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详细解析!光电编码器的分类原理

2022-03-22 13:10:47

一、介绍

       光电编码器可以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。是目前应用最多的编码器,由光源、光码盘和光敏元件组成。通过光电转换装置将输出轴上的机械位移量转换成脉冲或数字量。

        光电编码器具有体积小、精度高、工作可靠和接口数字化等优点。通常来说,直径越大、位数越高的编码器的精度越高。目前广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。而直径小、位数低的编码器则适用于一些精度要求不高的自动化设备上。

        光电编码器由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是等分地开通若干个长方形孔的一定直径的圆板。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,由发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出的脉冲信号,其原理示意图如下图所示。通过计算光电编码器每秒的输出脉冲个数,就能得到被测轴的转速。


二、分类

        光电编码器有国标和非国标两种分类标准。按原料的不同可分为天然橡胶型、塑料型、胶木型和铸铁卸,按样式的不同可分为圆轮缘型、内波纹型、平面面、表盘型等等,按工作原理的不同可分为光学型、磁型、感应型和电容型,按刻度方法和信号输出形式的不同可分为增量型、绝对型和混合型。

        1、增量式编码器

        增量式编码器的工作原理如图(a)(b)(c)所示。

        在图(a)中,E为等节距的辐射状透光窄缝圆,Q1和Q2为光源,DA、DB和DC为光电元件(光敏二极管或光电池),DA与DB错开 90°相位角安装。

        当圆盘旋转一个节距时,在光源照射下,光电元件DA、DB上产生如图(b)所示的光电波形输出。A、B信号为具有 90°相位差的正弦波。

        这组信号经放大器放大与整形后,得图(c)所示的输出方波,A相比B相超前90°,其电压幅值为5V。

        设A相超前B相时为正方向旋转,则B相超前A相时为反方向旋转,以判别编码器的旋转方向。C相产生的脉冲为基准脉冲,又称零点脉冲,它是轴旋转一周在固定位置上产生的脉冲。用数控车床切削螺纹时,可将这种脉冲当作进刀点和退刀点的信号,以保证不会乱扣。

        这种脉冲也可用于高速旋转的转数计数或加工中心等数控机床的主轴准停信号。A、B相脉冲信号经频率电压变换,可得到与转轴转速成正比例的电压信号。

        增量式编码器的缺点是,可能由于噪声或其他外干扰产生计数错误。若因停电、刀具破损而停机,事故排除后,找不到事故前执行部件的正确位置。

        2、绝对式编码器

        绝对式编码器是利用其圆盘上的图案来表示数值的。如下图所示为二进制编码盘,图中空白的部分透光,表示“1”;阴影部分不透光,表示“0”。按照圆盘上形成的二进位的每一环配置光电变换器,即图中黑点所示位置,隔着圆盘从后侧用光源照射。此编码盘共有四环,图中,里侧是二进制的高位,外侧是二进制的低位。二进制编码器的主要缺点是图案变化无规律,在使用中,多位同时变化,易产生误读。

        经改进后的结构是格莱编码盘,它的特点是,每相邻十进制数之间只一位二进制码不同。因此,图案的切换只用一位数(二进制的位)进行。所以能把误读控制在一个数单位之内,提高了可靠性。

        优点∶坐标值可从绝对编码盘中直接读出,不会有累积进程中的误计数;运转速度可以提高,编码器本身具有机械式存储功能,即使因停电或其他原因造成坐标值清除,通电后,仍可找到原绝对坐标位置。其缺点是,当进给转数大于一转时,需做特别处理,如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,但其结构复杂、成本高。

        3、混合式绝对值编码器

        混合式绝对值编码器输出两组信息∶一组信息用于检测磁极位置,带有绝对信息功能;另一组则完全与增量式编码器的输出信息相同。


三、原理

       光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置构成,在伺服系统中,光栅盘与电动机同轴致使电动机的旋转带动光栅盘的旋转,再经光电检测装置输出若干个脉冲信号,根据该信号的每秒脉冲数便可计算当前电动机的转速。

       光电编码器的码盘输出两个相位差相差90度的光码,根据双通道输出光码的状态的改变便可判断出电动机的旋转方向。

       1、增量式编码器工作原理

  增量式编码器是光电编码器的一种,其主要工作原理也是光电转换,但其输出的是A、B、Z三组方波脉冲,其中A、B两脉冲相位差相差90度以判断电动机的旋转方向,Z脉冲为每转一个脉冲以便于基准点的定位。

       2、绝对式编码器工作原理

  绝对式编码器的主要工作原理为光电转换,但其输出的是数字量,在绝对式编码器的码盘上存在有若干同心码道,每条码道由透光和不透光的扇形区间交叉构成,码道数就是其所在码盘的二进制数码位数,码盘的两侧分别是光源和光敏元件,码盘位置的不同会导致光敏元件受光情况不同进而输出二进制数不同,因此可通过输出二进制数来判断码盘位置。

       3、混合式绝对值编码器工作原理

  混合式绝对值编码器的主要工作原理同样为光电转换,其与增量型、绝对型编码器的不同在于输出量不同。混合式绝对值编码器输出的信息有两组,一组输出信息为A、B、Z三组方波脉冲,与增量式编码器的输出完全不同,另一组输出信息具有绝对信息功能,主要用于磁极位置的检测。


四、作用

       1、角度测量

       汽车驾驶模拟器,对方向盘旋转角度的测量选用光电编码器作为传感器。重力测量仪,采用光电编码器,把他的转轴与重力测量仪中补偿旋钮轴相连,扭转角度仪,利用编码器测量扭转角度变化,如扭转实验机、渔竿扭转钓性测试等。摆锤冲击实验机,利用编码器计算冲击是摆角变化

       2、长度测量

      ①计米器,利用滚轮周长来测量物体的长度和距离;

      ②拉线位移传感器,利用收卷轮周长计量物体长度距离;

      ③联轴直测,与驱动直线位移的动力装置的主轴联轴,通过输出脉冲数计量;

      ④介质检测,在直齿条、转动链条的链轮、同步带轮等来传递直线位移信息。

      3、速度测量

      ①线速度,通过跟仪表连接,测量生产线的线速度;

      ②角速度,通过编码器测量电机、转轴等的速度测量。

      4、位置测量

      ①机床方面,记忆机床各个坐标点的坐标位置,如钻床等;

      ②自动化控制方面,控制在位置进行指定动作。如电梯、提升机等。

      5、同步控制

      通过角速度或线速度,对传动环节进行同步控制,以达到张力控制。

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