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光電編碼器【位移傳感器】概述

瀏覽次數:2256發布日期:2018-10-23

光電編碼器,是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖、數字量或模擬量信號輸出的傳感器。利用它可以實現角度、直線位移、轉速等模擬物理量的測量。

一、特點

    它具有體積小、重量輕、品種多、功能全、高頻響應、分辨能力高、承載能力強、力矩小、耗能低;性能穩定、可靠、使用壽命長等特點。

 

二、編碼器分類

1、按信號的原理分:增量式編碼器、式編碼器、混合式編碼器

1)增量式編碼器

    直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相;A、B兩組脈沖相位差90º,從而可方便地判斷出旋轉方向,而Z相為每轉一個脈沖,用于基準點定位。它的優點是原理構造簡單,機械平均壽命可在幾萬小時以上,抗干擾能力強,可靠性高,適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉動的位置信息。

2) 式編碼器

    利用自然二進制或循環二進制(格雷碼)方式進行光電轉換的。式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形,編碼器可有若干編碼,根據讀出碼盤上的編碼,檢測位置。編碼的設計可采用二進制碼、循環碼、二進制補碼等。它的特點是:

(1)可以直接讀出角度坐標的值;

(2)沒有累積誤差;

(3)電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制的位數來決定的,也就是說精度取決于位數,目前有10位、14位等多種。

3)混合式值編碼器

    它輸出兩組信息:一組信息用于檢測磁極位置,帶有信息功能;另一組則*同增量式編碼器的輸出信息。

    值編碼器是一種直接編碼和直接測量的檢測裝置。它能指示值位置,沒有累積誤差,電源切除后,位置信息不丟失。常用的編碼器有編碼盤和編碼尺,統稱為碼盤。從編碼器的使用記數來分類,有二進制編碼、二進制循環碼(葛萊碼)、二-十進制碼等編碼器。從結構原理分類,有接觸式、光電式和電磁式等幾種。
    混合式值編碼器就是把增量制碼與制碼同做在一塊碼盤上。在圓盤的外圈是高密度的增量條紋,中間有四個碼道組成式的四位葛萊碼,每1/4同心圓被葛萊碼分割成16個等分段。該碼盤的工作原理是三極記數:粗、中、精計數。碼盤轉的轉數由對“一轉脈沖”的計數表示。在一轉以內的角度位置有葛萊碼的4*16不同的數值表示。每1/4圓葛萊碼的細分有外圓的增量碼完成。

    增量式光電編碼器:測速,測轉動方向,測移動角度、距離(相對)。

A:工作原理圖

B:工作原理:

1)光電編碼器的組成:一個中心有軸的光電碼盤,在圓盤上有規則地刻有透光和不透光的線條,在圓盤兩側,安放發光元件和光敏元件。當圓盤旋轉時,光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化,光敏元件輸出波形經過整形后變為脈沖,獲得四組正弦波信號組合:A、/A、B、/B ,每個正弦波相差90度相位差(相對于一個周波為360度)用以判斷旋轉方向。碼盤上有Z相標志(參考機械零位),每轉一圈輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。

2)由于A、B兩相相差90度,可通過比較A相在前還是B相在前,以判別編碼器的正轉與反轉,如果A相脈沖比B相脈沖超前則光電編碼器為正轉,否則為反轉;通過零位脈沖,可獲得編碼器的零位參考位。

3)當脈沖數已固定,而需要提高分辨率時,可利用90°相位差A、B兩路信號,對原脈沖數進行2倍頻或4倍頻。

4)軸的每圈轉動,增量型編碼器提供一定數量的脈沖。周期性的測量或者單位時間內的脈沖計數可以用來測量移動的速度。如果在一個參考點后面脈沖數被累加,計算值就代表了轉動角度或行程的參數。雙通道編碼器輸出脈沖之間相差為90º。能使接收脈沖的電子設備接收軸的旋轉感應信號, 因此可用來實現雙向的定位控制;另外,三通道增量型旋轉編碼器每一圈產生一個稱之為零位信號的脈沖。
C:關于碼盤

a)脈沖信號

  1.A相

  2.B相

  3.Z相

    編碼器的材料有玻璃、金屬、塑料,玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線,其熱穩定性好,精度高,金屬碼盤直接以通和不通刻線,不易碎,但由于金屬有一定的厚度,精度就有限制,其熱穩定性就要比玻璃的差一個數量級,塑料碼盤是經濟型的,其成本低,但精度、熱穩定性、壽命均要差一些。

b)分辨率

    編碼器以每旋轉360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率,也稱解析分度、或直接稱多少線,一般在每轉分度5~10000線。

c)機械轉速和電氣轉速

  機械轉速

    編碼器的機械轉速以每分鐘大可以旋轉多少圈表示——rpm。

  電氣轉速

    編碼器的電氣轉速也稱為開關頻率,是讀取每個脈沖信號的反應速度,以每秒多少次表示——Hz。

1.大工作速度應同時兼顧編碼器的機械轉速、電氣轉速以及編碼器后續接收設備的開關頻率。

Nmax=Fmax×60/Z;Nmax:大轉速;Fmax:高響應頻率;Z:每轉輸出脈沖數

2.每秒鐘光電編碼器輸出的脈沖個數:

   N=電機的轉速n×每轉線數/60

   例如,當電機的轉速n=1000轉/分,線數為600,則每秒鐘光電編碼器的脈沖個數應為
   N=1000 × 600/60=10000(個)脈沖

   若n=1轉/分
   則N=1 × 600/60 =10(個)

d)信號輸出:正弦波(電流或電壓)、方波(TTL、HTL)、集電極開路(PNP、NPN)、推拉式

   其中:

   TTL為長線差分驅動(對稱A,/A;B,/B;Z,/Z);

   HTL也稱推拉式、推挽式輸出,編碼器的信號接收設備接口應與編碼器對應。

e)信號連接

   連接設備:計數器、PLC、計算機

   連接方式:

1. 單相連接:

    用于正反向計數和測速

2. A、B兩相連接:

    用于正反向計數、判斷正反向和測速

3. A、B、Z三相連接:

    用于帶參考位修正的位置測量。

1)PLC和計算機連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分,開關頻率有低有高。

2)三相連接:

    由于帶有對稱負信號的連接,電流對于電纜貢獻的電磁場為0,衰減小,抗干擾,可傳輸較遠的距離。

    對于TTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器,信號傳輸距離可達150米。

    對于HTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器,信號傳輸距離可達300米。  

 

 

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