一、编码器概述
    一般来说，用文字、符号或者数字表示特定对象的过程都可以叫做编码。 编码器（Encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式；按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。
     二、编码器的分类
    （一）光电编码器
    光电编码器是目前应用最多的传感器一种，他是通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。它具有分辨率高、精度高、结构简单、体积小、使用可靠、易于维护、性价比高等优点。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成，光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔，由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90度的两路脉冲信号。
    近十多年来，光电编码器已发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品，在数控机床、机器人、雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、高精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领域中得到了广泛的应用。目前用于应于数控机床、交流伺服电机、电梯等对精度、质量可靠性有严格要求场合的编码器多使用高精度同步控制光电编码器。
    1、增量式光电编码器
    增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90度，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。光电码盘与转轴连在一起。码盘可用玻璃材料制成，表面镀上一层不透光的金属铬，然后在边缘制成向心的透光狭缝。透光狭缝在码盘圆周上等分，数量从几百条到几千条不等。这样，整个码盘圆周上就被等分成 n 个透光的槽。增量式光电码盘也可用不锈钢薄板制成，然后在圆周边缘切割出均匀分布的透光槽。
    2、绝对式光电编码器
    绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换。
    绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是：（1）可以直接读出角度坐标的绝对值；（2）没有累积误差；（3）电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。
    3、混合式绝对值光电编码器
    混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理 转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。
    综上所述，光电编码器的发展趋势是高精度、高分辨率、高频响、小型化、智能化、标准化。
    （二）磁性编码器
    磁性旋转编码器主要由磁阻传感器、充磁磁鼓、信号处理电路和机械结构部分组成，其工作原理是采用磁阻变化原理检测微弱磁场信号的变化。磁鼓刻录成等间距的小磁极，磁极被磁化后，磁鼓在旋转时能在周围空间分布周期性变化的磁场。在一定的间距上，这个磁场的Ｙ方向分量在每个磁极的正上方位置，它的值为零；在相邻磁极的正中位置，它的值为最大。磁鼓旋转时磁阻元件由于具有磁阻效应，它的阻值会随着磁场的改变而改变，在外加电势的作用下，变化的电阻值导致电阻上的电压变化，桥式电路的输出端的电压也就随之发生变化。 
    因此，磁性编码器桥式电路的输出信号和磁鼓的旋转是紧密相联的。磁鼓每旋转一个磁化长度，磁场变化半周，信号输出则变化一个周期，磁鼓上磁极对的数量和输出信号的周期数在旋转一周时是相等的。所以通过测定输出信号的周期数或周期时间就可知道磁鼓的位置和旋转速度。 磁旋转编码器结构示意图：
   （三）电感编码器
    电感式编码器（传感器）是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量,振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。电感式传感器具有以下特点：（1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长；（2）灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出；（3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.05%~0.1%。同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。
电感式传感器种类很多，常见的有自感式，互感式和涡流式三种。
    自感式传感器由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的，当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。自感式传感器细化特点是：①无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、重复性好；⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；⑧不适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量，电感式传感器还可划分为有变间隙型、变面积型和螺管插铁型，在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差，变间隙型电感传感器的气隙δ随被测量的变化而改变，从而改变磁阻，它的灵敏度和非线性都随气隙的增大而减小，因此常常要考虑两者兼顾。δ一般取在0.1～0.5毫米之间；变面积型电感传感器的铁芯和衔铁之间的相对覆盖面积（即磁通截面）随被测量的变化而改变，从而改变磁阻。它的灵敏度为常数，线性度也很好；螺管插铁型电感传感器由螺管线圈和与被测物体相连的柱型衔铁构成，其工作原理基于线圈磁力线泄漏路径上磁阻的变化，衔铁随被测物体移动时改变了线圈的电感量，这种传感器的量程大，灵敏度低，结构简单，便于制作。
   （四）电容编码器
    近年来，提出了一种电容编码器，其利用激励源产生静电场，通过转子与定子之间的相对运动对静电场进行调制，并且检测由此引起的耦合电容的变化来确定转子的位置，从而确定轴的位置。相比于光学编码器，电容编码器具有低成本、可靠性高、低功耗等诸多优点。然而，电容编码器的正常工作通常要求在存在寄生电容、噪声和外部干扰的情况下，能够以毫微微法拉的精度来分辨由于定转子之间的相对运动引起的耦合电容的变化。因此，如何最小化甚至消除编码器自身的寄生电容、噪声，以及外部干扰对耦合电容测量的影响，保持测量的稳定性，并且以高分辨率来测量耦合电容的变化，是电容编码器能否正常工作并且实现高精度测量的关键。
    现有技术中，主要存在两种拓扑结构的电容编码器:三板式电容编码器和两板式电容编码器。三板式电容编码器通常包括三个板，其中第一个作为发射板，发射由激励源产生的静电场，第二个作为接收板，接收被定转子之间的相对运动调制后的静电场，而第三个作为屏蔽板。在两板式电容编码器中，在一个板上集成了发射板和接收板，另一个板作为反射板。
    三、编码器应用现状
   （一）光电编码器应用现状
    目前用于机器人位置和速度控制的传感器主要倾向于小型高分辨率的光电编码器。因此，如何使光电编码器小型化，且具有较高的分辨率以满足机器人的控制要求是研究的热点问题。另外，近来研制出来的基于图像识别的编码器也是值得一提的，基于图像识别的编码器是NASA研制的一种全新的、以图像处理技术为基础的绝对式光电编码器，它打破了以往的基于莫尔条纹计数的计量原理，采用计算图像质心移动量的方式来获得位置信息，最高可达27位分辨率，其目前已成功应用于NASA的精密制导传感器、扫描反射镜转台、干涉仪的扫描转台和六自由度平台等项目中。 
     近年来光电编码器的应用现状：第一，设计专用产品。例如，中达电通设计了CNC专用增量式编码器和伺服电机专用型编码器，新推出CNC主轴专用的CS7系列编码器，设计的结构紧凑、外型小巧，分辨率较高，采用线驱动输出，转速快；第二，优化产品结构。编码器生产厂主要专注于光电编码器的光路、电路与机械三部分的设计与制作。此外，还特别关注小型化、轻量化与密封性；第三，进一步提高光电编码器的性能，制造高精度、高分辨率、高频响的光电轴角编码器是提高其性能的三个主要方向；第四，多样化的信号传输与接口设计；第五，产品制造向系列化、标准化方向发展。为适应批量生产，满足市场需求，光电编码器的产品及其组成元件应本着低成本，高质量的原则逐渐向系列化、标准化的方向发展；第六，适用于恶劣的工作环境。在某些特殊的应用场合，要求光电编码器有良好的抗冲击、耐高温、耐腐蚀、及防振动等能力，即不仅能工作在较理想的工作环境中，也能在恶劣的条件下正常运行。
    （二）光电编码器应用实例
    以 EPC－755A 光电编码器的应用为例。EPC－755A光电编码器在角度测量、位移测量时抗干扰能力很强，并具有稳定可靠的输出脉冲信号，且该脉冲信号经计数后可得到被测量的数字信号。因此，在研制汽车驾驶模拟器时，对方向盘旋转角度的测量选用EPC－755A 光电编码器作为传感器，其输出电路选用集电极开路型，输出分辨率选用 360 个脉冲/圈，考虑到汽车方向盘转动是双向的，既可顺时针旋转，也可逆时针旋转，需要对编码器的输出信号鉴相后才能计数。图 4所示为 EPC－755A 光电编码器实际使用的鉴相与双向计数电路，鉴相电路用 1 个 D 触发器和 2 个与非门组成，计数电路用 3 片 74LS193 组成。
    当光电编码器顺时针旋转时，通道A输出波形超前通道B输出波形 90°，D触发器输出 Q（波形 W1）为高电平，Q（波形W2）为低电平，上面与非门打开，计数脉冲通过（波形 W3），送至双向计数器74LS193 的加脉冲输入端 CU，进行加法计数；此时，下面与非门关闭，其输出为高电平（波形 W4）。当光电编码器逆时针旋转时，通道A输出波形比通道B输出波形延迟90°，D 触发器输出Q（波形 W1）为低电平，Q（波形W2）为高电平，上面与非门关闭，其输出为高电平（波形 W3）；此时，下面与非门打开，计数脉冲通过（波形 W4），送至双向计数器74LS193的减脉冲输入端CD，进行减法计数。
    汽车方向盘顺时针和逆时针旋转时，其最大旋转角度均为两圈半，选用分辨率为360个脉冲/圈的编码器，其最大输出脉冲数为900 个；实际使用的计数电路用3片74LS193 组成，在系统上电初始化时，先对其进行复位（CLR 信号），再将其初值设为 800H，即2048（LD 信号）；如此，当方向盘顺时针旋转时，计数电路的输出范围为 2048～2948，当方向盘逆时针旋转时，计数电路的输出范围为 2048～1148；计数电路的数据输出 D0～D11 送至数据处理电路。实际使用时，方向盘频繁地进行顺时针和逆时针转动，由于存在量化误差，工作较长一段时间后，方向盘回中时计数电路输出可能不是2048，而是有几个字的偏差；为解决这一问题，我们增加了一个方向盘回中检测电路，系统工作后，数据处理电路在模拟器处于非操作状态时，系统检测回中检测电路，若方向盘处于回中状态，而计数电路的数据输出不是 2048，可对计数电路进行复位，并重新设置初值。
   （三）编码器应用领域
    编码器在工程实际应用中，通常有检测自动化系统中电机转速、设备运行位置和行程的作用，按用途可分为测速编码器和行程编码器两种。目前编码器主要应用以下领域：1、机床。机床在工作过程中的 X、Y 轴给电机的控制，刀架的换刀、对刀，主轴旋转等都需要使用编码器；2、电梯。电梯的速度调节和轿厢的位置控制都需要很精准的信号，编码器可以在电梯控制上提供可靠精准的位置信号和速度信号，完成电梯的正常运转；3、风力发电领域。风电是目前发展最快的可再生资源，编码器主要用于发电机和变桨和偏航系统的测速、角度位移，同时用于检测风速，保证发电机的最大电力输出，是编码器未来最大的市场；4、工业自动化控制生产线领域。工厂的自动化生产线需要精确的速度和方向信息保证电机正常运行；5、工程机械领域。大型工程机械对可靠的速度和位置检测的需求越来越高，尤其在重型车辆行业，编码器广泛用于电子转向助力系统、车辆速度检测器以及混合动力汽车；6、石油天然气行业。石油天然气行业是高危行业，需要较高可靠性、较好密封性的高标准编码器，主要用于钻台电机、转台和污泥泵的测速，如加油机上的编码器用于测流量、计量加油量；7、矢量电机和伺服电机。矢量电机和伺服电机可以在很宽的范围内进行速度、转矩以及位置控制都要依赖电机输出轴上的编码器；8、机器人领域。机器人的每个关节都需要精确的控制，以保证整个机器人的协调运动或行走，所以每个关节都需要一个编码器进行协调控制。除了以上领域是编码器的主要应用领域外，编码器还广泛应用于造纸、印刷、冶金、天文等传统领域，具有非常广泛的应用范围和长远的应用前景。
    四、编码器的发展趋势展望
    目前，活跃在我国编码器市场上的国外产品主有德国的Heidenhain、Meyle、Turck，美国的GPI，日本的多摩川，英国的Renishaw，韩国的Metronix、Autonics。编码器 国内技术水平远落后于国际先进水平，不能满足国内及国际市场的需求。因此造成当前数控机床、交流伺服控制等工业场所需高性能、高精度同步控制光电编码器基本依靠进口解决。。国内生产的光电编码器主要来自中达电通。 
    随着现代技术的发展，编码器开始向小型化智能化以及测量更精确、适应性更强的领域发展。首先，编码器向着体积更小的方向发展，随着技术的发展，编码器需要在更小的位置发挥它的作用，所以缩小编码器的发射元件、接收元件成为必然，目前相同位数的编码器越来越小，而且为了适应自动化控制领域的智能化、集成化的需求，发明了许多新型的编码方式，如：矩阵式编码方式、伪随机码编码方式、游标式编码方式等，这些新的编码方式不仅减小了编码器的体积，还为提高编码器的智能化提供了很好的基础；其次编码器的接口向智能化发展，编码器的接口电路通常由差分接收电路、A/D 转换器以及 EPROM 器件组成，将正弦信号转换成参考脉冲信号、方波信号等，传输给控制系统，将接口电路模块智能化，可以有效的提高编码器的可靠性和独立性，有效地防止数据传输误差，保证精确度；另外，编码器的测量准确度进一步发展，编码器的精度通常由机械部分精度、码盘划分精度和信号处理电路综合保证，采用先进的工艺手段，提高光电元件、码盘以及电路的精度是提高编码器精度的重要手段，从而提高车床等需要高精度轴系编码器的测量精度。
    除此之外，编码器的发展还向使用网络化的信号传输、可编程编码器技术、电磁兼容技术等方向迅速发展。编码器是一种集光、电、机械技术为一体、具有广泛用途的传感器，随着关键技术的突破和科学的迅猛发展，编码器技术必将越来越完善，产品应用也越来越广泛。
    五、结束语
    目前，各种类型的直线式和旋转式编码器广泛地用于测控、 机床、 工业机器人及其它许多技术领域。 对编码器测量精度和分辨率要求的不断提高，促进了编码器设计技术的改进和发展，本文对编码器的原理和分类进行了详细的论述，并对编码器在机床、电梯、自动化控制、新能源开发等领域的应用现状进行了具体的分析，最后对编码器小型化、智能化的发展趋势进行了探讨，为编码器的推广应用和进一步发展提供了有力的支持。未来，新型编码器将不断的被研制出来，编码器的应用领域将不断扩大，而编码器工作的可靠性和精度也将不断提高。

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