了解光学编码器（II的第二部分）

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状的磁性，电感性的，并且涡流设计非光学编码器选项提供适度高的分辨率，并且可以承受惩罚环境条件。


第一部分此两部分的文章所讨论的各种类型的光学编码器。在第二部分，我们回顾了磁，电感性和电容编码器。

工业环境是一个肮脏的业务。组件必须在木材和纸张加工产生的粉尘中，由机床散射的金属碎片，每天冲洗的腐蚀性化学品，来自液压缸的油，或上述混合物。还有更多的，当然：湿度，恒定的振动和多G震动载荷，只有几个。工业环境尽可能艰难。

光学编码器为需要最佳性能的应用提供顶部分辨率。然而，对于不需要解决光学编码器的强硬工业应用，工程师有几种替代方案，包括磁性，电感和电容式编码器。让我们仔细看看。

磁性编码器的基础知识
一种磁性编码器操作类似于光学编码器。取而代之的是代码磁盘调制的光束的，磁编码器使用亚铁结构扰乱的磁场。线性版本使用码带代替盘的。像他们的同行光学，磁编码器增量和绝对类型可用。我们将用渐进的方法开始。

非常基本的版本包括固定磁力检测器和连接到电动机轴上的黑色金属齿轮（参见图1）。作为轴和齿轮转动，齿通过探测器。磁场的变化产生一系列电压脉冲;与光学编码器一样，电子设备将该信号转换为速度或位置数据。

虽然这是一个良好的，简单的方法，它依赖于能够准确机窄槽成金属的盘。实事求是地讲，加工能力和机械强度极限分辨率的问题，以约120 PPR（脉冲每转）。实现更高的分辨率不仅需要精密的模具，但是检测器和磁盘之间非常紧的空隙，其复杂的安装和使得传感器未对准更敏感。

也可以使用带有交替的北极和南极的旋转滚筒来实现磁编码器（参见图2）。滚筒通常由尼龙或掺杂有各通式磁性材料的聚碳酸酯注塑;分辨率由磁性材料中记录的畴的间隔确定。滚筒设计往往对电动机轴的最终播放倾向于不敏感，使得它更容易安装和对准误差。

到目前为止，我们讨论过的示例已经涉及增量磁编码器，其基于来自一些原始位置的位移的轨道位置或速度。对于许多应用程序，在启动时或在电源故障之后重新选择不是问题。在其他情况下，例如电梯，失去绝对位置的轨道可能具有灾难性的后果。那些需要绝对的编码器。

在绝对磁性编码器中，位置和北方的间距和南极改变以创建用于每个角度或线性位置的唯一标识符。磁性绝对编码器通常包括一个绝对编码盘/带材，以确定空间位置和平行增量盘/带材，以执行时钟信号的功能。

磁粉探伤仪
代码磁盘/条只是设备的一部分。探测器技术也对性能具有极大的影响。最基本的版本是可变磁阻检测器或磁性拾取器。这包括用电线包裹的铁芯。诸如由码轮或条带引入的变化的磁场产生电压变化;可以处理该信号以产生输出。可变磁阻检测器可以容忍重型振动以及高温。在缺点中，输出电流与负载的速度成比例。结果，它们的性能是读出电路的函数，因此它们可以设计用于高速操作或低速操作，但通常不均匀。一般来说，它们最适合每秒180英寸或更长时间的率。

对于更高的速度，磁阻检测器可以是更好的选择。如名称所示，磁阻探测器基于导线滴落在外部磁场下的电阻的事实。探测器包括由诸如镍铁（NIFE）的磁敏合金制造的光刻图案化电阻器阵列。作为码轮或带材的磁极通过阵列，在检测器电路中产生的电阻变化。该信号可以被处理以产生速度和位置数据。

磁阻编码器提供比可变磁阻检测器更好的敏感性和更高的分辨率。适当设计的磁阻编码器允许比替代技术更广泛的空气差距。因为它们是固态设备，因此它们是强大的，并且受益于批处理经济。然而，它们不是所有场合的理想解决方案。它们在玻璃上的NiFe蚀刻，但实际上与CMOS（互补金属氧化物半导体）加工实际上并不兼容。此外，它们比芯片级探测器大。

基于洛伦兹力，霍尔效应传感器是固态检测器，由一层p型材料组成。霍尔效应传感器提供磁阻编码器的替代方案。在外部磁场的存在下，例如由码盘产生的，半导体材料中的电荷载波分开，产生电位差。由于磁盘具有其交替域的模式，它会产生一系列电压尖峰，创建可以分析以产生编码器输出的信号。

霍尔效应编码器提供了许多优点。使用半导体制造技术生产，它们可以与读出电路集成，以产生可以封装以保护其的紧凑，坚固的封装。当在阵列中造成平均读数超过多个像素时，它们特别有用（参见图3）。

磁性编码器是非接触和相当坚固的。它们非常容忍休克，振动，未对准以及大多数污染形式（见图4）。与光学编码器的LED不同，它们随着时间的推移，它们的性能也稳定，这与时间和热量降低。它们还可以处理广泛的工作温度。

不利的一面，他们往往比光学设计更加昂贵。如果没有广泛的屏蔽，他们在高磁场的应用，如MRI机器无效。他们也有较低的峰值的分辨率，一般在2048 PPR最大化。虽然这是隔靴搔痒什么光学编码器可以提供，对于许多工业应用，如Web处理，这是相当足够的。

归纳编码器
腐败师，这是基本上专用的变压器，根据电机轴和传感器之间的线圈之间的电感耦合监测绝对角位置。随着轴转动，两个线圈中的电压会改变。将简单三角仪应用于两个比例给出了角度。

从理论上讲，Detalvers夸耀无限分辨率，尽管由于数据需要数字化，但它们受模数转换器的分辨率受到限制。因为它们没有船上电子设备，所以拆分器可以处理极端环境，包括烧焦温度和高辐射。它们还可以在高达200克的休克负荷存活下来。然而，读出电子器件必须在系统的某个地方进行，这使得集成更加复杂。虽然分离器本身是相当经济的，但电子产品的成本很快增加。

最近，制造商已经开发了归纳编码器，其在类似原则上运行。它们可提供与拆分器相同的性能和坚固性，但从实现为集成电路的设备。它们不使用离散物理线圈，它们包含在芯片上制造的平板电感器以及读出电子器件。

实施方式不同，但基本的感应编码器由一个发送线圈和一个或多个接收线圈，两者在同一PCB上，以及安装在电动机轴上的独立导电盘。激励发射线圈产生的磁通诱导在接收线圈中的电流。随着电机轴转动时，磁盘越过接收线圈中的一个，调节输出电流。片上的ASIC（专用集成电路）处理所述信号，以产率位置或速度数据。

电感编码器比磁性和光学编码器更强大，比拆分器更容易使用。然而，磁盘的正确选择是必不可少的。软铁码盘表现出温度依赖性，而极端外部磁场可以改变材料的渗透性并歪斜结果。黑色金属或铁氧体电感编码器可以很好地在磁场中工作，至少到一个点。过去的一定程度，他们太麻烦了。

一种解决方案是涡流电感编码器，基于无铁设计。当高频场施加到高导电金属时，它产生涡电流，该电流限于表面。这种效果意味着该设备可以在不大小的情况下起作用。代替需要宏观大小的代码盘的感应编码器，可以在铜的一层仅100μm厚的铜层中产生涡流。这产生了足够紧凑的装置，以集成到薄煎饼式电动机中（见图5）。

电容式编码器
最终编码器技术基于电容感应。在电容式编码器中，用电动机轴转动的盘引入电容的变化，这是通过具有高频信号的励磁平面电极来测量的电容。一种常见形式由一对板（“转子”和“定子”）组成，靠近接近。转子用围绕边缘围绕边缘的正弦图案的圆形图案化，而携带传感器电子器件的定子保持静止。转子盘上的正弦图案在轴转动时引入电容的变化。替代设计涉及夹在两个固定磁盘（接收器和发射器）之间的正弦图案的转子盘，并类似地操作。

电容传感器可以产生高分辨率输出限制，仅通过在转子盘的边缘上的变化的能力进行模式。它们是休克和振动的强大，可以在没有问题的情况下处理高温。因为传感器在盘的整个表面上运行而不是单点，所以器件非常容忍机械空气和未对准。它们也容易制造体积。在缺点方面，某些系统的更新率可能会缓慢。

无论您的应用程序需要的分辨率，速度，耐用性，经济性，或上述的一些组合，编码器技术提供解决方案来满足。收集您的应用程序和设计的细节，并与供应商一定要紧密合作，以确保你正在做，将提供一个持久的解决办法，并根据需要将执行选择。

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致谢
谢谢去杰夫爱尔兰和Maknapar Corp.的Mark Langille，Maxon Motor的Volker Schwarz，以及Quicksilver控制的Don Labriola，用于有用的背景信息。

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