机电一体化教案316K

1、机电一体化教案（讲稿）第三章淮南联合大学教师授课教案章节名称第3章检测环节教学名称第1节 位置检测环节的构成和接口教学时数学时2教学目标1 掌握光栅的结构，工作原理，摩尔条纹计数概念2 掌握脉冲编码器的结构和工作原理，分类，应用特点3 理解感应冋步器，旋转变压器，磁栅的工作原理，应用特点课程重点难点1.栅的结构，工作原理，摩尔条纹计数概念2.脉冲编码器的结构和工作原理，分类，应用特点3.光电信号的检测、整形、辨向、计数电路的原理分析教学方法及手段1 课堂理论课讲授2 多媒体教学课件播放辅助教学教学过程及时间分配:在机电一体化产品中，无论是机械电子化产品（如数控机床），还是机电相互融合的高级产品

2、（如机器人），都离不开检测与传感器这个重要环节。若没有传感器对原始的各种参 数进行精确而可靠的自动检测，那么信号转换、信息处理、正确显示、控制器的最佳控制等， 都是无法进行和实现的。检测系统是机电一体化产品中的一个重要组成部分，用于实现计测功能。在机电一体化 产品中，传感器的作用就相当于人的感官，用于检测有关外界环境及自身状态的各种物理量（如力、位移、速度、位置等）及其变化，并将这些信号转换成电信号，然后再通过相应的 变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路将有用的信号检测出来，反馈给控制装置或送 去显示。实现上述功能的传感器及相应的信号检测与处理电路，就构成了机电一体化产品中 的检测系统。随

3、着现代测量、控制及自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视，应用越来越 普遍。凡是应用到传感器的地方，必然伴随着相应的检测系统。传感器与检测系统可对各种材料、机件、现场等进行无损探伤、测量和计量；对自动化系统中各种参数进行自动检测和控制。尤其 是在机电一体化产品中，传感器及其检测系统不仅是一个必不可少的组成部分，而且已成为机与 电有机结合的一个重要纽带。一、传感器的分类传感器种类繁多，分类方法也有多种，可以按被测物理量分类，这种分法明确表达了传感器 的用途，便于根据不同用途选择传感器。还可按工作原理分类，这种分法便于学习、理解和区分 各种传感器。机电一体化产品主要以微型计算机作信息处理

4、机和控制器，传感器获取的有关外界 环境及自身状态变化的信息，一般反馈给计算机进行处理或传感 _开关一 接触型（如微动开关、行程开关、接触开关）（二值非接触型（如光电开关、接近开关）型）电阻型（如电位器、电阻应变片等）电压、电流型（如热电偶、光电池等）.电感、电容型（如电感、电容式位移传感器）数 字一 计数型（二值+计数器）型 1 一代码型（如旋转编码器、磁尺等）图2 1传感器按输出信号性质分类实施控制。因此，这里将传感器按输出信号的性质分类，分为开关型、模拟型和数字型，如图21所示。开关型传感器只输出“ 1”和“ 0”或开（ON和关（OFF）两个值。如果传感器的输入物理量达到某个值以上时，其输

5、出为“ 1”（ ON状态），在该值以下时输出为“0”（OFF状态），其临界值就是开、关的设定值。这种“ 1”和“ 0”数字信号可直接送入微型计算机进行处理。数字型传感器有计数型和代码型两大类。计数型又称脉冲计数型，它可以是任何一种脉冲发生器，所发出 的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可以对输入量进行计数。计数型传感器可用来检测通过 输送带上的产品个数，也可用来检测执行机构的位移量，这时执行机构每移动一定距离或转动一 定角度就会发出一个脉冲信号，例如光栅检测器和增量式光电编码器就是如此。代码型传感器即 绝对值式编码器，它输出的信号是二进制数字代码，每一代码相当于一个一定的输入量之值。代 码的“

6、 1”为高电平，“ 0”为低电平，高低电平可用光电元件或机械式接触元件输出。通常被用 来检测执行元件的位置或速度，例如绝对值型光电编码器、接触型编码器等。模拟型传感器输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量。传感器的输入/输出关系可能是线性的，也可能是非线性的。线性输出信号可直接采用，而非线性输出信号则需进行线性化处理。这些线性信号一般需进行模拟 /数字转换（A/D）,将其转换成数字信号后再送给微型计算机处理。传感器的发展方向由于传感器位于检测系统的入口，是获取信息的第一个环节，因此它的精度、可靠性、稳定 性、抗干扰性等直接关系到机电一体化产品的整机性能指标。因此，传感器的研究与开发一直受

7、 到人们的重视，传感器的性能不断提高，主要表现在以下几个方面：（一）新型传感器的开发鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步发现新现象、采用新原 理、开发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。总之，传感器正经历着从以结构型为主转向以物性 型为主的过程。（二）传感器的集成化和多功能化随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类 传感器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、面型的阵列型传感器；或是多种不同功能的 敏感元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的传感

8、器；或是传感器与放大、运算、温度补 偿等电路集成一体具有多种功能实现了横向和纵向的多功能。（三）传感器的智能化“电五官”与“电脑”的相结合，就是传感器的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、 转换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校准、自适应等功能。如进 步将传感器与计算机的这些功能集成于同一芯片上，就成为智能传感器。3.1位置检测环节的构成和接口3.1.1感应同步器1。概述及应用特点感应同步器是利用电磁感应原理把两个平面绕组间的位移量转换成电信号的一种位移传感器。按测量机械位移的对象不同可分为直线型和圆盘型两类，分别用来检测直线位移和角位移。由于它成本低，受环境温度影响小

9、，测量精度高，且为非接触测量，所以在位移检测中得到广泛应用，特别是在各种机床的位移数字显示、自动定位和数控系统中。2。感应同步器的结构直线型感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，如图2 5所示。图26为直线型感应同步器定尺和滑尺的结构。其制造工艺是先在基板（玻璃或金属）上涂上一层绝缘粘合材料，将铜箔粘 牢，用制造印刷线路板的腐蚀方法制成节距T一般为2mm的方齿形线圈。定尺绕组是连续的。滑尺上分布着两个励磁绕组，分别称为正弦绕组和余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组相位相同时， 余弦绕组与定尺绕组错开1/4节距。滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定间隙（0.050.2mm ）。3。感应同步器的工作原理在滑

10、尺的正弦绕组中，施加频率为f （一般为210kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为f的感应电势。感应电势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。当两绕组同向对齐时，滑尺 绕组磁通全部交链于定尺绕组，所以其感应电势为正向最大。移动1/4节距后，两绕组磁通不交链，即交链磁通量为零；再移动 1/4节距后，两绕组反向时，感应电势负向最大。依次类推，每 移动一节距，周期性的重复变化一次，其感应电势随位置按余弦规律变化，见图2 7a。-0.02249.90 -0.07fl 9.5 匸沁7二2图25 直线型感应同步器的组成1 定尺2 滑尺sincos2U势电应感2U势电应感节距图2 7a） a）仅对A绕组激磁

11、节距定尺感应电ib）仅对bB绕组激磁同样，若在滑尺的余弦绕组中，施加频率为 的感应电势。其感应电势随位置按正弦规律变化。见图 绕组供电电压为 U，移动距离为 x，节距为T,则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应电势为f的交变电流时，定尺绕组上也感应出频率为12 7b。设正弦绕组供电电压为U,余弦U2 KUscos：x360o KUscos余弦绕组单独供电所产生的感应电势为(29)I! U2 KUcsinX360o KU csinT由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，所以定尺上总的感应电势为(210)U2 U； U； KUscos KUcsin(211)式中K定尺与滑尺之间的耦合系数

12、；定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）（）360o 罕2mmT节距，表示直线感应同步器的周期，标准式直线感应同步器的节距为感应同步器是利用感应电压的变化来进行位置检测的。根据对滑尺绕组供电方式的不同，以 及对输出电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有相位和幅值两种工作法，前者是通过检 测感应电压的相位来测量位移，后者是通过检测感应电压的幅值来测量位移。4。测量方法1. 相位工作法90的两个电压时，定尺当滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，但相位相差 感应电势相应随滑尺位置而变。设(2 12)(2 13)U s U msin tUc Um cos tU2 U2 U2=KU m

13、sin tcos KU m cos tsin(214)=KUmSin（ t ）从上式可以看出，感应同步器把滑尺相对定尺的位移x的变化转成感应电势相角的变化。X因此，只要测得相角，就可以知道滑尺的相对位移X：360o T(215)2幅值工作法在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和相同相位，但幅值不等的两个交流电压(2 16)Us Um si n sin t根据线性叠加原理,U c Um cos sin t定尺上总的感应电势(217)U2为两个绕组单独作用时所产生的感应电势之和。即U 2 u； U；KUmsinsintcosKU m cos sin tsinKUm(sincoscossin )

14、sin t(2 18)KUmsin( )sin t式中 K Umsi n(）感应电势的幅值;co =2 n f ;Un滑尺励磁电压最大的幅值；3 滑尺交流励磁电压的角频率,指令位移角。由上式知，感应电势Ua的幅值随（一）作正弦变化，当=时，12=0。随着滑尺的移动，逐渐变化。因此，可以通过测量U的幅值来测得定尺和滑尺之间的相对位移。3.1.2 旋转变压器旋转变压器概述旋转变压器是一种利用电磁感应原理将转角变换为电压信号的传感器。由于它结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，输出信号大，抗干扰好，因此被广泛应用于机电一体化产品中。（一）旋转变压器的构造和工作原理旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电

15、机相似，由定子和转子组成。当从一定频率（频 率通常为400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等几种）的激磁电压加于定子绕组时，转子绕组的电 压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或在一定转角范围内与转角成正比关系。前一种旋转 变压器称为正余弦旋转变压器，适用于大角位移的绝对测量；后一种称为线性旋转变压器，适用 于小角位移的相对测量。D4乙U3图210正余弦变压器原理图DDz激磁绕组D3D4辅助绕组乙乙一余弦输出绕组Z3Z4正弦输出绕组如图2 10所示，旋转变压器一般做成两极电机的形式。在定子上有激磁绕组和辅助绕组，它 们的轴线相互成 90。在转子上有两个输出绕组一一正弦输出绕组和余弦

16、输出绕组，这两个绕组的 轴线也互成90，一般将其中一个绕组（如Zi、Z2）短接。（二）旋转变压器的测量方式相位相差为90的交变激磁电压时，便可在转子绕U3值为激磁电压 U和U2的感应电势之和，即当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、 组中得到感应电势 Us,根据线性叠加原理,U 1 U msin t(227)U 2 Um cos t(228)U 3 kU1sinkU2sin(90)kUmCOS( t)(2 29)式中k -w/施旋转变压器的变压比；w、 w转子、定子绕组的匝数。可见，测得转子绕组感应电压的幅值和相位，可间接测得转子转角e的变化。线性旋转变压器实际上也是正余弦旋转变压器，不同的是线

17、性旋转变压器采用了特定的变压比k和接线方式，如图 2 11。这样使得在一定转角范围内（一般为土60），其输出电压和转子转角B成线性关系。此时输出电压为U3 kU1rskno(230)根据此式，选定变压比k及允许的非线性度，则可推算出满足线性关系的转角范围（图212）。如取k =0.54，非线性度不超过土0.1%，则转子转角范围可以达到土60。D1 I|U1 r 4LD2图2 11线性旋转变压器原理图D3D4ZsZ4Us-180 -60 图2 12转子转角与输出电压 Us 的关系曲线I-丄一一3.1.3 光栅光栅位置检测装置1.光栅的种类（1）直线光栅1）玻璃透射光栅是在玻璃的表面上用真空镀膜法

18、镀一层金属膜，再涂上一层均匀的感光材料， 用照相腐蚀法制成透明与不透明间隔相等的线纹，也有用刻蜡、腐蚀、涂黑工艺制成的。玻璃透射 光栅的特点是： 光源可以采用垂直入射，光电元件可直接接受光信号，因此信号幅度大，读数头结构比较简 单； 每毫米上的线纹数多，一般为每毫米100、125、250条，再经过电路细分，可做到微米级的分辨率。2）金属反射光栅是在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或用钻石刀直接刻划制成的光栅线 纹；金属反射光栅常用的线纹数为每毫米4、10、25、40、50条，因此，其分辨率比玻璃透射光栅低。此外，也可以把线纹做成具有一定衍射角度的定向光栅。金属反射光栅的特点是： 标尺光栅的线膨

19、胀系数很容易做到与机床材料一致； 标尺光栅的安装和调整比较方便； 安装面积较小； 易于接长或制成整根的钢带长光栅； 不易碰碎。（2）圆光栅3种形式:10800， 21600， 32400， 64800 等； 1000，2500，5000 等； 512，1024，2048 等。在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白相间条纹，条纹呈辐射状，相互间夹角（称为栅距角）相 等。根据不同的使用要求在圆周内的线纹数也不相同。圆光栅一般有1 ）六十进制，如圆周内的线纹数为：2）十进制，如圆周内的线纹数为：3）二进制，如圆周内的线纹数为：2. 直线透射光栅的组成及工作原理（1）直线透射光栅的组成原理光栅由标尺光栅（又

20、称长光栅）和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床活动部件上（如工作台上或丝杠上），光栅读数头安装在机床固定部件上（如机床底座上）。指示光栅（又称短光栅）装在光栅读数头中。当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上相对 移动。标尺光栅和指示光栅构成了光栅尺。图6-9所示为一光栅尺的简单示意图，标尺光栅和指示光栅上均匀刻有很多条纹，从局部放大部分看，黑的部分为不透光宽度（缝隙宽度）a，白的部分为透光宽度（刻线宽度）b，设栅距为d，则d= a+b。通常情况下，光栅尺刻线的不透光和透光宽度是一样的，即: a=b。在安装光栅尺时，标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙（一般取

21、0.05 伽或0.1伽）要严格保证。光栅读数头又称光电转换器，它由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。光栅读 数头的结构形式很多，按光路分，常见的有分光读数头、垂直入射读数头、反射读数头和镜像读数头，光路图如图6-10所示，图中Q表示光源,L表示透镜，G表示光栅，P表示光电兀件。L1G2G1(a)分光读数头SL2G1P(b)G1垂直入射读数头图6-10光栅读数头光路图上述光栅只能用于增量式测量方式，有的光栅读数头没有一个绝对零点，错数字时，可以重新对零。它是在两光栅上分别有一小段光栅，当这两小段光栅重合时发出零位信当停电或其他原因记号，并在数字显示器中显示。玻璃透射式直线光栅用玻璃制

22、成，容易受外界气温的影响而产生误差，而且灰尘、切屑、油污、 水汽等容易侵入，使光学系统受到杂质的污染，影响光栅信号的幅值和精度，甚至因光栅的相对运 动而损坏刻线。因此，光栅必须采用与机床材料膨胀系数接近的K8等玻璃材料，并且要加强对光栅系统的维护和保养。测量精度较高的光栅都使用在环境条件较好的恒温场所或进行密封。用直线光栅测量时要求标尺光栅与行程等长，通常情况下光栅的长度为im如果在大型机床中行程大于1m时，需要将光栅接长，此时要注意保证接口处的精度。(2 )摩尔条纹的产生和特点对于栅距d相等的指示光栅和标尺光栅，当两光栅尺沿线纹方向保持一个很小的夹角B、刻划面相对平行且有一个很小的间隙(一般

23、取0.05mm, 0.1mm放置时，在光源的照射下，由于光的衍射或遮光效应，在与两光栅线纹角0的平分线相垂直的方向上，形成明暗相间的条纹， 这种条纹称“莫尔条纹”。由于0角很小，所以莫尔条纹近似垂直于光栅的线纹，故有时称莫尔条纹为横向莫尔条纹。栅距d明图6-11光栅工作原理w明指示光栅莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以w表示。10 /2标尺光栅(b)莫尔条纹放大原理d之间有如下关系:(6-12)w莫尔条纹具有如下特性：(1)起放大作用不难证明，在倾斜角0很小时，莫尔条纹宽度w与栅距d dw 2 sin 2放大比k为:, w 1 kd(6-13 )w。若取d=0.01m

24、m, 0= 0.02rad，贝U w= 5mm k = 500。可见，无需复杂的光学系统和电子放大线路， 利用光的干涉现象，就能把光栅的栅距d转换成放大500倍的莫尔条纹宽度(2) 实现平均误差作用莫尔条纹是由大量光栅线纹干涉共同形成的，使得栅距之间的相邻误差被平均化了，消除了由光栅线纹的制造误差导致的栅距不均匀而造成的测量误差。(3) 莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹也相应移动一个莫尔条纹宽度；若光栅移动方向相反，则莫尔条 纹移动方向也相反。莫尔条纹移动方向与两光栅夹角0移动方向垂直。这样，测量光栅水平方向移动的微小距离就可用检测莫尔条纹的变化代替。3. 直

25、线光栅检测装置的方向辨别光源通过标尺光栅和指示光栅再由物镜聚焦射到光电元件上，光电元件把两块光栅相对移动时 产生的莫尔条纹明暗的变化转变为电流变化。当标尺光栅沿与其线纹垂直方向相对指示光栅移动时, 若指示光栅的线纹与标尺光栅透明间隔完全重合，光电元件接收到的光通量最小。若指示光栅的线纹与标尺光栅的线纹完全重合，光电元件接收到的光通量最大。因此，标尺光栅移动过程中，莫尔 条纹由亮带到暗带，再由暗带到亮带，相互交替出现，透过的光强度分布近似于余弦曲线，光电元 件接收到的光通量也忽大忽小，产生了近似正弦曲线的电压信号。这样的信号，只能用于计数，而 不能辨别方向。实际应用中，即要求有较高的检测精度，又

26、能辨别方向。为了达到这种要求，通常 使用分频电路实现。光源聚光镜图6-12光栅测量系统C_.正向 反向BrjLDABCD相加向 时 上 升 沿 微 分(a)电路图(b)波形图图6-13光栅测量系统四倍频鉴向电路介绍一种广泛使用的四倍频鉴向电路工作原理。所谓四倍频，就是采用四个光电元件和四个狭 缝，使其与莫尔条纹相重合的位置相差1/4栅距。这样，四个光电元件输出的正弦信号彼此之间相差90,经过整形和逻辑处理后即可得到能够辨别方向的四倍频脉冲信号。图6-13 (a)、(b)分别为四倍频电路的逻辑图和波形图。当指示光栅和标尺光栅相对移动时， 四个硅光电池 Pi、P2、P3、P4产生四路相差90相位的

27、正弦信号。将两组相差180。的两个正余弦信号1、3和2、4分别送入两个差动放大器，输出经放大整形后，得两路相差90的方波信号 A和B。A和B两路方波一方面直接进微分电路微分后，得到前沿的两路尖脉冲A和B;另一方面经反向器，得到分别与 A和B相差180的两路等宽脉冲 C和D; C和D再经微分电路微分后，得两路尖脉 冲C和D。四路尖脉冲按相位关系经与门和A、B C、D信号相与，再输出给或门，输出正反向信号，其中A B AD、C DBC分别通过Y、Y2、Y3、Y4输出给或门H，得正向脉冲，而B C、A B、A D CD通过Y5、丫6、丫7、Ya输出给或门得反向脉冲。当正向运动时，Hi有脉冲信号输出，

28、H2则保持低电平；而反向运动时，H2有脉冲信号输出，H则保持低电平。4. 提高光栅分辨精度的措施鉴向倍频电路不仅可以起到辨别方向的作用，它还可以起到细分的作用，以提高光栅的分辨率。从上面的分析可知， 从莫尔条纹原来的一个脉冲信号变为在0 、90、180、270都有脉冲输出，即在一个周期内送出了4个脉冲。这样，分辨率提高了4倍。例如光栅线纹密度为 50条/mm,即栅距为1/50mm（20u m）,经4倍频处理后，相当于将线纹密度提高到200条/mm,工作台每移动 5 m就会送出一个脉冲，即分辨率为5卩m分辨率提高了 4倍。光栅测量系统的分辨率取决于光栅栅距2t和鉴向倍频的倍数 n,即：分辨率=2

29、t/ n。光栅输出信号有两种，正弦波信号和方波信号。正弦波信号有电流型和电压型。对连续变化的 正弦波信号，需经过如上所述的差动放大、整形及倍频处理后得到脉冲信号。也可采用相位跟踪细 分，进一步提高分辨率，其原理是将输出信号与相对相位基准信号比较，当相位差超过一定门槛时， 移相脉冲门输出移相脉冲，同时使相对相位基准信号跟踪测量信号变化。这样每一移相脉冲使相对 相位基准移相360/n度，即可实现n倍细分，有八倍频、十倍频、二十倍频或更高。对方波信号， 可进行二倍频和四倍频处理以提高分辨精度。5. 光栅检测装置的特点1） 精度高 由于激光技术的发展，光栅的制作精度得到很大提高，目前光栅精度可达到微米

30、级，再 通过细分电路可以达到0.1卩m甚至更高的分辨率，如：0.025卩m2）无接触检测，精度可长期保持3）制造成本高，技术难度大，维护难度大6. 光栅检测装置的选用1）技术优势明显 精度最高检测数据直接微机接口传送，抗干扰性能好 动态性能好，直接数显应用可靠2）不足：成本高，接长难度大，维护难度大3）精度选择各种光栅中以玻璃衍射光栅的精度为最高。7. 光栅检测装置的安装及注意事项1 ）安装（1 ）安装方式 标尺固定，读数头运动（简洁，因电缆线运动可靠性下降） 读数头固定，标尺运动（简洁性差，因电缆线固定，可靠性较理想）（2 ）必须有防护措施（3） 按装基面精度高，（小于0.1mm）（4）标尺

31、平行于运动方向（全长小于0.1mm）（5）用千分尺等检测归零和运动精度2）应用注意事项 读数头和数显表数据线插拔应切断电源 认真防护 定期检查安装紧定螺钉 远离热源 可靠的限位措施3.1.4 脉冲编码器1. 增量式编码盘常用的光电式编码器为增量式光电编码器，亦称光电码盘、光电脉冲发生器、光电脉冲编码器 等，是一种旋转式脉冲发生器，它把机械转角变成电脉冲，是数控机床上常用的一种角位移检测元 件，也可用于角速度检测。增量式光电编码器按每转发出的脉冲数的多少来分有多种型号，但数控 机床最常用的如表 6-3所列，根据数控机床丝杠螺距来选用。表6-3光电脉冲编码器脉冲编码器每转脉冲移动量（mm2000脉

32、冲/ r2, 3, 4, 6, 82500脉冲/ r5, 103000脉冲/ r3, 6, 12为了适应高速、高精度数字伺服系统的需要，先后又发展了高分辨率的脉冲编码器，见表6-4。现在已有使用每转发出10万乃至几百万个脉冲的编码器，该类脉冲编码器装置内部应用了微处理器。表6-4高分辨率脉冲编码器脉冲编码器每转脉冲移动量（mr）i20000 脉冲/ r2, 3, 4, 6, 825000 脉冲/ r5, 1030000 脉冲/ r3, 6, 12如图6-21所示，光电编码器由光源、聚光镜、光栏板、光电码盘、光电元件及信号处理电路组成。其中，光电码盘是在一块玻璃圆盘上用真空镀膜的方法镀上一层不透

33、光的金属薄膜，再涂上一 层均匀的感光材料，然后用精密照相腐蚀工艺，制成沿圆周等距的透光和不透光部分相间的辐射状 线纹，一个相邻的透光或不透光线纹构成一个节距P。在光电码盘里圈的不透光圆环上还刻有一条透光条纹Z作为参考标记，用来产生“一转脉冲”信号，即码盘转一周时发出一个脉冲，通常称其为“零点脉冲”，该脉冲以差动形式 Z、Z输出，用作测量标准。光栏板固定在底座上，与光电码盘保持一个小的间距，其上制有两段线纹组A A（A的反相）和B B（ B的反相），每一组的线纹间的节距与光电码盘相同，而 A组与B组的线纹彼此错开 1/4节距。两组条纹相对应的光电元件所产生 的信号彼此相差 90相位，用于辨向。当

34、光电码盘与工作轴一起旋转时，光线通过光栏板和光电码 盘产生明暗相间的变化，由光电元件接受。通过信号处理电路将光信号转换成电脉冲信号，通过计 量脉冲的数目，即可测出转轴的转角；通过计量脉冲的频率，即可测出转轴的速度；通过测量A组与B组信号相位的超前或滞后的关系确定被测轴的旋转方向。图6-21增量式光电脉冲编码器结构示意图1 光源；2透镜；3光栏板；4光电码盘；5光电兀件；6参考标记光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周的条纹数有关，即分辨角a = 360 /狭缝数。如条纹数为 1024,则分辨角 a = 360 /1024 = 0.352 。光电编码器的输出 信号A、A和

35、B、B为差动信号。差动信号大大提高了传输的抗干扰能力。在数控系统中，常对上述 信号进行倍频处理，以进一步提高分辨力。例如，配置2000脉冲/ r光电编码器的伺服电动机直接驱动8mm螺距的滚珠丝杠，经数控系统4倍频处理后，相当于 8000脉冲/ r的角度分辨力，对应工作台的直线分辨力由倍频前的0.004mm提高到0.001mrn。光电式编码器的优点是没有接触磨损，码盘寿命长，允许转速高，而且最外圈每片宽度可做得 很小，因而精度高。缺点是结构复杂，价格高，光源寿命短。除了上述介绍的增量式光电编码器，目前，还有一种混合式绝对值脉冲编码器，它是将增量制 码与绝对制码同做在一块码盘上。在码盘的最外圈是高

36、密度的增量制条纹，中间有四个码道组成绝 对值式的四位循环码，以二进制码为例，每1 /4同心圆被循环码分割为 16个等分段。圆盘最里面有发一转信号的狭缝。该码盘的工作原理是粗、中、精三级计数，码盘转的转数由对“一转脉冲” 的计数表示，在一转以内的角度位置由循环码的4X 16个不同数值表示，每 1 /4圆循环码的细分由最外圈增量制码完成。整形1 1整形11A相脉冲B相脉冲A 1单稳单稳CB1Q方向 记数R 2Q信号处理原理产生方向控制信号和计数脉冲的电路框图和波形图如下所示。3(a)电路框图A L_-II_IIA1 1 1 1 1B_11_1 LBJ1_1_1A 1nTLnA1n n nB 1n高

37、电平1nnB 1 ri nCCDuLT一 L1LILID咼电平“1“1低电平0高电平13 .nn3nn(b)波形图光电脉冲编码器的输出信号 A A、B、B经差分驱动传输进入数控装置，为A相信号和B相信号，该两相信号为本电路的输入脉冲。经整形和单稳后变成A、B1窄脉冲。正向时，A脉冲超前B脉冲，B方波和A窄脉冲进入C “与非门”，A方波和Bi窄脉冲进入D “与非门”，则C门和D门分别输 出高电平和负脉冲。这两个信号使由1、2两个“与非门”组成的“ R S触发器置“ 0”，(此时，Q端输出“ 0”，代表正方向)，使3 “与非门”输出正走向计数脉冲。反向时，B脉冲超前A脉冲，B、A和A、B1信号同样

38、进入 C D门，但由于其信号相位不同，使C、D门分别输出负脉冲和高电平，从而将“ R S”触发器置“ 1”(Q端输出“ 1”，代表负方向)、3门输出反走计数脉冲。不论正走、反 走，与非门3都是计数脉冲输出门，“R S”触发器的Q端输出方向控制信号。由于增量式光电编码器每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号，因此，根据脉冲的数量、传动比及滚珠丝杠螺距即可得出移动部件的直线位移量。如某带光电编码器的伺服电动机与滚珠丝杠直联(传动比1: 1),光电编码器1024脉冲/ r ,丝杠螺距8mm在数控系统伺服中断时间内计脉冲数10241024脉冲 8mm = 8mm脉冲，则在该时间段里，工作台移动的距离为10

39、24脉冲。在数控回转工作台中，通过在回转轴末端安装编码器，可直接测量回转工作台的角位移。数控 回转工作台与直线轴联动时，可加工空间曲线。在交流电动机变频控制中，与电动机同轴联接的编码器可检测电动机转子磁极相对定子绕组的角度 位置，用于变频控制。2. 绝对值式编码器接触式码盘是一种绝对值式的检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角 度位置均有表示该位置的唯一对应的代码，因此这种测量方式即使断电或切断电源，也能读出转动 角度。如图6-20 (a)所示为4位二进制码盘。它在一个不导电基体上做成许多同心圆形码道和周向等 分扇区，其中涂黑部分为导电区，用“1”表示；其它部分为绝缘区，用“

40、0”表示。这样，在每个扇区，都有由“ 1 “ 0”组成的二进制代码，即每个扇区都可由4位二进制码表示。最里一圈是公共圈，它和各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电阻接电源正极。除公用圈以外，4位二进制码盘的四圈码道上也都装有电刷，电刷经电阻接地。由于码盘是与被测转轴连在一起的，而电刷位置 是固定的，则当码盘随被测轴一起转动时，电刷和码盘的位置发生相对变化，若电刷接触的是导电 区域，则经电刷、码盘、电阻和电源形成回路，该回路中的电阻上有电流流过，为“1”；反之，若电刷接触的是绝缘区域，则不能形成回路，电阻上无电流流过，为“0”，由此可根据电刷的位置得到由“ 1” “0”组成的4位二进制码。通过图

41、 6-20可看出电刷位置与输出二进制代码的对应关系。232202（a）4位二进制码盘（b） 4位格雷码盘图6-20接触式码盘不难看出，码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。由此可以推断出，若是n位二进制码盘，就有 n圈码道，且圆周均分 2n等分，即共有2n个数据来分别表示其不同位置，所能 分辨的最小角度 a为：a = 360 /2n。显然，位数n越大，所能分辨的角度越小，测量精度就越高。所以，若要提高分辨力，就必须 提高码道数，即二进制位数。目前接触式码盘一般可以做到814位二进制。若要求位数更多，则采用组合码盘，一个粗计码盘，一个作为精计码盘。精计码盘转一圈，粗计码盘依次转一格。

42、如果 一个组合码盘是由两个 8位二进制码盘组合而成的，那么便可得到相当于16位的二进制码盘，这样就使测量精度大大提高。但结构却相当复杂。另外，在实际应用中对码盘制作和电刷安装要求十分严格，否则就会产生非单值性误差。若电 刷恰好位于两位码的中间或电刷接触不良，则电刷的检测读数可能会是任意的数字，例如，当电刷 由位置（0111）向位置（1000）过渡时，可能会出现 8到15之间的任一进制数。这种误差称为非 单值误差。为了消除这种误差一般采用循环码，即雷格码。图6-20 （b）为一个4位格雷码盘。比较一下，它与图6-20 （a）所示码盘的不同之处在于，它的各码道的数码并不同时改变，任何两个相邻 数码

43、间只有一位是变化的，所以每次只切换一位数，把误差控制在最小单位内。接触式绝对值编码器优点是简单、体积小、输出信号强。缺点是电刷磨损造成寿命降低，转速 不能太高（每分钟几十转），精度受外圈（最低位）码道宽度限制。因此使用范围有限。3.1.5 磁栅磁栅是利用电磁特性来进行机械位移的检测。主要用于大型机床和精密机床作为位置或位移量的检测元件。磁栅和其他类型的位移传感器相比，具有结构简单、使用方便、动态范围大（120m）和磁信号可以重新录制等特点。其缺点是需要屏蔽和防尘。（一）磁栅式位移传感器的结构和工作原理磁栅式位移传感器的结构原理如图2 8所示。它由磁尺（磁栅）、磁头和检测电路等部分组成。磁尺是采

44、用录磁的方法，在一根基体表面涂有磁性膜的尺子上，记录下一定波长的磁化信号，以 此作为基准刻度标尺。磁头把磁栅上的磁信号检测出来并转换成电信号。检测电路主要用来供给 磁头激励电压和磁头检测到的信号转换为脉冲信号输出。磁尺是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻璃或其它合金材料的基体上，涂敷、化学沉积或电镀 上一层1020 口 m厚的硬磁性材料（如Ni Co P或Fe Co合金），并在它的表面上录制相等节距周期变化的磁信号。磁信号的节距一般为0.05、0.1、0.2、1mm为了防止磁头对磁性膜的磨损，通常在磁性膜上涂一层12 口 m的耐磨塑料保护层。图28 磁栅工作原理1 磁性膜 2 基体 3 磁尺 4 磁

45、头5 铁芯 6 励磁绕组 7 拾磁绕组 磁栅按用途分为长磁栅与圆磁栅两种。长磁栅用于直线位移测量，圆磁栅用于角位移测量。 磁头是进行磁一电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号转换为电信号输送到检测电 路中去。普通录音机、磁带机的磁头是速度响应型磁头，其输出电压幅值与磁通变化率成正比， 只有当磁头与磁带之间有一定相对速度时才能读取磁化信号，所以这种磁头只能用于动态测量， 而不用于位置检测。为了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁通响应型磁头。磁通响应型磁头是利用带可饱和铁芯的磁性调制器原理制成的，其结构如图28所示。在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为励磁绕组，另一个为拾磁绕

46、组，这两个绕组均由 两段绕向相反并绕在不同的铁芯臂上的绕组串联而成。将高频励磁电流通入励磁绕组时，在磁头 上产生磁通 1,当磁头靠近磁尺时，磁尺上的磁信号产生的磁通o进入磁头铁芯，并被高频励磁电流所产生的磁通1所调制。于是在拾磁线圈中感应电压为U Uosinsin t（219）式中U0 输出电压系数;磁尺上磁化信号的节距；x 磁头相对磁尺的位移；3励磁电压的角频率。这种调制输出信号跟磁头与磁尺的相对速度无关。为了辨别磁头在磁尺上的移动方向，通常采用了间距为（m 1/4 ）的两组磁头（其中 m为任意正整数）。如图2 9所示，i 1、i2为励磁电流，其输出电压分别为U12U0sinxsin(220

47、)U2U ocossin t(221)(m _1/4) 入磁尺S S NN S S N N S S N N图29 辨向磁头配置U和U2是相位相差90的两列脉冲。至于哪个导前，则取决于磁尺的移动方向。根据两个 磁头输出信号的超前或滞后，可确定其移动方向。（二）测量方式磁栅的测量方式有鉴幅测量方式和鉴相测量方式。1. 鉴幅测量方式如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤掉后则得到相位差为n /2的两组信号Ui Uosi n（2 22）U2 UocosJ（223）两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检 测。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受到录磁节距入

48、的限制，若要提高分辨率就必须采用较复杂的信频电路，所以不常采用。2. 鉴相测量方式采用相位检测的精度可以大大高于录磁节距入，并可以通过提高内插脉冲频率以提高系统的分辨率。将图中一组磁头的励磁信号移相90,则得到输出电压为UiUosincos t（2 24）U 2U ocos2 sin t（2 25）在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为UUosin t（226）由上式可知，合成输出电压U的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位置x变化而变。读出输出信号的相位，就可确定磁头的位置。板书设计：感应同步器的结构原理旋转变压器的工作原理光栅（摩尔条纹的产生）工作原理 光电计数和变向处理电路其他： 相关

49、标题，主要内容要点等按常规进行书写 要求板书清晰整洁美观，图面大小适度规范，无错字别字和不规范文字符号作业：1 简述脉冲编码盘的属类，功能，应用特点，适合构成何类位置控制系统2 简述直线光栅的基本工作原理，应用特点，适合构成何类位置控制系统3. 简述下图所示的光电计数辨向电路的工作原理A1CQ课后教学小结：（a）电路框图1 讲清几种常用的位置检测传感器件的基本原理，（重点讲述直线光栅和光电脉冲编码盘）,有助于后续教学内容的讲授A2 讲述两类位置传感器件构成位置控制伺服系统的意义和特点，有助于对数控技术课程学习的闭环系统的理解B3 通过课件图片和加工过程录相资料片的播放，加深对位置检测器件的感性

50、理解BiBi高电平1_C淮南联合大学教师授课教案D章节名称1第3章检测环节 高电平“1教学名称低电平第2节 速度检测环节的构成和接口电平”1”教学时数3学时23教学目标1了解测速发电机的结构和工作原理波形图2了解测速发电机的应用特点3 理解测霍尔测速传感器件的组成结构和工作原理4理解测霍尔测速传感器件的接口电路和应用特点课程重点难点1.霍尔测速传感器件的组成结构和工作原理2.霍尔测速传感器件的控制接口电路的原理教学方法及手段1 课堂理论课讲授2 多媒体教学课件播放辅助教学教学过程及时间分配:3.2.1直流测速发电机1。测速发电机应用的意义机电一体化系统的速度检测，完成速度的闭环调解控制2. 支

51、流/交流伺服电机的速度检测种类：（1）测速发电机角速度检测（角速度 电压的转换）（2） 位移传感器脉冲频率检测（角速度-单位时间脉冲个数-计数器）（3） 代码型传感器代码变换周期检测（角速度 -代码变换周期）（4） 频压传感器检测（角速度 -脉冲频率-电压信号）测速发电机的基本种类直流测速发电机交流测速发电机霍耳效应测速发电机直流测速发电机的基本种类按照定子磁极的励磁方式可分为：电磁式测速发电机 永磁式测速发电机基本技术要求要求测速发电机的输出电压与转速严格成正比基本原理直流测速发电机是一种测速元件，实际上它就是一台微型的直流发电机。根据定子磁极激磁方式的不同，直流测速发电机可分为电磁式和永磁

52、 式两种。如以电枢的结构不同来分，有无槽电枢、 有槽电枢、空心杯电枢和圆盘电枢等。测速发电机的结构有多种，但原理基本相同。 图2 17所示为永磁式测速发电机原理电路图。恒 定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢 绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成 正比的直流电势。V0/V 理想值实测值RliRL2=(?RLRLRl1Rl2n/(r/min)输出信号和负载的关系直流测速发电机的输出特性曲线如图2 18所示。从图中可以看出，当负载电阻R*时，其输出电压 V0与转速n成正比。随着负载 电阻FL变小，其输出电压下降，而且输出电压 与转速之间并不能严格保持线性关系。由此可 见，对于要求精

53、度比较高的直流测速发电机， 除采取其它措施外，负载电阻FL应尽量大。图2 17永磁式测速发电机原理图图218直流测速发电机输出特性直流测速发电机的特点是输出斜率大、线性好，但由于有电刷和换向器、构造和维护比较复杂，摩擦转矩较大。 应用直流测速发电机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。在使用中，为了提高检测 灵敏度，尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就已安装了测速发电机。3.2.2霍尔转速传感器霍尔转速传感器-概述1.霍尔转速传感器的基本工作原理(1) 利用霍尔基层开关元件检测运动转速(2) 备测件固定1至若干磁钢，转动时每一磁钢经过霍尔元件时,均产生一个脉冲，经计数获得转速数字信号2.霍尔转速传感器的应用特点（1 ）结构简单，系统成本低（2 ）直接产生数字脉冲信号易于和CPU系统接口霍尔转速传感器-应用电路霍尔转速传