光电编码器的特性和应用cubm.docx

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1、光电编码码器的特特性及应应用摘要：文文中简介介了光电电编码器器的工作作原理，阐阐述了光光电编码码器的分分类及其其特性，列列举了光光电编码码器的应应用电路路，分析析了光电电编码器器应用中中的问题题并提出出改进措措施。1.光电电编码器器的工作作原理 光电编编码器，是是一种通通过光电电转换将将输出轴轴上的机机械几何何位移量量转换成成脉冲或或数字量量的传感感器。这这是目前前应用最最多的传传感器， 光电编编码器是是由光栅栅盘和光光电检测测装置组组成。光光栅盘是是在一定定直径的的圆板上上等分地地开通若若干个长长方形孔孔。由于于光电码码盘与电电动机同同轴，电电动机旋旋转时，光光栅盘与与电动机机同速旋旋转，经

2、经发光二二极管等等电子元元件组成成的检测测装置检检测输出出若干脉脉冲信号号，其原原理示意意图如图图1所示示；通过过计算每每秒光电电编码器器输出脉脉冲的个个数就能能反映当当前电动动机的转转速。此此外，为为判断旋旋转方向向，码盘盘还可提提供相位位相差990的的两路脉脉冲信号号。 根据检检测原理理，编码码器可分分为光学学式、磁磁式、感感应式和和电容式式。根据据其刻度度方法及及信号输输出形式式，可分分为增量量式、绝绝对式以以及混合合式三种种。 1.1增增量式编编码器 增量式式编码器器是直接接利用光光电转换换原理输输出三组组方波脉脉冲A、BB和Z相相；A、BB两组脉脉冲相位位差900，从从而可方方便地判

3、判断出旋旋转方向向，而ZZ相为每每转一个个脉冲，用用于基准准点定位位。它的的优点是是原理构构造简单单，机械械平均寿寿命可在在几万小小时以上上，抗干干扰能力力强，可可靠性高高，适合合于长距距离传输输。其缺缺点是无无法输出出轴转动动的绝对对位置信信息。 1.2绝绝对式编编码器 绝对编编码器是是直接输输出数字字量的传传感器，在在它的圆圆形码盘盘上沿径径向有若若干同心心码道，每每条道上上由透光光和不透透光的扇扇形区相相间组成成，相邻邻码道的的扇区数数目是双双倍关系系，码盘盘上的码码道数就就是它的的二进制制数码的的位数，在在码盘的的一侧是是光源，另另一侧对对应每一一码道有有一光敏敏元件；当码盘盘处于不不

4、同位置置时，各各光敏元元件根据据受光照照与否转转换出相相应的电电平信号号，形成成二进制制数。这这种编码码器的特特点是不不要计数数器，在在转轴的的任意位位置都可可 读出出一个固固定的与与位置相相对应的的数字码码。显然然，码道道越多，分分辨率就就越高，对对于一个个具有 N位二二进制分分辨率的的编码器器，其码码盘必须须有N条条码道。目目前国内内已有116位的的绝对编编码器产产品。 绝对式式编码器器是利用用自然二二进制或或循环二二进制（葛葛莱码）方方式进行行光电转转换的。绝绝对式编编码器与与增量式式编码器器不同之之处在于于圆盘上上透光、不不透光的的线条图图形，绝绝对编码码器可有有若干编编码，根根据读出

5、出码盘上上的编码码，检测测绝对位位置。编编码的设设计可采采用二进进制码、循循环码、二二进制补补码等。它它的特点点是： 1.22.1可可以直接接读出角角度坐标标的绝对对值； 1.22.2没没有累积积误差； 1.2.33电源切切除后位位置信息息不会丢丢失。但但是分辨辨率是由由二进制制的位数数来决定定的，也也就是说说精度取取决于位位数，目目前有110位、114位等等多种。 1.3混混合式绝绝对值编编码器 混合式式绝对值值编码器器，它输输出两组组信息：一组信信息用于于检测磁磁极位置置，带有有绝对信信息功能能；另一一组则完完全同增增量式编编码器的的输出信信息。 光电编编码器是是一种角角度（角角速度）检检

6、测装置置，它将将输入给给轴的角角度量，利利用光电电转换原原理 转转换成相相应的电电脉冲或或数字量量，具有有体积小小，精度度高，工工作可靠靠,接口口数字化化等优点点。它广广泛应用用于数控控机床、回回转台、伺伺服传动动、机器器人、雷雷达、军军事目标标测定等等需要检检测角度度的装置置和设备备中。2. 光光电编码码器的应应用电路路2.11 EPPC7755AA光电编编码器的的应用 EPCC7555A光光电编码码器具备备良好的的使用性性能，在在角度测测量、位位移测量量时抗干干扰能力力很强，并并具有稳稳定可靠靠的输出出脉冲信信号，且且该脉冲冲信号经经计数后后可得到到被测量量的数字字信号。因因此，我我们在研

7、研制汽车车驾驶模模拟器时时，对方方向盘旋旋转角度度的测量量选用EEPC7555A光电电编码器器作为传传感器，其其输出电电路选用用集电极极开路型型，输出出分辨率率选用3360个个脉冲/圈，考考虑到汽汽车方向向盘转动动是双向向的，既既可顺时时针旋转转，也可可逆时针针旋转，需需要对编编码器的的输出信信号鉴相相后才能能计数。图图2给出出了光电电编码器器实际使使用的鉴鉴相与双双向计数数电路，鉴鉴相电路路用1个个D触发发器和22个与非非门组成成，计数数电路用用3片774LSS1933组成。 当光电电编码器器顺时针针旋转时时，通道道A输出出波形超超前通道道B输出出波形990，DD触发器器输出QQ(波形形W1

8、)为高电电平，QQ(波形形W2)为低电电平，上上面与非非门打开开，计数数脉冲通通过(波波形W33)，送送至双向向计数器器74LLS1993的加加脉冲输输入端CCU，进进行加法法计数；此时，下下面与非非门关闭闭，其输输出为高高电平(波形WW4)。当当光电编编码器逆逆时针旋旋转时，通通道A输输出波形形比通道道B输出出波形延延迟900，DD触发器器输出QQ(波形形W1)为低电电平，QQ(波形形W2)为高电电平，上上面与非非门关闭闭，其输输出为高高电平(波形WW3)；此时，下下面与非非门打开开，计数数脉冲通通过(波波形W44)，送送至双向向计数器器74LLS1993的减减脉冲输输入端CCD，进进行减法

9、法计数。 汽车方方向盘顺顺时针和和逆时针针旋转时时，其最最大旋转转角度均均为两圈圈半，选选用分辨辨率为3360个个脉冲/圈的编编码器，其其最大输输出脉冲冲数为9900个个；实际际使用的的计数电电路用33片744LS1193组组成，在在系统上上电初始始化时，先先对其进进行复位位(CLLR信号号)，再再将其初初值设为为8000H，即即20448(LLD信号号)；如如此，当当方向盘盘顺时针针旋转时时，计数数电路的的输出范范围为22048829948，当当方向盘盘逆时针针旋转时时，计数数电路的的输出范范围为22048811148；计数电电路的数数据输出出D0D111送至数数据处理理电路。 实际使使用时

10、，方方向盘频频繁地进进行顺时时针和逆逆时针转转动，由由于存在在量化误误差，工工作较长长一段时时间后，方方向盘回回中时计计数电路路输出可可能不是是20448，而而是有几几个字的的偏差；为解决决这一问问题，我我们增加加了一个个方向盘盘回中检检测电路路，系统统工作后后，数据据处理电电路在模模拟器处处于非操操作状态态时，系系统检测测回中检检测电路路，若方方向盘处处于回中中状态，而而计数电电路的数数据输出出不是220488，可对对计数电电路进行行复位，并并重新设设置初值值。2.2 光电编编码器在在重力测测量仪中中的应用用 采用用旋转式式光电编编码器，把把它的转转轴与重重力测量量仪中补补偿旋钮钮轴相连连。

11、重力力测量仪仪中补偿偿旋钮的的角位移移量转化化为某种种电信号号量；旋旋转式光光电编码码器分两两种，绝绝对编码码器和增增量编码码器。 增量编编码器是是以脉冲冲形式输输出的传传感器，其其码盘比比绝对编编码器码码盘要简简单得多多且分辨辨率更高高 。一一般只需需要三条条码道，这这里的码码道实际际上已不不具有绝绝对编码码器码道道的意义义，而是是产生计计数 脉脉冲。它它的码盘盘的外道道和中间间道有数数目相同同均匀分分布的透透光和不不透光的的扇形区区（光栅栅），但但 是两两道扇区区相互错错开半个个区。当当码盘转转动时，它它的输出出信号是是相位差差为900的AA相和BB相脉冲冲 信号号以及只只有一条条透光狭狭

12、缝的第第三码道道所产生生的脉冲冲信号（它它作为码码盘的基基准位置置，给计计数 系系统提供供一个初初始的零零位信号号）。从从A，BB两个输输出信号号的相位位关系（超超前或滞滞后）可可判断旋旋转的方方向。由由图3（aa）可见见，当码码盘正转转时，AA道脉冲冲波形比比B道超超前/2，而而反转时时 ，AA道脉冲冲比B道道滞后/2。图图3（bb）是一一实际电电路，用用A道整整形波的的下沿触触发单稳稳态 产产生的正正脉冲与与B道整整形波相相与，当码码盘正转转时只有有正向口口脉冲输输出，反反之，只只有逆向向口脉冲冲输出。因因此，增增量编码码器是根根据输出出脉冲源源和脉冲冲计数来来确定码码盘 的的转动方方向和

13、相相对角位位移量。通通常，若若编码器器有N个个（码道道）输出出信号，其其相位差差为/ N，可可计数脉脉冲为22N倍光光栅数，现现在N=2。图图3电路路的缺点点是有时时会产生生误记脉脉冲造成成误差， 这种情情况出现现在当某某一道信信号处于于高或低低电平平状态，而而另一道道信号正正处于高和和 低低之间间的往返返变化状状态，此此时码盘盘虽然未未产生位位移，但但是会产产生单方方向的输输出脉冲冲。例如如，码盘盘发生抖抖动或手手动对准准位置时时（下面面可以看看到，在在重力仪仪测量时时就会有有这种情情况）。 图4是是一个既既能防止止误脉冲冲又能提提高分辨辨率的四四倍频细细分电路路。在这这里，采采用了有有记忆

14、功功能 的的D型触触发器和和时钟发发生电路路。由图图4可见见，每一一道有两两个D触触发器串串接，这这样，在在时钟脉脉 冲的的间隔中中，两个个Q端（如如对应BB道的774LSS1755的第22、7引引脚）保保持前两两个时钟钟期的输输入 状状态，若若两者相相同，则则表示时时钟间隔隔中无变变化；否否则，可可以根据据两者关关系判断断出它的的变化方方 向，从从而产生生正向向或反向输出脉脉冲。当当某道由由于振动动在高高、低间间往复变变化 时时，将交交替产生生正向向和反向脉冲，这这在对两两个计数数器取代代数和时时就可消消除它们们的影 响（下下面仪器器的读数数也将涉涉及这点点）。由由此可见见，时钟钟发生器器的

15、频率率应大于于振动频频率的可可能 最最大值。由由图4还还可看出出，在原原一个脉脉冲信号号的周期期内，得得到了四四个计数数脉冲。例例如，原原每 圈圈脉冲数数为10000的的编码器器可产生生4倍频频的脉冲冲数是440000个，其其分辨率率为0.09。实际际上 ，目目前这类类传感器器产品都都将光敏敏元件输输出信号号的放大大整形等等电路与与传感检检测元件件封装在在一起 ，所以以只要加加上细分分与计数数电路就就可以组组成一个个角位移移测量系系统(7741559是44-166译码器器)。3.应用用中问题题分析及及改进措措施3.1应用用中问题题分析 光电检检测装置置的发射射和接收收装置都都安装在在生产现现场

16、，在在使用中中暴露出出许多缺缺陷，其其有内在在因素也也有外在在因素，主主要表现现在以下下几个方方面：3.1.1 发射装装置或接接受装置置因机械械震动等等原因而而引起的的移位或或偏移，导导致接收收装置不不能可靠靠的接收收到光信信号，而而不能产产生电信信号。例例如；光光电编码码器应用用在轧钢钢调速系系统中，因因光电编编码器是是直接用用螺栓固固定在电电动机的的外壳上上，光电电编码器器的轴通通过较硬硬的弹簧簧片和电电动机转转轴相连连接，因因电动机机所带负负载是冲冲击性负负载，当当轧机过过钢时会会引起电电动机转转轴和外外壳的振振动。经经测定；过钢时时光电编编码器振振动速度度为2.6mmm/s，这这样的振

17、振动速度度会损坏坏光电编编码器的的内部功功能。造造成误发发脉冲，从从而导致致控制系系统不稳稳定或误误动作，导导致事故故发生。3.1.2因因光电检检测装置置安装在在生产现现场，受受生产现现场环境境因素影影响导致致光电检检测装置置不能可可靠的工工作。如如安装部部位温度度高、湿湿度大，导导致光电电检测装装置内部部的电子子元件特特性改变变或损坏坏。例如如在连铸铸机送引引锭跟踪踪系统，由由于光电电检测装装置安装装的位置置靠近铸铸坯，环环境温度度高而导导致光电电检测装装置误发发出信号号或损坏坏，而引引发生产产或人身身事故。3.1.3生产产现场的的各种电电磁干扰扰源，对对光电检检测装置置产生的的干扰，导导致

18、光电电检测装装置输出出波形发发生畸变变失真，使使系统误误动或引引发生产产事故。例例如；光光电检测测装置安安装在生生产设备备本体，其其信号经经电缆传传输至控控制系统统的距离离一般在在201000米，传传输电缆缆虽然一一般都选选用多芯芯屏蔽电电缆，但但由于电电缆的导导线电阻阻及线间间电容的的影响再再加上和和其它电电缆同在在一起敷敷设，极极易受到到各种电电磁干扰扰的影响响，因此此引起波波形失真真，从而而使反馈馈到调速速系统的的信号与与实际值值的偏差差，而导导致系统统精度下下降。3.2改改进措施施3.22.1改改变光电电编码器器的安装装方式。光光电编码码器不在在安装在在电动机机外壳上上，而是是在电动动

19、机的基基础上制制作一固固定支架架来独立立安装光光电编码码器，光光电编码码器轴与与电动机机轴中心心必须处处于同一一水平高高度，两两轴采用用软橡胶胶或尼龙龙软管相相连接，以以减轻电电动机冲冲击负载载对光电电编码器器的机械械冲击。采采用此方方式后经经测振仪仪检测，其其振动速速度降至至1.22mm/s。3.2.2合理理选择光光电检测测装置输输出信号号传输介介质，采采用双绞绞屏蔽电电缆取代代普通屏屏蔽电缆缆。双绞绞屏蔽电电缆具有有两个重重要的技技术特性性，一是是对电缆缆受到的的电磁干干扰具有有较强的的防护能能力，因因为空间间电磁场场在线上上产生的的干扰电电流可以以互相抵抵消。双双绞屏蔽蔽电缆的的另一个个

20、技术特特点是互互绞后两两线间距距很小，两两线对干干扰线路路的距离离基本相相等，两两线对屏屏蔽网的的分布电电容也基基本相同同，这对对抑制共共模干扰扰效果更更加明显显。3.2.3利用用PLCC软件监监控或干干涉。在在连铸生生产的送送引锭过过程要求求光电检检测装置置产生有有时序性性的电信信号，同同时，该该信号与与整个过过程不同同阶段相相对应。如如图5。送引锭锭过程启启动前，光光电信号号1为“11”。送引锭锭过程启启动后，在在A阶段段，辊道道启动，引引锭杆上上送。当当引锭杆杆挡住光光电装置置发射出出的红外外光时，光光电信号号为“00”；当当红外光光透过引引锭杆中中部2个个小圆孔孔时，光光电装置置发出信

21、信号2和和3，均均为“11”。送引锭锭过程在在B阶段段，光电电信号为为“0”，辊辊道停下下，引锭锭杆暂停停上送，扇扇形100段压下下，启动动拉矫机机和“同同步1”，引引锭杆继继续上送送。送送引锭过过程在CC阶段，引引锭杆上上送，并并不再挡挡住红外外光，光光电信号号4为“11”，启启动“同同步2”，停停下“同同步1”，引引锭杆继继续上送送。至此此光电装装置工作作过程结结束。 根据光光检测电电装置的的工作过过程，只只要现场场测定送送引锭过过程中各各个光电电信号发发生的时时间，结结合送引引锭过程程与光电电信号的的关系，利利用PLLC应用用程序中中的相关关数据，编编制符合合要求的的PLCC程序，将将P

22、LCC程序输输出信号号输入至至PLCC的输入入模块，替替代原光光电信号号的输入入信号。其其程序框框图如图图6所示示。4.结语语 光电电检测装装置本身身是由电电子元器器件构成成，它对对安装环环境有一一定的技技术要求求，特别别是在较较恶劣环环境下使使用，要要采取相相应的保保护措施施，以使使光电检检测装置置工作在在其产品品要求的的技术条条件下，才才能发挥挥装置的的技术性性能。否否则光电电检测装装置的使使用寿命命及其工工作的可可靠性都都将受到到不同程程度的影影响。结结合光电电检测装装置在生生产过程程控制中中的应用用实践，在在控制系系统设计计中；不不宜采用用光电检检测装置置的信号号作为重重要的控控制信号号，以避避免光电电装置突突然损坏坏或工作作不稳定定（环境境高温、湿湿度大、机机械振动动、外力力碰创等等）引起起其它设设备事故故。在控控制系统统中应用用PLCC程序实实适进行行过程控控制的监监控或干干涉，以以克服了了因系统统中采用用光电装装置而存存在的各各种缺陷陷，是提提高系统统可靠性性的有效效途径。