淺談光電編碼器的原理與應(yīng)用

楊雅萱 山東師范大學(xué)附屬中學(xué)（幸福柳校區(qū)）

編碼器是利用信號(hào)轉(zhuǎn)換原理把機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)移成脈沖信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)的傳感器。按照工作原理可以分成光電式、磁式、感應(yīng)式和電容式等，本文主要介紹光電編碼器中增量型和絕對(duì)式編碼器的原理和應(yīng)用。

1 增量型編碼器

增量型編碼器是測(cè)量轉(zhuǎn)速的，包括單路脈沖和雙路輸出兩種方式。單路脈沖顧名思義編碼器的輸出是一組脈沖，能夠測(cè)量轉(zhuǎn)速，但是不能判斷旋轉(zhuǎn)方向。雙路輸出編碼器輸出的兩組脈沖之間構(gòu)成90度角，這兩組脈沖既能夠測(cè)量轉(zhuǎn)速，又能夠指出旋轉(zhuǎn)方向。

1.1 工作原理

增量型編碼器有一個(gè)雕刻著環(huán)形刻線的圓形光電碼盤，在這個(gè)電碼盤的兩側(cè)是光電發(fā)射器和接收器。光電接收器經(jīng)過讀取、放大和整理，能夠獲得兩組正弦波信號(hào)，通過這兩組信號(hào)之間的相位差判斷編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。編碼器的碼盤可以由多種材料制造，像玻璃、金屬、塑料等都可以。編碼器上旋轉(zhuǎn)360度后出現(xiàn)的亮暗刻線就是其分辨率。

1.2 信號(hào)輸出類別

信號(hào)輸出包括正弦波、方波和開集級(jí)電路三種類型。方波信號(hào)輸出的編碼器中信號(hào)的傳輸距離根據(jù)采用的編碼器輸出方式的不同而有差異。采用對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出連接方式的信號(hào)傳輸距離是150米，而采用對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出的傳感器的傳輸距離是其兩倍。

2 絕對(duì)式編碼器

增量式編碼器每次進(jìn)行開機(jī)操作都需要找到參考點(diǎn)，位置不能出現(xiàn)錯(cuò)誤，這樣在操作過程中就顯得很麻煩。絕對(duì)式編碼器是掃描光電信號(hào)的編碼，來確定準(zhǔn)確位置的裝置。斷電后其位置信息也會(huì)保存，精確度和抗干擾性都很強(qiáng)。

2.1 工作原理

絕對(duì)式編碼器是通過對(duì)碼盤上的光暗刻線的讀取，獲取一組二進(jìn)制編碼，這個(gè)編碼是唯一的，通過掃描其編碼來獲取其絕對(duì)位置。絕對(duì)式編碼器可以分為旋轉(zhuǎn)單圈和多圈絕對(duì)式編碼器。

單圈絕對(duì)式編碼器在轉(zhuǎn)動(dòng)中通過光暗刻線，得到一個(gè)顯示實(shí)際位置的格雷碼，但是這個(gè)格雷碼與實(shí)際位置只能是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度超過360度時(shí)，格雷碼顯示為零，違背了這種唯一性的原則，所以這種編碼器適用于現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度360度之內(nèi)的情況，被稱為單圈絕對(duì)式編碼器。

多圈絕對(duì)式編碼器利用的原理是鐘表齒輪機(jī)械原理。當(dāng)中心光電碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪帶動(dòng)其一組或者多組碼盤，電碼盤可以記錄旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，不斷增加其編碼，擴(kuò)大編碼器的測(cè)量范圍。因其測(cè)量范圍的增大，安裝時(shí)空余的位置較大，這樣安裝過程也更加簡(jiǎn)單方便。

2.2 絕對(duì)式編碼器的信號(hào)輸出

絕對(duì)式編碼器的信號(hào)輸出包括串行輸出、并行輸出、總線輸出和變送一體輸出這四種輸出方式。

串行輸出是通過通訊規(guī)約，按照一定的時(shí)間先后進(jìn)行的數(shù)據(jù)輸出。串行輸出接線少，適合遠(yuǎn)距離傳輸，可靠性較高，一般適合高位數(shù)編碼器使用。

并行輸出是在接口上輸出多點(diǎn)高低電平，適合低位數(shù)絕對(duì)式編碼器使用。但是并行編碼器也存在著一些問題。首先必須使用格雷碼，否則會(huì)造成亂碼。其次，采用多芯電纜，所有的接口處必須連接良好，連接不好會(huì)造成工程的施工艱難，給編碼器造成故障。最后，傳輸距離比較近，抗干擾性較差，不適用于復(fù)雜環(huán)境。

現(xiàn)場(chǎng)總線型輸出是用一對(duì)信號(hào)線連接幾個(gè)編碼器，輸出信號(hào)通過通訊方式進(jìn)行，接收信號(hào)時(shí)一個(gè)接口就能讀取好幾個(gè)編碼器的信號(hào)。其特點(diǎn)是傳輸距離長(zhǎng)，節(jié)約成本。

變送一體型輸出是在其編碼器內(nèi)部就進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)化和輸出，更加的方便和快捷。

3 光電編碼器的特點(diǎn)與應(yīng)用

光電編碼器是光、電、機(jī)于一身，具有精度準(zhǔn)確、體積小、使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，所以在很多領(lǐng)域的應(yīng)用范圍都很廣。

3.1 增量型編碼器的應(yīng)用和特點(diǎn)

增量編碼器在實(shí)際生產(chǎn)中，能夠在制造板坯時(shí)，獲得鋼坯的運(yùn)動(dòng)速度。精煉爐的喂絲系統(tǒng)中，計(jì)算喂絲的長(zhǎng)度。

增量型編碼器構(gòu)造簡(jiǎn)單，抗干擾能力較強(qiáng)，壽命較長(zhǎng)，運(yùn)輸?shù)乃俣瓤臁㈤L(zhǎng)度長(zhǎng)，可靠性高，但是輸出位置信號(hào)不直觀。

3.2 絕對(duì)式編碼器的應(yīng)用和特點(diǎn)

光電編碼器的光源最常用的是自身有聚光效果的發(fā)光二極管。當(dāng)光電碼盤隨工作軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光線透過光電碼盤和光欄板狹縫，形成忽明忽暗的光信號(hào)。絕對(duì)式編碼器應(yīng)用在煉鋼過程中，在氧槍電機(jī)減速機(jī)上安裝，能夠輸出不同的編碼，通過編碼來確定氧槍的位置。絕對(duì)式編碼器的分辨率是高位數(shù)，機(jī)械位置是固定的，抗干擾和可靠性都比較高，定位功能較強(qiáng)。

4 結(jié)束語

光電編碼器的精準(zhǔn)性和控制度高的特點(diǎn)，在煉鋼的工序中發(fā)揮了很重要的作用。在煉鋼工序中使用編碼器進(jìn)行控制，能夠使設(shè)備的整體性能得到有效的改善，使其定位更加精準(zhǔn)。因?yàn)槠涑杀镜土?、精度?zhǔn)確，編碼器在現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用范圍越來越廣，使用頻率越來越高。但是光電編碼器在復(fù)雜的環(huán)境下使用時(shí)，外部環(huán)境容易對(duì)其造成損壞，所以我們要進(jìn)一步研究光電編碼器，不斷改進(jìn)其缺點(diǎn)，促進(jìn)其性能的穩(wěn)定和提高，保障其在工作中發(fā)揮更大的作用，促進(jìn)其應(yīng)用的車間內(nèi)的生產(chǎn)能夠穩(wěn)定而有序的進(jìn)行。

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