1．概述

在工業控制領域，編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性而被廣泛用于各種位移測量。

目前，應用最廣泛的是利用光電轉換原理構成的非接觸式光電編碼器。光電編碼器是一種集光、機、電為一體的數字檢測裝置。作為一次光電傳感檢測元件的光電編碼器，具有精度高、響應快、抗干擾能力強、性能穩定可靠等顯著的優點。按結構形式可分為直線式編碼器和旋轉式編碼器兩種類型。

 圖l所示為旋轉編碼器的基本原理：主軸與兩塊圓光柵盤相連，光射入并通過該光柵時，分別用兩個光柵面感光。由于兩個感光面具有90度的相位差。因此將該輸出輸入數字加減計算器，就能以分度值來表示角度。

旋轉編碼器主要由光柵、光源、檢讀器、信號轉換電路、機械傳動等部分組成。從光電編碼器的輸出信號種類來劃分，可分為增量式和絕對值式兩大類，其中式又分為單圈和多圈兩種。

 2．發展歷程

 2.1從接近開關與光電開關到旋轉編碼器

工業控制中的定位，接近開關、光電開關的應用已經相當成熟了，而且很好用。可是，隨著工業控制的不斷發展，對精確定位的要求越來越高，選用旋轉編碼器的應用優點就更加突出了。

信息化：除了定位，控制室還知道被控器件的具體位置。

柔性化：定位可以在控制室柔性調整。

現場安裝的方便、安全和長壽：拳頭大小的一個旋轉編碼器，可以測量從幾個微米到幾百米的距離，n個工位。只要解決旋轉編碼器的安全安裝問題，就可以避免諸多接近開關、光電開關在現場機械安裝麻煩以及容易被撞壞和遭高溫、水氣困擾等問題。由于是光電碼盤，無機械損耗，只要安裝位置準確，其使用壽命往往很長。

多功能化：除了定位，還可以遠傳當前位置，換算運動速度，對于變頻器、步進電機等的應用尤為重要。

經濟化：對于多個控制工位，只需一個旋轉編碼器的成本，安裝、維護、損耗成本降低，使用壽命增長，其經濟化逐漸突顯出來。

 2.2從增量式編碼器到絕對式編碼器

旋轉增量式編碼器轉動時輸出脈沖，通過計數設備來知道其位置，當編碼器不動或停電時，依靠計數設備的內部記憶來記住位置。這樣，當停電后，編碼器不能有任何的移動；當來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計數設備記憶的零點就會偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯誤的生產結果出現后才能知道。

解決的方法是增加參考點，編碼器每經過參考點，將參考位置修正進計數設備的記憶位置。

在參考點以前，是不能保證位置的準確性的。為此，在工業控制中就有每次操作先找參考點，開機找零等方法。比如，打印機掃描儀的定位就是用的增量式編碼器原理，每次開機，都能聽到噼哩啪啦的一陣響，它在找參考零點，然后才工作。這樣的方法對有些工業控制項目比較麻煩，甚至不允許開機找零(開機后就要知道準確位置)，于是就有了絕對編碼器的出現。

絕對編碼器光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線……編排，這樣在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進制編碼(格雷碼)，這就稱為位絕對編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。

絕對編碼器由機械位置決定的每個位置的唯一性，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數據的可靠性大大提高了。由于絕對編碼器在定位方面明顯地優于增量式編碼器，已經越來越多地應用于工業控制定位中。

 2.3從單圈絕對式編碼器到多圈絕對式編碼器

旋轉單圈絕對式編碼器，以轉動中測量光碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當轉動超過360°時，編碼又回到原點，這樣就不符合絕對編碼唯一的原則，這樣的編碼器只能用于旋轉范圍360°以內的測量，稱為單圈絕對式編碼器。

如果要測量旋轉超過360°范圍，就要用到多圈絕對式編碼器。編碼器生產廠家運用鐘表齒輪機械的原理，當中心碼盤旋轉時，通過齒輪傳動另一組碼盤(或多組齒輪，多組碼盤)，在單圈編碼的基礎上再增加圈數的編碼，以擴大編碼器的測量范圍，這樣的絕對編碼器就稱為多圈式絕對編碼器。它同樣是由機械位置確定編碼，每個位置編碼唯一不重復，而無需記憶。另一個優點是由于測量范圍大，實際使用往往富裕較多這樣在安裝時不需費勁找零點，將某一中間位置作為起始點就可以了，大大簡化了安裝調試難度。

多圈式絕對編碼器在長度定位方面的優勢明顯，已經越來越多地應用于工業控制定位中。

 3．信號輸出

編碼器信號輸出有并行輸出、串行輸出、總線型輸出、變送一體型輸出等輸出形式。

 3.1并行輸出

對于絕對編碼器，信號并行輸出是時間上數據同時發出：空間上，每個位數的數據各占用一根線纜。對于位數不高的絕對編碼器，一般就直接以此形式輸出數碼，可直接進入PLC或上位機的I／O接口。

這種方式輸出即時，連接簡單。但是，對于位數較多的絕對編碼器，有許多芯電纜，由此帶來工程難度和諸多不便、降低了可靠性。因此，在絕對編碼器多位數輸出一般不采用并行輸出型，而是選用串行輸出或總線型輸出。

 3.2串行輸出

串行輸出是時間上數據按照約定，有先后輸出；空間上，所有位數的數據都在一組電纜上(先后)發出。這種約定稱為“通訊協議”，其連接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。串行輸出連接線少，傳輸距離遠，可靠性就大大提高了，但傳輸速度比并行輸出慢。

 3.3現場總線型輸出

現場總線型編碼器是多個編碼器各以一對信號線連接在一起，通過設定地址，用通訊方式傳輸信號。信號的接收設備只需一個接口，就可以讀多個編碼器信號。常用總線型編碼器有PROFIBUS-DP、CAN、DeviceNet、Interbus等?？偩€型編碼器可以節省連接線纜、接收設備接口，傳輸距離遠，在多個編碼器集中控制的情況下還可以大大節省成本。

 3.4變送一體型輸出

信號已經在編碼器內換算后直接變送輸出，其有模擬量4-20mA輸出、RS485數字輸出、USB輸出、14位并行輸出。

 4．工業控制中的應用

光電旋轉編碼器結構簡單，廣泛應用于高精度角度、位移檢測系統中，例如數控機床等。

 4.1脈沖盤式角度—數字編碼器

在一個圓盤的邊緣上開有相等角距的縫隙(分成透明和不透明的部分)，在開縫圓盤兩邊分別安裝光源及光敏元件，當圓盤隨工作軸一起轉動時，每轉過一個續隙就發生一次光線的明暗變化，經過光敏元件就產生一次電信號的變化，經整形、放大，就可以得到一定幅值和功率的電脈沖信號，脈沖數等于轉過的縫隙數，將上述信號送到計數器，則計數碼就反映了圓盤的轉角。為了判斷旋轉方向，可以采用兩套光電裝置，它們在空間的相對位置有一定的關系，保證它們產生的信號在相位上相差1／4周期。正轉時光敏元件2比光敏元件1先感光，此時與門DAl有輸出，將加減控制觸發器置“1”，使可逆計數器的加法母線為高電位．同時DAl的輸出脈沖又經或門達到可逆計數器的計數輸入端，計數器進行加法計數。反轉時則光敏元件1比元件2先感光，計數器進行減法計數，這樣就可以識別旋轉方向，自動進行加減法計數計數。由于它每次反映的都是相對于上次角度的增量，所以這種測量屬于增量法。

 圖2  辨向環節邏輯電路框圖

圖3  辨向環節邏輯電路波形圖

 4.2光電式角度—數字編碼器

碼盤式角度-數字編碼器是按角度直接進行編碼的傳感器。按碼盤結構可分為接觸式、光電式和電磁式。無論哪種型式．碼盤的結構原理是相同的。

 4.2.1、碼盤的結構和工作原理

圖4是一個接觸式四位二進制碼盤。涂黑部分是導電區。所有導電部分連在一起接高電位?？瞻撞糠譃榻^緣區。在每圈碼道上都有一個電刷，電刷經電阻接地。當碼盤與軸一起旋轉時。申刷上將出現相應的電位，對應—定的數碼。若采用n位碼盤，則能分辨的角度α為360°/2­­­n。位數n越大，能分辨的角度越小，測量也越精確。

二進制碼盤很簡單，但在實際應用時對碼盤的制作和安裝要求十分嚴格，否則極易出錯。采用工藝上或電路方法可消除誤差，但十分復雜，因此很少采用。應用廣泛的是采用循環碼取代二進制碼。循環碼的特點是相鄰兩個數碼間只有一位是變化的，因此即使制作和安裝不到位，產生的誤差最多也只是一位。圖5是一個四位循環碼盤。

圖4  二進制碼盤示意圖       圖5  四位循環碼盤

 4.2.2、光電式角度—數字編碼器

光電式角度—數字編碼器包括光源、光學系統、碼盤、讀出系統和電路系統。編碼器的精度主要由碼盤的精度所決定，目前的分辨牢可以達到0.15”，徑向線寬度為0.067rad·s。通常碼盤是用玻璃制成的，碼盤上有代表數碼的透明和不透明的圖形，這些圖形是采用照相制版及真空鍍膜工藝制成的。碼盤的透明和不透明圖形必須清晰，邊緣必須光滑，以減少光電元件在電乎轉換時產生的過渡噪聲。

為了提高編碼器的分辨李，在光電式角度數字編碼器中采用了二進制碼盤、脈沖增量式碼盤再加細分電路構成的高位數絕對式角度數字編碼器。例如，有2­­­­­­­­­19分之一分辨率的編碼器，它的碼盤內層有14條碼道，通過光學系統產生14位二進制數字輸出碼，外層碼道有兩路增量脈沖光學系統，產生一個正弦楊出和余弦輸出，使編碼器的分辨率從214分之一提高到219分之一，相當于0.2rad·s。

 5．結束語

光電旋轉編碼器以其高精度、高分辨力、高頻響以及體積小、重量輕、結構簡單、可實現數字量輸出等綜合技術優勢在現代精密測量與控制設備中得到了廣泛應用，是工業控制中比較理想的位移、角度傳感器。隨著光電科學的發展，采用新原理、應用新技術的各類新型光電軸角編碼器將會不斷出現，并向著小型化、智能化和集成化的方向發展，以滿足各個領域多種應用場合的需要。