項目五測量物體位移量任務5.2光電編碼器測量位移量無論是先進的數控機床，還是舊機床的改造，還是工業機器人的應用，都需要精確測量位移、長度和零件尺寸。在機電一體化設備中，將光電編碼器作為各種長度計量儀器的重要配件，是用微電子技術改造傳統工業的方向之一。由于光電編碼器具有精度高，安裝及操作容易等優點，因而得到大量使用。那么什么是編碼器，什么是光電編碼器呢？如何來測量精密位移呢？這就是我們本節課的任務目標。任務描述知識鏈接：光電編碼器測量位移量

一、光電編碼器

編碼器是將機械轉動的位移（模擬量）轉換成數字式電信號的傳感器。編碼器在角位移測量方面應用廣泛，具有高精度、高分辨率、高可靠性的特點。光電式編碼器是在自動測量和自動控制中用得較多的一種數字式編碼器，從結構上可分為碼盤式和脈沖盤式兩種。它是非接觸式測量，壽命長、可靠性高，測量精度和分辨率能達到很高水平。我國己有16位商用光電碼盤，其分辨率約20"；目前，國內實驗室水平可達23位，其分辨率約0.15"。光電式編碼器的優點是可以高精度測量被測物的轉角或直線位移量，是目前應用最多的傳感器，缺點是結構復雜、光源壽命較短。

光電編碼器在機器人控制中的應用，如圖5-22所示。圖5-22機器人中的編碼器

圖5-23增量式編碼器實物知識鏈接：光電編碼器測量位移量

編碼器按測量方式的分類：分為旋轉編碼器和直尺編碼器。按編碼方式的分類：分為絕對式編碼器、增量式編碼器和混合式編碼器三類。

按檢測原理分類：分為光學式、磁式、電容式三類。

旋轉編碼器：通過測量被測物體的旋轉角度并將測量到的旋轉角度轉化為脈沖電信號輸出。測量對象是旋轉角度。

直尺編碼器：通過測量被測物體的直線行程長度并將測量到的行程長度轉化為脈沖電信號輸出，測量對象是行程長度。

如圖5-24所示，軸式編碼器和套式編碼器將脈沖電信號分解為二進制編碼和脈沖進行輸出。圖5-24光電編碼器知識鏈接：光電編碼器測量位移量

二、脈沖盤式編碼器脈沖盤式編碼器（也叫增量式編碼器）不能直接產生n位的數碼輸出，當轉動時可產生串行光脈沖，用計數器將脈沖數累加起來就可反映轉過的角度大小，但遇停電，就會丟失累加的脈沖數，因此，必須有停電記憶措施。1.工作原理脈沖盤式編碼器是在圓盤上開有兩圈相等角矩的縫隙，外圈A為增量碼道、內圈B為辨向碼道，內、外圈的相鄰兩縫隙之間的距離錯開半條縫寬；另外，在內外圈之外的某一徑向位置，也開有一縫隙，表示碼盤的零位，碼盤每轉一圈，零位對應的光敏元件就產生一個脈沖，稱為“零位脈沖”。在開縫圓盤的兩邊分別安裝光源及光敏元件，如圖5-25所示。知識鏈接：光電編碼器測量位移量

圖5-25脈沖盤式編碼器的內部結構脈沖盤式編碼器具有結構簡單、體積小、價格低、精度高、響應速度快、性能穩定等優點，應用更為廣泛。在高分辨率和大量程角速率/位移測量系統中，脈沖盤式編碼器更具優越性。知識鏈接：光電編碼器測量位移量

脈沖盤式編碼器結構示意圖如圖5-27所示。光電碼盤與轉軸連在一起。碼盤可用玻璃材料制成，表面鍍上一層不透光的金屬鉻，然后在邊緣制成向心的透光狹縫。透光狹縫在碼盤圓周上等分，數量從幾百條到幾千條不等。這樣，整個碼盤圓周上就被等分成n個透光的槽。增量式光電碼盤也可用不銹鋼薄板制成，然后在圓周邊緣切割出均勻分布的透光槽。這樣a＝360°/條紋數，例如有1024個條紋，則a=360°/1024＝0.352°。編碼器每轉動一個預先設定的角度將輸出一個脈沖信號，通過統計脈沖信號的數量來計算旋轉的角度，因此編碼器輸出的位置數據是相對的由于采用固定脈沖信號，因此旋轉角度的起始位可以任意設定。由于采用相對編碼，因此掉電后旋轉角度數據會丟失需要重新復位。圖5-27脈沖盤式編碼器結構示意圖圖5-28脈沖盤式編碼器辨向原理知識鏈接：光電編碼器測量位移量

3.脈沖盤式編碼器的辨向光敏元件所產生的信號A、B彼此相差90°相位，用于辨向。當碼盤正轉時，A信號超前B信號90°；當碼盤反轉時，B信號超前A信號90°，如圖5-28所示。當輸出信號如圖5-29所示。A超前于B90°，則為正向信號，碼盤正轉。圖像中輸出信號A滯后于B90°，則為反向信號，碼盤反轉。

圖5-29輸出信號辨向知識鏈接：光電編碼器測量位移量

4.脈沖盤式編碼器的倍頻（細分）：在現有編碼器的條件下，通過細分技術能提高編碼器的分辨力。細分前，編碼器的分辨力只有一個分辨角的大小。采用四細分技術后，計數脈沖的頻率提高了4倍，相當于將原編碼器的分辨力提高了3倍，測量分辨角是原來的1/4，提高了測量精度，如圖5-30所示。圖5-30倍頻（細分）

圖5-31零標志脈沖知識鏈接：光電編碼器測量位移量

增量式編碼器最大的優點是結構簡單，它除可直接用于測量角位移，還常用于測量轉軸的轉速。如在給定時間內對編碼器的輸出脈沖進行計數即可測量平均轉速。缺點是每次工作前先找參考點，如打印機、掃描儀的定位就是利用脈沖盤式編碼器原理，每次開機都會聽到一陣聲響，實際上是機器在尋找參考的零點。

在碼盤里圈，還有一條狹縫c，每轉能產生一個脈沖，該脈沖信號又稱為“一轉信號”或零標志脈沖，作為測量的起始基準。

【任何一個狹縫都是團體的一部分】編碼器的碼盤狹縫告訴我們：任何一個狹縫都是團體的一部分，個體的力量總是渺小的、有限的，一個團隊（組合）的力量遠大于單個個體的力量。團隊不僅強調個人的工作成果，更強調團隊的整體業績。合作、協同有助于調動團隊成員的所有資源與才智，為達到既定目標而產生一股強大而持久的力量。“合作共羸”“協同創新”“1+1>2”之道于物于人皆成立。知識鏈接：光電編碼器測量位移量

三、碼盤式編碼器

碼盤式編碼器（也叫絕對式編碼器）能直接給出對應于每個轉角的數字信息，便于計算機處理，但當進給數大于一轉時，須作特別處理，而且必須用減速齒輪將兩個以上的編碼器連接起來，組成多級檢測裝置，使其結構復雜、成本高。

碼盤式編碼器的結構如圖5-32所示，主要由光源、聚光透鏡與旋轉軸相連的碼盤、窄縫、光敏元件組等組成。編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。圖5-32碼盤式編碼器的結構知識鏈接：光電編碼器測量位移量

光電式碼盤是目前應用較多的一種，它是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進制編碼。碼盤如圖5-33（a）所示為四位二進制的碼盤，它由光學玻璃制成，其上刻有許多的同心碼道，每位碼道都按一定編碼規律（二進制碼、十進制碼、循環碼等）分布著透光和不透光部分，分別稱為亮區和暗區。對應于亮區和暗區光敏元件輸出的信號分別是“1”和“0”。碼盤上各圈圓環分別代表一位二進制的數字碼道，在同一個碼道上印制黑白等間隔圖案，形成一套編碼。黑色不透光區和白色透光區分別代表二進制的“0”和“1”。在一個四位光電碼盤上，有四圈數字碼道，每一個碼道表示二進制的一位，里側是高位，外側是低位，在360°范圍內可編數碼數為24=16個，很明顯一個方位對應360°/16=22.5°，即光電式碼盤的分辨率是22.5°。圖5-33（a）四位二進制碼盤（b）四位二進制循環碼盤知識鏈接：光電編碼器測量位移量

信號性質：輸出n位二進制編碼，每一個編碼對應唯一的角度，如圖5-34所示。

圖5-34碼盤式編碼器的編碼

工作時，碼盤的一側放置電源，另一邊放置光電接受裝置，每個碼道都對應有一個光電管及放大、整形電路。碼盤轉到不同位置，光電元件接受光信號，并轉成相應的電信號，經放大整形后，成為相應數碼電信號。光電碼盤的精度決定了光電式編碼器的精度。因此，不僅要求碼盤分度精確而且要求其誘明區和不透明區的轉接處有陡峭的邊緣，以減小邏輯“1”和“0”相互轉換時，在敏感元件中引起的噪聲。知識鏈接：光電編碼器測量位移量

分辨率只取決于位數，與碼盤采用的碼制沒有關系，如四位循環碼碼盤（見圖5-33（b））的分辨率與四位二進制碼盤的分辨率是一致的，都是22.5°。

循環碼存在的問題是：這是一種無權碼，譯碼相對困難。一般的處理辦法是先將它轉換為二進制碼，再譯碼。如表5-1碼盤上不同進制的對比所示。

表5-1碼盤上不同進制的對比十進制二進制碼循環碼

十進制二進制碼循環碼000000000

810001100100010001

910011101200100011

1010101111300110010

1110111110401000110

1211001010501010111

1311011011601100101

1411101001701110100

1511111000知識鏈接：光電編碼器測量位移量

使用碼盤式編碼器（絕對式編碼器）時，若被測轉角不超過360°，它所提供的是轉角的絕對值，即從起始位置（對應于輸出各位均為0的位置）所轉過的角度。在使用中如遇停電，在恢復供電后的顯示值仍然能正確地反映當時的角度，故稱為絕對型角度編碼器。當被測角大于360°時，為了仍能得到轉角的絕對值，可以用兩個或多個碼盤與機械減速器配合，擴大角度量程，如選用兩個碼盤，兩者間的轉速為10：1，此時測角范圍可擴大10倍。但這種情況下，低轉速的高位碼盤的角度誤差應小于高轉速的低位碼盤的角度誤差，否則其讀數是沒有意義的。

碼盤式編碼器由機械位置決定每個位置的唯一性，無需掉電記憶，不用一直計數，因此，其抗干擾性和數據可靠性好，廣泛用于各種工業系統的測量和定位控制。知識鏈接：光電編碼器測量位移量

四、編碼器測量位移方法1.旋轉編碼器裝在絲杠末端通過測量滾珠絲杠的角位移θ，間接獲得工作臺的直線位移x，構成位置半閉環伺服系統。測量方法如圖5-35所示。計算公式為：x＝t/360xθ。

圖5-36編碼器和電動機同軸安裝圖5-37編碼器和伺服電動機同軸安裝實例

圖5-35編碼器裝在絲杠末端2.編碼器和伺服電動機同軸安裝，如圖5-36、5-37所示。知識鏈接：光電編碼器測量位移量

五、編碼器數字測速

編碼器常常用于測量位移和轉速，在數控車床中用于C軸控制和螺紋切削，根據脈沖計數來測量轉速的方法有以下三種：（1）在規定時間內測量所產生的脈沖個數來獲得被測速度，稱為M法測速；（2）測量相鄰兩個脈沖的時間來測量速度，稱為T法測速；（3）同時測量檢測時間和在此時間內脈沖發生器發出的脈沖個數來測量速度，稱為M/T法測速。以上三中測速方法中，M法適合于測量較高的速度，能獲得較高分辨率；T法適合于測量較低的速度，這時能獲得較高的分辨率；而M/T法則無論高速低速都適合測量。1.M法測速（適合于高轉速場合）編碼器每轉產生N個脈沖，在T時間段內有m1個脈沖產生，則轉速（r/min）為：n=60m1/（NT）

圖5-38M法測速輸出脈沖示意圖知識鏈接：光電編