基于金属码盘的光电编码器改进研究

摘  要  光电编码器普通采用玻璃码盘或塑料码盘，玻璃优点：热稳定性好，精度高，缺点：容易破碎、镀层易磨损。塑料码盘是经济型的，优点：成本低，精度、热稳定性差，缺点：老化易裂、使用时间短。两者共性问题是：不适应在恶劣条件下使用。本文阐述的金属码盘，采用成熟的工艺，环境适应性强、可靠性高等突出优点，可克服上述码盘的缺点，大幅提高其环境适应性。

关键词  码盘;稳定性;精度;环境适应性

中图分类号：TP212      文献标识码：A      文章编号：1671-7597（2014）21-0018-02

光电编码器具有广阔的应用前景，其在精密机床数控、精确测角等领域发挥了巨大的作用。随着材料科学的发展，光电编码器码盘材料得到了提高，从而拓宽了光电编码器的应用领域，在恶劣、振动条件下应用范围得到了扩展。

1  结构及工作原理

光电编码器是一个包含光机电三大领域技术的综合系统，由数据采集和数据处理装置组成。

安装时码盘与电机同轴，当电机旋转时，码盘与电机就会相应的同速旋转，经发光、接收管组成的数据采集装置在机械位移中，转换成若干个光电信号，经单片机逻辑处理，输出相应脉冲。

1）主体。采用光、机、电一体，全封闭结构。外壳选择铸铝成型，优点：具有强度高及防腐蚀性能好的特点，如图1所示。

图1  光电编码器整体结构图

2）码盘。光栅盘是在一定直径的金属片上开通若干个等分的长方形孔，以通和不通刻线，分别代表数字量的“1”和“0”。

用玻璃码盘或塑料码盘，导致数据采集装置和数据处理装置不能可靠的接收到光信号，不能准确传递速度反馈信息，使调速系统的信号与实际值出现偏差，导致系统误动作，而引发生产事故。码盘选择低膨胀系数的金属片制成。优点：在高温环境下不变形，并具有抗冲击、抗振动能力，如图2所示。

图2  光电编码器金属码盘

2  技术改进措施

1）获取A、B相信号。将机械轴上的几何位移量，转换成数字信息量的过程，是由光电变换信号产生的，处理光电编码器光电变换过程，是系统重要环节。

①“田”字排列光电接收器。

光敏器件是将光信息转换成电信息（即通过光信号产生受控电信号）的器件。采用光敏器件为田字排列整体封装，如图3所示。

0 90

270 180

图3  双排布局裂相指示光栅示意图。

田字排列的四裂相接收器，在光电编码器应用中，称之为四裂相读取法，在码盘与光源相对位移中，可以准确获取四路各相差90°度正弦信号。其特点是：对照明不均匀有部分补充作用，可以消除轴系晃动、码盘安装偏心、刻划半径不等以及某些不对称变形引起的数据误差。

②安装四相线光电接收器。

本文方法是将一个设计好光路的凸型透镜与四相线光电接收器固定在一基座上，不采用指示光栅，克服了传统光电编码器的易受干扰缺点。

发光管发出的光，通过光栅经透镜，光电接收器上直接裂相，获取四路相差90°度的正弦信号。通过差分放大电路，变成两路相差90°度的正弦SIN与余弦COS波形，如图4所示。

图4  输出波形图

2）获取零位脉冲信号。传统光电编码器莫尔条纹通常是由两块光栅叠加形成的，光栅固定在主轴上随之一起移动，指示光栅与基座固定在一起。由于光束透过光栅及指示光栅过程中，必然存在杂光，所以接收管输出带有不同程度的残余电压，也称之为次峰，在不同环境下，会产生计数错误，造成零位误差。本文是不要指示光栅，而将两个光电接收管粘合，与基座固定在一起。发光管发出的光，通过光栅直接裂相获取两路相差45°的零位脉冲信号。如图5所示。

图5  零位脉冲信号

图6  零位脉冲处理电路

两个光电接收管直接获取最大通光量，接收管输出可达到最大量的效果，所以我们将两路零位脉冲信号，直接用电子学进行逻辑处理，将比较器电路组合成与门逻辑关系如图6所示。

从零位波形图中可以看出，波形斜率在高低温环境下，变化很小，可以准确定位起始点，同时也提高了计数精度。

3  结论

本文通过将光电编码器的码盘改变为金属材质，提高了光电编码器的环境适应性;通过获取A、B相信号及获取零位脉冲信号两方面的改进提高电路的抗干扰性及稳定性。

通过本文的改进措施提高了光电编码器的应用领域，提高了抗恶劣环境的能力。

参考文献

[1]王显军.基于SOC单片机的高集成度光电编码器电路设计[J].光学精密工程，2011，19（5）：1082-1087.

[2]赵长海，万秋华，等.24位绝对式光电编码器数据采集系统[J].光电技术应用，2010，31（3）：468-471.

[3]刘长顺，王显军，等.八矩阵超小型绝对式光电编码器[J].光学精密工程，2010，12（2）：326-333.

作者简介

刘长岭，男，高级实验师。endprint

摘  要  光电编码器普通采用玻璃码盘或塑料码盘，玻璃优点：热稳定性好，精度高，缺点：容易破碎、镀层易磨损。塑料码盘是经济型的，优点：成本低，精度、热稳定性差，缺点：老化易裂、使用时间短。两者共性问题是：不适应在恶劣条件下使用。本文阐述的金属码盘，采用成熟的工艺，环境适应性强、可靠性高等突出优点，可克服上述码盘的缺点，大幅提高其环境适应性。

关键词  码盘;稳定性;精度;环境适应性

中图分类号：TP212      文献标识码：A      文章编号：1671-7597（2014）21-0018-02

光电编码器具有广阔的应用前景，其在精密机床数控、精确测角等领域发挥了巨大的作用。随着材料科学的发展，光电编码器码盘材料得到了提高，从而拓宽了光电编码器的应用领域，在恶劣、振动条件下应用范围得到了扩展。

1  结构及工作原理

光电编码器是一个包含光机电三大领域技术的综合系统，由数据采集和数据处理装置组成。

安装时码盘与电机同轴，当电机旋转时，码盘与电机就会相应的同速旋转，经发光、接收管组成的数据采集装置在机械位移中，转换成若干个光电信号，经单片机逻辑处理，输出相应脉冲。

1）主体。采用光、机、电一体，全封闭结构。外壳选择铸铝成型，优点：具有强度高及防腐蚀性能好的特点，如图1所示。

图1  光电编码器整体结构图

2）码盘。光栅盘是在一定直径的金属片上开通若干个等分的长方形孔，以通和不通刻线，分别代表数字量的“1”和“0”。

用玻璃码盘或塑料码盘，导致数据采集装置和数据处理装置不能可靠的接收到光信号，不能准确传递速度反馈信息，使调速系统的信号与实际值出现偏差，导致系统误动作，而引发生产事故。码盘选择低膨胀系数的金属片制成。优点：在高温环境下不变形，并具有抗冲击、抗振动能力，如图2所示。

图2  光电编码器金属码盘

2  技术改进措施

1）获取A、B相信号。将机械轴上的几何位移量，转换成数字信息量的过程，是由光电变换信号产生的，处理光电编码器光电变换过程，是系统重要环节。

①“田”字排列光电接收器。

光敏器件是将光信息转换成电信息（即通过光信号产生受控电信号）的器件。采用光敏器件为田字排列整体封装，如图3所示。

0 90

270 180

图3  双排布局裂相指示光栅示意图。

田字排列的四裂相接收器，在光电编码器应用中，称之为四裂相读取法，在码盘与光源相对位移中，可以准确获取四路各相差90°度正弦信号。其特点是：对照明不均匀有部分补充作用，可以消除轴系晃动、码盘安装偏心、刻划半径不等以及某些不对称变形引起的数据误差。

②安装四相线光电接收器。

本文方法是将一个设计好光路的凸型透镜与四相线光电接收器固定在一基座上，不采用指示光栅，克服了传统光电编码器的易受干扰缺点。

发光管发出的光，通过光栅经透镜，光电接收器上直接裂相，获取四路相差90°度的正弦信号。通过差分放大电路，变成两路相差90°度的正弦SIN与余弦COS波形，如图4所示。

图4  输出波形图

2）获取零位脉冲信号。传统光电编码器莫尔条纹通常是由两块光栅叠加形成的，光栅固定在主轴上随之一起移动，指示光栅与基座固定在一起。由于光束透过光栅及指示光栅过程中，必然存在杂光，所以接收管输出带有不同程度的残余电压，也称之为次峰，在不同环境下，会产生计数错误，造成零位误差。本文是不要指示光栅，而将两个光电接收管粘合，与基座固定在一起。发光管发出的光，通过光栅直接裂相获取两路相差45°的零位脉冲信号。如图5所示。

图5  零位脉冲信号

图6  零位脉冲处理电路

两个光电接收管直接获取最大通光量，接收管输出可达到最大量的效果，所以我们将两路零位脉冲信号，直接用电子学进行逻辑处理，将比较器电路组合成与门逻辑关系如图6所示。

从零位波形图中可以看出，波形斜率在高低温环境下，变化很小，可以准确定位起始点，同时也提高了计数精度。

3  结论

本文通过将光电编码器的码盘改变为金属材质，提高了光电编码器的环境适应性;通过获取A、B相信号及获取零位脉冲信号两方面的改进提高电路的抗干扰性及稳定性。

通过本文的改进措施提高了光电编码器的应用领域，提高了抗恶劣环境的能力。

参考文献

[1]王显军.基于SOC单片机的高集成度光电编码器电路设计[J].光学精密工程，2011，19（5）：1082-1087.

[2]赵长海，万秋华，等.24位绝对式光电编码器数据采集系统[J].光电技术应用，2010，31（3）：468-471.

[3]刘长顺，王显军，等.八矩阵超小型绝对式光电编码器[J].光学精密工程，2010，12（2）：326-333.

作者简介

刘长岭，男，高级实验师。endprint

摘  要  光电编码器普通采用玻璃码盘或塑料码盘，玻璃优点：热稳定性好，精度高，缺点：容易破碎、镀层易磨损。塑料码盘是经济型的，优点：成本低，精度、热稳定性差，缺点：老化易裂、使用时间短。两者共性问题是：不适应在恶劣条件下使用。本文阐述的金属码盘，采用成熟的工艺，环境适应性强、可靠性高等突出优点，可克服上述码盘的缺点，大幅提高其环境适应性。

关键词  码盘;稳定性;精度;环境适应性

中图分类号：TP212      文献标识码：A      文章编号：1671-7597（2014）21-0018-02

光电编码器具有广阔的应用前景，其在精密机床数控、精确测角等领域发挥了巨大的作用。随着材料科学的发展，光电编码器码盘材料得到了提高，从而拓宽了光电编码器的应用领域，在恶劣、振动条件下应用范围得到了扩展。

1  结构及工作原理

光电编码器是一个包含光机电三大领域技术的综合系统，由数据采集和数据处理装置组成。

安装时码盘与电机同轴，当电机旋转时，码盘与电机就会相应的同速旋转，经发光、接收管组成的数据采集装置在机械位移中，转换成若干个光电信号，经单片机逻辑处理，输出相应脉冲。

1）主体。采用光、机、电一体，全封闭结构。外壳选择铸铝成型，优点：具有强度高及防腐蚀性能好的特点，如图1所示。

图1  光电编码器整体结构图

2）码盘。光栅盘是在一定直径的金属片上开通若干个等分的长方形孔，以通和不通刻线，分别代表数字量的“1”和“0”。

用玻璃码盘或塑料码盘，导致数据采集装置和数据处理装置不能可靠的接收到光信号，不能准确传递速度反馈信息，使调速系统的信号与实际值出现偏差，导致系统误动作，而引发生产事故。码盘选择低膨胀系数的金属片制成。优点：在高温环境下不变形，并具有抗冲击、抗振动能力，如图2所示。

图2  光电编码器金属码盘

2  技术改进措施

1）获取A、B相信号。将机械轴上的几何位移量，转换成数字信息量的过程，是由光电变换信号产生的，处理光电编码器光电变换过程，是系统重要环节。

①“田”字排列光电接收器。

光敏器件是将光信息转换成电信息（即通过光信号产生受控电信号）的器件。采用光敏器件为田字排列整体封装，如图3所示。

0 90

270 180

图3  双排布局裂相指示光栅示意图。

田字排列的四裂相接收器，在光电编码器应用中，称之为四裂相读取法，在码盘与光源相对位移中，可以准确获取四路各相差90°度正弦信号。其特点是：对照明不均匀有部分补充作用，可以消除轴系晃动、码盘安装偏心、刻划半径不等以及某些不对称变形引起的数据误差。

②安装四相线光电接收器。

本文方法是将一个设计好光路的凸型透镜与四相线光电接收器固定在一基座上，不采用指示光栅，克服了传统光电编码器的易受干扰缺点。

发光管发出的光，通过光栅经透镜，光电接收器上直接裂相，获取四路相差90°度的正弦信号。通过差分放大电路，变成两路相差90°度的正弦SIN与余弦COS波形，如图4所示。

图4  输出波形图

2）获取零位脉冲信号。传统光电编码器莫尔条纹通常是由两块光栅叠加形成的，光栅固定在主轴上随之一起移动，指示光栅与基座固定在一起。由于光束透过光栅及指示光栅过程中，必然存在杂光，所以接收管输出带有不同程度的残余电压，也称之为次峰，在不同环境下，会产生计数错误，造成零位误差。本文是不要指示光栅，而将两个光电接收管粘合，与基座固定在一起。发光管发出的光，通过光栅直接裂相获取两路相差45°的零位脉冲信号。如图5所示。

图5  零位脉冲信号

图6  零位脉冲处理电路

两个光电接收管直接获取最大通光量，接收管输出可达到最大量的效果，所以我们将两路零位脉冲信号，直接用电子学进行逻辑处理，将比较器电路组合成与门逻辑关系如图6所示。

从零位波形图中可以看出，波形斜率在高低温环境下，变化很小，可以准确定位起始点，同时也提高了计数精度。

3  结论

本文通过将光电编码器的码盘改变为金属材质，提高了光电编码器的环境适应性;通过获取A、B相信号及获取零位脉冲信号两方面的改进提高电路的抗干扰性及稳定性。

通过本文的改进措施提高了光电编码器的应用领域，提高了抗恶劣环境的能力。

参考文献

[1]王显军.基于SOC单片机的高集成度光电编码器电路设计[J].光学精密工程，2011，19（5）：1082-1087.

[2]赵长海，万秋华，等.24位绝对式光电编码器数据采集系统[J].光电技术应用，2010，31（3）：468-471.

[3]刘长顺，王显军，等.八矩阵超小型绝对式光电编码器[J].光学精密工程，2010，12（2）：326-333.

作者简介

刘长岭，男，高级实验师。endprint