反射式光电位置传感器在编码器中的应用-电子发烧友网

日清纺微电子（Nisshinbo Micro Devices Inc.）拥有小而薄的数字和模拟输出的光学位置传感器，这些传感器是该公司将电路设计技术与器件封装技术相结合而开发的。目前，该公司正致力于扩大其增量式光学反射位置传感器的产品线。

模拟和数字光电传感器将LED和光电集成电路集成在一个紧凑的封装中，使光学编码器能够在各种工业应用中提供绝对或增量位置检测。

位置检测是从协作机器人到半导体制造设备等各种工业应用的一项关键技术。从视频图像分析到磁检测等各种方法都可以提供位置传感，但光学方法具有关键优势。它们不受杂散磁场的影响，而且由于结构紧凑，可以放置在靠近电机或其他设备组件的位置。

位置传感

光电传感器可以采用两种位置感测方法：透射式和反射式。如图 1左图所示，透射式感测是指 LED发出的光线穿过刻度盘上的一系列狭缝，到达另一侧的光电传感器。反射式感测是指（如图 1右图所示）LED和传感器位于刻度盘的同一侧，LED发出的光线经过刻度盘的反射狭缝（反射狭缝与非反射狭缝交替出现）反射后到达传感器。

光电传感器有两种位置报告方法。增量式位置报告是指传感器可以指示旋转量或线性运动量，但如果没有某种方法确定启动时的初始位置，则无法报告绝对位置信息。相比之下，绝对值式位置编码器只要接通电源，就能始终报告精确的位置信息。

图 1. 光学位置传感器可采用透射式（左）或反射式（右）方法

光电传感器的模拟和数字输出

光电传感器可提供数字或模拟输出。数字输出时，相对位置由脉冲计数确定，脉冲宽度决定分辨率。数字输出可用于无反光镜相机和遥控相机的手动对焦，以及无刷电机、高分辨率步进电机及相关应用。

模拟输出可产生正弦波和余弦波输出，并通过反正切计算从输出信号中提取位置信息。分辨率取决于模拟输出的失真度。高精度模拟传感器的分辨率可达1µm或更低。模拟输出通常用于线性（直线）检测，可提供µm级的分辨率。应用包括相机镜头位置检测、协作机器人和线性执行器。

紧凑型传感器系列

日清纺微电子的数字输出传感器包括该 NJL5820/21/22R系列产品，每个系列都集成了一个近红外 LED和一个光电集成电路 (OEIC)。OEIC可以处理光信号和电信号。它包含将光转换为电信号的光电二极管，以及信号处理电路。LED和OEIC之间的遮光墙提供了光隔离（图 2）。

图 2. 遮光墙将 LED 与 OEIC 隔离

在操作过程中，当一个带有交替反射和非反射图案的刻度尺固定在一个运动部件上，并经过 OEIC时，OEIC接收到的图像会发生变化。响应这些变化，OEIC会产生一个两相（A和 B）脉冲信号，其相位差为 90度，与交替图案周期相匹配（图 3）。微控制器单元 (MCU)可以检测这些脉冲，并得出运动部件的位置、距离、方向和速度。NJL5820/21/22R系列产品的位置检测分辨率分别为 50.8LPI、150LPI和 180LPI (Line Per Inch)。

图 3. 响应不断变化的光模式，数字输出 OEIC 产生双相脉冲信号

日清纺微电子的模拟输出光电位置传感器有 NS5611，是一款可用于反射式增量式光学编码器的产品。NS5611封装包含一个近红外 LED和一个 OEIC。当反射式刻度尺经过传感器时（图 4左），该器件会除了可以产生A，B两相，相位角为 90度，每周期 140µm的模拟输出（红色和蓝色波形，图 4右），还带有可用于原点检测的Z相输出（Reset输出），用户可自选ADC，以将这些信号数字化后，用自选MCU来计算移动的距离。

图 4. 当标尺经过 NS5611（左）时，传感器产生双相模拟输出（右）

编码器设计考虑因素

将光电式位置传感器用于光学编码器时，必须考虑多个设计方面。通常，高分辨率位置传感器不适用于柔性印刷电路材料，因为任何弯曲都会改变栅尺与传感器之间的位置关系，从而影响分辨率。然而，NS5611的坚固设计使其能够承受栅尺相对于设备的位置变化。图 5显示了栅尺与传感器之间的间隙Gap、栅尺位移Shift以及栅尺翻滚Roll、俯仰pitch和偏向Yaw的允许范围。