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增量式与绝对式光电编码器及应用检测
实验目的
通过实验演示使学生了解增量式和绝对式光电编码器的基本原理及在仪器等方面的应用，以便为以后解决工程实际问题打下基础。
实验内容
(1)熟悉增量式光电编码器的基本原理及用法
(2)熟悉绝对式光电编码器的基本原理及用法
实验使用仪器器材
(1)双踪示波器 1台
(2)直流稳压电源 2台
(3)MC型光电脉冲发生器 2台
(其中MCY-1型手摇脉冲发生器与MCZ-2型主轴脉冲发生器各1台)
(4)绝对式光电编码器(QDB9型) 1台
(5)万用表 1台
(6)可逆计数器或数显 1台
实验原理及线路
1．增量式光电编码器
增量式光电编码器，实质是一种光栅变换装置。所谓光栅，实际上就是刻线间距很小的标尺或度盘。它的主要特点是，间距小，线条长，并且线条和缝隙是等宽的。从光栅载体的形状分长光栅和圆光栅。下图所示为两种计量光栅的示意图。其中图(a)为刻划光栅，即在平面度很高的光学玻璃上，用真空镀膜的方法蒸镀很薄的金属膜，并在金属膜上用钻石刀压削或刻制的方法制成大量等间距的线条，线条部分透光而形成光栅。图(b)所示为用蜡腐蚀或照相腐蚀的方法制成的黑白光栅。通常，计量光栅的黑白线条等宽，光栅的节距(光栅常数)为等间隔的。
(1)光栅莫尔条纹
光栅在精密计量和自动控制等方面的应用，大多是利用两块光栅迭合时产生的莫尔条纹效应。所谓莫尔条纹，即当两块相同光栅以微小倾角重迭时，在与栅线大致垂直的方向上所出现的明暗相同的粗条纹，如下图所示。在a-a线上透光面积最大，形成条纹的亮带；在b-b线上光线互相挡住，形成条纹的暗带。假设光栅节距为d，两光栅的栅线交角为θ，条纹间隔(宽度)为m，则它们之间的关系为
一般，θ角很小，故上式可简化为
从条纹图形可以看出，莫尔条纹的位置在两块光栅刻线夹角θ的补角(180°-θ)的平分线上。当两块光栅相对移动时，莫尔条纹就在光栅移动的垂直方向，即臼角的平分线上移动。光栅相对移动一个栅距，则莫尔条纹移动一个间隔(即一个条纹)。所以，只要计测条纹移动的个数n，便可计算出光栅的位移量L，即
L=nq(24-3)
式中，q=d为量化单位，表示每条纹长度量。
下图为长光栅莫尔条纹装置示意图，它将长度量变换为莫尔条纹信号。长光栅副包括指示光栅和标尺光栅，一般指示光栅固定，它同光源、透镜、狭缝、光电器件和前置放大器都装在光电读数头内。标尺光栅的长度由位移长度决定，一般较长，所以它在平滑移动时可以减少晃动。莫尔条纹信号通过狭缝由光电器件接收，其输出光电信号近似正弦波。为判别光栅移动方向，与激光干涉法一样，至少有两路光电接收器，两路光电信号的相位差为π/2，即其中一路为sinθ，另一路为cosθ。
圆光栅变换装置示意图，如下图所示。同样，圆光栅副包括指示光栅和圆光栅盘。圆光栅盘是在一块圆玻璃盘上，等间隔地刻线制成。圆光栅和指示光栅重叠，便产生莫尔条纹。圆光栅盘固定在转轴上，因此这种装置可以将轴旋转的角度量，变换为莫尔条纹信号。光栅盘上每一条刻度线，表示一个角度增量即量化单位。当光栅转盘每旋转一条刻度线时，莫尔条纹将变化一次。这样，通过计算莫尔条纹的变化次数n，便可以计算出转轴旋转的角度θ，即
θ=qn (24-4)
式中，q为量化单位，表示每条纹的角度量。
(2)莫尔条纹法进行位移测量的优点
用莫尔条纹法进行位移一数字量变换有如下优点。
①位移量的放大作用
我们将莫尔条纹间隔与光栅距之比，称为光栅副的放大倍数(率)α，对于微小倾角有
假设θ=8'，则α=450，对于每毫米50条线的光栅，莫尔条纹宽度可达9mm。所以说光栅副起到一只高质量“放大器”作用，可将微小变化合理放大，获得信噪比很大的稳定输出。
②误差的平均效应
光电器件接收的光信号，是进入指示光栅视场的刻线数n的综合平均效果。因此，若每一刻线误差为σ0时，则由于平均效应，光电器件输出的总误差为
例如，对于d=0.02mm的光栅副，用长为10mm的硅光电池接收，在视场内同时有500根线工作。若单根线的误差为±1μm，则光电池输出的平均误差仅为±0.04μm。
2．绝对式光电编码器
(1)绝对式光电轴角编码器的结构与原理
下图是光电轴角编码器的结构示意图。来自光源1的光束通过透镜2变成平行光束照射到编码盘3上，通过透光板4上确定位置的若干光孔，输出一条窄细的光束被几个光电元件5接收。根据码盘的不同位置，各光束分别编码转换为电信号后，由解码器6与输出电路7，输出表示角度位置的数字信号。
码盘上根据检测精度需要的位数N，光刻加工出相应的N条码道，用透光和不透光的方法表示各位置处代码的“1”和“0”状态。下图(a)是自然二进制码盘的图案(表中的B表示了它们的编码规律)，在图中黑点的位置上装置光电读数头，码盘内侧表示高位。在如图的举例中，码道N=4，最高位数为24=16个角度位置。
自然二进制码虽然简单，但存在着使用上的问题，这就是由于图案转换点处位置不分明而引起的粗大误差。例如，在由7转换到8的位置时，光束要通过码盘0111和1000的交界处(或称渡越区)。因为码盘的工艺和光敏元件安装的误差，有可能使读数头的最内圈(高位)定位位置上的光电元件比其余的超前或落后一点，这将导致可能出现两种极端的读数值，即1111或0000，从而引起读数的粗大误差，这种误差是绝对不能允许的。
(2)格雷码与自然二进制码的转换
为了避免这种误差，采用了格雷码(Groy code)图案的码盘[上图(b)]，下表给出了格雷码和自然二进制码的比较。
| 自然二进制码和格雷码的比较 | ||
| D(十进制) | B(二进制) | R(格雷码) |
| 0 | 0000 | 0000 |
| 1 | 0001 | 0001 |
| 2 | 0010 | 0011 |
| 3 | 0011 | 0010 |
| 4 | 0100 | 0110 |
| 5 | 0101 | 0111 |
| 6 | 0110 | 0101 |
| 7 | 0111 | 0100 |
| 8 | 1000 | 1100 |
| 9 | 1001 | 1101 |
| A(10) | 1010 | 1111 |
| B(11) | 1011 | 1110 |
| C(12) | 1100 | 1010 |
| D(13) | 1101 | 1011 |
| E(14) | 1110 | 1001 |
| F(15) | 1111 | 1000 |
由表中可以看出，格雷码具有代码从任何值转换到相邻值时，字节各位数中仅有一位发生状态变化的特点。而自然二进制则不同，代码经常有2～3位甚至4位数值同时变化的情况。这样，采用格雷码的方法即使发生前述的错移，由于它在进位时相邻界面图案的转换仅仅发生一个最小量化单位(最小分辨率)的改变，因而不会产生粗大误差。这种编码方法称作单位距离性码(unit distance code)，是实用中常采用的方法。
格雷码转换为自然二进制码，要作相应的变换，设二进制码中的某位的位数为K，(K=1，2，3，4，…，n)，该位的自然二进制码的符号为BK(可取0，1值)，该位的格雷码符号为GK，则格雷码和自然码
之间的关系为：
BK-1=GK-1·
上式是“异或”逻辑电路的数学关系，因此可用标准的“异或”电路，将格雷码转换为自然二进制码，如下图(b)所示。图(a)是“异或”电路的真值表，它满足式(24-7)的逻辑关系。如图(b)所示，为了得到某一位的自然二进制码，只要将高一位的已经计算出的(或者在最高位时的“0”状态)自然二进制码的值和本位的格雷码值，输入到“异或”电路中即可。K-1个“异或”电路，可以进行K位的二进制代码的变换。
实验设备及线路
1．增量式光电编码器
增量式光电编码器实际上就是一种光电脉冲发生器。如MC型光电脉冲发生器，它是由圆光栅及光电整形放大电路等组成的。现简介如下：
(1)用途
MC型光电脉冲发生器，分MCY型手摇脉冲发生器和MCZ型主轴脉冲发生器两种。
MCY型脉冲发生器发出矩形脉冲，主要用作数字程序控制机床的给定信号。
MCZ型光电脉冲发生器，用于检测各种设备，仪器的旋转角，轴的角速度和角加速度以及通过机械传动部件转换成直线位移的测量，其输出为脉冲信号。
如配置可逆计数器也可作为数字显示装置的检测元件。
(2)主要技术参数
①MCY 1手摇脉冲发生器
输出信号通道： A，B两路
脉冲数： A—100/转
B—100/转
相位差： 近似1/4周期
波形： 正矩形脉冲
输出高电平： 近似+5V
输出低电平： 近似+0.3V
电源电压： +5V，-3V
灯源电压： +5V
灯泡： 2.1～3W/6V
外形尺寸：
重量： 1.2kg
②MCZ—2主轴脉冲发生器
输出信号通道： A，B两路
输出波形： 正矩形脉冲空载时上升、下降延迟时间≤2μs
输出波形相位差： 1/4周期
输出高电平： ≥11V
输出低电平： ≤2V
主轴最高转速： 1600r/min
最高重复频率： 30kHz
负载能力： ≥10mA
外接电源： +12V，150mA
重量： 0.8kg
外形尺寸：
输出脉冲系列： 64，100，200，250，360，500，600，720，800，900，
1000，1024，1200
(3)结构原理
MC型光电脉冲发生器，是由灯泡发光二极管，聚光透镜，光电盘，光阑板，光敏三极管和光电整形放大电路所组成，如下图所示。
光源所发出的光线经聚光镜聚光后发射出平行光。
光电盘和光栏板是用玻璃材料经研磨，抛光制成，玻璃表面真空镀上一层不锈钢的铬层，透光条纹是用照相腐蚀法制成。
手摇脉冲发生器光电盘透光条纹，圆周等分为100条。
主轴脉冲发生器光电盘透光条纹，圆周等分为脉冲系列数条纹和零脉冲条纹二行。
光栏板的透光条纹宽度应小于光电盘的不透光条纹宽度。
手摇脉冲发生器光栏板透光条纹有A、B两条，如下图所示。
光栏板每一透光条纹后面，安置光敏三极管一个，构成一条信号输出通道。
当主轴带动光电盘一起转动时，光敏管就接收到光线亮暗变化的信号，引起了光敏管所通过的电流大小发生变化，这变化的信号是电流，经光电整形放大电路后输出正向矩形脉冲。
当光栏板透光条纹A与光电盘任一透光条纹重合时，则光栏板透光条纹B与光电盘另一透光条纹的重合性错开1/4周期，因此A、B二通道输出波形相位，也相差1/4周期。
手摇脉冲发生器的手轮刻度与任一通道的脉冲数相对应。
手摇脉冲发生器、主轴脉冲发生器的电子线路部分分别如下面两个图所示。
手摇脉冲发生器的接线编号：2——+5V；4——3V；10——0电平；13——输出A；16——输出B；18——输出C。
主轴脉冲发生器的插脚编号：1——+12V；2——C(具有零脉冲输出)；3——方波A；4——0电平；5——方波B；6——脉冲A'(具有辨向脉冲输出)；7——脉冲B'。
(4)仪器的安装、使用注意事项
①脉冲发生器灯泡电源，直接焊接在灯座上，为了延长灯泡的使用寿命故采用降压使用，灯座电压在灯头位置应保持5V。
②各通道的输出脉冲宽度，可用相对应的电位器条件。
③产品0V电源与外壳浮置是否需要当地连接，由用户自己决定。
④为了防止光电盘与光阑板之间摩擦损坏，安装时轴系必须严格同心，不应存在松紧现象。
⑤两种光电脉冲发生器的安装尺寸如下面两个图所示。
2．绝对式光电编码器
(1)用途
QDB9型光电编码器是一种高精度的将轴转角变为编码电信号的仪器。即依靠光电转换方法将属输入的机械量——轴转角转换成相应的数字量。它适用于数字控制机的模拟——数字转换装置和随动系统中。它具有精度高、结构简单紧凑，可靠性好等特点，因而广泛用于自动控制仪器及系统中。如它是近代国防雷达跟踪观测装备及炮瞄指挥仪等的重要部件。
(2)仪器的结构及工作原理
①结构：本仪器可分为如下几部分：
A．光源：直流供电，电流300mA，限流电阻5.1Ω，发光管采用的是2GI红外发光二极管。
B．编码盘：编码盘上有九个数字码盘和一个通圈，是用照相镀铬法制成的。在同一位码道上印制成黑白等间隔的图案，以形成二进制循环码。
C．读出系统：光电转换原件是10支3DU2C型光电三极管。每只管子对准一条码道。
D．轴系：是主触和高精度的滚动轴承等组成，具有较高的置中精度，启动力矩小等特点。
E．电路系统：采用双面印刷电路板，PMOS集成电路。它具有放大整形，译码的功能，最后输出电平信号形成自然二进制码，(电路原理如下图所示)。
②仪器的工作原理：(如下图所示)
A．光电转换原理：
由发光二极管(2GL)所发出的红外光，经过编码盘和狭缝，照射到光敏元件(3DU2C)上，由于编码图案每位都是一些等间隔的透光部分和不透光部分所组成。所以当码盘转到某一位置时，有的光敏元件接收了光照射，有的不受光照射。受光照射者为“有”记为“1”，不受光照射者为“无”记为“0”。这样，对于轴的任意位置，通过输出的信号就会得到由“1”和“0”组成的九位数字(通圈除外)例如：010011001；101101001；001101010；等这样的九位数字。在0～360°范围内共有512个(二进制循环码)。
B．电路工作原理：
光电三极管输出的信号，经过放大整形电路，使波形变成大小幅度比较一致的矩形波。再经过译码电路进行逻辑运算，最后输出电平信号(自然二进制码)。
(3)主要技术参数及规格
①测量范围： 0～360°
②码制： 0～360°范围内，输出512个自然二进制码
③最大综合码误差： 20'
④角分辨率： 42'11"
⑤自然二进制码信号输出：在光源电压1.5mV、300mA，偏压±12V，常温条件下
高电平：≥+10V
低电平：≤0V
输出波形：矩形波
⑥启动力矩： ≤20g·cm
⑦最大转速： 200r/min
⑧红外发光二极管的寿命：≥5000h
⑨仪器外形尺寸：
轴头尺寸：
⑩重量： 约1kg
(4)仪器的安装使用及注意事项
①仪器的安装：(参考下图)
A．仪器在安装时，须靠外圆定位面
B．主轴与被测轴连接时要求同心，平行，偏心不大于0.05mm，不平行度不大于0.05mm。
②接线顺序：
本仪器采用CD1—15—J型插头座，接线顺序为光源()、光源(-)、偏压(12V)、偏压(-12V)，各点位(从里圈到最外圈，包括通圈)接地共15条线，详见下表所示的接线表。
| QDB9型光电编码器接线顺序表 | |
| 脚 号 | 接 线 |
| 1 | 光源() |
| 2 | 光源(-) |
| 3 | 偏压(12V) |
| 4 | 偏压(-12V) |
| 5 | 第一位 |
| 6 | 第二位 |
| 7 | 第三位 |
| 8 | 第四位 |
| 9 | 第五位 |
| 10 | 第六位 |
| 11 | 第七位 |
| 12 | 第八位 |
| 13 | 第九位 |
| 14 | 通圈 |
| 15 | 接地 |
③电路注意事项
由于发光二极管正向伏安特性很陡，如果电压稍有变化，就能引起电流很大变化，所以，在调整发光二极管工作点时，必须注意电流的变化，使他不得超过规定值。
④为确保仪器的正常运行，正式使用前应该对编码器程序进行检测。
A.对会计资料进行转换、输出、分析、利用
B.生成凭证、账簿、报表等会计资料
C.运用生成的会计资料，直接做出决策
D.为会计核算、财务管理直接提供数据输入
光电探测器件频率特性与时间特性的测试
实验目的
(1)使学生进一步了解和掌握光电探测器件的响应度不仅与信号光的波长有关，而且与信号光的调制频率有关；
(2)掌握发光二极管的电流调整法；
(3)熟悉测量探测器件时间特性与频率特性的方法。
实验内容
(1)输入正弦波信号测量光电探测器件的频率特性。
(2)输入脉冲方波信号测量光电探测器件的时间特性。
(3)熟悉线路连接，掌握发光二极管的电流调整方法。
实验使用的仪器和器材
(1)信号发生器 1台
(2)双踪示波器 1台
(3)晶体管毫伏表 1台
(4)直流稳压电源 1台
(5)万用表 1只
(6)毫伏表 1只
(7)发光二极管(GaAs与可见光发光二极管)与光敏电阻、硅光电二、三极管(3DU型)各一支。
(8)普通晶体二极管1支。晶体三极管3支(3DK2支，3DG121支)。
(9)电解电容器(100μF/16V)3支，线路图中所示阻值的电阻12支。
实验原理
通常，光电探测器件输出的电信号都要在时间上落后于作用在其上的光信号，即光电探测器件的输出相对于输入的光信号要发生沿时间轴上的扩展，这种响应落后于作用信号的特性称为惰性。由于惰性的存在，会使先后作用的信号在输出端相互交叠，从而降低了信号的调制度。如果探测器观测的是随时间快速变化的物理量，则由于惰性的影响会造成输出严重畸变。因此，深入了解探测器的时间响应特性是十分必要的。
而光电探测器件的频率特性，是指该器件对交变入射光的响应能力。并且，它与器件响应的时间常数有关，时间常数越小，上限频率越高，响应时间越快。下面就介绍一下它们的原理。
1．脉冲响应
我们将响应落后于作用信号的现象称为弛豫。对于信号开始作用时的弛豫称为上升弛豫或起始弛豫；信号停止作用时的弛豫称为衰减弛豫。
这种弛豫时间的具体定义是，如果阶跃信号作用于器件，则起始弛豫定义为探测器的响应从零上升为稳定值的(1-1/e)(即63%)时所需的时间；衰减弛豫定义为信号散去后，探测器的响应下降到稳定值的1/e(即37%)所需的时间。这类探测器有光电池、光敏电阻及热电探测器等。另一种定义弛豫时间的方法是：起始弛豫为响应值从稳态值的10%上升到90%所用的时间；衰减弛豫为响应从稳态值的90%下降到10%所用的时间。这种定义多用于响应速度很快的器件，如光电二极管，雪崩光电二极管和光电倍增管等。
若光电测试器在单位阶跃信号作用下的起始阶跃响应函数为[1-exp(-t/τ1)]，衰减响应函数为exp(-t/τ2)，则根据第一种定义，起始弛豫时间为τ1，衰减弛豫时间为τ2。
此外，如果测出了光电探测器件的单位冲激响应函数，这可直接用其半值宽度来表示时间特性。为了得到具有单位冲激函数形式的信号光源，即δ函数光源，可以采用脉冲式发光二极管、锁模激光器以及火花源等光源来近似。在通常的测试中，更方便的是采用具有单位阶跃函数形式亮度分布的光源。从而得到单位阶跃响应函数，进而可确定响应时间。
2．幅频特性
由于光电探测器惰性的存在，使得其响应度不仅与入射辐射的波长有关，而且还是入射辐射调制频率的函数。这种函数关系，还与入射光强信号的波形有关。通常定义光电探测器件对正弦光信号的响应幅值同调制频率间的关系为它的幅频特性。许多光电探测器件的幅频特性具有如下形式
式中，A(ω)表示归一化后的幅频特性；ω=2πf为调制圆频率；f为调整频率；τ即为响应时间常数。
在实验中，可以测得探测器的输出电压U(ω)为
式中，U0为探测器在入射光调制频率为零时的输出电压。这样，如果测得调制频率为f1时的输出信号电压U1和调制频率为f2时的输出信号电压U2，就可由下式确定响应的时间常数
由于许多光电探测器件的幅频特性都可由式(5-1)描述，人们为了更方便地表示这种特性，引出上限截止频率fm。它的定义是当输出信号功率降至超低频一半时，即信号电压降至超低频信号电压的70.7%时的调制频率。故fm频率点又称为三分贝点或拐点。由式(5-1)可知
式中，时间常数τ=RLCj，其中，RL为负载电阻，Cj为光电池或光电二极管的结电容。实际上，用截止频率描述时间特性是由式(5-1)定义的τ参数的另一种形式。
3．频率特性与时间特性常用测试方式
一般，评价某一光电器件的频率特性与时间特性常分别用下面两种方式：
(1)当光器件用于接收正弦信号时，随着频率的增加，输出的光电流会减小。在输出光的相对幅值下降至零频的0.707(-3dB)时，对应的入射光交变频率就称为光电器件的最高工作频率fm(或称截止频率或上限频率)。如下图所示。
(2)当光器件用于接收方波信号时，常使用响应时间τresp来表示光电器件对入射光信号的反应速度，如下图所示。
由图可见，当入射光信号是一个矩形脉冲时，光电器件的输出波形将有延迟。响应时间τresp包括了开通延迟时间to、脉冲上升时间tr和脉冲下降时间tf。这些参数的定义(见上图)分别为：在规定的工作条件下(即一定的反向电压和一定的负载电阻值)，硅光电器件输出电脉冲对输入光脉冲的延迟称为开通延迟时间t。(即从脉冲开始点到前沿的10%计算)；输出电脉冲前沿所需的时间称为脉冲上升时间tr(即脉冲前沿幅度10%到90%所需时间)；输出电脉冲后沿所需时间为脉冲下降时间tr(即输出电脉冲的后沿幅度90%到10%所需的时间)。显然，响应时间τresp越小的光电器件，其工作截止频率越高。由式(5-4)知，对某一光电器件来说，其截止频率主要由结电容和负载电阻来决定。
实验线路
1．测定频率特性的实验线路
测定fm的实验线路如下图所示。这里使用GaAs红外发光二极管HG412作为快速光源(其截止频率为1MHz)。由光电器件手册上查出其正向压降UF=1.2V，最大工作电流为50mA，反向耐压≤4V。与发光二极管并联的普通二极管D，用来保护发光二极管不会被击穿。
2．测定时间特性的实验线路
测定响应时间τresp的实验线路如下图所示。与上图不同的是，发光二极管的驱动是一个方波脉冲。
需要说明的是，使用上述测试电路是为了使学生熟悉线路的连接。如果直接有脉冲信号源，也可采用下列简单线路。如测硅光电池等光伏型器件的时间特性可用下面图所示的线路(测光电二、三极管则需加偏压)；测光导型器件—光敏电阻时间特性可用第二个图所示线路。
