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1、编码器原理(1)光电编码器光电编码器是一种二进制光电位置指示器，其基本原理是由不同等分的明暗 相间的条纹，通过光电元件取得角度位置的二进制数字信号，最后进行解码取得 角度位置的绝对值或相对值。绝对编码器的码形总是唯一的，这种码形给出了长 度或角度的位置。光电编码器由光源，码盘和光电接收器所组成。码盘是编码器 中的最重要的器件。图3.17是一个八位编码器的码盘和编码器的工作原理图。 这里的码盘是一种自然码盘。绝对编码器的码形有多种形式。一种叫做格瑞码的码盘特别适用于光学编码器(见图3.18(a)。这种码盘每进一格仅改变一个数码，不易产生错码现象。cw JULIdL匸匚*a i_rLi_n_ ji
2、Ill 编码潼老 耳山帀4一rri出值U1MJL I!I“ 4WLU1LJ输出值r ； jJIn输出ift图3.19增量编码器码盘脉冲信息细分的工作原理，图中z表示零位光电编码器的另一类是增量编码器。增量编码器的码盘如图3.18（b）所示。它的 码盘是由明暗相间的条纹所构成。一般来讲同样分辨精度的增量编码器要比绝对 编码器便宜得多。增量编码器还有一些提高分辨精度的方法。通常增量光栅码盘 有四个刻道，其中两个是明暗相间的条纹码，另外两个是电源亮度指示码。这两 个条纹码之间相互错开，这样这种码盘的编码器就不但可以给出码盘运动的角度 和大小，而且可以给出码盘运动的方向。同时当光栅码盘的方波脉冲信息输
3、入到 顺时针 !-if !vml-（厂职）!-endif-和逆时针! if !vml-（皿叨! endif-的增减计数器中时，这种两个条纹码的方波信息就可以分解为一倍、两倍或四倍的精细信号以提高编码器的分辨本领。 如果光栅码盘的质量好，这种精细的四倍的信号可以精确到每一个信号脉冲的二 分之一。为了获得更为精细的分辨本领一种用光栅读头的方法可以达到这个目的。 （见图3.20）这时在旋转光栅的后面加上了一个小的子光栅。当相干光照射在 光栅盘上时，在子光栅面上的光强为（leki,1999）：!-if !vml氐图3.20增量编码器中子光栅码盘细分的工作原理图(leki,1999)式中是光栅的投射率。
4、如果第一个光栅的周期是，第二个光栅的周期也是尸。用作为在焦面上的空间频率，则在焦面上的光能量为：2Z(3.59)如果用傅里叶级数来表示!-if ”心1 ，有:式中是傅里叶系数，它的表达式为:?氐二g J：；5(0已卸-普曲(3.61)如果是小光栅的长度，则双光栅引起的光强为：2 M二2d为匸）Z 1 j 2 Q网-吨-剧（于心-切(3.62式中!endif-是光栅之间在!-if J-方向的相对位移。+ 222221G1G2 gA-L 3J, 7,9.L m -1J 二! if !vml(3.63)XCO( + W3)+CO5(-P?2)-)C0S7I-)m = W7;t(= 1,3,5,7.)
5、 m单位(leki,i999) Reprinted with permission from Taylor & Francis, Inc.。当时这一信号的光能量可以表示为一个级数形式。如果只取前面的两项的话，则焦点的光能是的余弦函数。这样通过电细分，我们还可能获得更为精细的分辨精度。在实际应用中可以用四组 子光栅，同时用于上下两组条纹上以提高电细分的精度。但是正如图3.21所示 周期光栅的焦点能量并不是真正的余弦曲线，所以如果采用如图3. 22所示的调 制子光栅其焦点能量才是真正的余弦曲线，则细分后的分辨率精度就会更为准 确。另外应用调制平行光源的方法，使用两个面积不同的面光源也可以使焦点能
6、量成为正确的余弦函数。通过应用不同分辨率的增量光栅的组合，可以获得不同 频率的正弦和余弦的值，这样就可制成精度非常高的绝对编码器。一般这种高精 度的编码器总有多个码道，它们是直流参考码以及三至十五位的正余弦码。 .遥喻区 円透明区不透明区mi滇泗7不I莎图3.22增量编码器的两种调制子光栅的光栅具体尺寸(leki,1999)现代光栅技术结合的本身的精度也可以极大地提高光电编码器的精度。一个16位的增量编码器，如在其码盘上加上16位的绝对码图案，通过使增量码两相邻条纹同时成像，则会给出码盘的精确位置，以至于获得24位以上的绝对编码器的精度，这 是十分重要的技术进展。(2)圆感应同步器另一种类似的
7、轴角编码装置是圆感应同步器。与光电编码器不同，圆感应同 步器是一种模拟装置。各个数值的变化是连续的，而不是跳动式的。圆感应同步 器的基本原理如图3.23所示，它由定子和动子所组成。它的动子只有一个线圈， 而在它的定子上，有个线圈构成个极。 它的每一个线圈之间的夹角是度。当在动子中输入交流电压，并且动子轴线和定子的零 点偏离一定角度时，则在定子上的各个线圈内就会产生不同 量的电流。如图3.24中所示，有：图3.23圆感应同步器的基本原理= KEr cos(-120B)图3.24 圆感应同步器定子上的各个线圈内的输出电压式中是一比例常数。如果将定子上的线圈如图3.23中所示 互相连结起来，则在定子
8、上就会产生如下的电流：虽 二罷込 cc.s( + 240D)恵盘为二 疋马+120 )(3 65)*冬曲1 =屆疋 cos &利用圆感应同步器这一特性，就可以用来测定微小角度的变化。在使用圆感应同 步器时为了测定角度的绝对位置，还要加上一个粗码盘。比较光电编码器，圆感 应同步器有如下几个好处：(a)线圈动定盘比较便宜，(b)对环境要求较低，可以 用于温度变化和有振动的场合。(3)编码器的应用和其它角度测定方法应用光电编码器在控制回路中要采用数模转换装置，而圆感应同步器可以直 接用于同步驱动的控制。不过它们两种都能实现轴角位置的绝对指示或者增量指 示。它们的位置精度高，误差的重复性能好，只是高位
9、数的指示器价格较高。光 栅带尺加摩尔条纹的轴角指示方法是近年新发展起来的，这种方法特别适用于大 口径的望远镜。这种光栅带尺的精度约小于1微米，一般是均匀地粘贴在大型驱 动轮的边缘，并通过摩尔条纹给出高达的分辨精度。光栅带尺的缺点是不能保证全部条纹的一致性，这需要在计算机控制中使用列表法予 以校正。在望远镜中光栅带尺常用于位置的绝对定标。望远镜绝对定位精度是为了准确导星、定位的需要，而增量定位则是为 了精确导星的要求。因此增量编码器要求有较高的分辨精度。绝对编码器可以直 接与望远镜传动轴连接，这时位置指示没有其它的误差因素。但是有的时候由于 编码器的位数较低或者望远镜传动轴需要通过光线，也可以将
10、编码器装置在第一 级齿轮付上。这时编码器的分辨精度得到放大，但同时齿轮的误差也将影响角度 绝对值显示的精度。这一误差对绝对位置定标有很大的影响。但是近年来有不少 望远镜采用了分辨精度高的增量放大指示装置，而使用别的重复性极好的装置， 如高灵敏度的水平仪或者特别的光栅刻线来提供轴角位置的绝对零点，这样就不 再需要昂贵的绝对编码器了。在一些较新的望远镜中还有利用精密电磁开关来作 为轴角绝对位置的编码，这种电磁开关的重复性精度约为 1 微米。在这种设计中 每隔10 或者 15 度就安装一个精密电磁开关。在每一个精密电磁开关之间，使用 增量编码器，甚至可以使用磨擦面来带动一个低位的增量编码器。这种设计
11、要比 较其它设计成本更低。各种编码器都要进行正确的安装，才能发挥其分辩精度。 当编码器和轴连接时，最重要的就是要避免在编码器轴上施加任何力和力矩。因 此编码器的联轴器应该在轴向和径向上强度比较低，而在圆周方向上强度很高。对于新型的六杆平台式的望远镜，有的还安装了一种叫光纤谐振陀螺仪的测 角装置。一种光纤谐振陀螺仪总共包括三个光纤回路。从频宽很小的激光二极管 向一根光纤的一端发出一束光，同时这一光纤的末端绕回到起始端并与起始端处 的光纤通过一个光藕合器藕合，形成一个在两个方向上都有光线通过的回路。在 这个回路的中部，又有另一个光藕合器使得第一个回路和第二个光纤环实现藕 合。同时在第二个光纤环中的对面又有第三个光藕合器以实现第二光纤环和第三 光纤回路的藕合。第三光纤回路是一个开环回路，两端和探测器相连。这种系统 中如果所有的回路和藕合器均为固定的并且在第二个光纤回路中两
