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编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性而被广泛用于各种位移测量。按结构形式，编码器可分为直线式和旋转式；前者如光栅尺可用在自控机床刀具的线位移的测量系统中。旋转 式编码器是用于角位移测量的最有效和最直接的数字传感器，它广泛用来测量转速，在多数 关节式机器人中用它作为角度传感器，经过一套机械装置转换后也可用来测量线位移。这里 通过对某重力测量仪器仪表的改造方案，来说明这类传感器的原理和在测量线位移方面的应用。 一、重力测量仪 重力仪可分两大类型，这里所指的重力仪是地球物理勘探中用来测量地面两点地球重力加速度相对差值的一种高精密仪器(重力测量单位1g.u=1μm/s2，仪器的精度一般可达0.3g.u)。重力测量应用在地球构造研究、石油普查、地震预报、大地测量等方面。这类仪 器根据不同的原理，有不同的类型，其中，大量使用在野外作业的是一种弹簧重力仪。它体 积小、很轻便，但是操作读取数据时完全靠人工从机械转轮计数器上读取，并且人工抄写在 记录本上，内容包括时间、位置（测网的点线编号）、读格数等。待回到室内，还有更大量 的数据整理和处理工作要做。但是原始数据必须靠人工一个一个从记录本上读取输入到计算 机中。这样的数据可以数以千计，因此，无论是野外记录还是资料整理，都要耗费大量的人 力和时间。这种重力仪传感器直接输出的是重力变化引起的弹簧位移量。简单的说，它的传 感部件像是一弹簧秤，主弹簧的线位移量是通过指针显示在显微镜下，但是读数不是采用直 接的方式，而是通过一旋钮调节补偿弹簧使指针回到零点位置，即用零点补偿的方式，把线 位移量转换成角位移量。最后读取的是连接在旋钮上的机械转轮计数器上的格数。相对重力 值是由读格转换而来。 二、重力测量仪的数字电子化 要解决这种重力仪的数字电子化必须解决两大问题： 1、如何把补偿旋钮的角位移量转化为 某种电信号量； 2、对该电信号进行测量，把各项数据存储起来，在整理时把它们传送到某 计算机中。 对第一个问题，采用旋转式光电编码器，把它的转轴与调节旋钮轴相连。旋转式光电编码器 分两种，绝对编码器和增量编码器。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。显然，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。 增量编码器是以脉冲形式输出的传感器，其码盘比绝对编码器码盘要简单得多且分辨率更高 。一般只需要三条码道，这里的码道实际上已不具有绝对编码器码道的意义，而是产生计数 脉冲。它的码盘的外道和中间道有数目相同均匀分布的透光和不透光的扇形区（光栅），但 是两道扇区相互错开半个区。当码盘转动时，它的输出信号是相位差为90°的A相和B相脉冲 信号以及只有一条透光狭缝的第三码道所产生的脉冲信号（它作为码盘的基准位置，给计数 系统提供一个初始的零位信号）。从A，B两个输出信号的相位关系（超前或滞后）可判断旋 转的方向。由图1（a）可见，当码盘正转时，A道脉冲波形比B道超前π/2，而反转时 ，A道脉冲比B道滞后π/2。图1（b）是一实际电路，用A道整形波的下沿触发单稳态 产生的正脉冲与B道整形波相‘与’，当码盘正转时只有正向口脉冲输出，反之，只有逆向口脉冲输出。因此，增量编码器是根据输出脉冲源和脉冲计数来确定码盘 的转动方向和相对角位移量。通常，若编码器有N个（码道）输出信号，其相位差为π/ N，可计数脉冲为2N倍光栅数，现在N=2。图1电路的缺点是有时会产生误记脉冲造成误差， 这种情况出现在当某一道信号处于‘高’或‘低’电平状态，而另一道信号正处于‘高’和 ‘低’之间的往返变化状态，此时码盘虽然未产生位移，但是会产生单方向的输出脉冲。例如，码盘发生抖动或手动对准位置时（下面可以看到，在重力仪测量时就会有这种情况）。 图2是一个既能防止误脉冲又能提高分辨率的四倍频细分电路。在这里，采用了有记忆功能 的D型触发器和时钟发生电路。由图2可见，每一道有两个D触发器串接，这样，在时钟脉 冲的间隔中，两个Q端（如对应B道的74LS175的第2、7引脚）保持前两个时钟期的输入 状态，若两者相同，则表示时钟间隔中无变化；否则，可以根据两者关系判断出它的变化方 向，从而产生‘正向’或‘反向’输出脉冲。当某道由于振动在‘高’、‘低’间往复变化 时，将交替产生‘正向’和‘反向’脉冲，这在对两个计数器取代数和时就可消除它们的影 响（下面仪器的读数也将涉及这点）。由此可见，时钟发生器的频率应大于振动频率的可能 最大值。由图2还可看出，在原一个脉冲信号的周期内，得到了四个计数脉冲。例如，原每 圈脉冲数为1 000的编码器可产生4倍频的脉冲数是4000个，其分辨率为0.09°。实际上 ，目前这类传感器产品都将光敏元件输出信号的放大整形等电路与传感检测元件封装在一起 ，所以只要加上细分与计数电路就可以组成一个角位移测量系统(74159是4-16译码器)。在 这里，本文采用增量编码器。目前国内已有每转5000脉冲数输出的产品。 
（a） 
图1 增量光电编码器基本波形和电路 第二个问题，测量和 数据的存储系统等。在实际测量时，是一个测点一个测点的进行。在每个测点，由于重力的不同，指针偏离零点位置，为了进行补偿，往往要反复调节，旋钮 可能一会正转，一会反转，待指针最后回到零点时旋钮角位移的代数和才是对应于两点间重 力差的值（通过换算）。这里，一次测量的角位移用正、反脉冲数的代数和表示。因此，要 有两个脉冲计数器。其它还要考虑的问题有：（1） 防止在非操作期间旋钮的误动，否则，后 面的测量结果无法预测；（2）低功耗的运行。因为，仪器要连续在野外工作几个小时，为了 轻便，尽量少装电池；（3）有效可靠地存储原始数据；要有足够的存储空间和掉电保护装置 。每测点的数据包括：时间、点位（序号或点/线号），测量值（脉冲个数或转换成的重力 差值）；（4）数据的回放。存储的数据最后转存到工作站计算机的磁盘上，以便数据处理。 三、具体方案 基于上述各点，在该项设计中采用MCS-51单片机系统担负除光电编码器之外的任务。图3是 硬件的基本结构图。其中，单片机内的计数器T0和T1分别用作正向和反向脉冲计数器。 外部中断INT0接旋钮盖保护开关。芯片MC1486818提供实时时钟和CMOS RAM，它可用来保存 系统的设置参数。片外RAM是存储各测点的数据。LCD数码显示器显示各点测量结果、时间、 操作状态等；另外，还有掉电保护等装置。 
（a） 
（b） 图2 四倍计数方式的波形和电路 
图3 测控系 统电路示意图 整个程序包括主程序、外中断INT0的服务子程序、计数器0和计数器1的中断子程序、键盘输 入、通讯、显示、自检子程序等。外中断源是由调节旋钮保护盖上的一个触发开关产生，每 当需要测量时，只有打开该保护盖才能操作旋钮，此时产生一个电平触发信号引起外部中断，把单片机从睡眠状态唤醒进入外中断服务子程序，计 数器响应光电编码器由于旋钮动作而产生的脉冲信号。每点测量结束时把保护盖关上，使单 片机重新进入睡眠状态。这里有两个目的，一是降低功耗，二是防止误操作。设置计数器中 断子程序目的是使每一点的读数都是相对同一基点，与原重力仪的读数格式一致。这就要求 ，在软件中，每点读数后要保留两个计数器的计数值，但是在若干点后，计数器可能溢出产 生中断，在相应的服务子程序中，T0和T1各用一字节记录计数器溢出的次数。这样，每一点 的读数不仅是两个计数器的值正负相加而且这两个字节的数据也要参与加减运算（设定计数 器为工作方式1，这两个字节内的一个单位等于65535个脉冲）。 其他程序模块说明从略。 四、结论 改造后的该类重力仪测量精度不低于原仪器，突出的性能是：（1）提高野外工效，可省去一个专职记录员和记录本；（2）自动记录并存储的测点数据最多可达2000个；（3）原始数据可快速回放到其他计算机中进行各项处理，彻底改变了过去人工输入的状况，大大提高了室内工效。光电编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性以及测量位移的功能而被广泛应用在多类精密的测量仪器中，其结果不仅提高了测量精度，更显著的是与微机相结合使这类仪器具备了较高的自动化功能。 | 
