传感器概述及分类 光电编码器电路原理及分类

来源：银杏军科

人类在地球上，却能控制太空中的卫星精准地转向；发射导弹，可以进行精准的定位打击；手术室里，机械臂可以代替医生手臂精准地操作手术；

这一系列机械智能化都离不开传感器、编码器，可以说“传感器、编码器是万物智能运动的眼睛”。

传感器概述及分类 

传感器指能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件，通常由敏感元件和转换元件组成。

传感器一般包含传感单元、计算单元和接口单元。传感单元负责信号采集；计算单元则根据嵌入式软件算法，对传感单元输入的电信号进行处理，以输出具有物理意义的测量信息；最后通过接口单元与其他装置进行通信。

传感器分类

根据采集的信号分类，传感器可以分为温度传感器、压力传感器、位移传感器等。位移传感器将物体在运动的过程中的空间位置的变化量，通过某种方式感应并转换成电信号，以此实现对位移量的测量。

位移传感器按工作方式分直线和旋转两类划分，分为直线式位移传感器、旋转式位移传感器。实际上直线尺可以看作无限长的圆码盘。平常大家说的编码器与旋转式位移传感器作用类似。

广义位移传感器根据工作原理分类：可分为电容式、电感式、磁电式、电阻式、超声波式、光电式等。目前我国军工由于技术限制原因多用旋变式、电容式，各工作原理的位移传感器具有不同特性：

光电式传感器根据工作原理可分为衍射式（投射式）和反射式。两种工作原理比较：

光电编码器电路原理及分类 

类似于光电式旋转位移传感器，光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠，接口数字化等优点，并广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。

工作原理

光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置构成，在伺服系统中，光栅盘与电动机同轴致使电动机的旋转带动光栅盘的旋转，再经光电检测装置输出若干个脉冲信号，根据该信号的每秒脉冲数便可计算当前电动机的转速。光电编码器的码盘输出两个相位差相差90度的光码，根据双通道输出光码的状态的改变便可判断出电动机的旋转方向。

工作原理:当光电编码器的轴转动时A、B两根线都产生脉冲输出,A、B两相脉冲相差90度相位角，由此可测出光电编码器转动方向与电机转速。如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转,否则为反转.Z线为零脉冲线,光电编码器每转一圈产生一个脉冲.主要用作计数。A线用来测量脉冲个数,B线与A线配合可测量出转动方向。

N为电机转速

n=ND测-ND理

例如:我们车的速度为1.5m/s,轮子的直径220mm，C=D*Pi，电机控制在21.7转/秒,根据伺服系统的指标, 设电机转速为1500转/分,故可求得当ND=21.7*60=130转/分时，光码盘每秒钟输出的脉冲数为：

PD=130600/60=1300个脉冲

当测出的脉冲个数与计算出的标准值有偏差时,可根据电压与脉冲个数的对应关系计算出输出给伺服系统的增量电压△U，经过D/A转换，再计算出增量脉冲个数，等下减去。

当运行时间越长路线越长，离我们预制的路线偏离就多了。这时系统起动位置环，通过不断测量光电编码器每秒钟输出的脉冲个数，并与标准值PD（理想值）进行比较，计算出增量△P并将之转换成对应的D/A输出数字量，通过控制器减少输个电机的脉冲个数，在原来输出电压的基础上减去增量，迫使电机转速降下来，当测出的△P近似为零时停止调节，这样可将电机转速始终控制在允许的范围内。

编码器分类

根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式，具体特性可见上文不同工作原理位移传感器的对比分析。

根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式二种。

增量型光学编码器是将指示刻度组合后即可获得正弦波输出，同时进行变位量测。其圆板为等间隔的细缝及基准细缝，构造简单易于制造，价格便宜，零点可设定任意角度位置。在细缝图板上，有等间隔的细缝，检出亦有相同间隔的细缝两侧配置灯源，透镜，光检测器组件以检测信号。增量型计数的方式是可在任何点设立原点，然后再以数字的方式表示从该原点算起位移或角度之变化量。

绝对式光学编码器是直接输出数字量的传感器，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。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；当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。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。

这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都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。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；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。

审核编辑：汤梓红