【原】2张动画秒懂光学编码器的工作原理

之前我写过光学编码器的工作的原理。

那篇文章有点长，可能对于有的朋友来说看下去有点费劲。

今天我想补充2张动图，更加直观地展示光学编码器的工作原理。

01

光学编码器的结构

光学式编码器的结构示意图。

光学式编码器由发光元件（LED）、光传感器和在径向上带有狭缝（孔）的码盘构成。当安装在诸如电机的旋转轴上的码盘旋转时，根据从固定的发光元件发出的光是否通过码盘的狭缝而产生光脉冲。光电传感器检测光脉冲，将其转换为电信号并输出。

光学编码器中使用的发光器件通常是廉价的红外LED，但有时会使用波长较短的彩色LED来抑制光扩散。对于需要高性能和高分辨率的应用，则需要昂贵的激光二极管作为光源。

因为从LED发出的光是方向性小的漫射光，因此需要使用凸透镜使其平行。

码盘是一个带有狭缝（孔）的圆盘，用于通过或者阻挡LED发出的光。码盘的材质有金属、树脂和玻璃。金属对振动、温度和湿度具有很强的鲁棒性，用于工业领域。树脂价格便宜，适合大规模生产和用于消费应用。玻璃用于需要高精度和高分辨率的应用中。

光电传感器通常是由硅（Si）、锗（Ge）和磷化铟镓（InGaP）等半导体材料制成的光电二极管或光电晶体管。

透射型和反射型编码器内部结构示意图。

光学编码器根据其结构的不同，大致分为两种类型：发光器件和光电传感器将码盘夹在中间的“透射型”，以及LED和光电传感器放置在同一侧且码盘反射光的“反射型”。

02

相对式光学编码器的工作原理

为了简单起见，我们以4狭缝和8狭缝编码器为例来说明。

当四个狭缝排成一排时，每转一圈的脉冲数为四个，所以可以看出一个脉冲转了360°/4=90°。如果狭缝的数量加倍为八个，则一个脉冲旋转360°/8=45°。如果狭缝的数量，即每转一圈的脉冲数越大，角度变化的分辨率就越高，运动量就可以表现得更精细。

然而，这种方法不能识别旋转方向已经改变。因此，需要增加一个光电探测器，两个探测器相位偏移四分之一周期（不同厂家探测器的具体物理位置可能不同，但保持1/4周期），这样就可以产生2个脉冲。这两个脉冲一般称为A相和B相。旋转方向可以根据A相或B相哪个脉冲先上升来确定。

A、B相顺时针波形。

A、B相逆时针波形。

回忆一下，这里少了点什么？

没错，现在还不知道零位在哪里。

于是再增加一个狭缝和探测器，用来产生另一个脉冲，这个脉冲称为Z相，意思是零位。

A、B、Z相顺时针波形。

A、B、Z相逆时针波形。

有了零位，也知道旋转方向，再结合脉冲数就可以知道旋转角度了。

这就是相对式编码器的工作原理。

03

绝对光学编码器的工作原

绝对编码器和相对编码器类似。

不同的是，增加了更多编码狭缝和光电探测器，且每个光电探测器识别到对应狭缝的唯一状态。

例如下面这个5排狭缝码盘。

5排狭缝绝对式旋转编码器。

每个探测器有0和1两种状态，因为有5排，所以有2^5=32种状态，也就是说把角度细分为32份，分辨率为360/32=11.25°。

当然，如果狭缝加到8排，就有256细分，分辨率为1.4°。

随着狭缝排数的增加，角度变化的分辨率增加，可以更精细地表示移动量。

OK，说完了。

这篇非常短，如果对你理解光学编码器的工作原理有所帮助，记得给我留言点赞。