傳感器概述及分類 光電編碼器電路原理及分類

來源：銀杏軍科

人類在地球上，卻能控制太空中的衛(wèi)星精準地轉(zhuǎn)向；發(fā)射導彈，可以進行精準的定位打擊；手術(shù)室里，機械臂可以代替醫(yī)生手臂精準地操作手術(shù)；

這一系列機械智能化都離不開傳感器、編碼器，可以說“傳感器、編碼器是萬物智能運動的眼睛”。

傳感器概述及分類

傳感器指能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。

傳感器一般包含傳感單元、計算單元和接口單元。傳感單元負責信號采集；計算單元則根據(jù)嵌入式軟件算法，對傳感單元輸入的電信號進行處理，以輸出具有物理意義的測量信息；最后通過接口單元與其他裝置進行通信。

傳感器分類

根據(jù)采集的信號分類，傳感器可以分為溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等。位移傳感器將物體在運動的過程中的空間位置的變化量，通過某種方式感應(yīng)并轉(zhuǎn)換成電信號，以此實現(xiàn)對位移量的測量。

位移傳感器按工作方式分直線和旋轉(zhuǎn)兩類劃分，分為直線式位移傳感器、旋轉(zhuǎn)式位移傳感器。實際上直線尺可以看作無限長的圓碼盤。平常大家說的編碼器與旋轉(zhuǎn)式位移傳感器作用類似。

廣義位移傳感器根據(jù)工作原理分類：可分為電容式、電感式、磁電式、電阻式、超聲波式、光電式等。目前我國軍工由于技術(shù)限制原因多用旋變式、電容式，各工作原理的位移傳感器具有不同特性：

光電式傳感器根據(jù)工作原理可分為衍射式（投射式）和反射式。兩種工作原理比較：

光電編碼器電路原理及分類

類似于光電式旋轉(zhuǎn)位移傳感器，光電編碼器是一種角度（角速度）檢測裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，具有體積小，精度高，工作可靠，接口數(shù)字化等優(yōu)點，并廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、回轉(zhuǎn)臺、伺服傳動、機器人、雷達、軍事目標測定等需要檢測角度的裝置和設(shè)備中。

工作原理

光電編碼器主要由光柵盤和光電檢測裝置構(gòu)成，在伺服系統(tǒng)中，光柵盤與電動機同軸致使電動機的旋轉(zhuǎn)帶動光柵盤的旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)光電檢測裝置輸出若干個脈沖信號，根據(jù)該信號的每秒脈沖數(shù)便可計算當前電動機的轉(zhuǎn)速。光電編碼器的碼盤輸出兩個相位差相差90度的光碼，根據(jù)雙通道輸出光碼的狀態(tài)的改變便可判斷出電動機的旋轉(zhuǎn)方向。

工作原理:當光電編碼器的軸轉(zhuǎn)動時A、B兩根線都產(chǎn)生脈沖輸出,A、B兩相脈沖相差90度相位角，由此可測出光電編碼器轉(zhuǎn)動方向與電機轉(zhuǎn)速。如果A相脈沖比B相脈沖超前則光電編碼器為正轉(zhuǎn),否則為反轉(zhuǎn).Z線為零脈沖線,光電編碼器每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個脈沖.主要用作計數(shù)。A線用來測量脈沖個數(shù),B線與A線配合可測量出轉(zhuǎn)動方向。

N為電機轉(zhuǎn)速

n=ND測-ND理

例如:我們車的速度為1.5m/s,輪子的直徑220mm，C=D*Pi，電機控制在21.7轉(zhuǎn)/秒,根據(jù)伺服系統(tǒng)的指標, 設(shè)電機轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分,故可求得當ND=21.7*60=130轉(zhuǎn)/分時，光碼盤每秒鐘輸出的脈沖數(shù)為：

PD=130600/60=1300個脈沖

當測出的脈沖個數(shù)與計算出的標準值有偏差時,可根據(jù)電壓與脈沖個數(shù)的對應(yīng)關(guān)系計算出輸出給伺服系統(tǒng)的增量電壓△U，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，再計算出增量脈沖個數(shù)，等下減去。

當運行時間越長路線越長，離我們預制的路線偏離就多了。這時系統(tǒng)起動位置環(huán)，通過不斷測量光電編碼器每秒鐘輸出的脈沖個數(shù)，并與標準值PD（理想值）進行比較，計算出增量△P并將之轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的D/A輸出數(shù)字量，通過控制器減少輸個電機的脈沖個數(shù)，在原來輸出電壓的基礎(chǔ)上減去增量，迫使電機轉(zhuǎn)速降下來，當測出的△P近似為零時停止調(diào)節(jié)，這樣可將電機轉(zhuǎn)速始終控制在允許的范圍內(nèi)。

編碼器分類

根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應(yīng)式和電容式，具體特性可見上文不同工作原理位移傳感器的對比分析。

根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式二種。

增量型光學編碼器是將指示刻度組合后即可獲得正弦波輸出，同時進行變位量測。其圓板為等間隔的細縫及基準細縫，構(gòu)造簡單易于制造，價格便宜，零點可設(shè)定任意角度位置。在細縫圖板上，有等間隔的細縫，檢出亦有相同間隔的細縫兩側(cè)配置燈源，透鏡，光檢測器組件以檢測信號。增量型計數(shù)的方式是可在任何點設(shè)立原點，然后再以數(shù)字的方式表示從該原點算起位移或角度之變化量。

絕對式光學編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，是利用自然二進制或循環(huán)二進制（葛萊碼）方式進行光電轉(zhuǎn)換的。在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號，形成二進制數(shù)。編碼的設(shè)計可采用二進制碼、循環(huán)碼、二進制補碼等。

這種編碼器的特點是不要計數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可以直接讀出角度坐標的絕對值；沒有累積誤差；電源切除后位置信息不會丟失。分辨率是由二進制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)；顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有 N位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。目前國內(nèi)已有16位的絕對編碼器產(chǎn)品。

審核編輯：湯梓紅