数控原理及数控系统 第2版 教学课件 作者 王爱玲第6章 位置检测装置

第6章位置检测装置内容提要：教学目的

教学难点、重点

教学手段

6.1检测装置的要求与分类

6.2旋转变压器

6.3感应同步器

6.4绝对值脉冲编码器

6.5光栅

6.6磁栅

6.7脉冲编码器

思考题

教学目的1、了解位置检测装置的检测原理、分类、数控机床对检测装置的要求以及各种检测装置的工作原理、特点以及应用。2、了解和掌握数控机床检测装置的不同工作原理和信号处理方式，把握各种检测装置的特点和选型。教学难点、重点1、直线型感应同步器输出信号的处理方式是难点，理解相位和幅值方式下输入信号的差异以及输出信号的处理2、重点是旋转变压器、感应同步器、光栅的工作原理、特点和应用，必须让大家理解，因为不同的检测装置将会有所差异。结合实例讲清楚重点。教学手段1、采用实例讲解法，结合金工实习同学们对数控机床的一些感性认识，必须对不同的数控机床的检测装置工作原理和使用场合差异性区别开来2、讲清楚不同数控机床检测装置的工作原理、特点以及所工作的方式，分开主次，理清思路，结合实例和多媒体课件。6.1检测装置的要求与分类

6.1.1检测原理6.1.2检测装置的分类6.1.1检测原理

1、计算机数控系统的位置控制是将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电机。而实际反馈位置的采集，则是由一些位置检测装置来完成的。这些检测装置有旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器、光栅、磁栅……2、对于采用半闭环控制的数控机床，其闭环路内不包括机械传动环节，它的位置检测装置一般采用旋转变压器，或高分辨率的脉冲编码器，装在进给电机或丝杠的端头，旋转变压器(或脉冲编码器)每旋转一定角度，都严格地对应着工作台移动的一定距离。测量了电机或丝杠的角位移，也就间接地测量了工作台的直线位移。3、对于采用闭环控制系统的数控机床，应该直接测量工作台的直线位移，可采用感应同步器、光栅、磁栅等测量装置。由工作台直接带动感应同步器的滑动尺移动的同时，与装在机床床身上的定尺配合，测量出工作台的实际位移值。可见，位置测量装置是数控机床伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环控制。数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。数控机床对检测装置的要求：位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率。分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。数控机床对检测装置的主要要求有：(1)高可靠性和高抗干扰性；(2)满足精度和速度要求；(3)使用维护方便，适合机床运行环境；(4)成本低。

6.1.2检测装置的分类

检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成半闭环、闭环控制。数控机床工作台位移值是否和指令值一样，误差有多大，与机床驱动机构的精度和位置检测装置的精度均有关，但位置检测装置精度将起主要作用或决定性作用。检测装置的性能主要体现在它的静态特性和动态特性上。精度、分辨率、灵敏度、测量范围和量程、迟滞、零漂和温漂等属静态特性，动态特性主要指检测装置的输出量对随时间变化的输入量的响应特性。为适应数控机床工作环境，保证机床的加工精度，数控机床用检测装置必须满足数控机床对检测装置的要求；对高速动态信号能实现不失真测量和处理；易于实现自动化。

检测装置的精度指标主要包括系统精度和系统分辨率。系统精度是指在一定长度或转角内测量累积误差的最大值，目前一般直线位移测量精度已达到0.002～0.02mm／m，回转角测量精度达到±／360°。系统分辨率是测量元件所能正确检测的最小位移量，目前直线位移的分辨率为0.001～0.01mm，角位移分辨率为。分辨率的选取与脉冲当量的选择方法一样，数值也相同，均按机床加工精度的1/3～1／10选取。对于不同类型的数控机床，因工作条件和检测要求不同，可以采用以下不同的检测方式。1、增量式和绝对式增量式检测方式只测量位移增量，每移动一个测量单位就发出一个测量信号。其优点是检测装置比较简单，任何一个对中点都可以作为测量起点。但在此系统中，移距是靠对测量信号计数后读出的，一旦计数有误，此后的测量结果将全错。另外在发生故障时(如断电等)不能再找到事故前的正确位置，事故排除后，这时必须将工作台移至起点重新计数才能找到事故前的正确位置。绝对值式测量方式可以避免上述缺点，它的被测量的任一点的位置都以一个固定的零点作基准，每一被测点都有一个相应的测量值。这种方式分辨率要求愈高，结构也愈复杂。2、数字式和模拟式

数字式检测是将被测量单位量化以后以数字形式表示，它的特点是：(1)被测量量化后转换成脉冲个数，便于显示处理；(2)测量精度取决于测量单位，与量程基本无关；(3)检测装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。模拟式检测是将被测量用连续的变量来表示。在大量程内作精确的模拟式检测在技术上有较高要求，数控机床中模拟式检测主要用于小量程测量。它的主要特点是：(1)直接对被测量进行检测，无须量化；(2)在小量程内可以实现高精度测量；(3)可用于直接检测和间接检测。

对机床的直线位移采用直线型检测装置测量，称为直接检测。其测量精度主要取决于测量元件的精度，不受机床传动精度的直接影响。但检测装置要与行程等长，这对大型数控机床来说，是一个很大的限制。对机床的直线位移采用回转型检测元件测量，称为间接测量。其测量精度取决于测量元件和机床传动链的精度。间接检测使用可靠方便，无长度限制，缺点是在检测信号中加入了直线转变为旋转运动的传动链误差，从而影响检测精度。因此为了提高定位精度，常常需要对机床的传动误差进行补偿。数控机床伺服系统常用的位置检测装置见表6—1。按检测信号的类型分，有数字式和模拟式；按检测量的测量基准分，有绝对式和增量式；按被测量和所用检测装置的安装位置关系分，有直接测量和间接测量。数字式模

拟

式增量式

绝对式

增量式

绝对式

回转型

增量式光电脉冲编码器、圆光栅

绝对式光电脉冲编码器

旋转变压器、圆形感应同步器、圆形磁尺

多极旋转变压器、三速圆形感应同步器

直线型

计量光栅、激光干涉仪

编码尺、多通道透射光栅

直线型感应同步器、磁尺

三速直线型感应同步器、绝对值式磁尺

表6-1位置检测装置分类

6.2旋转变压器

旋转变压器是一种间接测量装置，由于它具有结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低、输出信号幅度大和抗干扰能力强等特点，所以在连续控制系统中得到了普通使用。

6.2.1旋转变压器的结构和工作原理

6.2.2旋转变压器的应用

6.2.1旋转变压器的结构和工作原理

旋转变压器又叫同步分解器，它是一种控制用的微电机，在结构上与两相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器一次侧，转子绕组为变压器二次侧。激磁电压接到二次侧，感应电动势由一次侧输出。常用的激磁频率为400Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz及5000Hz。

通常应用的旋转变压器为二极旋转变压器，其定子和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组。另外，还有一种多极旋转变压器。也可以把一个极对数少的和一个极对数多的两种旋转变压器做在一个磁路上，装在一个机壳内，构成“粗测”和“精测”电气变速双通道检测装置，用于高精度检测系统和同步系统。

由于定子和转子之间的磁通分布符合正弦规律，所以当激磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电动势。如图6—1所示，由变压器工作原理，设一次绕组匝数为Nl，二次绕组匝数为N2，n=Nl／N2为变压比，当一次侧输入交变电压

时，二次侧产生感应电势图6-1旋转变压器工作原理（a）线圈位置图（b）波形图因此，旋转变压器转子绕组输出电压的幅值是严格地按转子偏转角的正弦规律变化的，其频率和激磁电压的幅值相同。

同时，由于它是一只小型交流电机，二次绕组跟着转子一起旋转，其输出电势随着转子的角向位置呈正弦规律变化，当转子绕组磁轴与定子绕组磁轴垂直时，＝0，不产生感应电动势，E2＝0；当两磁轴平行时，感应电动势为最大，即

当两磁轴为任意角度时，感应电动势为式中——定子输入电压最大值。6.2.2旋转变压器的应用

根据上式，测量旋转变压器二次绕组的感应电动势E2的幅值或相位的变化，可知角的变化。如果将旋转变压器装在数控机床的丝杠上，当角从变化到时，表示丝杠上的螺母走了一个螺距，这样就间接地测量了丝杠的直线位移(螺距)的大小。在数控机床伺服系统中，往往用来测量机床的主轴及伺服轴运动等。测全长时，可加一只计数器，累计所走的螺距数，折算成位移总长度。为区别正反向，再加一只相敏检波器以区别不同的转向。另外，还可以用3个旋转变压器按10：1和100：1的比例相互配合串接，组成精、中、粗3级旋转变压器测量装置。这样，如果转子以半周期直接与丝杠耦合(即“精”同步)，结果使丝杠位移10mm，则“中”测旋转变压器工作范围为100mm，“粗”测旋转变压器的工作范围为1000mm。为了使机床滑板按要求值到达一定位置，须用电气转换电路，在实际值不断接近要求值的过程中使旋转变压器从“粗”转换到“精”，最后位置检测精度由“精”旋转变压器决定，具体检测电路与感应同步器相似，其在以后介绍。6.3感应同步器

感应同步器是由旋转变压器演变而来的，它是利用两个平面形印刷绕组，其间保持均匀气隙约为(0.25±0.05)mm，相对平行移动时，根据交变磁场和互感原理而工作的。实质上，感应同步器是多极旋转变压器的展开形式，两者的工作原理基本相同。感应同步器分两种：测量直线位移的称为直线型感应同步器；测量角位移的称为圆形感应同步器。直线型感应同步器由定尺和滑尺组成；圆形感应同步器由转子和定子组成。6.3.1感应同步器的结构和工作原理1、感应同步器的结构图6—2定尺与滑尺绕组(a)定尺绕组(b)W形滑尺绕组(c)U形滑尺绕组

图6—2所示为直线型感应同步器的定尺和滑尺的绕组结构示意图。定尺为连续绕组，节距，其中为导电片宽，为片间间隙，定尺节距即为检测周期,常取W=2mm。

滑尺上为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两部分，绕组可做成W形或U形。图6—2中的为正弦绕组，为余弦绕组，两者在空间错开1／4定尺节距(电角度错开90°)。两绕组的节距都为其中为导电片宽，为片间间隙。一般取w1=w2或者取w1=w2/3，正弦与余弦两绕组的中心距，

（6－5）图6—3圆形感应同步器的绕组结构(a)转子(b)定子图6—4直线型感应同步器的截面结构(a)定尺(b)滑尺1－耐切削液保护层2一基体3一平面绕组4－绝缘粘结剂5一为铝箔屏蔽层

图6—4为定尺和滑尺的截面结构图。基体2通常采用厚度为10mm的铜板或铸铁制成，以减小与机床的温度误差。平面绕组3为铜箔，通常采用厚度为0.05mm或0.07mm的紫铜箔，用绝缘粘结剂4热压粘结在基体2上，利用刻蚀方法制成所需绕组形式。在定尺绕组表面上涂上一层耐切削液的清漆涂层1，防止切削液的飞溅影响。在滑尺绕组表面上贴一层带塑料薄膜的铝箔5，为防止在感应绕组中因静电感应产生的附加容性电势。图6—5标准型直线型感应同步器的外形尺寸

直线型感应同步器通常有标准型(如图6—5所示)、窄型、带状和三速(三重)式。直线型感应同步器的种类：标准型是直线型感应同步器中精度最高的一种，应用最广。当测量长度超过175mm时，可以将定尺接长使用。窄型直线型感应同步器的定尺、滑尺的宽度有所减小，适用于设备安装位置受限制的场合，但它的电磁感应强度有所减低，比标准型的精度低。带状直线型感应同步器由于定尺最长可达3m以上，不需接长，便于在设备上安装。由于定尺较长，刚性稍差，其总测量精度要比标准型的低。三速(三重)直线型感应同步器的定尺有粗、中、细绕组，为绝对式检测系统。标准型直线型感应同步器的工作原理图6－6直线型感应同步器绕组原理图图6－7感应同步器产生感应电压的原理图

图6—6所示为标准型直线型感应同步器的绕组示意图。滑尺上有正弦和余弦励磁绕组，在空间位置上相差1／4节距。定尺和滑尺绕组的节距相同即(一般为2mm)。若滑尺绕组加励磁电压，则由于电磁感应而在定尺绕组上产生感应电压。感应电压产生原理如图6—7所示。图6—7中的电流为滑尺上的励磁电流，为产生的耦合磁通，为定尺绕组由于磁通耦合所产生的感应电流。图6－8定尺绕组产生感应电势的原理图

感应同步器定尺、滑尺绕组的节距W反映了直线位移量(一般为2mm)，滑尺相对定尺相对运动时将位移变成相应的感应电势信号。产生感应电势的原理如图6－8所示。当定尺和滑尺的绕组(只一个绕组励磁)相重合时，如图6—8中的A点，感应电势最大；随着滑尺相对定尺作平行移动，感应电势慢慢减小，在刚好移动1／4节距的位置，即移到B点位置，感应电势为零。如果再继续移动到1／2节距，即到C点位置，其感应电势值与A点位置的相同，但极性相反。其后，移到3／4节距，即D点位置，感应电势又变为零……。这样，滑尺在移动一个节距的过程中，感应电势(按余弦波形)变化了一个周期。若励磁电压u=，那么在定尺绕组产生的感应电势e为（9-9）

——励磁电压幅值（V）；式中：——励磁电压角频率（rad/s）；k——比例常数，其值与绕组间最大互感系数有关；——滑尺相对于定尺在空间的相位角。在一个节距W内，位移x与的关系应为

（6－7）

感应同步器就是利用感应电势的变化，来检测在一个节距W内的位移量，这为绝对式测量。6.3.2感应同步器输出信号的处理方式采用不同的励磁方式，可对输出信号采取不同的处理方式，常用的有鉴相方式和鉴幅方式。1、鉴相方式所谓鉴相方式就是根据感应输出电压的相位来检测位移量的一种工作方式。滑尺上的正弦、余弦励磁绕组提供同频率、同幅值、相位差90°的交流电压，即

（6－8）

单独励磁，在定尺绕组上感应电势分别为（6－9）

根据叠加原理,定尺绕组上总输出感应电势e为

（6－10）由上式可知，通过鉴别定尺输出的感应电势的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位置。例如定尺输出感应电势与滑尺励磁电压之间相位差为1.8°，在W=2mm的情况下，x=(1.8°/360°)X2mm=0.01mm，它表明滑尺相对定尺节距的零位置移动了0.01mm。目前，大多数CNC系统的一个节距(2mm)定为2000个脉冲，可得到1的分辨率。感应同步器的鉴相方式用在相位比较伺服系统中。2、鉴幅方式鉴幅方式是根据定尺输出的感应电势的振幅变化来检测位移量的一种工作方式。滑尺的正弦、余弦绕组励磁电压为同频率、同相位，但不同幅值，即（6－11）

—励磁电压的给定相位角。式中

同理，分别励磁时，在定尺绕组上产生的输出感应电势分别为

（6－12）

根据叠加原理，定尺上输出总感应电势为（6－13）

若原始状态，则e=0。然后滑尺相对定尺有一位移，使变为，则感应电势增量为（6－14）

6.3.3感应同步器的特点与使用感应同步器有如下特点：(1)精度高。感应同步器有许多对极，其输出电压是许多对极感应电压的平均值。由于误差均化的作用，使所得到的测量精度比元件本身的制造精度高得多，其直线精度一般为±0.002mm／250mm，转角精度为土0.5"／300mm直径。因为定尺的节距误差有平均自补偿作用，所以尺子本身的精度能做得较高。直线感应同步器对机床位移的测量是直接测量，不经过任何机械传动装置，测量精度主要取决于尺子的精度。

感应同步器的灵敏度(或称分辨率)，取决于一个周期进行电气细分的程度，灵敏度的提高受到电气细分电路中信号噪声比的限制，但是通过线路的精心设计和采取严密的抗干扰措施，可以把电噪声减到很低，并获得很高的稳定性。(2)可用于长距离位移测量。感应同步器每根定尺长250mm，测量长度大于175m，可用多根定尺接长来满足测量范围的要求。当测量长度大于250mm时，可以采用多块定尺接长，相邻定尺间隔可用块规或激光测长仪进行调整，使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差。行程为几米到几十米的中型或大型机床中，工作台位移的直线测量，大多数采用直线式感应同步器来实现。

(3)对环境的适应性较强。它是利用电磁感应原理产生信号的，所以不怕油污和灰尘污染，测量信号与绝对位置一一对应，不易受干扰。因为感应同步器金属基板和床身铸铁的热胀系数相近，当温度变化时，还能获得较高的重复精度，另外，感应同步器是非接触式的空间耦合器件，所以对尺面防护要求低，而且可选择耐温性能良好的非导磁性涂料作保护层，加强感应同步器的抗温防湿能力。(4)使用寿命长，维护简单。感应同步器的定尺和滑尺互不接触，因此无任何摩擦、磨损，使用寿命很长，不怕灰尘、油污及冲击振动。同时由于是电磁耦合器件，所以不需要光源、光电元件、不存在元件老化及光学系统故障等问题。(5)抗干扰能力强、工艺性好、成本低、定尺和滑尺绕组便于复制和成批生产。5、感应同步器安装使用的注意事项直线型感应同步器的定尺安装在机床不动部件上，可直接安装在机床某个面上，也可以和尺座构成组件后再安装在机床上。这样可在机外接长，接长精度高，亦可减少在机床上安装的时间，应用广泛。但接长有一定的难度，为发挥感应同步器的优点，接长应有严格要求。安装注意事项如下：(1)感应同步器在安装时必须保持两尺平行、两平面间的间隙约为0.25mm，倾斜度小于0.5°，装配面波纹度在0.01mm／250mm以内。滑尺移动时，晃动的间隙及不平行度误差的变化小于0.1mm。(2)感应同步器大多装在容易被切屑及切屑液浸入的地方，所以必须加以防护，否则切屑夹在间隙内，会使滑尺和定尺的绕组刮伤或短路，使装置发生误动作及损坏。

(3)同步回路中的阻抗和激磁电压不对称以及激磁电流失真度超过2％，将对检测精度产生很大的影响，因此在调整系统时，应加以注意。(4)由于感应同步器感应电势低，阻抗低，所以应加强屏蔽以防止干扰。6.4绝对值脉冲编码器6.4.1绝对值脉冲编码器的结构和基本原理

绝对值编码器通过读取编码盘上的图案来表示轴的位置。它由一组二元信号(“0”和“1”)按一定规律组成代码，每一个代码对应于编码器的一个确定位置。下面的例子有助于了解它的构成方式：假设一小车在区间AE上有5个固定停车点(见图6—9)，分别以A、B、C、D、E表示。在每个停车点上设置1个二元开关(通-断)，例如位置开关。当小车停止在某一位置时，相应的开关接通(为“l”)，因此5个开关组成的5位代码就表示小车的位置，见表6—4。图6-9简单的直接编码原理图

小车位置ABCDE代码1000001000001000001000001表6-4小车位置代码从上面的分析中可以看出，小车停在确定位置时，就有与之对应的代码，但小车处于任何区间间隙中，则无代码输出。要精确地确定小车的位置，只有尽可能多地安排二元的信号元件，即增加代码长度。从代码的角度来看，代码的利用是不充分的，对于一个5位字长的二元系列，可以构成32个代码，而此处只利用了5个。因此，数字式直接编码式传感器采用二元组合码，并做成矩形(测线位移)和圆盘或圆柱形(测角位移)，统称为编码器。编码器由编码模具和读码装置两部分组成。编码模具由若干个二进制码元按一定编码规律组成。图6—10表示一个二进制编码的码盘，其中4个码道分别相应于二进制的20、21、22和23各位，阴影部分表示为“1”，而空白部分表示为零，共16个代码。读码装置是多种多样的，依编码模具的二元信号形成原理而定。例如，以导电—不导电作为“1”和“0”，读码装置就需要采用电刷，而当以透光-不透表示“1”和“0”时，读码装置相应地采用光电方法。

图6—10圆形编码器结构示意图

6.4.2绝对值脉冲编码器的应用按二进制制作的编码器在实用上有时出现误码问题。由于多种原因，读码器很难严格处在一条直线上，因此在两个相邻代码的交界处就可能产生误码。如在图6—11中代码“0111”(数7)和代码“1000”(数8)交界处，读码器可能读出0一15中任何一个数的代码。为了消除这一缺点，可采用两种方法。1、导前-滞后双读法2、格雷循环码6.5光栅计量光栅是用于数控机床的精密检测元件，是闭环系统中另一种用得较多的测量装置，用作位移或转角的测量，测量精度可达几微米。6.5.1光栅结构和工作原理1、光栅的种类与精度在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹，称透射光栅；在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹，称反射光栅，也可以把线纹做成具有一定衍射角度的定向光栅。计量光栅分为长光栅(测量直线位移)和圆光栅(测量角位移)，而每一种又根据其用途和材质的不同分为多种。（1）直线光栅(即长光栅)1）玻璃透射光栅它是在玻璃表面感光材料的涂层上或者在金属镀膜上制成的光栅线纹，也有用刻蜡、腐蚀、涂黑工艺。光栅的几何尺寸主要根据光栅线纹的长度和安装情况具体确定，如图6-14所示。

图6-14透射光栅

玻璃透射光栅的特点是：①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；②每毫米上的线纹数多，一般常用的黑白光栅可做到每毫米100条线，再经过电路细分，可做到微米级的分辨率。2）金属反射光栅这是在钢尺或不锈钢带的镜面上用照相腐蚀工艺制作光栅或用钻石刀直接刻划制作光栅条纹。金属反射光栅的特点是：①标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料一致；②标尺光栅的安装和调整比较方便；③安装面积较小；④易于接长或制成整根的钢带长光栅；⑤不易碰碎。目前常用的每毫米线纹数为4、10、25、40、50(见图6-15)。图6-15反射光栅（2）圆光栅它是在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白间隔条纹，根据不同的使用要求在圆周内线纹数也不相同。圆光栅一般有3种形式：1)60进制，如10800，21600，32400，64800等；2)10进制，如1000，2500，5000等；3)二进制，如512，1024，2048等。圆光栅的结构如图6—16所示。6-16圆光栅（3）计量光栅的精度光栅检测系的精度主要取决于光栅尺本体的制造精度，也就是计量光栅任意两点间的误差，即累积误差。由于使用了莫尔条纹技术，所以相邻误差得以适当地被修正，但对累积误差无多大改善。由于激光技术的发展，光栅制作精度可以提高，目前光栅精度可达到微米级，再通过细分电路可以做到0.1µm，甚至更高的分辨率。表6-6列出了几种光栅的精度数据。

计量光栅

光栅长度／mm

线纹数

精度①直线式

玻璃透射光栅500100／mm5µm玻璃透射光栅1000

同上10µm玻璃透射光栅1100

同上10µm玻璃透射光栅1100

同上3～5µm玻璃透射光栅500

同上2～3µm金属反射光栅122040／mm13µm金属反射光栅50025／mm7µm高精度反射光栅100050／mm7．5µm玻璃衍射光栅300250／mm

土1．5µm回转式玻璃圆光栅

φ27010800／周3(″)①指两点间最大均方根误差。表6-6各种光栅的精度2、工作原理光栅位置检测装置由光源、长光栅(标尺光栅)、短光栅(指示光栅)和光电元件等组成(见图6—17)。根据光栅的工作原理分莫尔条纹式和透射直线式光栅两类。图6—17光栅位置检测装置

（1）透射直线式光栅如图6—18所示，它是用光电元件把两块光栅移动时产生的明暗变化转变为电流变化的方式。长光栅装在机床移动部件上，称之为标尺光栅；短光栅装在机床固定部件上，称之为指示光栅。标尺光栅和指示光栅均由窄矩形不透明的线纹和与其等宽的透明间隔组成。当标尺光栅相对线纹垂直移动时，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。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少。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强。因此，标尺光栅移动过程中，光电元件接收到的光通量忽强忽弱，产生了近似正弦波的电流。再用电子线路转变为数字以显示位移量。为了辨别运动方向，指示光栅的线纹错开l／4栅距，并通过鉴向线路进行判别。由于这种光栅只能透过单个透明间隔，所以光强度较弱，脉冲信号不强，往往在光栅线较粗的场合使用。

图6—18透射直线式光栅原理图（a）结构图（b）输出波形1-灯泡2-透镜3-指示光栅4-标尺光栅5-光电元件6-读数头（2）莫尔条纹式光栅莫尔条纹的形成与光栅常数——栅距及光的波长有关，在栅距大小与波长十分接近时，莫尔条纹可由衍射光的干涉现象来解释。而在栅距较波长大得多的场合(粗光栅)，衍射现象已不十分明显，莫尔条纹的产生则由于栅线遮光作用，故可用几何光学来说明。在现场常见的是后一种光栅，现以此为例子加以介绍。

图6—19所示是用栅格斜置的长光栅，图中作为标尺光栅的栅线和X轴垂直，而作为指示光栅的栅线与标尺光栅之间有一个小的倾斜角θ，两者间形成透光的(图中a)和不透光的(图中b)菱形条纹。当两光栅沿X轴作相对移动时，条纹将沿栅线方向移动(横向莫尔条纹)。每变化一个栅距，透光部分将由a处移到b处，a处则完全遮断，于是在a、b两处轮流处于透光和遮光状态。若在a处放置一个光电元件，则其上的光通量将随栅格的相对移动而呈三角形变化。不难证明，在倾斜角很小时，莫尔条纹宽度B与栅距W之间有如下关系：

图6-19长光栅的莫尔条纹

即条纹宽度B是节距W的l/θ倍。这种放大作用，是利用光栅测量微小位移的基础。若在a处放置一个宽度等于B的光电元件，当标尺光栅沿x轴方向移动半个栅距时，光电元件的受光面积从最大变化到最小(完全遮断)，此后又逐步增大。故在标尺光栅以等速沿x轴运动时，a处的光电元件的受光面积将作周期性变化，其效果类似于一个具有菱形透光孔的长带沿θ角轴(与y轴夹角为θ)方向移动所产生的效果一样。莫尔条纹的产生和特点：若光源以平行光照射光栅时，由于挡光效应和光的衍射，则在与线纹垂直方向，更确切地说，在两块光栅线纹夹角的平分线相垂直的方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为“莫尔干涉条纹”，简称莫尔条纹

莫尔条纹有如下的特点：(1)起放大作用。(2)均化误差作用。莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，例如若W=0.01mm，则10mm长(短光栅长度)的一根莫尔条纹就由1000条线纹组成(3)莫尔条纹移动与栅距之间移动的对应关系。当光栅移动一个栅距(W)时，莫尔条纹也相应移动一条(B)，其光强变化近似于正弦波形；若移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。6.6磁栅

磁栅又称磁尺，是一种计算磁波数目的位置检测元件。可用于直线和转角的测量，其优点是精度高、复制简单和安装方便等，在油污、粉尘较多的场合使用有较好的稳定性。因此，在数控机床、精密机床和各种测量机上得到广泛使用。磁栅位置测量有直线式和回转式两种。磁栅的工作原理与普通磁带的录磁和拾磁的原理是相同的。用录磁磁头将相等节距(常为20μm或50μm)周期变化的电信号记录到磁性标尺上，用它作为测量位移量的基准尺。在检测时，用拾磁磁头读取记录在磁性标尺上的磁信号，通过检测电路将位移量用数字显示出来或送至位置控制系统。图6—25所示为磁栅位置方框图。图6—25磁栅位置检测方框图

测量用的磁栅与普通的磁带录音的区别在于：①磁性标尺的等节距录磁的精度要求很高，因为它直接影响位移测量精度。为此需要在高精度录磁设备上对磁尺进行录磁。②当磁尺与拾磁磁头之间的相对运动速度很低或处在静止状态时，也应能够进行位置测量。因此，不能采用一般的录音机拾磁磁头即速度响应型磁头，需要用特殊的磁通响应型磁头。6.6.1磁性标尺磁性标尺是在非导磁材料的基体上，采用涂敷、化学沉积或电镀上一层很薄的磁性材料，然后用录磁的方法使敷层磁化成相等节距周期变化的磁化信号。磁化信号可以是脉冲，也可以为正弦波或饱和磁波。磁化信号的节距(或周期)一般有0.05mm、0.10mm、0.20mm、1mm等几种。磁栅基体不导磁，要求温度对测量精度的影响小，热胀系数与普通钢铁相近。磁栅按基体形状的不同可以分为直线位移测量用的实体型磁栅、带状磁栅和线状磁栅；用于角度位移测量的有回转型磁栅等(见图6—26)。图6—26按磁性标尺基体形状分类的各种磁栅a）实体型磁栅b）带状磁栅c）线状磁栅d）回转型磁栅6.7脉冲编码器6.7.1脉冲编码器的结构、分类和工作原理1、分类和结构脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器。它把机械转角变成电脉冲，是一种常用的角位移传感器。脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。光电式的精度与可靠性都优于其它两种，因此数控机床上只使用光电式脉冲编码器。由霍尔效应构成的电磁感应或脉冲发生器也有用作速度检测的。光电脉冲编码器按每转发出的脉冲数的多少来分，又有多种型号，但数控机床最常用的如表6-7所列。根据机床滚珠丝杠螺距来选用相应的脉冲编码器。脉冲编码器每转脉冲移动量(mm)每转脉冲移动量(in)2000P／r2，3，4，6，80.1，O.15，0.2，0.3，0.42500P／r5，100.25，0.53000P／r3，6，120.15，0.3，0.6表6-7光电脉冲发生器脉冲编码器每转脉冲移动量(mm)每转脉冲移动量(in)20000P／r2，3，4，6，80.1，0.15，O.2，0.3，0.425000P／r5，10O.25，0.530000P／r3，6，120.15，0.3，0.6

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6-8。表6-8高分辨率脉冲编码器增量式光电脉冲编码器（见图6-31）最初的结构就是一种光电盘。在一个圆盘的圆周上分成相等的透明与不透明部分，圆盘与工作油一起旋转。此外还有一个固定不动的扇形薄片与圆盘平行放置，并制作有辨向狭缝(或狭缝群)，当光线通过这两个作相对运动