汽车工程中光电编码器的应用现状及发展

田晨喆

摘要：随着经济水平的提升和社会科技的进步，当前汽车工业正朝着电子化、数字化与智能化的方向发展，而在汽车工业实现电子化、数字化与智能化发展的过程中需要使用相关电子仪器和零件。光电编码器作一种精度高的数字化检测装置，被广泛用于车载电子设备和零件中，对于推动汽车工业行业的发展具有重要意义。本文主要阐述了光电编码器的工作原理，介绍了汽车工程领域光电编码器当前的应用现状，对当前光电编码器在汽车工程领域过程中存在的问题进行了分析，并提出了针对性的优化方案。

Abstract： With the improvement of economic level and the progress of social science and technology， the current automotive industry is moving towards the direction of electronic， digital and intelligent development， and in the process of realizing the electronic， digital and intelligent development of the automotive industry， relevant electronic instruments and parts need to be used. As a high precision digital detection device， photoelectric encoder is widely used in vehicle electronic equipment and parts， which is of great significance to promote the development of automobile industry. This paper mainly describes the working principle of the photoelectric encoder， introduces the current application status of the photoelectric encoder in the field of automobile engineering， analyzes the problems existing in the process of the current photoelectric encoder in the field of automobile engineering， and puts forward the targeted optimization scheme.

关键词：汽车工程;光电编码器;工作原理

中图分类号：TP212.14                                  文獻标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）08-0188-02

0  引言

光电编码器具有良好的使用性能，具备较强的抗干扰能力，能够持续、稳定地输出脉冲信号，正是由于光电编码器这样的特性，光电编码器被迅速广泛地应用到了电子零件和电子仪器生产领域，在汽车工业方面，光电编码器当前在汽车车速检测、方向盘转角传感器、汽车音乐系统中具有广泛的应用。

1  光电编码器的原理

光电编码器是一种集合光、电和机械为一体的检测装置，由于光电编码器具有较强的抗干扰性、体积较小、生产成本较低等方面的特征，近年来，光电编码器被广泛应用于汽车工程、雷达、机器人等领域。光电编码器通过光电转换，将输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，基于此，光电编码器被广泛应用于相关机械的位置和速度的检测中[1]。当前主要使用的编码器有两种，分别是增量式光电编码器和绝对式光电编码器。

1.1 增量式光电编码器

增量式光电编码器的特征是能够较为精准地测量相对位置的增量变化，但不能够测量出绝对位置，这主要基于增量式光编码器能够产生与位置变化等值的脉冲，通过脉冲能够反映出上一个位置与当前位置之间的变化情况。当前增量式光电编码器主要由光学系统、光电转化器、主码盘、鉴向盘等部分构成，增量式光电编码器的构成部分较为简单，具备生产成本较低，能够实现较远距离信号传输的特点，不仅如此，增量式光电编码器的使用年限也较长，但增量式光电编码器无法进行绝对位置测试的这一特征限制了其应用范围。

1.2 绝对式光电编码器

绝对式编码器是一种能够直接输出相关位置数值的一种光电编码器，当前主要流行的绝对式光电编码器分为了两种，一种是循环码盘，另一种则是带判位光电装置的二进制循环码盘，循环码盘由四位二进制代码构成，由于其变化在“0”和“1”之间产生，因此即便循环码盘在变化的过程中产生误差，其误差读数不会超过1。而带判位光电装置的二进制循环码盘则是在循环码盘的基础上，在循环码盘的周围增加光电装置，光电装置的增加使得绝对式编码器只有在光电装置产生信号时才会读数，有效地避免了非单值性误差的出现。光电装置的二进制循环码盘具有检测精度高，码盘寿命长等方面的优势，但与此同时这一光电编码器还具有造价成本高、光源使用时长较短等方面的劣势，不仅如此，带判位光电装置的二进制循环码盘使用者想要进一步提升编码器的准确程度，其造价成本也将进一步上升，因此带判位光电装置的二进制循环码盘高昂的造价成本对于推广其使用范围造成了一定限制。

2  汽车工程中光电编码器的应用现状

2.1 光电编码器在车速检测中的应用

随着社会经济的发展，我国拥有汽车的人群越来越多，汽车交通事故量也随之增加，汽车交通事故的增加不仅给我国造成了巨大的经济损失，同时也造成了诸多社会问题的出现，因此如何保障汽车驾驶安全成为了当前被广泛探讨的一个问题。在汽车驾驶过程中，汽车驾驶的车速是影响汽车安全驾驶的一个重要指标，因此对汽车车速进行检测和控制被认为是缓解交通事故出现的重要方式。而选用光电编码器进行脉冲测速是进行车速检测和控制的一大方式[2]。

当前采用光电编码器进行脉冲测速主要有三种方式，分别是测频法（M法）、周期法（T法）和综合法（M/T法），测频法主要是通过测量单位时间内多个脉冲数值实现的，在测量完毕后，通过计算多个脉冲的平均值得出车速，而这一测量方式通常在汽车高速行驶的情况下采用;周期法的测量方式为两个相邻输出脉冲的间隔时间内，用一个计数器对已知频率为f的高频时钟脉冲进行计数，由此得出汽车车速，周期法测量车速通常被应用在汽车低速行驶的状态下，而综合法则是同时采用测頻法和周期法检测出两个车速数值，然后再进行车速计算。然而综合测量法的实现难度较大，一方面，综合测量法要同时测量出两个车速数值，其测量的设计结构较为复杂，需要使用较多的零部件，另一方面，综合测量法要求同时得出两个车速数值，而周期法在汽车高速运行的状态下，对汽车车速的测量结果并不精准，因此综合法也只要在汽车低速运行的状态下才有较为精准地测量结果。

2.2 方向盘转角传感器

由于汽车的方向盘角度测量，其所得出的结果是一个绝对的数值，因此在汽车方向盘角度传感器中应用的光电编码器为绝对式光电编码器，其原理是通过光信号扫描分度盘，而分度盘与信号传输通道相连，当分度盘被光信号扫描时，分度盘上的格雷码或二进制码刻度盘能够确定物体的绝对位置，而信号传输装置能够检测到二进制码盘刻度的读数，并将相关信息转换为电信号以脉冲的形式输出[3]。

绝对式光电编码器被用于检测汽车方向盘转角读数时，绝对式光电编码器被安装在汽车方向盘的转动轴上，在驾驶员驾驶汽车的过程中转动方向盘使转动轴发生变化时，绝对式光电编码器也会随之发生变化，并在光电编码器内部装置的作用下，输出此时方向盘发生变化的角度值，不仅如此，光电编码器还将通过总线系统，将方向盘发生变化的角度值上传至汽车内部网络系统中，被汽车其他模块所感知和使用。

2.3 汽车音乐系统

为了给汽车驾驶员提供良好的驾驶环境和驾驶氛围，大多数汽车都装载了汽车音乐系统。在现代汽车的音乐系统中，为了支持汽车音乐系统工作，往往会配备蓄电池，然而蓄电池在工作的过程中往往会受到汽车路面颠簸、发动机转数提高等因素的影响而导致其电压发生变化，当蓄电池电压发生变化时，汽车音乐系统的音量会随之产生变化，这导致汽车音乐系统在音量没有调节的情况下出现变化，而突然的音量变化则会影响汽车驾驶员的驾驶体验，不仅如此，在极端的情况下，还可能导致驾驶员受到惊吓，影响汽车行驶安全，为了避免这一现象的出现，现代汽车放弃采用模拟电压信号作为调控汽车音乐系统音量的方式。而光电编码器能够稳定输出可靠的数字信号，不仅如此，光电编码器受到外界的干扰较小，使用寿命也较长，因此当前汽车音乐系统中普遍使用光电编码器作为音量调节控制器[4]。

3  光电编码器在汽车工程应用过程中存在的问题

3.1 机械振动导致设备位置偏移

在光电编码器的应用过程中，由于路面颠簸或者发动机快速转动，可能会导致相关光电编码器设备发生位置的偏移，而在光电编码器相关设备发生位置偏移后，可能无法可靠地接收到光信号，从而导致电信号的传输出现问题。而这无疑会导致光电编码器在应用过程中检测的数值不准确，进而影响汽车相关功能的正常使用。

3.2 环境因素影响光电检测装置的可靠性

光电编码器是否能够正常使用受到其工作环境的影响也非常大，在湿度较高、温度较高的情况下，光电编码器可能无法正常工作。光电编码器在汽车的应用过程中，如果光电编码器过于靠近汽车发动机等可能产生高温的设备时，光电编码器可能会无法正常使用，除此之外，光电编码器也不能够暴露在空气中，否则汽车在阴雨天气行驶时，光电编码器可能也无法发挥其正常的功能和作用。

3.3 电磁对光电检测设备的工作产生干扰

光电检测装置安装在生产设备本体，其信号经电缆传输至控制系统的距离一般在20～100m，传输电缆虽然一般都选用多芯屏蔽电缆，但受到电阻影响、电容影响以及其他电磁信号的影响，在光电编码器相关设备传输信号的过程中，光电编码器所产生的信号可能被其他信号所干扰，进而导致光电编码器所检测到的数值并不准确，在出现严重的偏差时，可能会导致汽车出现安全事故。

4  优化光电编码器在汽车工程中的应用

4.1 改变光电编码器的安装方式

为了减少光电编码器受到外部环境因素的干扰，在安装光电编码器的过程中应该改变光电编码器传统安装方式，一方面，在设计光电编码器安装位置时，要使光电编码器远离汽车发热部位，或者采用相关隔热材料使得光电编码器与热源隔离，使光电编码器在正常的温度环境下工作;另一方面，不再将光电编码器放置在相关设备的外壳部位，而是制作一固定支架来独立安装光电编码器，减少汽车振动对光电编码器所产生的影响[5]。

4.2 合理选择光电检测装置输出信号的传输介质

为了减少其他电磁信号对光电编码器信号传输的影响，需要采用双绞屏蔽电缆取代普通屏蔽电缆，一方面双绞屏蔽电缆对空间中产生的干扰电子能够屏蔽，避免其他电磁场对光电编码器信号产生影响，另一方面是互绞后两线间距很小，两线对干扰线路的距离基本相等。

5  总结

随着光电编码器的发展，光电编码器在汽车工程中有了广泛的应用，光电编码器体积较小、生产成本相对低廉，而更为重要的是光电编码器的抗干扰性较强，符合汽车工程的使用要求。而随着汽车工业的进一步发展，适用于汽车各类电子系统的光电编码器将被进一步开发，使光电编码器朝着小型化、智能化的方向发展，在提高汽车娱乐性、舒适性、安全性以及降低汽车生产成本方面发挥更多的作用。

参考文献：

[1]姜义.光电编码器的原理与应用[J].传感器世界，2010，16（02）：16-19，22.

[2]姚奉嘉.基于增量光电编码器的车速控制器设计[J].物联网技术，2013，3（04）：16-19.

[3]舒望.基于光电编码器的方向盘转角传感器[J].机电工程技术，2015，44（08）：114-116.

[4]崔士帅.浅谈光电编码器在底盘测功机中的应用[J].计量与测试技术，2008（01）：51，54.

[5]徐小俊，孙筠.光电编码器在数控系统中的应用[J].湖北第二师范学院学报，2011，28（08）：91-95.