编码器与光栅

1、 传感器与检测技术传感器与检测技术 Sensor and Detection Technology 朱启兵朱启兵2/48传感器与检测技术传感器与检测技术第第4章章 光电式传感器光电式传感器光光 栅栅1.2光电码盘光电码盘.23/48第第4章光电式传感器章光电式传感器4.2.1 光电码盘光电码盘 编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类：编码器主要分为脉冲盘式和码盘式两大类： 脉冲盘式编码器不能直接输出数字编码，需要增加有关数字电路才可脉冲盘式编码器不能直接输出数字编码，需要增加有关数字电路才可能得到数字编码。而码盘式编码器能直接输出某种码制的数码能得到数字编码。而码盘式编码器能直接

2、输出某种码制的数码(后面将详后面将详细说明细说明)。这两种形式的数字传感器，由于它们具有高精度、高分辨率和。这两种形式的数字传感器，由于它们具有高精度、高分辨率和高可靠性，已被广泛应用于各种位移量的测量。目前，使用最多的是光高可靠性，已被广泛应用于各种位移量的测量。目前，使用最多的是光电编码器，本节将重点予以介绍。电编码器，本节将重点予以介绍。 码盘式编码器也称为绝对编码器，它将角度或直线坐标转换为数字编码盘式编码器也称为绝对编码器，它将角度或直线坐标转换为数字编码，能方便地与数字系统码，能方便地与数字系统(如微机如微机)联接。编码器按其结构可分为接触式、联接。编码器按其结构可分为接触式、光电

3、式和电磁式三种，后两种为非接触式编码光电式和电磁式三种，后两种为非接触式编码（绝对编码器）码盘式编码器增量编码器脉冲盘式编码器编码器)(光电式编码器电磁式编码器接触式编码器4/48第第4章光电式传感器章光电式传感器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=360/2n5/48 光电式编码器光电式编码器 接触式编码器的分辨率受电刷的限制不可接触式编码器的分辨率受电刷的限制不可能很高；而光电式编码器由于使用了体积小、能很高；而光电式编码器由于使用了体积小、易于集成的光电元件

4、代替机械的接触电刷，其易于集成的光电元件代替机械的接触电刷，其测量精度和分辨率能达到很高水平。测量精度和分辨率能达到很高水平。 1光电式编码器的结构和工作原理光电式编码器的结构和工作原理 光电编码器的最大特点是非接触式的。光电编码器的最大特点是非接触式的。因此，它的使用寿命长，可靠性高。它是因此，它的使用寿命长，可靠性高。它是一种绝对编码器，几位编码器的码盘上就一种绝对编码器，几位编码器的码盘上就有几个码道，编码器在转轴的任何位置都有几个码道，编码器在转轴的任何位置都可以输出一个固定的与位置相对的数字码。可以输出一个固定的与位置相对的数字码。这一点，与接触式码盘编码器是一样的。这一点，与接触式

5、码盘编码器是一样的。不同的是光电编码器的码盘采用照相腐蚀不同的是光电编码器的码盘采用照相腐蚀直线坐标编码示意图第第4章光电式传感器章光电式传感器6/48第第4章光电式传感器章光电式传感器2.码盘和码制码盘和码制存在问题：多个存在问题：多个状态同时改变，状态同时改变，容易产生粗大误容易产生粗大误差差7/48第第4章光电式传感器章光电式传感器2.码盘和码制码盘和码制解决办法：格雷码解决办法：格雷码8/48 2用插值法提高分辨率用插值法提高分辨率 为了提高测量的精度和分辨率，常规的方法就是增加码盘的码道数，为了提高测量的精度和分辨率，常规的方法就是增加码盘的码道数，即增加刻线数。但是，由于制造工艺的

6、限制，当刻度数多到一定数量后，即增加刻线数。但是，由于制造工艺的限制，当刻度数多到一定数量后，就难以实现了。在这样的情况下，可以采用一种用光学分解技术就难以实现了。在这样的情况下，可以采用一种用光学分解技术(插值法插值法)来进一步提高分辨率。来进一步提高分辨率。第第4章光电式传感器章光电式传感器9/48第第4章光电式传感器章光电式传感器10/48第第4章光电式传感器章光电式传感器二、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ABC11/48第第4章光电式传感器章光电式传感器360 n1 n分辨率辨向信号和零

7、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） 12/48测量转速 增量编码器除直接用于测量相对角位移外，常用来测量转轴的转速。最简单的方法就是在给定的时间间隔内对编码器的输出脉冲进行计数，它所

8、测量的是平均转速。 第第4章光电式传感器章光电式传感器M法法T法法13/48测量线位移 利用一套机械装置把线位移转换成角位移。测量系统的精度将主要取决于机械装置的精度第第4章光电式传感器章光电式传感器14/48图1027（a）表示通过丝杆将直线运动转换成旋转运动。例如用一每转1500脉冲数的增量编码器和一导程为6mm的丝杆，可达到4m的分辨力。为了提高精度，可采用滚珠丝杆与双螺母消隙机构。图（b）是用齿轮齿条来实现直线旋转运动转换的一种方法。一般说，这种系统的精度较低。图（c）和（d）分别表示用皮带传动和摩擦传动来实现线位移与角位移之间变换的两种方法。该系统结构简单，特别适用于需要进行长距离位

9、移测量及某些环境条件恶劣的场所。 无论用哪一种方法来实现线位移角位移的转换，一般增量编码器的码盘都要旋转多圈。这时，编码器的零位基准已失去作用。为计数系统所必须的基准零位，可由附加的装置来提供。如用机械、光电等方法来实现。第第4章光电式传感器章光电式传感器15/48 计数和辨向计数和辨向为了辨别码盘旋转方向，可以采用下图所示的电路利用为了辨别码盘旋转方向，可以采用下图所示的电路利用A、B两相脉冲来两相脉冲来实现。光电元件实现。光电元件A、B输出情号经放大整形后，产生输出情号经放大整形后，产生P1和和P2脉冲。将它们脉冲。将它们分别接到分别接到D触发器的触发器的D端和端和CP端，由于端，由于A、

10、B两相脉冲两相脉冲(P1和和P2) 脉冲相差脉冲相差90，D触发器触发器FF在在CP脉冲脉冲(P2)的上升沿触发。正转时的上升沿触发。正转时P1脉冲超前脉冲超前P2脉冲，脉冲，FF的的Q“1”表示正转；当反转时，表示正转；当反转时，P2超前超前P1脉冲，脉冲，FF的的Q“0”表示反表示反转。转。可以用可以用Q作为控制可逆计数器作为控制可逆计数器是正向还是反问计数，即可将是正向还是反问计数，即可将光电脉冲变成编码输出。光电脉冲变成编码输出。C相脉相脉冲接至计数器的复值端，实现冲接至计数器的复值端，实现每码盘转动一圈复每码盘转动一圈复位一次计数器的目的。码盘无位一次计数器的目的。码盘无论正转还是反

11、转，计数器每次论正转还是反转，计数器每次反映的都是相对于上次角度的反映的都是相对于上次角度的增量，故这种测量称为增量法。增量，故这种测量称为增量法。 第第4章光电式传感器章光电式传感器16/48四倍频细分电路原理图如图1029（a）所示。输出x1与x2信号作为计数器双时钟输人信号。按电路图可得如下逻辑表达式：细分电路 第第4章光电式传感器章光电式传感器17/48第第4章光电式传感器章光电式传感器18/48 Q1、Q2、Q3和 Q4分别与S1、S2和相对应。当正向转动时，S1信号超前S2相位/2。电路各点的波形如图1029（b）所示，与门输出Y1、Y2、Y3和Y4的脉冲宽度仅为S1或S2信号脉冲

12、宽度的一半，相位差为/2。单稳电路输出Q1、Q2、Q3和 Q4的脉冲宽度应尽可能窄，至少要小于S1信号最小脉冲宽度的12，但同时要满足与Y1、Y2、Y3和Y4相“与”的要求。由图1029可知，在S1信号的一个周期内，得到了四个加计数脉冲输出，这样就实现了四倍频的加计数。由于光栅与光电增量编码器的输出基本相同，上述测量电路同样可用作光栅测量电路。第第4章光电式传感器章光电式传感器19/48第第4章光电式传感器章光电式传感器光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光器件。按工作原理，有物理光栅和计量光栅之分，前者的刻线比后者细密。物理光栅主要利用光的衍射现象，通常用于光谱分析和

13、光波长测定等方面；计量光栅主要利用光栅的莫尔条纹现象，它被广泛应用于位移的精密测量与控制中。按应用需要，计量光栅又有透射光栅和反射光栅之分，而且根据用途不同，可制成用于测量线位移的长光栅和测量位移的圆光栅。4.2.2 4.2.2 光光 栅栅 20/48第第4章光电式传感器章光电式传感器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21/48第第4章光电式传感器章光电式传感器扫描头扫描头（与移动部件固定）（与移动部件固定）光栅尺

14、光栅尺可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构（续）光栅的外形及结构（续）22/48第第4章光电式传感器章光电式传感器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

15、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） 23/48条纹间距条纹间距L与栅距与栅距W和夹角和夹角有如下关系：有如下关系：2tg 2WL2cosWW 2cos222tg tg sin222WWWWL 当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将会沿着这当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将会沿着这两个光栅刻线夹角的平分线的平行方向移动，光栅每移动一个两个光栅刻线夹角的平分线的平行方向移动，光栅每移动一个W，莫尔条，莫尔条纹也移动一个间距纹也移动一个间距B。 越小，越小，B越大，越大，当小

16、于当小于1以后，可使以后，可使BW，即莫尔现象具有使栅距，即莫尔现象具有使栅距放大的作用。因此，读出莫尔条纹的数目比读光栅刻线的数目要方便得放大的作用。因此，读出莫尔条纹的数目比读光栅刻线的数目要方便得多。通过光栅栅距的位移和莫尔条纹位移的对应关系，就可以容易地测多。通过光栅栅距的位移和莫尔条纹位移的对应关系，就可以容易地测量莫尔条纹移动数，获取小于光栅栅距的微小位移量。量莫尔条纹移动数，获取小于光栅栅距的微小位移量。第第4章光电式传感器章光电式传感器24/48第第4章光电式传感器章光电式传感器莫尔条纹莫尔条纹演示演示25/48第第4章光电式传感器章光电式传感器 有一直线光栅，每毫米刻线数为有

17、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，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。26/48第第4章光电式传感器章光电式传感器 1光电转

18、换光电转换 主光栅和指示光栅作相对位移主光栅和指示光栅作相对位移产生了莫尔条纹，莫尔条纹需要产生了莫尔条纹，莫尔条纹需要经过转换电路才能将光信弓转换经过转换电路才能将光信弓转换成电信号。光栅传感器的光电转成电信号。光栅传感器的光电转换系统由聚光镜和光敏元件组成，换系统由聚光镜和光敏元件组成，如右图如右图 (a)所示。当两块光栅作相所示。当两块光栅作相对移动时，光敏元件上的光强对移动时，光敏元件上的光强光栅式传感器的测量电路光栅式传感器的测量电路随莫尔条纹移动而变化。在随莫尔条纹移动而变化。在a处两光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电元件输处两光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电元件输出的电信号也最

19、大；出的电信号也最大；c处由于光被遮去一半，光强减小；处由于光被遮去一半，光强减小；d处的光全被遮去的成处的光全被遮去的成全黑，光强为零；若光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大，因全黑，光强为零；若光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大，因而形成了如上图而形成了如上图 (b)所示的输出波形。所示的输出波形。 光敏元件输出的波形可近似用如下公式描述：光敏元件输出的波形可近似用如下公式描述： 式中式中 U0 输出信号的直流分量；输出信号的直流分量； Um 输出信号的交流信号幅值；输出信号的交流信号幅值； x 光栅的相对位移量。光栅的相对位移量。WxUUUm2sin027/48第第

20、4章光电式传感器章光电式传感器 2辨向原理辨向原理 为了辨别主光栅是向左还是向右移动，可在相隔为了辨别主光栅是向左还是向右移动，可在相隔1/4条纹间的位置上条纹间的位置上安装两只光敏元件，这两只光敏元件输出信号安装两只光敏元件，这两只光敏元件输出信号U1、U2的相位差将为的相位差将为/2，可以根据它们超前可以根据它们超前/滞后的关系判别出指示光栅的移动方向，如下图所示。滞后的关系判别出指示光栅的移动方向，如下图所示。 两种信号经整形后得到方波两种信号经整形后得到方波U1/和和U2/。U2/ 作为门控信号同作为门控信号同U1/的微的微分信号一起输入到与门分信号一起输入到与门Y1、同、同U1/倒倒

21、相后的微分信号一起输入到与门相后的微分信号一起输入到与门Y2。光栅右移时，光栅右移时，U2/超前超前U1/，则先于，则先于U1/的微分信号打开了的微分信号打开了Y1，可从，可从Y1得得到向右移动脉冲输出（到向右移动脉冲输出（Y1称为右移称为右移动脉冲输出端）；而动脉冲输出端）；而U1/倒相后的微倒相后的微分信号到达分信号到达Y2时时Y2已关闭，则已关闭，则Y2（左移动脉冲输出端）没有输出，（左移动脉冲输出端）没有输出，反之亦然。这样就实现了主光栅左反之亦然。这样就实现了主光栅左右移动的方向辨别和移动脉冲的输右移动的方向辨别和移动脉冲的输出。出。28/48第第4章光电式传感器章光电式传感器 3细分原理细分原理 如果