实用光电编码器技术

第 1 章光电编码器基础
1.1 概述
光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置，它具有分辨率高、精度高、
结构简单、体积小、使用可靠、易于维护、性价比高等优点。近10 几年来，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。光电编码器可以定
义为：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。典型的光电编码器由码盘（Disk）、检测光栅（Mask）、
光电转换电路（包括光源、光敏器件、信号转换电路）、机械部件等组成。
一般来说，根据光电编码器产生脉冲的方式不同，可以分为增量式、绝对式以及复合式
三大类。按编码器运动部件的运动方式来分，可以分为旋转式和直线式两种。由于直线式运
动可以借助机械连接转变为旋转式运动，反之亦然。因此，只有在那些结构形式和运动方式
都有利于使用直线式光电编码器的场合才予使用。旋转式光电编码器容易做成全封闭型式，
易于实现小型化，传感长度较长，具有较长的环境适用能力，因而在实际工业生产中得到广
泛的应用，在本书中主要针对旋转式光电编码器，如不特别说明，所提到的光电编码器则指
旋转式光电编码器。
1.2 增量式光电编码器
1.2.1 原理及其结构
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°电度角的脉冲信号（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，如图
1-1 所示。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。它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4 节距，使得
光电检测器件输出的信号在相位上相差90°电度角。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅
不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出
两组相位相差90°电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以
得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器输出信号波形如图1-2 所示。
增量式光电编码器的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万
小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。其缺点是它无法
直接读出转动轴的绝对位置信息。

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