10模块十、数字式位移检测（上）

机、电类

《传感器与检测技术项目教程》

模块十、数字式位移检测（上）课件

本模块介绍“数字式位移传感器”的基本概念、大位移的测量方法、角编码器、光栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器，并讨论了它们在直线位移和角位移精密测量以及机床位置控制中的应用。还介绍了电梯平层的要求及方法。内容简介今天是：17十月2023模块十、数字式位移检测（上）目录进入进入进入进入知识链接位置检测方式项目一、角编码器项目二、光栅传感器项目三、磁栅传感器项目四、容栅传感器拓展阅读电梯平层現在時間是：14:54进入知识链接位置检测方式位置测量主要是指直线位移和角位移的精密测量。数字式位置传感器按测量方式有直接测量和间接测量之分；按测量原理分，有增量式测量和绝对式测量之分。一、直接测量和间接测量若位置传感器所测量的对象就是被测量本身，即：直线式传感器直接测量直线位移，旋转式传感器直接测量角位移，则该测量方式为直接测量。例如用长光栅和长磁栅测量直线位移等。若旋转式位置传感器测量的回转运动只是被测量的中间值，再由测量结果推算出与之关联的运动部件的直线位移，则该测量方式属于间接测量。例如用角编码器测量出机械丝杠的旋转角度，再计算丝杠上的螺母的直线位移。图10-1

直接测量和间接测量示意图a）直接测量

b）间接测量1－导轨2－运动部件3－直线式位置传感器的随动部件4－直线式位置传感器的固定部件5－旋转式位置传感器

6－丝杠-螺母副

7－电动机7直接测量

示意图光栅读数头

光栅尺

随动刀具8间接测量示意图

随动刀具直接测量回转工作台旋转运动θ利用角位移传感器直接测量工作台的角位移直接利用数字式直线位移传感器

测量直线加工机床的直线位移量直接测量不会产生转换误差+x工作台运动方向光栅间接测量

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-螺母副、齿轮-齿条副等传动机构，将旋转运动转换为直线运动。工作台丝杠编码器进给电动机(伺服或步进)θ

x齿轮-齿条副的位移转换演示

.

例：设齿轮的分度圆直径为200mm,齿数z=100,传感器测得齿轮转过了

θ=180度。求：1）所转过的齿数N；2）齿条的齿距t；3)齿条所移动的距离x。齿轮齿条θ

-x齿条为直线运动，齿轮作旋转运动

+x解：1）所转过的齿数N=(z÷360º)×θ

=(100/360º)×180º

=50

2）齿条的齿距

t=πD/z=6.28mm；3）齿条所移动的距离x=N

t=50×6.28=314mm.测出齿轮的角位移,就可测得齿条的直线位移D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t齿条齿轮θ

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

平均螺距误差大于10μm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？滚珠螺母丝杠螺距t=4mmxN=10圈时，θ=？度θx=？mm

齿轮-齿条副、螺母丝杆副等直线-旋转转换设备均存在间隙误差,特别是从正转切换到反转时,间隙将导致测量死区,必须予以补偿。例10-1

若丝杠的螺距t

=6.00mm（当丝杠转一圈360°时，“单线螺母”或“单头螺母”移动的直线距离为6.00mm），旋转式位置传感器测得丝杠的旋转角度θ为7290°，求螺母的直线位移x。解

螺母的直线位移x=(7290º/360º)×6mm

=121.50mm1－导轨2－运动部件5－旋转式位置传感器

6－丝杠-螺母副

7－电动机【丝杠-螺母副位移转换填表训练】丝杠-螺母副（单线）在10s时间里运动的数据如下，请分析、填空（最少保留三位有效数字）螺母的螺距t

/mm2（细牙）6（粗牙）丝杠的旋转角度θ/°180360-90①-10003600丝杠转速/r·min-16.00-1.67螺母的位移x/mm-1.006.00螺母的线速度v/m·min-100.060-0.0300.360表10-1

数字式位置检测传感器的

分类及特点种类工作原理测量范围最高分辨力特点球栅尺线圈与钢球感应10m5μm价廉，全密封；模拟输出信号易受干扰；可用于直线位移测量接触编码器接触电位360º5.6º价廉；码道数小于6；易磨损，适合于静态测量光电编码器光电效应360º×40960.3'分辨力较高，响应频率快；适合于普通机床等的角位移测量或转速测量长光栅光电效应3m1μm准确度和分辨力高；易折断；用于直线位移的精密测量圆光栅光电效应360º0.1'分辨力高；适合于精密机床等要求较高的角位移测量或转速测量长磁栅磁电感应30m5μm磁栅尺可以按需要剪裁，安装简便，可用于大量程位移测量表10-1

数字式位置检测传感器的

分类及特点（续）种类工作原理测量范围最高分辨力特点圆磁栅磁电感应360º1'适合于普通机床等的角位移测量或转速测量直线容栅静电感应20010μm价廉；分辨力不高，响应频率慢；可用于百分尺、千分尺、标高尺等圆容栅静电感应360º0.6º价廉；分辨力较高，响应频率慢；可用于百分表、千分表等磁阻式角编码器磁阻效应360º×40960.35º价廉；码道数小于10；适用于要求不高的角位移测量二、增量式测量与绝对式测量（1）增量式测量：运动部件每移动一个基本长度单位，位置传感器便发出一个输出脉冲。一个脉冲所代表的基本长度单位就是分辨力。计数器对脉冲进行计数，便可得到位移量。光源（1）增量式测量（续）例10-2

在图10-1a中，若增量式测量系统的每个脉冲代表0.01mm，在10s时间里，长光栅传感器发出2000个脉冲，求：1）工作台的直线位移x（机床行业习惯使用的单位为：mm）。2）运动速度v（机床行业习惯使用的单位为：m/min）。解

1）根据题意，工作台每移动0.01mm，长光栅传感器便发出1个脉冲，计数器就加1或减1。当计数值为2000时，工作台移动了x

=2000×0.01mm

=20.0mm。2）v=x/t=20.0mm/(10s)=2.00mm/s=0.12m/min。增量式位置传感器必须有一个零位标志，作为测量起点的零位标志。典型的增量式位置传感器有增量式光电角编码器、增量式光栅等。增量式传感器工作原理分析在增量式测量中，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。增量式测量得到的脉冲波形（2）绝对式测量

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（例如:1010110010）。即使断电之后再重新上电,也能读出绝对式测量传感器当前位置的数据。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。项目一角编码器项目教学目标】☞知识目标1．了解接触式角编码器的原理与编码方法。2．了解绝对式和增量式光电角编码器的工作原理。☞技能目标1．掌握绝对式角编码器的分辨率与分辨力的计算。2．掌握增量式角编码器的分辨率与分辨力的计算。3．掌握增量式角编码器的M法测速计算。任务一认识角编码器角编码器是一种旋转式位置传感器，它的转轴通常与被测旋转轴连接，随被测轴一起转动。角编码器能将被测轴的角位移转换成二进制编码（绝对式角编码器）或一串脉冲（增量式角编码器）。混合式角编码器（不仅输出格雷码，同时还输出增量式脉冲信号），可以同时测量转子的空间位置与转速。光栅板一、绝对式角编码器

（将被测角度直接进行编码）根据内部结构和检测方式的不同，有接触式、光电式、磁阻式等形式。常用的角编码器是光电式。1．接触式角编码器的结构在一个不导电基体上，制造出许多有规律的导电金属区，图中的涂黑部分为导电区，用电平“1”表示，其他部分为绝缘区，用电平“0”表示。图中的码盘分成4个输出码道，在每个码道上都有一个电刷，电刷经取样电阻R0~R3接地，信号从电阻的“热端”（非接地端）取出。图10-2

4位二进制接触式码盘a）电刷在自然二进制码盘上的位置b）4位自然二进制码盘

c）4位格雷码码盘1－码盘2－转轴3－导电体4－绝缘体5－电刷6－激励公用轨道（接电源正极）表10-24位十进制数与

自然二进制码以及格雷码的对照表十进制数自然二进制码格雷码十进制数自然二进制码格雷码000000000810001100100010001910011101200100011101010111130011001011101111104010001101211001010501010111131101101160110010114111010017011101001511111000绝对式编码器（接触式）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=360º/2n

=360÷16=22.5º2．角编码器的分辨力与分辨率二进制的位数等于码道的圈数（不包括最里面的公用轨道）。高位在内，低位在外。M位二进制码盘就有M圈码道，且圆周被均分为2M个区域，分别表示不同的角度位置，所能分辨的角度α（即分辨力）为α=360º/2M

（10-1）分辨率=1/2M

（10-2）例10-3

求12码道绝对式角编码器的分辨力α。解

12码道的绝对式角编码器的圆周被均分为212=4096个位置数，所以能分辨的角度：α=360º/212=5.27

2023/10/1731例10-3求12码道的绝对式角编码器的

分辨力α解

12码道的绝对式角编码器的圆周被均分为212=4096个位置数，所以能分辨的角度α=360º/212=5.27

3．绝对式光电角编码器的结构图10-3

绝对式光电角编码器a）12码道光电码盘的平面结构b）4码道光电码盘与光源、光敏元件的对应关系c）外形绝对式光电编码器结构

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）

高位低位光电式角编码器的特点

码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，在玻璃上沉积很薄的刻线，按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。当光源将光投射在码盘上时，通过亮区的光线由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区的光敏元件输出为“1”，暗区的输出为“0”。当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出格雷码，代表码盘轴的角位移的大小。不锈钢光电码盘要玻璃码盘抗振性好。现在也采用透明树脂片镀膜刻蚀，强度比玻璃码盘高。光电码盘没有接触磨损，寿命长，允许转速高。角编码器信号输出有并行输出、串行输出、总线型输出等。由于并行信号连接线较多。高位数及多圈角编码器多数采用串行或总线型输出。光电脉冲角编码器示意图35放大、整形绝对式角编码器

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

绝对式角编码器按照角度直接进行编码。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式、磁阻式等。透光区不透光区零位标志绝对式测量角编码器

每一个微小的角位移都有一个对应的编码，常以二进制数据形式来表示。在绝对式测量中，即使中途断电，重新上电之后，当前位置的二进制编码数据仍然不变。10θ绝对式角编码器自然二进制码或格雷码01其他角编码器外形其他角编码器外形（续）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。E1050-14

绝对式

角编码器的

特性参数.位数14分辨力80"最大误差±100"外尺寸/mmΦ

50×40输出轴尺寸/mmΦ

6×12重量/g250允许转速/r·min-1200电源电压/VDC12(±5%)，5(±5%)光源红外LED输出信号格雷码，TTL电平使用温度－40～+55℃工作环境相对湿度/（%）相对湿度95（35℃时）振动/g6冲击/g504．多圈角编码器当图10-3所示的绝对式光电码盘转动超过360º时，编码又回到原点，称为单圈绝对式角编码器。如果测量旋转超过360º，在断电时，可以用锂电池来保持对旋转圈数的记忆（但不允许在断电后再旋转一圈以上）。也可以采用类似于钟表的齿轮结构来记忆圈数，称为多圈绝对式角编码器。还可以在图10-3所示的码盘的内圈，增加粗码刻度，可以做到在4096圈之内不重复输出。5．绝对式角编码器的RS485接线图10-4

绝对式角编码器与用户端的RS485通信电路接线DC12~24V20212223242526272829颜色正:白地:黑棕色红色橙色黄色蓝色紫色灰色白夹棕色白夹红色白夹橙色表10-410码道角编码器的接线颜色屏蔽线的屏蔽层接到设备的外壳二、增量式角编码器1．增量式光电角编码器的结构图10-5

增量式光电角编码器结构示意图(放大图见下页)a）外形b）内部结构c）扫描孔板与码盘、光电接收器之间的对应关系1－转轴2－发光二极管3－扫描孔板（光栏板）4－零位标志光槽（Z）5－零位光敏元件6－码盘7－电源及信号线连接座8－聚光透镜图10-5

增量式光电角编码器结构示意图增量式光电角编码器的结构（续）b）内部结构1－转轴2－发光二极管3－扫描孔板（光栏板）4－零位标志光槽（Z）5－零位光敏元件

6－码盘

7－电源及信号线连接座8－聚光透镜增量式编码器结构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ABC增量式光电角编码器的结构（续）增量式光电角编码器的结构（续）图10-5

c）内部结构1－转轴2－发光二极管3－扫描孔板（光栏板）4－零位标志光槽（Z）5－零位光敏元件

6－码盘7－电源及信号线连接座8－聚光透镜绝对式光电码盘与增量式码盘的区别

绝对式光电码盘（12码道）增量式光电码盘（1024位）

高位低位

分辨力

＝360

/条纹数例：条纹数＝1024

＝360

/1024＝0.352

增量式光电编码器

的分辨力与分辨率1－转轴2－LED3－光栏板4－零标志5－光敏元件6－码盘7－印制电路板8－电源及信号线连接座

一个脉冲对应一个分辨角

增量式编码器（INC）（续）辨向原理

光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90

相位。当码盘正转时，A信号超前B信号90

；当码盘反转时，B信号超前A信号90

。LED光栏板及A、B狭缝cossinC：零位检测光电编码器的两个“辨向元件”

光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个狭缝距离W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cos、

sin元件。W(m+1/4)WA相位超前B

:90°（1/4周期）例:W=1mm,cos与sin元件的距离可以是6.25或8.25mm等

两路光电信号判断旋转方向

A超前于B，判断为正向旋转，A也称为cos信号；B也称为sin信号。A滞后于B，判断为反向旋转辨向信号和零标志

光电编码器的光栏板上有A与B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（辨别旋转方向）。当码盘正转时，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。

零标志（一转脉冲）波形及作用

一转（360

）CC

在码盘里圈，有一条狭缝C，码盘每转一圈，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（0

）

。ABC90°2．增量式光电角编码器的分辨力与分辨率增量式光电角编码器的测量准确度与码盘圆周上的狭缝条纹数（分度数）M有关，最小分辨的角度α：α=360º/M

（10-3）分辨率=1/M

（10-4）例10-4

某增量式角编码器的技术指标为1024个脉冲/r（即分度数M＝1024P/r），求：分辨力α。解按题意，码盘边缘的透光槽数为1024个，则能分辨的最小角度为α=360º/M=360º/1024=0.352°判断码盘旋转方向的方法为了判断码盘旋转的方向，必须在增量式角编码器的光栏板上设置两个狭缝，并设置两组对应的光敏元件，如图10-5b、c中的A、B光敏元件，有时也称为cos、sin元件。图10-6绝对式角编码器的输出信号(放大图见后页)a）TTL电平信号

b）正弦波信号2023/10/1760图10-7绝对式角编码器的差分输出电路图10-6绝对式角编码器的输出信号a）TTL电平信号

b）正弦波信号3．增量式光电角编码器的旋转角度计算设增量式角编码器的码盘每转输出的脉冲数（分度数）为M，在静止时码盘的初始位置角为零，开始旋转后给出脉冲数目为m，则码盘旋转的角度θ=360º×(m/M)

（10-5）例10-5

某增量式角编码器的分度数M＝1024，从零位信号Z之后的10s内，计数器对角编码器的一路信号（图10-6中的A信号）计数，得到m=1024+128个脉冲。求：码盘旋转的角度θ和转速n（r/min）。解按题意，码盘边缘的透光槽数为1024个，码盘旋转的角度θ=360º×(m/M)=360°×(1152/1024)=360°×1.125=405ºn=60×r/s=60×[(405º/360º)/10s]=6.75r/min4．响应频率增量式角编码器的响应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的响应速度。当码盘高速旋转时，如果其分度数（分辨率）很高，那么角编码器输出的信号频率将会很高，光电检测器件和电子线路元器件的输出波形滞后和严重畸变，甚至产生丢失脉冲的现象。5．增量式光电角编码器的接线图10-8增量式角编码器的差分输出的接线6．光电角编码器的安装、使用注意事项1）主轴转速较低时角编码器轴与用户端输出轴之间需要采用弹性软连接，避免因用户轴的窜动、跳动而造成角编码器轴系和码盘的损坏。安装时应保证角编码器轴与用户输出轴的偏角小于1.5°。2）高速运行时建议使用同步带轮连接。3）长距离传输时，应选用具备输出阻抗低的型号。4）接地线一般应大于1.5mm2，尽量避免双端接地。5）现场总线式角编码器使用前要对角编码器的参数进行设置。需要设置的参数有：旋转的正方向、每转的脉冲数和转数、总分辨率、预置值、记忆功能、诊断模式等。表10-5WLF系列角编码器的主要技术指标参数名称指标电源电压/VDC5或8~30消耗电流/mA＜60mA分辨率1/1024输出形态推拉型或集电极开路NPN型上升、下降时间/ns≤100最高响应频率/kHz150允许最高机械转速/r·min-1600025℃时的起动力矩/N·m5×10-2使用环境温度/℃-10~70使用环境湿度（%）35~85RH（不结露）防护等级IP54，IP65任务二角编码器的应用一、角编码器在数字测速中的应用由于增量式角编码器的输出是脉冲信号，因此，可以通过测量脉冲频率或周期的方法来测量转速。数字测速方法有M法测速、T法测速和M/T法测速等。1．M法测速在一定的时间间隔ts内（ts=t闸门，见图10-9a，如10s、1s、0.1s等），用角编码器所产生的脉冲数来确定速度的方法称为M法测速。M法测速（适合于高转速场合）m1图10-9aM法测速原理编码器每转产生M个脉冲，在ts时间段内有m1

个脉冲产生，则转速（r/min)为：n=60m1/(tsM)±1

tsM法门控测速电路（基本原理）先利用施密特触发器将角编码器的输出脉冲三角波转换为矩形波。当与门的C端为高电平时，b端的信号可以通过与门，到达d端，然后单片机进行计数，得到m1个计数结果。M法测速的计算

若编码器每转产生N个脉冲，在ts的闸门时间间隔内得到m1个脉，则编码器所产生的脉冲频率为

（10-6）则转速n（单位为r/min）为（10-7）±1误差简述M法测速的本质是测频。误差主要由两个因素决定：1）闸门时间ts的误差：可以使用晶振来提高闸门时间的准确性；2）量化误差：又称为±1误差，见下图(原理见后页)ts3）产生±1误差的原因：测频时，计数脉冲通过闸门进入计数器。由于闸门开启时刻（秒信号的上升沿）和被测计数脉冲上升沿到来的时刻之间的关系是随机的,有可能在第二个t闸门时间里，比在第一个t闸门时间多计数了一个脉冲，或少计数了一个脉冲，就造成了±误差。ts例

某角编码器的技术指标为1024个脉冲/r（即M＝1024P/r

=1K），在0.2s时间内，测得100个脉冲，即ts=0.2s，m１=100，求：1）转速n；2）±1误差引起的转速测量误差为多少r/min。3）如果将ts延长到1s，求±1误差引起的转速测量误差为多少r/min。解

1）角编码器轴的转速为3）如果将ts延长到1s，m１’的数值必然增加到500，则结论：采样时间为1s时计算得到的转速，与在0.2s时间内测得的转速相同，但±1个脉冲引起的误差缩小为原来的1/5。2）由于±1误差，在ts=0.2s时间段里，计数得到的脉冲数m１=100±1个脉冲，则M法测速计算（续）T例：有一增量式光电编码器，其参数为M=1024p/r，在5s时间内测得65536个单向脉冲，求：转速n（r/min)解：n=60×65536÷1024÷

5=768r/min

m12．T法测速（适应于缓慢转速的测量）T法测速原理如图10-9b所示。用角编码器所产生的相邻两个脉冲之间的时间T来确定“传感器在一个周期里面的被测转速”的方法称为T法测速。在T法测速中，必须使用标准时钟脉冲f0（其周期为T0）作为测量角编码器输出信号周期Ｔ的“时钟”。（不展开讲解）图10-9bT法测速原理二、绝对式角编码器在工位编码及

刀库选刀控制中的应用1．绝对式角编码器在工位编码中的应用图10-10

转盘加工工位的编码1－绝对式角编码器

2－电动机3－同步带

4－转轴5－转盘6－工件7－刀具例10-7

设图10-10中的角编码器为4码道绝对式码盘（假设采用自然二进制码），工件1~8的编码从0000到1110