数字式位置传感器

1、2021-11-151 本章本章学习几种常用数字式位置传学习几种常用数字式位置传感器的结构、原理，如角编码器、光感器的结构、原理，如角编码器、光栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器等等，并讨论他们在直线位移和角位移，并讨论他们在直线位移和角位移中测量、控制的应用。中测量、控制的应用。第十一章第十一章 数字式位置传感器数字式位置传感器2021-11-152第一节 位置测量的方式位置测量的方式 一、直接测量和间接测量一、直接测量和间接测量 位置传感器有位置传感器有直线式直线式和和旋转式旋转式两大类。若位置两大类。若位置传感器所测量的对象就是被测量本身，即用直线式传感器所

2、测量的对象就是被测量本身，即用直线式传感器测直线位移，用旋转式传感器测角位移，则传感器测直线位移，用旋转式传感器测角位移，则该测量方式为直接测量。例如直接用于直线位移测该测量方式为直接测量。例如直接用于直线位移测量的量的直线光栅和长磁栅直线光栅和长磁栅等；直接用于角度测量的等；直接用于角度测量的角角编码器、圆光栅、圆磁栅编码器、圆光栅、圆磁栅等。等。 若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值，再由它值，再由它推算推算出与之关联的移动部件的直线位移，出与之关联的移动部件的直线位移，则该测量方式为则该测量方式为间接测量间接测量。 2021-11-1531.

3、1.直接测量直接测量 直接测直接测量的误差较量的误差较小。小。 图为利图为利用光栅传感用光栅传感器测量数控器测量数控机床工作台机床工作台位移量的现位移量的现场照片。场照片。 工作台工作台光栅光栅工作台运动方向工作台运动方向2021-11-1542.2.间接测量间接测量 在间接测量在间接测量中，多使用旋转式中，多使用旋转式位置传感器。测量位置传感器。测量到的回转运动参数到的回转运动参数仅仅是中间值，但仅仅是中间值，但可由这中间值再推可由这中间值再推算出与之关联的移算出与之关联的移动部件的直线位移动部件的直线位移间接测量须使用丝间接测量须使用丝杠杠- -螺母、齿轮螺母、齿轮- -齿齿条等传动机构。

4、条等传动机构。 工作台工作台丝杠丝杠编码器编码器进给电机进给电机 x2021-11-155传动机构传动机构 滚珠丝杠螺母滚珠丝杠螺母副、齿轮副、齿轮- -齿条副齿条副等传动机构能够等传动机构能够将旋转运动转换将旋转运动转换成直线运动。但成直线运动。但应设法消除传导应设法消除传导过程产生的间隙过程产生的间隙误差。误差。 齿距齿距齿条齿条齿轮齿轮 x2021-11-156滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母滚珠丝杠螺母副能够将减小传副能够将减小传动磨檫力，延长动磨檫力，延长使用寿命，减小使用寿命，减小间隙误差。间隙误差。 螺母螺母丝杠丝杠x 2021-11-157传动分析传动分析 设：螺距设

5、：螺距t=4mm，丝杠在，丝杠在4s时间里转动了时间里转动了10圈，圈，求：丝杠的平均转速求：丝杠的平均转速n(r/min)及螺母移动了多少毫及螺母移动了多少毫米？螺母的平均速度米？螺母的平均速度v又为多少？又为多少？ 螺母螺母丝杠丝杠螺距螺距x=？n=10圈圈2021-11-158 二、增量式和二、增量式和 绝对式测量绝对式测量 在在增量式增量式测量中，移动测量中，移动部件每移动一个基本长度单部件每移动一个基本长度单位，位置传感器便发出一个位，位置传感器便发出一个测量信号，此信号通常是脉测量信号，此信号通常是脉冲形式。这样，冲形式。这样，一个脉冲一个脉冲所所代表的基本长度单位就是代表的基本长

6、度单位就是分分辨力辨力，对脉冲，对脉冲计数计数，便可得，便可得到位移量。到位移量。绝对式绝对式测量的特点是：测量的特点是： 每一被测点都有一个对应的每一被测点都有一个对应的编码编码，常以，常以二进制数据二进制数据形式形式来表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前来表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前位置的数据。典型的绝对式位置传感器有位置的数据。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器绝对式角编码器。增量式测量得到的脉冲波形增量式测量得到的脉冲波形2021-11-159作业作业p201:p201:3 3、5 52021-11-1510休休 息息 一一 下下2021-1

7、1-1511第二节第二节 数字式角编码器数字式角编码器 信号航空插头信号航空插头（参考德国沃申道夫公司资料）（参考德国沃申道夫公司资料）2021-11-1512其他角编码器外形其他角编码器外形2021-11-1513其他角编码器外形（续）其他角编码器外形（续） 拉线式拉线式角编角编码器利用线轮，码器利用线轮，能将直线运动转能将直线运动转换成旋转运动。换成旋转运动。2021-11-1514其他角编码器外形其他角编码器外形（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）2021-11-1515一、绝对式编码器 绝对式码盘与增量绝对式码盘与增量式码盘有何区别？式码

8、盘有何区别？10码道光电绝对式码盘码道光电绝对式码盘 绝对式编码器按照绝对式编码器按照角度直接进行编码，角度直接进行编码，可直接把被测转角用可直接把被测转角用数字代码表示出来。数字代码表示出来。根据内部结构和检测根据内部结构和检测方式有接触式、光电方式有接触式、光电式等形式。式等形式。 透光区透光区不透光区不透光区零位标志零位标志2021-11-1516绝对式接触式编码器绝对式接触式编码器演示演示4 4个电刷个电刷 4 4位二进制位二进制码盘码盘 +5v +5v输入输入 公共码道公共码道 最小分辨角度为最小分辨角度为 =360/2n 2021-11-15172 2绝对式光电编码器绝对式光电编码

9、器 a a）光电码盘的平面结构（）光电码盘的平面结构（8 8码道）码道） b b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4 4码道）码道） 高位高位低位低位2021-11-1518绝对式光电编码器的分辨力及分辨率绝对式光电编码器的分辨力及分辨率 绝对式光电编码器的测量精度取决绝对式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道数上的码道数n 有关，即最小能分辨的角度有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：及分辨率为： =360/2n分辨率分辨率=1/2n2021-11-1519增量式光电编码器的分辨力及分辨率

10、增量式光电编码器的分辨力及分辨率 增量式光电编码器的测量精度取决于它增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数狭缝条纹数n 有关，即最小能分辨的角度及有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：分辨率为： 360 11-3n1 11-4n分辨率2021-11-1520二、增量式编码器转轴转轴盘码及盘码及狭缝狭缝光敏元件光敏元件光栏板及辨向用的光栏板及辨向用的a、b狭缝狭缝ledabc零位标志零位标志abc2021-11-1521光电编码器的输出波形光电编码器的输出波形 为了判断码盘旋转的方向，在上图为了判断码盘旋转的方向，在

11、上图的光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的的光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个两个狭缝距离的（狭缝距离的（m +1/4）倍，）倍，m 为正整为正整数，并设置了两组光敏元件数，并设置了两组光敏元件a、b，有时，有时又称为又称为sin、cos元件。元件。2021-11-1522辨向信号和零标志辨向信号和零标志 光电编码器的光栏板上有光电编码器的光栏板上有a组与组与b组两组狭缝，彼此错组两组狭缝，彼此错开开1/4节距，两组狭缝相对应节距，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号的光敏元件所产生的信号a、 b彼此相差彼此相差90 相位，用于辩向。相位，用于辩向。当编码正转时，当编码正转时，a信号超前信号超前

12、b信号信号90 ；当码盘反转时，；当码盘反转时，b信信号超前号超前a信号信号90 。(请画出反转时信号请画出反转时信号b的波形）的波形） 在上一页图的码盘里圈，还有一根在上一页图的码盘里圈，还有一根狭缝狭缝c，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信一转信号号”或或零标志脉冲零标志脉冲，作为测量的，作为测量的起始基准起始基准。2021-11-1523三、角编码器的应用三、角编码器的应用 角编码器除了能直接测量角位移或间角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外，可用于数字测速、工接测量直线位移外，可用于数字测速、工位编码、位编码、伺服电机控制伺服电机控

13、制等。等。 2021-11-1524m法测速（适合于高转速场合）法测速（适合于高转速场合）t 编码器每转产生编码器每转产生 n 个脉冲，在个脉冲，在t 时间段内有时间段内有 m1 个脉冲产生，则转速个脉冲产生，则转速（r/min)为为 ：n = 60m1/（nt） m12021-11-1525例题例题t 有一增量式光电编码器，其参数为有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r， 在在5s时间内测得时间内测得65536个脉冲，则个脉冲，则转速（转速（r/min)为为 ： n = 60 65536 /（1024 5） r/min = 768 r/min m12021-11-1526t法测速（适合

14、于低转速场合）法测速（适合于低转速场合）时钟脉冲时钟脉冲fc 编码器输出脉冲编码器输出脉冲 m2 编码器每转产生编码器每转产生 n 个脉冲，用已知个脉冲，用已知频率频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为个相邻脉冲之间的脉冲数为m2 ，则转速，则转速(r/min)为为 n = 60fc / （nm2 ） 2021-11-1527t法测速举例法测速举例时钟脉冲时钟脉冲fc 编码器输出脉冲编码器输出脉冲 m2 n = 60fc /（nm2 ） = 60*1000000/（1024*3000） =19.53 r/min 有一增量式光电编码器，其参数

15、为有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频，时钟频率率fc为为1mhz ，则转速（，则转速（r/min)为为 ：2021-11-1528安装套安装套编码器的安装方式编码器的安装方式 1. 1.编码器编码器的套式安装的套式安装2021-11-1529安装轴安装轴2.2.编码器的轴式安装编码器的轴式安装2021-11-1530编码器在定位编码器在定位加工中的加工中的应用应用1 1绝对式编码器绝对式编码器 2电动机电动机 3转轴转轴 4转盘转盘 5工件工件 6刀具刀具 设该增量式光电编码器设该增量式光电编码器的参数为的

16、参数为1024 1024 p/rp/r，大、小，大、小皮带轮的传动比为皮带轮的传动比为5 5，若希望，若希望当加工好元件当加工好元件1 1后紧接着加工后紧接着加工元件元件8 8，则电动机转动了多少，则电动机转动了多少分之几圈？应等待编码器分之几圈？应等待编码器给给出多少脉冲数时，出多少脉冲数时，电动机停电动机停转？转？2021-11-1531数控数控加工中心加工中心2021-11-1532 编码器在数控编码器在数控加工中心的刀库选加工中心的刀库选刀控制中刀控制中的应用的应用旋转刀库旋转刀库被加工工件被加工工件刀具刀具角编码器的输出为角编码器的输出为当前刀具号当前刀具号角编码器与角编码器与 旋转

17、刀库连接旋转刀库连接2021-11-1533 用不同的刀具用不同的刀具加工复杂的工件加工复杂的工件2021-11-1534编码器在伺服电机中的应用编码器在伺服电机中的应用 利用利用编码器测编码器测量量伺服电机的转速、伺服电机的转速、转角，并通过伺服转角，并通过伺服控制系统控制其各控制系统控制其各种运行参数。种运行参数。转速测量转速测量转子磁极位置测量转子磁极位置测量角位移测量角位移测量2021-11-1535作业作业p201:p201:3 3、5 52021-11-1536休休 息息 一一 下下2021-11-1537第三节第三节 光栅传感器光栅传感器 一、光栅的类型和结构一、光栅的类型和结构

18、 计量光栅可分为透射式光栅和反射计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。计量光栅按形状敏元件三大部分组成。计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。又可分为长光栅和圆光栅。 2021-11-1538尺身尺身尺身安装孔尺身安装孔 反射式扫描头反射式扫描头 （与移动部件固定）（与移动部件固定）扫描头安装孔扫描头安装孔可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长磁栅防尘保护罩的内部为长磁栅2021-11-1539扫描头扫描头（与移动部件固定）（与移动部件固定）光栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆光栅的外

19、形及结构（续）光栅的外形及结构（续）2021-11-1540反射式光栅反射式光栅2021-11-1541透射式光栅透射式光栅2021-11-1542透射式圆光栅透射式圆光栅固定固定2021-11-1543莫尔条纹莫尔条纹的光学放大作用的光学放大作用 在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角角。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互

20、挡光作用而形成暗带。光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。 光栅的刻线宽度光栅的刻线宽度w莫尔条纹的莫尔条纹的宽度宽度l l lw/ ，（为主为主光栅和光栅和指示光栅刻线的指示光栅刻线的夹角，弧度）夹角，弧度） 2021-11-1544莫尔条纹莫尔条纹演示演示2021-11-1545莫尔条纹莫尔条纹光学放大作用光学放大作用举例举例 有一直线光栅，每毫米刻线数为有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与，主光栅与指示光栅的夹角指示光栅的夹角 =1.8 ，则：，则： 分辨力分辨力 =栅距栅距w =1mm/50=0.02mm=20 m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）（由于栅距很小，

21、因此无法观察光强的变化） 莫尔条纹的莫尔条纹的宽度是栅距的宽度是栅距的32倍：倍： l w/ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察观察”莫尔条纹莫尔条纹光强的变化。光强的变化。2021-11-1546光栅的输出信号（光栅的输出信号（ttlttl）余弦信号余弦信号（超前）（超前）正弦信号正弦信号零位信号零位信号2021-11-1547光栅输出信号（电压正弦波）光栅输出信号（电压正弦波）细分点细分点余弦信号余弦信号正弦信号正弦信号零位信号零位信号2021-1

22、1-1548脉冲细分脉冲细分 细分技术能在不细分技术能在不增加光栅刻线数及价增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅格的情况下提高光栅的分辨力。细分前，的分辨力。细分前，光栅的分辨力只有一光栅的分辨力只有一个栅距的大小。采用个栅距的大小。采用4 4细分技术后，计数细分技术后，计数脉冲的频率提高了脉冲的频率提高了4 4倍，相当于原光栅的倍，相当于原光栅的分辨力提高了分辨力提高了3 3倍，倍，测 量 步 距 是 原 来 的测 量 步 距 是 原 来 的1/41/4，较大地提高了，较大地提高了测量精度。测量精度。细分前细分前细分后细分后2021-11-1549光栅细分光栅细分举例举例 有一直线光栅，每毫

23、米刻线数为有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细，细分数为分数为4细分细分，则：，则： 分辨力分辨力 =w /4 =（1mm/50）/4=0.005mm=5 m 采用细分技术，采用细分技术，在不增加光栅在不增加光栅刻线数刻线数（成本）的情况下，将分辨力提高了（成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。倍。2021-11-1550辨向电路及波形辨向电路及波形 如果传感器只安装一套光电元件，则如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，无法分辨位移的方向。号，无法分辨位移

24、的方向。 例：某例：某1024p/r 圆光栅，正转圆光栅，正转10圈，反圈，反转转 4 圈，若不采取辨向措施，则计数器将圈，若不采取辨向措施，则计数器将错误地得到错误地得到14336个脉冲，而正确值为：个脉冲，而正确值为：(104)10246144个脉冲。个脉冲。2021-11-1551正向运动正向运动产生产生加法脉冲加法脉冲 正向正向运动时，运动时，与与门门ic2无无“减减”计数脉计数脉冲输出。冲输出。2021-11-1552为光栅设计的专用数据转接器为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）（光栅计数卡） 内部包含以下电路：放大、整形、内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换

25、等。细分、辨向、报警、阻抗变换等。2021-11-1553为光栅设计为光栅设计的专用信号的专用信号处理单元处理单元 （光栅插补器）（光栅插补器）功能同上页功能同上页2021-11-1554光栅在机床上的安装位置光栅在机床上的安装位置（2 2个自由度）个自由度）2021-11-1555光栅在机床上的安装位置光栅在机床上的安装位置（3个自由度）个自由度）数显表数显表2021-11-1556光栅在机床上光栅在机床上的安装位置的安装位置 （3个自由度）个自由度）（续）（续）2021-11-15572 2自由度光栅数显表自由度光栅数显表x位移位移显示显示z（y）位移）位移显示显示2021-11-1558

26、3 3自由度光栅数显表自由度光栅数显表2021-11-1559光栅数显表（续）光栅数显表（续）三座标三座标数显表数显表2021-11-1560sds8-3e sds8-3e 光栅数显箱功能光栅数显箱功能: : 公制公制/英制转换英制转换绝对绝对/相对转换相对转换线性误差补偿线性误差补偿正反方向计算正反方向计算归零归零插值补偿插值补偿到达目标值停机到达目标值停机pcd圆周分孔圆周分孔200组零位记忆组零位记忆电蚀深度目标值显示电蚀深度目标值显示实时工作位置显示实时工作位置显示掉电记忆掉电记忆 2021-11-1561光栅数显表（续）光栅数显表（续） 设定按键设定按键2021-11-1562安装有

27、直线光栅的数控机床加工实况安装有直线光栅的数控机床加工实况 防护罩内为直线光栅防护罩内为直线光栅光栅扫描头光栅扫描头被加工工件被加工工件切削刀具切削刀具角编码器角编码器安装在夹安装在夹具的端部具的端部2021-11-1563作业作业p201:p201:3 3、5 52021-11-1564休休 息息 一一 下下2021-11-1565第四节第四节 磁栅传感器磁栅传感器 磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易于安装，测量范围宽可于安装，测量范围宽可超过十几米超过十几米，抗干，抗干扰能力强。磁栅可分为扰能力强。磁栅可分为长磁栅长磁栅和和圆磁栅圆磁栅。长磁栅主要用于直线位移

28、测量，圆磁栅主长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。磁栅传感器主要由磁要用于角位移测量。磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成。尺、磁头和信号处理电路组成。 2021-11-1566磁栅的外形及结构磁栅的外形及结构磁尺磁尺静态磁头静态磁头去信号处理电路去信号处理电路固定孔固定孔2021-11-1567磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示2021-11-1568鉴相型磁栅数显表的原理框图鉴相型磁栅数显表的原理框图 磁尺与磁头接触，使用寿命磁尺与磁头接触，使用寿命不如光栅，数年后易退磁。不如光栅，数年后易退磁。设置两个磁头的设置两个磁头的意义何

29、在？意义何在？2021-11-1569磁栅测量系统磁栅测量系统压板压板磁头磁头磁尺磁尺2021-11-1570磁栅在磨床测长系统中的应用磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺磁尺磁头安装在何处？磁头安装在何处？2021-11-1571第五节第五节 容栅传感器容栅传感器 容栅传感器是基于容栅传感器是基于变面积变面积工作原理工作原理的电容传感器，它的的电容传感器，它的电极排列如同栅状电极排列如同栅状。与其他大位移传感器，如光栅、磁栅等与其他大位移传感器，如光栅、磁栅等相比，虽然精度稍差，但相比，虽然精度稍差，但体积小、造价体积小、造价低、耗电省低、耗电省，广泛应用于电子数显卡尺、，广泛应用于电子数显卡尺、千分尺、高度仪、坐标仪等千分尺、高度仪、坐标仪等几百毫米以几百毫米以下下行程的测量中。行程的测量中。 2021-11-1572结构及工作原理结构及工作原理 容栅传感器可分为三类：容栅传感器可分为三类：直线型容直线型容栅、圆容栅栅、圆