光電編碼器：原理、特點(diǎn)及應(yīng)用概述

什么是光電編碼器？

光電編碼器，作為一種高效且精確的位置檢測(cè)裝置，其核心功能在于檢測(cè)透過(guò)碼盤的光脈沖信號(hào)，并將其精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。與磁性編碼器相比，光電編碼器在提升精度和分辨率方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，因此更適用于對(duì)精度要求嚴(yán)苛的各類應(yīng)用場(chǎng)合，尤其是在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中。

光電編碼器的結(jié)構(gòu)組成

深入探討光電編碼器的結(jié)構(gòu)，我們可以發(fā)現(xiàn)它由幾個(gè)關(guān)鍵組件構(gòu)成：發(fā)光元件、光敏元件以及刻有規(guī)則透光和不透光線條的碼盤。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)光元件發(fā)出的光會(huì)穿過(guò)碼盤，形成透光與不透光的光脈沖。光敏元件則負(fù)責(zé)捕捉這些光脈沖，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。


光電編碼器示意圖

發(fā)光元件（LED）
發(fā)光元件在光電編碼器中扮演著至關(guān)重要的角色，通常采用紅外LED作為光源。為了抑制光的擴(kuò)散或滿足特定的高性能需求，有時(shí)會(huì)選擇使用有色LED或激光二極管。

透鏡
而為了確保光的平行傳播，會(huì)使用凸透鏡對(duì)LED發(fā)出的無(wú)方向性漫射光進(jìn)行聚焦。

碼盤
碼盤作為光電編碼器的核心部件，其材質(zhì)和設(shè)計(jì)對(duì)編碼器的性能有著直接影響。金屬碼盤因其對(duì)振動(dòng)、溫度和濕度的強(qiáng)大抗性，常用于工業(yè)領(lǐng)域；而菲林碼盤則因其低廉的成本和適用于大規(guī)模生產(chǎn)的特性，被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)產(chǎn)品。玻璃碼盤則因其高精度和高分辨率的特性，在要求嚴(yán)苛的應(yīng)用場(chǎng)合中占據(jù)一席之地。

光敏元件
光敏元件是光電編碼器的另一個(gè)關(guān)鍵組成部分，通常由硅、鍺或磷化銦鎵等半導(dǎo)體材料制成。它們負(fù)責(zé)接收通過(guò)碼盤傳輸?shù)耐腹馀c遮光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

光電編碼器的工作原理

從結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，光電編碼器主要可以分為兩種類型。一種是“透射型”光電編碼器，其工作原理在于將碼盤置于發(fā)光元件和光敏元件之間，使得發(fā)光元件發(fā)出的光能夠透過(guò)碼盤的光柵，進(jìn)而被光敏元件所檢測(cè)。另一種是“反射型”光電編碼器，其特點(diǎn)在于發(fā)光元件和光敏元件位于同一平面上，它們通過(guò)碼盤的反射來(lái)獲取光源信號(hào)。


光電編碼器示意圖，透射式(左)和反射式(右)

透射式光電編碼器
透射式光電編碼器的工作原理相對(duì)直接，光敏元件主要負(fù)責(zé)檢測(cè)發(fā)光元件發(fā)出的光是否能夠順利透過(guò)碼盤的光柵。這種設(shè)計(jì)方式的優(yōu)勢(shì)在于，它能夠較容易地提升信號(hào)的精度，同時(shí)光路的設(shè)計(jì)也更為簡(jiǎn)單，便于開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

反射型光電編碼器
而反射型光電編碼器則是通過(guò)檢測(cè)發(fā)光元件發(fā)出的光是否被碼盤反射來(lái)實(shí)現(xiàn)工作的。這種類型的光電編碼器具有易于小型化的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于其可以通過(guò)堆疊的方式進(jìn)行制造，因此也能極大地簡(jiǎn)化組裝工序，提高生產(chǎn)效率。

按輸出信號(hào)分類
此外，光電編碼器還可以根據(jù)輸出信號(hào)的不同進(jìn)行分類。其中，增量式光電編碼器主要輸出旋轉(zhuǎn)碼盤的角度變化量或移動(dòng)量，適用于需要連續(xù)追蹤位置變化的場(chǎng)合。而絕對(duì)式光電編碼器則直接輸出旋轉(zhuǎn)碼盤的絕對(duì)角度，無(wú)需進(jìn)行額外的計(jì)算或轉(zhuǎn)換，因此在需要快速獲取準(zhǔn)確位置信息的場(chǎng)合中表現(xiàn)尤為出色。

無(wú)論是透射式還是反射式，無(wú)論是增量式還是絕對(duì)式，光電編碼器都以其獨(dú)特的原理和結(jié)構(gòu)，為我們提供了高精度、高可靠性的位置檢測(cè)解決方案。

如何實(shí)現(xiàn)光電編碼器的高分辨率與高精度？

光電編碼器的分辨率直接取決于碼盤上狹縫的數(shù)量。為了達(dá)到更高的分辨率，我們需要增加碼盤上的狹縫數(shù)量。然而，與此同時(shí)，考慮到編碼器的小型化需求，每個(gè)狹縫的面積又必須得到適當(dāng)?shù)目刂啤?br />
因此，這對(duì)組件的組裝精度提出了極高的要求。在某些方面，這種精度甚至達(dá)到了物理極限，意味著任何微小的偏差都可能影響到編碼器的性能。

為了突破這一限制，我們采用了插值技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提高分辨率。具體而言，我們將A相和B相的輸出信號(hào)從脈沖方波轉(zhuǎn)換為正余弦的模擬量信號(hào)。隨后，通過(guò)細(xì)分器，我們可以從這些模擬信號(hào)中分離出更多的方波或數(shù)字位置信息。這種方法被稱為電子細(xì)分，它極大地提升了編碼器的分辨率。

不僅如此，我們還需要優(yōu)化光學(xué)編碼器的各個(gè)組件，包括發(fā)光元件、碼盤和光敏元件。通過(guò)減少模擬信號(hào)（特別是正余弦信號(hào)）的變形量，我們能夠進(jìn)一步提高編碼器的精度。


正余弦信號(hào)(上)，脈沖信號(hào)(下)

光電編碼器的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

光電編碼器憑借其獨(dú)特的原理，通過(guò)檢測(cè)光是否通過(guò)光柵碼盤來(lái)工作。這種設(shè)計(jì)使得我們只需在光柵的形狀上進(jìn)行精細(xì)的調(diào)整，就能顯著提升編碼器的精度與分辨率。
由于光電編碼器具備高精度和高分辨率的特點(diǎn)，它自然成為對(duì)精度要求極高的伺服控制系統(tǒng)和空心軸式電機(jī)的理想選擇。在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，光電編碼器能夠準(zhǔn)確捕捉位置信息，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。
此外，光電編碼器還具備一項(xiàng)重要優(yōu)勢(shì)，那就是它不受周圍磁場(chǎng)的影響。這使得光電編碼器在強(qiáng)磁場(chǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合中能夠穩(wěn)定工作，為各種設(shè)備提供精確的位置檢測(cè)。

小結(jié)
光電編碼器是一種能夠檢測(cè)透過(guò)碼盤的光脈沖信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出的高精度位置檢測(cè)裝置。與磁性編碼器相比，光電編碼器在提升精度和分辨率方面更具優(yōu)勢(shì)，尤其適用于強(qiáng)磁場(chǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合。而反射式光電編碼器則憑借其易于小型化和簡(jiǎn)化組裝過(guò)程的特性，為各種應(yīng)用場(chǎng)景提供了更多的選擇。

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