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光电编码器工作原理

来源: 电子产品世界
2020-10-15
类别:基础知识
eye 56
文章创建人 拍明

原标题:光电编码器工作原理

光电编码器是一种高精度位置/速度传感器,通过光电转换原理将机械位移(角位移或线位移)转换为电信号,广泛应用于伺服系统、数控机床、机器人等领域。以下从核心原理、分类、结构及典型应用展开解析。


一、光电编码器的核心原理

光电编码器基于光电效应莫尔条纹原理(增量式编码器)或绝对编码原理(绝对式编码器),实现位移信号的数字化输出。

1. 增量式编码器原理
  • 光栅盘与光源

    • 光栅盘(码盘)上刻有等间距的透光和不透光条纹(光栅),随轴旋转时,条纹交替遮挡/透过光源。

  • 光电检测与信号处理

    • 每转一圈输出一个脉冲,用于复位计数或定位基准点。

    • A相和B相信号相位差90°,通过判断相位关系(超前/滞后)确定旋转方向。

    • 光源(LED)发出的光透过光栅盘,被光电二极管接收,转换为周期性脉冲信号(A相、B相)。

    • A/B相信号相位差

    • Z相信号(零位脉冲)

2. 绝对式编码器原理
  • 编码盘结构

    • 编码盘采用格雷码二进制码刻制多圈同心码道,每个位置对应唯一编码。

  • 光电扫描与输出

    • 光源照射编码盘,光电传感器读取各码道的光信号,转换为二进制或格雷码数字信号。

    • 格雷码优势:相邻编码仅1位变化,避免计数错误。


二、光电编码器的分类与特点

根据输出信号类型,光电编码器分为增量式绝对式两大类:


类型工作原理输出信号优点缺点
增量式通过光栅盘产生脉冲信号,计数确定位置A/B/Z相脉冲信号结构简单、成本低、分辨率高需复位基准点,断电后位置丢失
绝对式通过编码盘直接输出唯一位置编码数字信号(二进制/格雷码)断电后位置不丢失,抗干扰强结构复杂、成本较高

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三、光电编码器的结构组成

光电编码器主要由以下部分构成:

  1. 光源

    • 通常采用红外LED,提供稳定的光源。

  2. 光栅盘/编码盘

    • 增量式:等间距透光/不透光条纹。

    • 绝对式:多圈同心码道,刻制唯一编码。

  3. 光电检测器

    • 接收光信号并转换为电信号,通常为光电二极管阵列。

  4. 信号处理电路

    • 对脉冲信号进行整形、细分(提高分辨率)、差分输出(抗干扰)。

  5. 机械外壳

    • 保护内部元件,提供轴承支撑,确保光栅盘与轴的同步旋转。


四、光电编码器的典型应用

  1. 伺服电机控制

    • 增量式编码器用于反馈电机转速和位置,实现闭环控制。

  2. 数控机床

    • 绝对式编码器直接输出刀具位置,提高加工精度。

  3. 机器人关节

    • 编码器监测关节角度,实现精确运动控制。

  4. 电梯控制

    • 编码器反馈电梯轿厢位置,确保安全运行。


五、增量式与绝对式编码器的对比分析


特性增量式编码器绝对式编码器
位置记录方式相对位置(需计数)绝对位置(直接输出)
抗干扰能力较弱(需依赖计数器)强(断电后位置不丢失)
分辨率高(通过细分技术提升)取决于编码盘位数
成本高(尤其是多圈绝对式编码器)



六、总结

光电编码器通过光电转换编码技术实现机械位移的高精度测量,其核心优势在于:

  1. 增量式编码器:适合高速、低成本应用,但需注意断电后位置丢失问题。

  2. 绝对式编码器:适合需要断电保持位置的场景,但成本较高。

  3. 细分技术:通过插值算法提高增量式编码器的分辨率(如1000线编码器可细分至10000脉冲/转)。

理解光电编码器的工作原理和分类,有助于在工业自动化、机器人等领域合理选型,实现精准的运动控制。


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标签: 光电编码器

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