模块6 数字传感器

模块6数字传感器本模块学习的主要内容：1、光栅式传感器2、光电编码器3、磁栅式传感器数字传感器在数控机床中的应用防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部单元1光栅式传感器光栅式传感器是光电式传感器的一个特殊应用。其优点为：结构简单测量精度高易于实现自动化和数字化等一、光栅的结构和类型光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分构成。光栅读数头包括：光源、透镜、指示光栅、光电接收元件、驱动电路。直线光栅（长光栅）：主光栅为直尺形→直线移动旋转光栅（圆光栅）：主光栅为圆盘形→旋转运动透射光栅：光源与光电元件在两侧→透射光反射光栅：光源与光电元件同一侧→反射光按运动形式分类1.光栅的分类按光学形式分类直线光栅传感器实物图扫描头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆旋转光栅实物图（a）实心轴旋转光栅（b）空心轴旋转光栅2．光栅尺（标尺光栅和指示光栅）a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数），通常情况下，a=b=W/2

常见长光栅的线纹宽度为25、50、100、125、250线／mm。指示光栅标尺光栅

三类光栅读数头的结构示意图

光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光电元件和驱动电路组成。光栅读数头的光源一般采用白炽灯。光栅读数头的结构形式按光路分，除了垂直入射式外，常见的还有分光读数头、反射读数头等3．光栅读数头透射式光栅结构图反射式光栅结构图旋转光栅工作原理示意图二、光栅的基本工作原理1．莫尔条纹直线型莫尔条纹动画演示旋转型莫尔条纹动画演示横向莫尔条纹的斜率：莫尔条纹间距：

莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定。等栅距形成的莫尔条纹莫尔条纹的主要特性：（1）消除光栅刻线不均匀误差光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。即准确性：大量刻线→误差平均效应→克服个别/局部误差→提高精度（2）位移的放大特性放大性：夹角θ很小→B＝W

/θ>>W→光学放大→提高灵敏度可调性：夹角θ↓→条纹间距B↑→灵活同步性：光栅移动一个栅距→莫尔条纹移动一个间距一方向对应方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时，与光栅移动方向垂直（3）移动特性－输出信号中直流分量（4）光强与位置关系对应性：莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术”。注意事项：光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光栅的安装间隙无关。莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸，否则光敏元件无法分辨光强的变化。光栅位移与光强及光电元件输出电压的关系图光栅位移与输出电压的关系动画

为了辨向，需要在相隔1/4条纹间距的位置上安装两个光电元件，得到两个相位差π/2的电信号U01和U02光电元件在莫尔条纹中的位置1、2－光电元件2．辨向原理莫尔条纹中的两个光电元件整形电路U01电信号U02电信号整形电路微分电路与门电路与门电路

电信号

电信号微分电路非门电路可逆计数电路加脉冲减脉冲光栅式传感器辨向原理框图脉冲数等于正、反向移动后累加所得的脉冲数，根据正负可以辨向。得出：被测物体位移＝栅距×脉冲数【例】先正向移动11个脉冲，而后反向移动5个脉冲，再正向移动2个脉冲，可算出位移8个栅距。光栅测量位移的原理示意图3.细分技术问题的提出：

如何在现有仪器条件下提高分辨力？ 在选择合适的光栅栅距的前提下，对栅距进行测微，电子学中称“细分”，来得到所需最小读数值。细分：在莫尔条纹变化一周期时，等间距输出若干个脉冲，提高了分辨力。也称为倍频。通常采同的细分方法有四倍频细分、电桥细分、复合细分等。三、光栅数显表简介光栅数显表组成：细分电路，方向判别电路（辨向电路），计数、显示电路，绝对零位电路，功能电路。

光栅数显表的基本原理框图方向判别与控制技术脉冲形成细分电路计数显示1.光栅数显表的构成

光栅数显表可广泛使用于车床、铣床、磨床、线切割、摇臂钻、电火花、镗床、龙门镗铣等各类机加工机床，有利于提高加工效率和加工精度。（1）通用功能

清零、预置数、自动分中、公英制转换、绝对坐标/相对坐标/200组用户坐标显示转换、停电记忆、200点辅助零位功能、寻找机械原点、线性误差修正、睡眠开关。二维光栅数显表及光栅尺（2）加工功能

计算器功能、圆周分孔、斜线分孔、斜度加工、圆弧加工、车床功能、EDM输出、矩形内腔渐进加工、数字过滤、直径/半径显示。2.光栅数显表的功能（1）数显表不得暴露在烈日或高温。（2）远离高电压、大电流、强磁场的设备，光栅尺信号电缆线尽量远离电源线。（3）避免金属屑、油、水等进入数显表，注意防尘防潮，不要将数显表安装在震动较大或不稳固的工作台上。（4）环境温度在+40℃时，空气的相对湿度不超过50%，较低温度时允许有较大相对湿度，由于温度变化产生的凝露应采取特殊的措施。3.光栅数显表的安装条件四、光栅式传感器的应用案例——光栅数显装置（a）结构示意图（b）电路原理图1－读数头；2－壳体；3－发光接受线路板；4－指示光栅座；5－指示光栅；6－光栅刻线；7－光栅尺；8－主光栅光栅数显装置结构示意及电路原理框图国产光栅数显装置的LSI芯片组成：

1.光栅信号处理芯片（HKF710502）主要功能：完成输入信号的同步；整形；四细分；辨向；加减控制；参考零位信号的处理；记忆功能的实现和分辨力的选择等。2．逻辑控制芯片（HKE701314）主要功能：为整机提供高频和低频脉冲；完成BCD译码；XJ

校验以及超速报警。3．可逆计数与零位记忆芯片（HKE701201）主要功能：接受计数脉冲，完成可逆计数；接受参考零位脉冲，使计数器确定参考零位的数值，同时也完成清零、置数、记忆等功能。机床导轨位置检测动画MQ-系列三坐标测量机单元2光电编码器编码器是将直线运动和转角运动变换为数字信号进行测量的一种传感器。有光电式、电磁式和接触式等各种类型。信号航空插头光电编码器外形图拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）其他光电编码器外形图按构造类型分转动方式直线—线性编码器转动—转轴编码器光束形式透射式反射式光电编码器的分类按信号性质分增量式辨别方向零位信号绝对式可辨向的增量式编码器不可辨向的脉冲发生器有零位信号无零位信号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一、增量式光电编码器增量式光电编码器内部结构图增量式光电编码器结构示意图l－均匀分布透光槽的编码盘2－LED光源3－光栏板上狭缝4－sin信号接收器5－cos信号接收器6－零位读出光电元件7－转轴8－零位标记槽增量式编码器原理动画1．辨向信号和零标志在前图的码盘里圈，还有一个狭缝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。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，又称为sin、cos元件。测量精度取决于它所能分辨的最小角度，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：2．增量式光电编码器的分辨力及分辨率分辨力为分辨率为

增量式光电编码器除可以测量角位移外，还可以通过测量光电脉冲的频率，进而用来测量转速。如果通过机械装置，将直线位移转换成角位移，还可以用来测量直线位移。二、绝对式光电编码器绝对式编码器按照角度直接进行编码，直接用数字代码表示。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等。绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明区组成，编码盘上码道的条数就是数码的位数。绝对式光电编码器原理动画绝对式光电编码器的结构示意图1－光源；2－透镜；3－编码盘；4－狭缝；5－光电元件光电码盘的平面结构图（8码道）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系图（4码道）绝对式光电编码器测量精度取决于它所能分辨的最小角度，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：

注意：自然二进制编码由于图案转换点处位置不分明而引起的粗大误差。例如，在由7转换到8的位置时光束要通过编码盘0111和1000的交界处处时，有可能出现两种极端的读数值，即1111和0000，从而引起读数的粗大误差，这种误差是绝对不能允许的。为了避免位置不分明而引起的粗大误差，可采用格雷码（Groycode）（相邻之间的编码只有一个码道变化）图案的编码盘。分辨力分辨率格雷码和自然二进制码的比较表（n=4）D十进制B二进制R格雷码D十进制B二进制R格雷码012345670000000100100011010001010110011100000001001100100110011101010100891011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000绝对式光电编码器测角仪原理图1－光源；2－聚光镜；3－编码盘；4－狭缝光阑透光区不透光区零位标志增量式绝对式增量式、绝对式有何区别？哪个是增量式？哪个是绝对式？（1）分辨率分辨率指每转一周所能产生的脉冲数。一般线宽20～30μm。进一步提高分辨率采用电子细分的方法，现已经达到100倍细分的水平。（2）输出信号的电特性表示输出信号的形式（代码形式，输出波形）和信号电平以及电源要求等参数称为输出信号的电特性。（3）频率特性频率特性是对高速转动的响应能力，取决于光电元件的响应和负载电阻以及转子的机械惯量。一般的响应频率为30～80kHz，最高可达100kHz。（4）使用特性使用特性包括器件的几何尺寸和环境温度。采用光电元件温度差动补偿的方法其温度范围可达-5℃～＋50℃。外形尺寸由φ30～φ200mm不等，随分辨率提高而加大。绝对式光电编码器的主要技术指标：三、光电编码器的应用案例1．ZBS型轴环式光电编码器数显表ZBS型轴环式光电编码器数显表示意图（a）外形（b）内部结构（c）电路原理框图1-电源线(+5V)；2-轴套；3-数字显示器；4-复位开关；5-主光栅6-发光二极管；7-指示光栅；8-sin光电三极管；9-cos光电三极管此编码器是增量式还是绝对式？

轴环式数显表外形图

1－数显面板2－轴环3－穿轴孔4－电源线5－复位机构轴环式数显表在车床进给显示中的应用1-手柄；2-紧固螺母；3-轴环式数显表拖板；4-丝杠轴；5-溜板

光电编码器轴环式数显表具有体积小、安装简便、读数直观、可靠性好、性价比高等优点，适用于中小型机床的进给或定位测量，也适用于老机床的改造。如果把它装在车床进给刻度轮的位置，可以直接读出进给尺寸，减少停机测量的次数，从而提高工作效率和加工精度。（1）位置测量2.其他应用光电编码器位置测量动画工位定位示意图1－绝对式编码器；2－电动机；3－转轴；4－转盘；5－工件；6－刀具数控加工中心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用不同的刀具加工复杂的工件（2）转速测量光电编码器转速测量动画在伺服电机中的应用应用方面：转速测量转子磁极位置测量角位移测量单元3磁栅式传感器磁栅优点：价格低于光栅、制作简单、复制方便；测量范围宽（从几十毫米到数十米）、不需接长；易安装和调整、抗干扰能力强。大尺寸磁栅尺外形图一、磁栅的组成及类型1．磁栅的组成磁栅传感器是由磁栅（简称磁尺）、磁头和检测电路组成。磁头可分为动态磁头和静态磁头两大类。磁信号的波长又称节距，我们用W表示。在N与N、S与S重叠部分磁感应强度最强，但两者极性相反。目前常用的磁信号节距为0.05mm和0.20mm两种。磁栅传感器工作原理示意图l－磁尺；2－尺基；3－磁性薄膜；4－铁心；5－磁头长磁栅的外形及结构图磁尺静态磁头去信号处理电路固定孔2．磁栅的类型长磁栅圆磁栅——磁柵式编码器（测量直线位移）（测量角位移）尺形带形同轴形长磁栅传感器的类型1－磁头2－磁栅3－屏蔽罩4－基座5－软垫圆磁栅传感器外形图（a）外形示意图（b）外形实物图（ERM2900系列）磁尺长磁栅实物图磁头德国SIKO

长磁栅尺实物图磁头与磁尺相对运动时的输出波形二、磁栅传感器的工作原理1．基本工作原理磁栅传感器工作原理动画式中：Em－感应电势的幅值W－磁栅信号的节距x－机械位移量磁头输出的电势信号经检波，保留其基波成分，可用下式表示：2．信号处理方式当两只磁头励磁线圈加上同一励磁电流时，两磁头输出绕组的输出信号为：

式中：－机械位移相角，将第二个磁头的电压读出信号移相900，两磁头的输出信号则变为：将两路输出相加，则获得总输出：（1）鉴相处理方式鉴相型磁栅传感器基本原理框图利用输出信号的幅值大小来反映磁头的位移量或与磁尺的相对位置的信号处理方式。

经检波器去掉高频载波后可得：（2）鉴幅处理方式与光栅的信号辨向、细分一致。鉴幅型磁栅传感器的原理框图

磁栅数显装置的结构示意图1－磁性标尺2－磁头3－固定块4－尺体安装孔5－泡沫垫6－滑板安装孔7－磁头连接板8－滑板三、磁栅数显装置

国产磁栅数显装置的LSI芯片组成：1．磁头放大器（SF023）2．磁尺检测专用集成芯片（SF6114）主要功能：两输入信号的放大；通道B信号移相900；通道A和通道B信号求和放大；补偿两只磁头特性所需的调整和来自数显表供给两只磁头的励磁信号。主要功能：对磁尺励磁信号的低通滤波和功率放大；供给磁头的励磁信号；对放大器输出信号经滤波后进行放大、限幅、整形为矩形波；接受反馈信号对磁尺检出信号进行相位微