軸角編碼器

　　將轉軸的角位移或直線位移的類比量轉變成數位量輸出的一種軸角（位元）－數位轉換器。編碼器的數位輸出與軸角(位)成某種涵數關係，通常有線性、正弦、餘弦、正切、指數和對數等函數形式。

　　編碼器不僅能作為角度（或位移）傳感用，還可以作速度傳感用。後者不再叫做軸角編碼器而稱為速度編碼器。編碼器可根據碼盤的結構完成多種功能。

　　結構　編碼器的碼盤是由一系列同心圓圓的軌道組成。每層軌道以從外向裡按軸位代碼的二進制的權分割成等距的區段，外層軌道為最低位，內層軌道為最高位。

圖1為二進制碼盤的圖形。二進制碼優點是可直接進入計算機工作，但它在交界面上會出現錯讀，並且隨著碼盤輸出值的增加，讀數誤差也伴隨增大。例如在圖1中，0與15的交界面上，由於工藝和裝配的因素可能讀成1111或0000以外，任何數字都可出現，即發生非單值性，這就產生讀數誤差。 克服這個缺點可采用循環二進制碼（圖2），又稱格雷碼。循環碼在結構上一個很大優點是最低位區段的長度比二進制碼區段長度大一倍，即在同樣條件下，循環碼盤的精度比二進制碼盤高一倍，或者在相同精度和工藝條件下，循環碼盤直徑要小一半。循環碼缺點是須經過譯碼器變換後才能接入計算機工作。二進制碼盤的非單值性讀出在實際應用中還有其他方法來解決。除采用上述兩種碼制外，還有二-十進制碼，又稱BCD碼。

　　由於增量編碼器比絕對編碼器使用碼盤軌道少，這樣，它的導線數、滑環數、讀出器、電路和顯示元件保持最低，使得系統可靠性增大，成本降低。因此，現代系統多傾向采用增量編碼器。增量編碼器主要缺點是測量僅相對於一個固定點，假如這個點有誤差，整個系統受損害。另一個問題是當電源出現故障時，常常導致數據丟失，須使用輔助數據記憶技術，以防止丟失。

　　編碼器需要與譯碼器、邏輯電路、計數器和顯示器等共同組成一個專用測量或指示儀表。由於數字儀表精度(±0.1～±0.0001％)比模擬儀表精度(±0.1～±5％)高，可靠性好，已廣泛應用在控制系統中作位置和速度的檢測以及反饋，取代其他模擬或數字傳感元件。

　　分類　軸角編碼器有電機、機械、光電、磁性等形式。電機式是由旋轉變壓器（或自整角電機）和解碼網絡等電路構成；而機械式、光電式和磁性式是由碼拾取器（碼盤和敏感元件）及編碼電路構成，它們之間的區別是碼拾取器方式不同。

　　軸角編碼器按使用分為絕對編碼器和增量編碼器兩種。絕對編碼器給出某些唯一的角度量的數據。它需要一個二-十進制的邏輯電路，最普通電路是以與門電路為基礎。由這種編碼器構成的儀表瞬時位置是絕對的，在軍事上應用較多，如雷達天線位置的指示等。增量編碼器給出角度量是通過某些固定參考點來表示，它需要一個較高速度且能周期復位的脈沖計數器，這種編碼器在工業上應用廣泛。

　　電機式軸角編碼器　其原理見圖3。

圖中下半部旋轉變壓器將軸角 θ變成兩相電壓模擬信號。正弦模擬信號為

U₁=U_msinθsinωt

它直接接到比較器上。餘弦模擬信號是作為參考電壓用，經解碼網絡後得到電壓為

U₂=U_mcosθsinωt·D

也加到比較器上，從而引入一個輸出量D。當系統平衡時，由 U ₁＝ U ₂可以得到

D=tgθ

由此式看出，轉角 θ與數字量 D已聯系起來，不過D寄存器的數字量不直接表示轉角 θ，而是轉角 θ的正切函數。這種編碼器也可以用自整角電機來替代旋轉變壓器，這時隻需將自整角電機三相輸出通過兩個特殊的 變壓器變換成正弦和餘弦輸出。

　　電機式編碼器的實際組成比圖3的原理圖要復雜得多。這類編碼器的特點是，采用閉環系統，不受閉環內部的參數變化的影響。換句話說，既不受脈沖源頻率不穩和波形等變化的影響，也不受交流電壓的幅值大小和頻率波動的影響。這種編碼器信號幅度大，可靠性好。其精度主要取決於電機角誤差及解碼網絡位數和比較器的鑒別力。

　　70年代，由兩極旋轉變壓器構成軸角編碼為12位(比特)，而雙通道旋轉變壓器的軸角編碼精度達17位。若采用感應同步器取代旋轉變壓器，則精度更高。

　　機械式軸角編碼器　以接觸碼盤為基礎的模－數轉換器。五、六十年代得到廣泛應用。它的碼拾取器主要是由碼盤和電刷組成。碼盤采用照相腐蝕制成導電區段（圖1上黑色部分是導電區段），之間用絕緣區段（白色部分）隔開，全部導電區段短接，最裡層是公共端。圖1中碼盤共5個軌道，每軌道上均放置電刷，由導線與編碼電路溝通。其精度一般為10～12位，最大軸角速度約500轉/分，壽命超過25×10⁶轉。

　　光電式軸角編碼器　以光學碼盤為基礎的模－數轉換器。光電式編碼器有光學碼盤(可動光盤、靜止光片)、光源和光電變換器等基本部分。光學碼盤是用玻璃、塑料或金屬制成的薄片，其上帶有透光或不透光的條紋。對一般要求的光電編碼器，其光學碼盤隻需可動光盤就可；分辨率高的編碼器，其光學碼盤是由可動光盤和靜止光片組成。靜止光片用以通過或阻擋光源與光電變換器之間的光線，也可以與可動光盤組成幹涉光產生疊柵條紋。光源是白熾燈、發光二極管或光導纖維傳導的光。目前，主要用發光二極管。光電變換器一般采用光敏元件組成。常用矽型器件可制成光敏二極管、三極管或光電池。為瞭方便使用，往往將光源與光電變換器組成一體，其間隙剛好放置可動光盤。光電式編碼器，適應性強，其精度可達21位以上，轉速達5000轉／分，壽命為10⁹轉。雖然成本較高，但應用廣泛，特別是在空間技術領域。

　　磁性式軸角編碼器　采用磁飽和原理實行編碼。碼盤由含鐵素材料制成，並在上面按代碼進行磁化而形成區段；檢測器是軟磁環形體，有兩個繞組，一個作勵磁，另一個作讀取輸出。當檢測器環形體處於磁化區域，因磁化飽和產生低輸出；當檢測器環形體處於非磁化區域，因磁化不飽和而產生高輸出。其精度一般為8位，轉速高達10000轉／分以上，壽命為6×10⁹轉。