光电编码器测量位移

任务描述

光电编码器用光电方法将转角和位移转换为各种代码形式的数字脉冲，是集光、机、电、精密技术于一体的高技术的检测装置。通过光电转换，可以将传输给轴的机械量、旋转位移等参量转换成相应的电脉冲或数字量输出。光电编码器具有体积小、重量轻、功能全、频率高、分辨率高、可靠性好、耗能低、坚固耐用等特点。作为传感元件，已广泛应用于天文望远镜、军事雷达、定向陀螺仪、机器人及精密转台等系统中。

任务目标

●掌握光电编码测量位移的工作原理、连接方式

●会正确选用光电编码器

●了解光电编码器的结构、应用场合

任务分析

光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是目前应用最多的传感器。

任务实施

一、任务准备

光电编码器的主要参数:

(1)输出脉冲数/转。即编码器的轴旋转一圈所输出的脉冲数。

(2)最高频率响应。即在1s内能响应的最大脉冲数。

(3)最高转速。即可响应的最高转速，在此转速下发生的脉冲能够被响应。

(4)信号输出方式:

①电压输出。由共射极集体管电路输出，其输出电压随输出电流变化而有所变化。

②集电极开路输出。直接从晶体管的集电极输出，使用时需要外加电源。

③推挽输出。输出信号“1”时，上端晶体管导通，下端晶体管截止;输出信号“0”时，上端晶体管截止，下端晶体管导通。推挽输出方式能够增加输出驱动能力，可以增加信号的传输距离。

④线驱动输出。按照RS-422A标准的数据传送电路，可使用双绞线电缆进行长距离传送。

(5)轴允许负荷。表示可加载轴上的最大负荷，有径向负荷和轴向负荷两种。径向负荷力与推、拉轴的力有关，这两个力的大小影响轴的机械寿命。

表4-4中列出的是几种增量型编码器的技术指标，表4-5中列出的是几种绝对型编码器的技术指标。

表4-4 几种增量型编码器的技术指标

(续表)

表4-5 几种绝对型光电编码器

二、任务实施

电脑绣花机是一种最为复杂的缝纫设备，可在电脑控制下完成一切花样的缝绣动作。电脑和机头机械是绣花机的主体，光电增量编码器则是实现对机头机械自动运行控制的主要部件。

光电增量编码器在电脑绣花机中的作用就是确定机头针杆进针的位置。图4-26所示为电脑绣花机控制信号产生电路框图。

图4-26 电脑绣花机控制信号产生电路框图

光电编码器每转一圈，输出1024个信号脉冲和1个零位脉冲。它们经过整形后，信号脉冲加到计数器的计数脉冲端，当计数到327和654时，译码器分别译出入布、出布和其他信号，该信号经过光隔离后输出给电脑，电脑根据出布信号控制X、Y方向的步进电动机动作。电脑接收到入布信号后，从内存中读取移针所必要的数据以及其他的控制动作信号。这样就可以控制绣机正常运转、完成绣品的刺绣。

三、任务检测

光电检测装置的发射和接收装置都安装在生产现场，在使用中暴露出许多问题，有内在因素也有外在因素，主要表现在以下几个方面:

(1)发射装置或接收装置因机械振动等原因而引起移位或偏移，导致接收装置不能可靠地接收到光信号，从而不能产生电信号。例如，光电编码器应用在轧钢调速系统中，因光电编码器是直接用螺栓固定在电动机的外壳上，光电编码器的轴通过较硬的弹簧片和电动机转轴相连，因电动机所带负载是冲击性负载，当轧机过钢时会引起电动机转轴和外壳的振动。经测定，过钢时光电编码器振动速度为2.6mm/s，这样的振动速度会影响光电编码器的内部功能，造成误发脉冲，从而导致控制系统不稳定或误动作，导致事故发生。

(2)因光电检测装置安装在生产现场，受生产现场环境因素影响，导致光电检测装置不能可靠地工作。例如，安装部位温度高、湿度大，导致光电检测装置内部的电子元件特性改变或损坏。再如，在连铸机送引锭跟踪系统中，由于光电检测装置安装的位置靠近铸坯，环境温度高而导致光电检测装置误发出信号或损坏，从而引发生产或人身事故。

(3)生产现场的各种电磁干扰源对光电检测装置产生干扰，导致光电检测装置输出波形发生畸变失真，使系统误动或引发生产事故。例如，光电检测装置安装在生产设备本体，其信号经电缆传输至控制系统的距离一般在20～100m，传输电缆虽然一般都选用多芯屏蔽电缆，但由于电缆的导线电阻及线间电容的影响，再加上和其他电缆在一起敷设，极易受到各种电磁干扰的影响，会引起波形失真，从而使反馈到调速系统的信号与实际值之间出现偏差，导致系统精度下降。

改进措施如下:

(1)改变光电编码器的安装方式。光电编码器不再安装在电动机外壳上，而是在电动机的基座上制作一固定支架来独立安装光电编码器，光电编码器轴与电动机轴中心必须处于同一水平高度，两轴采用软橡胶或尼龙软管连接，以减轻电动机冲击负载对光电编码器的机械冲击。采用此方式后经测振仪检测，其振动速度降至1.2mm/s。

(2)合理选择光电检测装置输出信号传输介质，采用双绞屏蔽电缆取代普通屏蔽电缆。双绞屏蔽电缆具有两个重要的技术特性，一是对电缆受到的电磁干扰具有较强的防护能力，因为空间电磁场在线上产生的干扰电流可以互相抵消。双绞屏蔽电缆的另一个技术特点是互绞后两线间距很小，两线对干扰线路的距离基本相等，两线对屏蔽网的分布电容也基本相同，这对抑制共模干扰效果更加明显。

(3)利用PLC软件监控或干涉。在连铸生产的送引锭过程要求光电检测装置产生有时序性的电信号，同时该信号与整个过程不同阶段相对应，如图4-27所示。

图4-27 送引锭过程和光电信号关系

①送引锭过程启动前，光电信号1为“1”。

②送引锭过程启动后，在A阶段，辊道启动，引锭杆上送。当引锭杆挡住光电装置发射出的红外光时，光电信号为“0”;当红外光透过引锭杆中部2个小圆孔时，光电装置发出信号2和3，均为“1”。

③送引锭过程在B阶段，光电信号为“0”，辊道停下，引锭杆暂停上送，扇形10段压下，启动拉矫机和“同步1”，引锭杆继续上送。

④送引锭过程在C阶段，引锭杆上送，并不再挡住红外光，光电信号4为“1”，启动“同步2”，停下“同步1”，引锭杆继续上送。至此光电装置工作过程结束。

根据光检测电装置的工作过程，只要现场测定送引锭过程中各个光电信号发生的时间，结合送引锭过程与光电信号的关系，利用PLC应用程序中的相关数据，编制符合要求的PLC程序，将PLC程序输出信号输入至PLC的输入模块，替代原光电信号的输入信号。其程序框图如图4-28所示。

图4-28 程序框图

任务评价

1.是否能掌握光电编码测量位移的工作原理、连接方式。

2.是否能正确选用光电编码器。

3.是否能了解光电编码器的结构、应用场合。

相关知识

光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是目前应用最多的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图4-29所示。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的两路脉冲信号。

图4-29 光电编码器原理图

根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式;根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。

1.增量式编码器

增量式编码器是直接利用光电转换原理输出3组方波脉冲A、B和Z相;A、B两组脉冲相位差90°，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输;缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。

2.绝对式编码器

绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件;码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有n位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有n条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制(葛莱码)方式进行光电转换的。绝对式编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。绝对式编码器的特点是:可以直接读出角度坐标的绝对值;没有累积误差;电源切除后位置信息不会丢失，但分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。

3.混合式绝对值编码器

混合式绝对值编码器输出两组信息:一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能;另一组则完全与增量式编码器的输出信息相同。

单元小结

本单元主要介绍了位移测量传感器。根据传感器工作原理不同，位移测量传感器可分为电感式、光栅式和光电编码器式等。

电感式位移传感器的工作原理是建立在电磁感应基础上的，它是利用自感的原理，将位移的变化转换为自感的变化，再由测量电路转换为电流或电压的变化。它具有工作可靠、抗干扰能力强、输出功率较大、分辨率较高、稳定性好等优点;缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身响应频率低，不适用于快速动态测量。光栅是利用光学原理进行工作的，因而不需要复杂的电子系统。它具有测量精度高、测量范围大、信号抗干扰能力强等优点，在对传统机床进行数字化改造及现代数控机床中得到广泛的应用。光电编码器是一种高精度的角度测量传感器，是集光、机、电、精密技术于一体的高技术的检测装置。通过光电转换，可以将轴的机械量、旋转位移等参量转换成相应的电脉冲或数字量输出。光电编码器具有体积小、重量轻、功能全、频率高、分辨率高、可靠性好、耗能低、坚固耐用等特点，作为传感元件已广泛应用于天文望远镜、军事雷达、定向陀螺仪、机器人及精密转台等系统中。

本单元知识点梳理

综合测试

一、填空题

1.按磁路几何参数变化的形式不同，目前常用的电感式传感器有______ 、______和 ______式等3种。

2.电感式位移测量电路系统主要由 ______、______ 、______ 、______ 和______等5部分组成。

3.对于变隙式电感传感器，电感L与气隙厚度δ成______ 比，δ小则灵敏度就______ 。

4.光栅传感器是根据______ 原理制成的。

5.根据其刻度方法及信号输出形式，光电编码器可分为 ______、 ______以及______等3种。

二、选择题

1.差动变压器式传感器的输出是交流电压，只能反映衔铁位移的大小，不能反映位移的方向。利用( )能达到辨别移动方向的目的。

A.调频电路 B.放大电路 C.相敏检波电路 D.交流电桥

2.差动式电感传感器灵敏度约为非差动式电感传感器的( )。

A.2倍 B.3倍 C.1.5倍 D.4倍

3.自感式传感器又称为变磁阻式，由线圈、铁芯、衔铁三部分构成。线圈套在铁芯上，在铁芯与衔铁之间有一个空气隙，空气隙厚度为δ。传感器的运动部分与衔铁相连。外部作用力作用在传感器的运动部分时，衔铁将会运动而产生位移，使空气隙厚度δ发生变化。这种结构可作为传感器用于( )。

A.静态测量 B.动态测量

C.静态测量和动态测量 D.既不能用于静态测量，也不能用于动态测量

4.螺线管式自感传感器采用差动结构，是为了( )。

A.加长线圈的长度从而增加线性范围 B.提高灵敏度，减小温漂

C.降低成本 D.增加线圈对衔铁的吸引力

5.在光栅位移传感器辨别方向的电路中，采用的信号相位差可取( )。

A.0° B.90° C.180° D.360°

三、简答题

1.电感式传感器根据工作原理可以分为几类? 电感式传感器的基本原理是什么?

2.简述光栅测量装置的工作原理。

3.光电编码器在现场中安装的缺陷有哪些? 改进措施有哪些?

4.实操题

(1)利用电感式传感器工作原理来测量位移。

(2)利用差动变压器来进行振动测量。