了解光学编码器（II的第I部分）

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光或磁?感应电流还是涡流?增量或绝对吗?了解为您的应用程序选择何种编码器。

工程是权衡问题 - 没有一个最佳解决方案，只有一个最佳的应用解决方案。当谈到运动反馈时，对于运动控制必不可少的，编码器通常是最佳解决方案。分类编码器的最明显方法是传感器类型，包括光学，磁性和电感技术。光学编码通常提供最高的精度和分辨率，尽管它们是光学的，但它们可以污染，冲击和振动产生问题。对于恶劣环境，磁性和电感编码器提供令人惊讶的高分辨率，并且可以在最艰难的条件下存活。作为一组，编码器提供各种选择，使OEM和机器建设者能够实现其项目所需的准确性，分辨率，鲁棒性和价格点。在这一部分之一，我们将讨论光学编码器，重点是应用程序和权衡。第二部分将集中讨论磁感应设计。

光学编码器
一个光学编码器由一个在光源和光电探测器之间通过的圆盘组成(见图1)。圆盘通常连接在负载上，而光源和探测器作为编码器本体的一部分保持固定。在一系列不透明和透明区域的图案上，圆盘在输入光束转动时对其进行调制。光电探测器将光学数据转换为电信号输出，向系统的其余部分提供反馈。

像电机一样，编码器也以线性格式提供，它们类似于旋转版本。对于线性编码器，包含源极和检测器的读头在传感器条或刻度沿着行程的长度延伸，保持负载。

光学编码器最简单的实现是相对编码器或增量编码器，它监测从某些预先建立的主位置的位移。增量式编码器使用带有一个或多个同心区域或通道的磁盘，每个同心区域或通道被分成一系列透明和不透明区域，这些区域以50-50的占空比排列(见图2)。磁盘将光束切割成光脉冲流。车载电子设备将其转换为计数，但系统需要运动控制器、PLC或驱动器中的场外电子设备将这些计数转换为速度或位置。磁盘上透明区域的数量与编码器的分辨率相对应，分辨率通常以每转脉冲数(PPR)给出。在内部有一个附加的环，带有一个透明的槽，称为Z通道，可以用来建立home位置。对于行程很长的应用程序，Z通道也可以用于跟踪磁盘的多次旋转。

增量编码器可以分成单通道和正交类型。单通道编码器跟踪计数以确定位移，但由于输出看起来与它们是顺时针还是逆时针转动，因此它们不能用于检测运动方向。对于仅需要监控速度的应用，如风扇和泵，单通道编码器提供简单，经济的解决方案。

需要方向反馈的应用，如运动控制，需要正交编码器。正交编码器有两个通道，一个A通道和一个B通道，每个通道都有自己的检测器。在正交编码器中，B通道与a通道相位相差90°，或与a通道正交(见图3)。系统监控哪个通道先升高，这允许它区分两个方向。正交编码器最常见的实现方法是为每个通道设置一个单独的同心圆轨道，通过时钟来引入相位滞后。每个通道都有自己的检测器。

正交编码器的输出可以用多种方式解码。具体的技术和术语根据所使用的编码器和电路的类型而不同。在这里，让我们假设一个基于脉冲的边缘检测系统。最简单的形式是由A通道的上升沿触发，这使其分辨率等于代码盘的PPR(见图4)。这也称为1X解码。我们可以通过触发通道A的上升和下降边缘(2X解码)来提高分辨率。这有效地将分辨率提高了一倍，例如，400 PPR编码器每转800脉冲。为了进一步提高性能，编码器还可以设置触发通道A和通道B的上升和下降边缘(4X解码)。现在，我们可以从400ppr的磁盘中获得每转1600脉冲。

光学掩模和相控阵编码器
随着正交编码器中的分辨率升高，出现了一个问题：与每个槽的宽度相比，检测器往往大大，这可能导致通道之间的溢出。添加匹配通道模式的掩码有助于清理信号（参见图5）。具有这种类型的设计的权衡是盘和掩模/光电探测器之间的气隙可以小于40至80μm（0.0015至0.003“）。这种紧的间距对磁盘参数进行了严格的规格，如平坦度，偏心和对准，使设备更容易受到震动和振动。

掩模还可用于从单轨磁盘创建正交编码器。在这种情况下，单个轨道产生所有通道的信号，并且掩模引入了90°相移。例如，掩模还可用于将互补通道180°与主频道 - a和a'，b和b'一起定义。这种方法可用于通过去除共模信号变化来补偿热变化。

在低分辨率下，可以将编码器盘切出金属，间隙形成透明槽。金属磁盘可以是高冲击和振动环境的特别好的解决方案，但它们的分辨率是有限的 - 如果插槽太紧密地间隔开，则磁盘将缺乏机械强度。用金属图案化的玻璃基板提供更高的分辨率，但它们的脆性使它们适合高冲击和振动应用。在许多方面，Mylar基板比玻璃更粗。即使它们有局限性，但是 - 安装不当，磁盘可以凹陷，它们可以在非常高的RPM下振荡。

相控阵增量编码器采用固态技术，提供了更可靠的解决方案。相控阵编码器不是为每个通道使用离散检测器，而是在芯片级与特定应用集成电路集成的检测器阵列，这样每个通道都被多个检测器覆盖(见图6)。最大限度地减少制造误差带来的变化，如磁盘偏心和不对中，提高性能，同时放宽制造公差。该方法还增加了磁盘和相控阵芯片之间的气隙，使设备更容易制造和安装。所有这些都导致了高性能设备的出现，这些设备足够强大，能够承受高达400g的冲击负荷。

绝对的光学编码器
增量编码器生成可以转换为位置或速度的脉冲流的输出。绝对编码器输出磁盘的每个角度位置的唯一数字字。结果，绝对编码器即使在关闭或电源故障之后也保持其位置的记录。这种特性在高可靠性应用的情况下尤为重要，例如电梯和手术机器人，其失去位置可能是灾难性的。它对物体偶尔移动的情况也很有用，但不能重新回顾。

而不是一个或两个等间距通道，编码器码盘具有多个同心圆区域具有不同的模式，每个区域由单独的LED/检测器对读出(见图7)。每个区域对应一个分辨率;例如，一个8位编码器将有8个区域。虽然标准的绝对编码器通常具有12位分辨率，对应于每旋转4096个位置，但设备已经制造了多达22位，对应于4.19 x 106个位置。对于需要多次旋转的应用程序，编码器将包括一个二级代码盘，该代码盘与主盘的每次完整旋转进行索引。这种安排为每个位置保留了一个唯一的数字字。

传统上，光学编码器传统上是半导体光刻等高性能应用的选择的解决方案，提供高达10,000PPR的分辨率。然而，这种分辨率不仅用于定位。以极高速度运行的系统需要非常高分辨率的反馈，以确保每单位位移足够计数以有效地监控运动。

虽然光学编码器具有对恶劣环境过于脆弱的声誉，但相控阵编码器的出现允许技术渗透像军用/航空航天，石油钻井和越野车等市场。由于它们可以容忍非常高的磁场，因此光学编码器还为MRI机器提供的应用提供了有效的解决方案。

缺点是，LED的输出强度会随着时间的推移而降低，特别是在高温环境下。在极端情况下，这种影响可能会导致编码器错过计数。过滤技术可以帮助防止这种影响，但许多光学编码器包括监测LED健康状况的传感器，以防止这种情况的发生。光学系统在处理灰尘、油和其他液体等环境污染物时也往往不那么健壮。对于特别脏的环境，如木材加工厂或需要每天清洗的食品和饮料生产线，具有适当IP评级的设备是必须的。

作为一个整体，光学编码器提供具有丰富选项的OEM和机器制造商，以满足广泛的反馈需求。出于例外，磁性和电感编码器等其他技术进行了播放。在本文的第二部分中，我们将仔细看看这些类型，他们如何工作以及它们最适合解决的问题。

致谢
谢谢去杰夫爱尔兰和Mark Langille的Dynapar Corp.和Ken Kaufenberg Heidenhain Corp.的有用背景信息。

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