光电编码器是一种利用光学原理将机械轴的角度位置、旋转速度或运动方向精确转换为一组数字电信号的传感器/变送器。

核心应用原理：

光电编码器的核心工作原理基于光信号被旋转编码盘（光栅盘）调制后，被光电探测器接收并转换成电脉冲信号。具体步骤如下：

1. 光源： 通常是稳定的发光二极管（LED），发出恒定波长的光线（通常是红外光）。
2. 编码盘/光栅盘：
   • 这是一个与待测旋转轴刚性连接的圆盘。
   • 盘上有精密刻制的透光和不透光区域，这些刻线构成某种编码图案。
   • 对于增量式编码器：盘上通常有多条等间距的同心环状刻线（称为光栅）。其中一个或多个刻线环用于生成脉冲，另一个特定的刻线用于标识零位/基准点（Z相）。
   • 对于绝对式编码器：盘上的图案设计使得每个角度位置都对应一个独一无二的二进制编码（如格雷码）。刻线图案通常是多道（每道代表一位二进制数），同心但不同半径。
3. 光学系统：
   • 光源发出的光，经过聚焦镜片或其他光学元件，照射到旋转的编码盘上。
   • 编码盘转动时，其上的透光/不透光图案会规律性地遮挡或透过光源发出的光线，形成明暗变化。
4. 光电探测器：
   • 在编码盘的另一侧，安装有一组或多组光电转换器件（如光敏二极管、光敏三极管、光电晶体管阵列等）。
   • 当旋转中的编码盘使得光线穿过透光区域到达探测器时，探测器被照亮，输出高电平电信号。
   • 当光线被不透光区域遮挡时，探测器输出低电平电信号。
   • 因此，编码盘的每一次转动导致的明暗交替，都会使探测器输出一个相应的电脉冲。
5. 信号处理与输出：
   • 增量式： 通常输出 A、B 两相正交脉冲（方波） 和一个 Z（零位/索引）脉冲。
     • A 相和 B 相脉冲的相位差是 1/4 周期（90°），用于判定旋转方向（B 相超前 A 相为正转，滞后则为反转）。
     • Z 相脉冲在每个旋转周期中出现一次，提供绝对参考点（机械零位）。
     • 通过计算 A 相或 B 相脉冲的数量，可以得知角度变化量或转速（频率）。通过方向信号可确定正反转。
   • 绝对式： 输出的是 多位的并行或串行数字编码信号（如 SSI， BiSS, SPI 等）。
     • 不同位置的编码图案同时投射到对应的探测器组（多位探测器阵列或光学扫描头逐位读取）。
     • 每一组探测器输出的信号代表编码中的一位（1 或 0）。组合起来就形成了一个唯一代表当前角度位置的数字编码值。
     • 即使断电再上电，也能立即知道当前的确切位置，无需像增量式那样需要寻找参考点。
   • 探测器的微弱模拟信号通常需要经过放大、整形、去抖等电路处理，变成干净的数字电平信号输出。

主要特点与应用：

• 高精度、高分辨率： 可达到纳米级或角秒级的位置测量精度（取决于线数/码道数和机械精度）。
• 高响应速度： 光学测量响应快，适用于高速旋转测量。
• 非接触式测量： 检测部分无机械接触，理论上寿命长，无磨损。
• 体积小巧，安装方便。

广泛应用领域：

• 运动控制： 伺服电机、步进电机的位置/速度反馈（闭环控制）。
• 数控机床： 主轴、进给轴的位置反馈。
• 工业机器人： 各关节的精确定位。
• 自动化设备： 传送带位置控制、搬运机器人、精密装配。
• 仪器仪表： 转台、雷达天线、望远镜、经纬仪的角度测量。
• 电梯控制： 轿厢位置检测。
• 打印设备： 打印机喷头定位。
• 消费电子： 鼠标滚轮、高精度电位器替代。

简单总结： 光电编码器就像一个“旋转的数字刻度尺”。它通过光学“扫描”一个带有特定编码图案（条纹透光区）的旋转圆盘，并将其遮挡/透光的状态转化为电脉冲或数字编码，从而精确地将机械轴的物理位置和运动状态转化为电子设备可以识别和处理的数字信息，实现高精度的位置检测、速度测量和方向控制。