁干扰

的影响尤为显著，其次作为准绝对式传感器在长期断电工作时，需要定期更换

电池，所以难于作为传感器用于长期自动测量。

容栅编码器是以脉冲数字量来表示容栅传感器敏感元件间相对位置信息，

本文研究的容栅旋转编码器将容栅全部的结构密封在金属壳内，大大提高了容

栅传感器的电磁兼容性和抗环境污染能力，为容栅原理用于自动测量奠定了基础。

二、容栅旋转编码器的结构和测量原理

1、容栅旋转编码器的结构组成

容栅旋转编码器分动栅和静栅二部分，都为精密加工的印刷电路板。动栅

上有发射极和接收极，在发射极和接收极之间有屏蔽极，避免发射极到接收极

之间的直接电容耦合。静栅上有反射极和屏蔽极，反射极与屏蔽极的宽度一致，屏蔽极需可靠接地。动栅上共有48个发射电极，发射极的极距按实际要求可变，每4个发射极对应于一个反射极。动栅上每8个发射电极为一组，共6组。对

每组发射极进行编号A到H同编号的发射极电路上相连。运行时，两块印刷电

路板的栅面平行同轴相对，间距在0.1mm左右。图1所示的是旋转式容栅编码

器的结构图。

2、容栅传感器测量原理

在动栅栅面编号为A~H发射电极上分别加上8个等幅、同频、相位依次相

差p/4的方波激励电压信号(i=0，1，2，…，7)。每组编号相同的发射极都加

以相同的激励信号，经过两对电容耦合在接收极上形成容栅电压信号。由于各

组中序号相同的发射极和反射极的相对位置相同，所以可以将48个发射极和对应的反射极板间的电容简化为到的8个电容器。Cf代表反射极与接收极相互耦