了解光学编码器(II的第II部分)

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非光学编码器的选择，如磁、感应和涡流设计，提供了中等高分辨率和忍受恶劣的环境条件。


第一部分在这两部分的文章中讨论了各种类型的光学编码器。在第二部分，我们回顾磁编码器，电感编码器和电容编码器。

工业环境是肮脏的。部件必须承受木材和纸张加工产生的灰尘，机床散落的金属碎片，日常清洗产生的腐蚀性化学物质，液压缸产生的油，或上述混合物。当然，还有更多的因素:湿度、持续振动和多重g冲击载荷，等等。工业环境极其艰难。

光学编码器为需要最佳性能的应用提供最高分辨率。然而，对于不需要光学编码器分辨率的复杂工业应用，工程师们有几种替代方案，包括磁编码器、感应编码器和电容编码器。让我们仔细看看。

磁编码器的基础知识
磁编码器的工作原理类似于光编码器。磁编码器使用铁结构来扰动磁场，而不是用编码盘来调制光束。线性版本使用代码带代替磁盘。和光学编码器一样，磁编码器有增量式和绝对式两种。我们将从增量方法开始。

一个非常基本的版本包括一个固定的磁性探测器和一个连接到电机轴上的黑色金属齿轮(见图1)。当轴和齿轮转动时，牙齿通过探测器。磁场的变化产生一系列电压脉冲;与光学编码器一样，电子设备将信号转换成速度或位置数据。

虽然这是一个很好的、简单的方法，但它取决于精确地在金属盘上加工窄槽的能力。实际上，加工能力和机械强度的问题将分辨率限制在120 PPR(每转脉冲)左右。实现更高的分辨率不仅需要精密的工具，还需要探测器和盘之间非常紧密的气隙，这使安装复杂化，并使传感器对不对中更加敏感。

磁编码器也可以使用具有南北两极交替图案的旋转滚筒来实现(见图2)。滚筒通常是由掺杂了各向同性磁性材料的尼龙或聚碳酸酯注塑而成;分辨率是由磁性材料中记录的畴的间距决定的。鼓的设计往往是不敏感的电机轴的末端发挥，使它更不容易受到安装和校准误差。

到目前为止，我们所讨论的例子都涉及到增量式磁编码器，它可以根据从某个主位置的位移来跟踪位置或速度。对于许多应用程序来说，在启动或断电后重新安家不是问题。在电梯等其他情况下，失去绝对位置可能会带来灾难性的后果。这些都需要绝对编码器。

在绝对磁编码器中，北极和南极的位置和间距变化，为每个角度或线性位置创建一个唯一的标识符。磁绝对编码器通常包括一个用于识别空间位置的绝对编码磁盘/条和一个用于执行时钟信号功能的并行增量磁盘/条。

磁探测器
代码盘/代码条只是设备的一部分。探测器技术对性能也有极其重要的影响。最基本的版本是可变磁阻探测器，或称磁拾音器。它由一个铁芯包裹着电线组成。如由码轮或码带引入的变化磁场产生电压变化;这个信号可以被处理以产生输出。可变磁阻探测器可以承受剧烈振动以及高温。在下方，输出电流与负载的速度成正比。因此，它们的性能是读数电路的功能，所以它们可以被设计为高速操作或低速操作，但通常不是两者兼有。一般来说，它们在每秒180英寸或更多的速度下工作得最好。

对于更高的速度，磁阻探测器可能是一个更好的选择。顾名思义，磁阻探测器是基于这样一个事实，即导线在暴露于外部磁场下电阻下降。探测器由一组由像镍铁(NiFe)这样的磁敏合金制成的光刻图案电阻组成。当码轮或码带的磁极经过阵列时，探测器电路中产生的电阻会发生变化。这个信号可以被处理以产生速度和位置数据。

磁阻编码器比可变磁阻检测器具有非常好的灵敏度和更高的分辨率。设计合理的磁阻编码器可以比其他技术更宽的空气间隙。因为它们是固态设备，所以它们很健壮，而且受益于批处理的经济效益。然而，它们并不是所有场合的理想解决方案。它们是用镍铁蚀刻在玻璃上的，但实际上与CMOS(互补金属氧化物半导体)处理不兼容。此外，它们比芯片级探测器还要大。

霍尔效应传感器是一种基于洛伦兹力的固态探测器，由一层p型材料组成。霍尔效应传感器提供了磁阻编码器的替代方案。在类似代码盘产生的外部磁场存在时，半导体材料中的载流子分离，产生电位差。当具有交变域图案的磁盘转动时，它会产生一系列的电压尖峰，产生一个可以被分析来产生编码器输出的信号。

霍尔效应编码器有许多优点。它们使用半导体制造技术生产，可以与读出电路集成，产生一个紧凑、坚固的封装，可以封装来保护它。当数组中包含多个像素的平均读数时，它们特别有用(参见图3)。

磁编码器是非接触式的，非常健壮。它们非常耐冲击、振动、不对中和大多数形式的污染(见图4)。随着时间的推移，它们的性能也很稳定，不像光学编码器的led，它会随着时间和热量的推移而退化。他们还可以处理广泛的操作温度范围。

缺点是，它们往往比光学设计更贵。如果没有广泛的屏蔽，它们在像核磁共振仪这样的高磁场应用中就不起作用。它们也有较低的峰值分辨率，通常最大值为2048 PPR。尽管这与光学编码器所能提供的还相去甚远，但对于许多工业应用，如web处理，它已经足够了。

归纳编码器
解析器，本质上是专门的变压器，监测绝对角度位置基于线圈之间的感应耦合电机轴和传感器。当轴转动时，两个线圈中的电压发生变化。用简单的三角函数计算两者的比值就得到了这个角。

理论上，解析器拥有无限的分辨率，尽管由于数据需要数字化，它们受到模数转换器分辨率的限制。由于没有机载电子设备，解析器可以应对极端环境，包括高温和高辐射。它们还能承受高达200g的冲击载荷。然而，读出的电子元件必须放在系统的某个地方，这使得集成更加复杂。尽管分解器本身相当经济，但电子产品的成本增加得很快。

最近，制造商开发了电感编码器，其工作原理类似。它们提供了与解析器相同的性能和坚固性，但来自作为集成电路实现的设备。他们没有使用离散的物理线圈，而是采用了在芯片上制造的平面电感和读出电子器件。

实现方法不同，但基本的电感编码器由一个发送线圈和一个或多个接收线圈组成，两者都在同一PCB上，以及连接到电机轴的单独导电盘。给发射线圈通电会产生磁通量，在接收线圈中感应出电流。当电机轴转动时，磁盘通过一个接收线圈，调制输出电流。片上ASIC(专用集成电路)处理信号以产生位置或速度数据。

电感式编码器比磁编码器和光学编码器更健壮，而且比解析器更容易使用。然而，磁盘材料的正确选择是至关重要的。软铁代码盘表现出温度依赖性，而极端的外部磁场可以修改材料的磁导率，并扭曲结果。铁或铁氧体感应式编码器可以在磁场中很好地工作，至少在一定程度上。超过一定的水平，他们也会有麻烦。

一种解决方案是基于无铁设计的涡流感应编码器。当高频磁场作用于高导电性金属时，会产生局限于表面的涡流。这种效应意味着该设备在体积不大的情况下也能正常工作。与感应编码器需要一个宏观尺寸的码盘不同，涡流可以在仅100微米厚的铜层中产生。这就产生了足够紧凑的设备，可以集成到煎饼式电机中(见图5)。

电容式编码器
最后的编码器技术是基于电容传感的。在电容式编码器中，随着电机轴转动的圆盘引入了电容变化，电容变化是通过高频信号激励平面电极来测量的。一种常见的形式是由一对板(“转子”和“定子”)紧密地放置在一起。转子的边缘是一个正弦图形的介质层，而携带传感器电子器件的定子保持静止。当轴转动时，转子盘上的正弦图形引入了电容的变化。另一种设计是在两个固定盘(接收器和发射器)之间夹一个正弦图案的转子盘，其工作方式类似。

电容式传感器可以产生高分辨率的输出，这仅受到转子盘边缘图案变化能力的限制。它们抗冲击和振动能力强，能在高温下正常工作。由于传感器是在整个圆盘表面而不是在一个点上工作的，所以该设备非常容忍机械空气和不对准。它们也很容易批量生产。缺点是，对于某些系统，它们的更新速度可能很慢。

无论您的应用程序需要分辨率、速度、健壮性、经济性，还是上述要求的某种组合，编码器技术都能提供合适的解决方案。收集应用程序和设计的细节，并确保与供应商密切合作，以确保您做出的选择将交付一个持久的解决方案，并将按照需要执行。

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致谢
感谢杰夫爱尔兰和马克兰吉勒的Dynapar公司，Volker Schwarz的马克森汽车，和Don Labriola的Quicksilver Controls有用的背景信息。

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