专题10数字式位移传感器

专题10数字式位移传感器(138到145页）2023/2/52位置测量的方式一、直接测量和间接测量

位置传感器有直线式和旋转式两大类。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量的直线光栅和长磁栅等；直接用于角度测量的角编码器、圆光栅、圆磁栅等。

若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值，再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移，则该测量方式为间接测量。

2023/2/531.直接测量

直接测量的误差较小。图为利用光栅传感器测量数控机床工作台位移量的现场照片。

工作台光栅工作台运动方向2023/2/542.间接测量

在间接测量中，多使用旋转式位置传感器。测量到的回转运动参数仅仅是中间值，但可由这中间值再推算出与之关联的移动部件的直线位移间接测量须使用丝杠-螺母、齿轮-齿条等传动机构。工作台丝杠编码器进给电机θ

x2023/2/55传动机构

滚珠丝杠螺母副、齿轮-齿条副等传动机构能够将旋转运动转换成直线运动。但应设法消除传导过程产生的间隙误差。齿距齿条齿轮θ

x2023/2/56滚珠丝杠螺母副

滚珠丝杠螺母副能够将减小传动磨檫力，延长使用寿命，减小间隙误差。螺母丝杠xθ

2023/2/57传动分析

设：螺距t=4mm，丝杠在4s时间里转动了10圈，求：丝杠的平均转速n(r/min)及螺母移动了多少毫米？螺母的平均速度v又为多少？螺母丝杠螺距x=？N=10圈2023/2/58

二、增量式和绝对式测量

在增量式测量中，移动部件每移动一个基本长度单位，位置传感器便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式。这样，一个脉冲所代表的基本长度单位就是分辨力，对脉冲计数，便可得到位移量。绝对式测量的特点是：

每一被测点都有一个对应的编码，常以二进制数据形式来表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前位置的数据。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。增量式测量得到的脉冲波形2023/2/59数字编码器1）相关概念数字式位移传感器分绝对编码式和计数式两类，其中计数式有分频式和计数（增量）式，计数式有增量码盘式和栅式如光栅等两类。编码器是根据位置的“编码”，把位移转换成“数字代码”。测线位移的称直线编码器，测角位移的称旋转编码器。旋转编码器有绝对码和增量码编码器。绝对码编码器的任意位置都对应固定的编码，不需基准点和计数就可确定角位移及所处位置。增量码编码器输出的是一系列脉冲，对其计数并对照（零位）基准数据实现位移测量。编码器与同样尺寸的模拟式传感器相比，有更高的精度、灵敏度及可靠性。2023/2/510信号航空插头（参考德国沃申道夫公司资料）2023/2/511其他角编码器外形2023/2/512其他角编码器外形（续）

拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。2023/2/513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）2023/2/514数字编码器1）绝对码编码器按变换原理分类：光电式、磁电式等，基于不同的敏感/转换元件,有相似结构但内涵不同的码盘。（1）码盘：一组同心圆环码道，中心孔用于安装。码道数n决定分辨力，二进制码盘第n道的角度分辨力为/2n-1

rad。敏感元件的几何参数和物理特性决定码道径向尺寸。二进制码盘的2n个扇形网格区对应2n组编码，确定码盘上2n个角位置的对应输出码，输出数字的变化对应角位移量。二进制码盘每个扇形网格对应由里到外

n个“1”或“0”小网格组成的一组数字码。光电式中“l”对应透明码区，光敏管能收到信号光；“0”对应不透明码区，光敏管收不到信号光。磁电式编码器中“0”对应磁化区，“l”对应非磁化区。2023/2/515绝对式编码器

绝对式码盘与增量式码盘有何区别？10码道光电绝对式码盘

绝对式编码器按照角度直接进行编码，可直接把被测转角用数字代码表示出来。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等形式。透光区不透光区零位标志2023/2/516绝对式接触式编码器演示4个电刷4位二进制码盘+5V输入公共码道

最小分辨角度为α=360°/2n

2023/2/517绝对式光电编码器

a）光电码盘的平面结构（8码道）b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道）高位低位2023/2/518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于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道数n有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：

α=360°/2n分辨率=1/2n2023/2/519绝对码编码器(2)元件与电路(a)光电式编码器的电路常用白炽灯或LED作光源，需考虑光谱匹配及其工作温度。光敏元件可用光敏二极管、三极管或硅光电池。上图中，使用硅光电池时，输出为10～20mV，通常接一集成差动高增益运放，作用类似施密特触发器。预置一触发电平

(监控电平，单独用光敏元件扫描一个完全清晰码道即无码码道来获得），并输给所有数据码道的放大器，以克服信号光强和电源引起的输出电平漂移。2023/2/520(2)元件与电路(b)电磁式的电路磁敏元件为小磁环，每个环上绕两线圈，一个用于询问，通恒频恒幅交流电，另一个用于读出。根据电磁感应原理，小磁环(非接触)对准磁化区“0”时，磁路饱和，读出电压很低；小磁环对准非磁化区“1”时，两绕组构成一变压器，读出绕组输出电压信号。该信号为调制信号，经解调后输出方波.

2023/2/5211)绝对码编码器(3)提高测量精度的途径影响精度的直接因素：都用光刻法(照相制版)批量制作码道,码盘制作精度及读数误差是主因，最外道(最低位码)网格刻制的准确度影响最大。例：二进制码盘实现1分辨力需2021道，若在400mm圆盘制作20码道，最外道网格节距仅1m。同时保证同码道节距准确而各码道同扇形网格线对准很困难，易出现误差。对策1：用循环码替代二进制码。(a)循环码:主要特点是相邻两组数码(相邻位置)

之间仅1位变化。图中R6与R5道的明、暗区各占半圆环，但位差90°。二进制码C6道同样分明、暗两半（前图），C5道却分两明区和两暗区；以此类推可知，同码道数，循环码网格节距大一倍，制作容易。2023/2/522(3)提高测量精度的途径n位二进制码与循环码之间转换关系为：循环码直接译码困难，一般先转二进制再译码，有电路实现，分并行和串行两种，如图所示。串行循环码−二进制码转换器并行循环码−二进制码转换器2023/2/523(3)提高测量精度的途径(a)扫描法:又称双读数法。图a为刻线不准所致二进制码误读.图b为双读数法-两读数狭缝AA与BB分别对应两组光敏元件。允许透明与不透明码区转接处有一定误差（小于AA与BB间距）。读取原则：最低位Cl道只读一次AA，其余各道按低一位码道读数决定按AA或BB读取。如Ci-1读“1”(亮区)，则Ci取AA；否则Ci取BB。2023/2/524（b）码盘组单码盘的绝对码编码器角位移限于0～360,将n个码盘由机械传动连成码盘组，利用传动比变化提高绝对编码器分辨率。码盘组可测转速(传动比大于1)和大于360的角位移(传动比小于1)；传动比起“放大”和“缩小”作用。绝对码编码器的优点：编码位置的数码唯一，不因系统断电、重测而改变；各码道有独立的光敏器件，位置信息是并行全量程位置编码，输出接口或译码简便；抗干扰能力强，可靠性高，上电即可确定编码位置数据，不需自引导过程。2023/2/525增量式编码器转轴盘码及狭缝光敏元件光栏板及辨向用的A、B狭缝LEDABC零位标志ABC2023/2/526光电编码器的输出波形

为了判断码盘旋转的方向，在上图的光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个狭缝距离的（m+1/4）倍，m为正整数，并设置了两组光敏元件A、B，有时又称为sin、cos元件。2023/2/527辨向信号和零标志

光电编码器的光栏板上有A组与B组两组狭缝，彼此错开1/4节距，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90相位，用于辩向。当编码正转时，A信号超前B信号90；当码盘反转时，B信号超前A信号90。(请画出反转时信号B的波形）

在上一页图的码盘里圈，还有一根狭缝C，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。2023/2/528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所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：2023/2/5292)增量码编器解决码盘制作精度限制分辨率的矛盾，用累计“脉冲”数确定相对基准点的瞬时角位移。（1）增量码盘码盘设内、外轨道，两者关系如图所示。外道由增量计数轨道(仅1位码道)和方向轨道组成，按分辨率要求设置扇区（相当于最低码道网格）。方向道与增量计数道扇区相同，但位差半个扇区(两扇区为周期，半扇区使两道相差90)，依据两者的超前或滞后识别顺、逆方向，决定计数器的加或减。内道即基准轨道，提供基准点的是一个单独标志的扇区，其输出使计数器归零。2023/2/5305.3数字式位移传感器5.3.1数字编码器2）增量码编码器（2）增量码编码器工作原理如上图所示，方向道与增量计数道在1-2-3-4变化过程中，完成一次[0,1]、[1,1]、[1,0]、[0,0]编码，完成一次循环，输给加法器一个计数脉冲。用增量码编码器测角速度，最大测速范围受限于触发器产生的单次脉宽。此脉宽应小于一个扇区（bit）所占时间的一半。如果单次脉冲宽度为4～6s，其上升时间和恢复时间为200ns，对5000个脉冲/转的增量码编码器，最大测速为2000r/min。2023/2/5315.3数字式位移传感器5.3.1数字编码器2）增量码编码器(3)磁电式增量码编码器:

磁鼓+磁阻器件+信号处理电路。磁鼓：在铝基非磁性体上镀l0m的磁材，再刻录等间距小磁极，磁化后装在被测转轴上；MR+信号处理：放置磁鼓下(间隙0.1~0.01mm)，MRl与MR2接成差动，磁鼓转动使MR输出变化，再转换成电压变化（近似正弦波），多个检测脉冲的MR成对加到波形整形电路上，将正弦波输入转换为方波/脉冲输出。2023/2/532角编码器的应用

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、工位编码、伺服电机控制等。2023/2/533M法测速（适合于高转速场合）T

编码器每转产生N个脉冲，在T时间段内有m1

个脉冲产生，则转速（r/min)为：n=60m1/（NT）

m12023/2/534例题T

有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，在5s时间内测得65536个脉冲，则转速（r/min)为：

n=60×65536/（1024×5）r/min

=768r/min

m12023/2/535T法测速（适合于低转速场合）时钟脉冲fc

编码器输出脉冲

m2

···

编码器每转产生N个脉冲，用已知频率fc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m2

，则转速(r/min)为n=60fc/（Nm2）

2023/2/536T法测速举例时钟脉冲fc

编码器输出脉冲

m2

···n=60fc

/（Nm2

）

=60*1000000/（1024*3000）

=19.53r/min

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3000，时钟频率fc为1MHz，则转速（r/min)为：2023/2/537安装套编码器的安装方式1.编码器的套式安装2023/2/538安装轴2.编码器的轴式安装2023/2/539编码器在定位加工中的应用1—绝对式编码器

2—电动机

3—转轴

4—转盘

5—工件

6—刀具

设该增量式光电编码器的参数为1024p/r，大、小皮带轮的传动比为5，若希望当加工好元件1后紧接着加工元件8，则电动机转动了多少分之几圈？应等待编码器给出多少脉冲数时，电动机停转？2023/2/540数控加工中心2023/2/541

编码器在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用旋转刀库被加工工件刀具角编码器的输出为当前刀具号角编码器与旋转刀库连接2023/2/542

用不同的刀具加工复杂的工件2023/2/543编码器在伺服电机中的应用

利用编码器测量伺服电机的转速、转角，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数。转速测量转子磁极位置测量角位移测量2023/2/5445.3数字式位移传感器5.3.2光栅精密线位移传感器光栅传感器是一种技术成熟的高精度数字式位移传感器。基于光线在均匀透明介质中按直线传播的原理，当主、副光栅以很小夹角重叠时（对栅距W＝0.02mm的粗光栅，两栅之间有约0.1mm间隙），产生莫尔条纹，利用莫尔条纹信息可测两栅的相对位移。莫尔条纹对栅距有放大作用。如图所示，纵向以夹角交叠的主、副光栅，在横向产生间距为B的莫尔条纹。若光栅l向右移动一个栅距W，莫尔条纹则向下移动一个条纹间距B，使亮区与暗区互换。发源的光透过亮区，在受光器上产生光电信号，即光栅相对位移产生光电（脉冲）输出，对此光电信号计数，可得相对位移。2023/2/5455.3数字式位移传感器5.3.2光栅精密线位移传感器1）光栅传感器的工作原理和特点（1）位移放大作用(高精度的主因)若主栅与指示栅有等栅距W，且夹角很小，则B≈W/。放大倍数K=B/W=1/，若W=0.02mm,=0.1，K约为570。可见，莫尔条纹起位移放大作用，且放大倍数很大.（2）误差平均效应莫尔条纹由多条栅线交叠后形成，个别光栅刻划的误差被平均，很大地消除了栅距局部误差和短周期误差影响。（3）光电转换后的莫尔条纹输出信号理想输出应为三角波，如左图。实际输出近似正弦波电压信号，如右图。移动一个栅距，输出电压变化一个周期(2)。2023/2/5465.3数字式位移传感器5.3.2光栅精密线位移传感器2）位移方向识别光栅位移变换成莫尔条纹的移动，再经光电转换成电输出。

在一点观察，无论光栅左移右移，莫尔条纹均明暗交替变

化。若只有一条莫尔条纹，则只能计数。为了辨向，需提供

另一条，使两者相差/2。通常在相隔1/4条纹间距的位置上安放两光敏元件来实现，如图b所示。方向识别：光栅正向移动时只有加计数脉冲输出；反向移动时只有减计数脉冲输出。电路分析：2023/2/547光栅的类型和结构

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。

2023/2/548尺身尺身安装孔

反射式扫描头（与移动部件固定）扫描头安装孔可移动电缆光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长磁栅2023/2/549扫描头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆光栅的外形及结构（续）2023/2/550反射式光栅2023/2/551透射式光栅2023/2/552透射式圆光栅固定2023/2/553莫尔条纹的光学放大作用

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θ。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。

光栅的刻线宽度W莫尔条纹的宽度LL≈W/θ

，（θ为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）

2023/2/554莫尔条纹演示2023/2/555莫尔条纹光学放大作用举例

有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角=1.8，则：分辨力=栅距W=1mm/50=0.02mm=20m（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）莫尔条纹的宽度是栅距的32倍：

L≈W/θ=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“观察”莫尔条纹光强的变化。2023/2/556光栅的输出信号（TTL）余弦信号（超前）正弦信号零位信号2023/2/557光栅输出信号（电压正弦波）细分点余弦信号正弦信号零位信号2023/2/558脉冲细分

细分技术能在不增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅的分辨力。细分前，光栅的分辨力只有一个栅距的大小。采用4细分技术后，计数脉冲的频率提高了4倍，相当于原光栅的分辨力提高了3倍，测量步距是原来的1/4，较大地提高了测量精度。细分前细分后2023/2/559光栅细分举例

有一直线光栅，每毫米刻线数