1-4-位移傳感器解析

1、1第四章 位移傳感器4.1 數(shù)字式位移傳感器4.2 編碼器4.3 光纖移傳感器2第第四四章章 位移傳感器位移傳感器 位移是指物體相對參考點產(chǎn)生偏移，偏移量的大小就是位移。位移是一種基本物理量，由它派生出的物理量有長度、寬度、厚度、位置、磨損、應(yīng)變及（振動）振幅等。因此只要測出位移量，由其派生出的物理量的測量問題就可以解決。 位移分為線位移和角位移兩類。34.1 數(shù)字式位移傳感器數(shù)字式位移傳感器 數(shù)字式傳感器是把模擬輸入量經(jīng)敏感元件轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的傳感器。數(shù)字量輸出的傳感器有較高的測量精度和分辨力，從數(shù)據(jù)處理和信號分析角度，數(shù)字量便于微機處理。 位移傳感器中的光柵、感應(yīng)同步器和磁柵式傳感器都是

2、以“計數(shù)”方式工作的數(shù)字量傳感器。4光柵傳感器感應(yīng)同步器數(shù)字式傳感器的特點數(shù)字式傳感器的特點4.1 數(shù)字式位移傳感器數(shù)字式位移傳感器5數(shù)字傳感器的特點：數(shù)字傳感器的特點：o 具有高的測量精度和分辨力，讀數(shù)直觀精確。o 測量行程范圍大，直線位移可達數(shù)米至幾十米。o 易于實現(xiàn)高速動態(tài)測量，處理和自動化。o 采用高電平數(shù)字信號時，對外部干擾（噪音）的抑制能力強。o 安裝方便，使用維護簡單，工作可靠性強。4.1 數(shù)字式位移傳感器數(shù)字式位移傳感器6 1.光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu) 光柵通常是由在表面上按一定間隔制成透光和不透光的條紋玻璃構(gòu)成，稱之為透射光柵，或在金屬光潔的表面上按一定間隔制成全反射和漫反射的條

3、紋，稱為反射光柵。 利用光柵的一些特點可進行線位移和角位移的測量。測量線位移的光柵為矩形并隨被測長度增加而加長，稱之為長光柵；而測量角位移的光柵為圓形，稱之為圓光柵。 4.1.1 光柵傳感器7 光柵上的刻線稱為柵線,柵線的寬度為a,縫隙寬度為b,一般取a=b,而w=a+b稱為柵距（也稱為光柵常數(shù)或光柵節(jié)距,是光柵的重要參數(shù),用每毫米長度內(nèi)的柵線數(shù)表示柵線密度,如100線mm、250線mm）。 4.1.1 光柵傳感器wab放大(a) 長光柵(b) 圓光柵放大wabwab放大(a) 長光柵(b) 圓光柵放大wab4.1.1 光柵傳感器 圓光柵還有一個參數(shù)叫柵距角或稱節(jié)距角,它是指圓光柵上相鄰兩條柵

4、線的夾角。92. 莫爾條紋原理莫爾條紋原理 莫爾條紋的成因是由主光柵和指示光柵的莫爾條紋的成因是由主光柵和指示光柵的遮遮光和透光光和透光效應(yīng)形成的（兩只光柵參數(shù)相同）。效應(yīng)形成的（兩只光柵參數(shù)相同）。 主光柵用于滿足測量范圍及精度，指示光柵主光柵用于滿足測量范圍及精度，指示光柵（通常是從主尺上裁截一段）用于拾取信號。（通常是從主尺上裁截一段）用于拾取信號。4.1.1 光柵傳感器10wababaababaBw2 1莫爾條紋原理4.1.1 光柵傳感器 將主光柵與指示光柵的將主光柵與指示光柵的刻劃面相向疊合并且使兩刻劃面相向疊合并且使兩者柵線有很小的交角者柵線有很小的交角，這，這樣就可以看到，在樣就

5、可以看到，在a-a線上線上兩只光柵柵線彼此錯開，兩只光柵柵線彼此錯開，光線從縫隙中透過形成亮光線從縫隙中透過形成亮帶，其透光部分是由一系帶，其透光部分是由一系列棱形圖案構(gòu)成的；在列棱形圖案構(gòu)成的；在b-b線上兩只光柵柵線相互交線上兩只光柵柵線相互交疊，相互遮擋縫隙，光線疊，相互遮擋縫隙，光線不能透過形成暗帶。這種不能透過形成暗帶。這種亮帶和暗帶相間亮帶和暗帶相間的條紋稱的條紋稱為莫爾條紋。為莫爾條紋。11光源透鏡光柵副光柵副光電元件4.1.1 光柵傳感器124.1.1 光柵傳感器3. 光柵傳感器的工作原理1） 位移放大作用相鄰兩條莫爾條紋間距B與柵距w及兩光柵夾角的關(guān)系為令k為放大系數(shù),則ww

6、B2sin21wBkwababaababaBw2 1134.1.1 光柵傳感器 一般很小，所以放大系數(shù)k很大。故盡管光柵柵距w很小，而通過莫爾條紋的放大作用仍使其清晰可辨。 在安裝調(diào)節(jié)時，通過調(diào)整角，可以改變莫爾條紋寬度，從而使光電接收元件能正確接收光信號。 對于100線mm的光柵，柵距為0.01mm，當夾角為0.06時，莫爾條紋間距B可達10 mm，放大了1000倍。 144.1.1 光柵傳感器2） 誤差減小作用 光柵在制作過程中必然會引入刻劃誤差。光電元件獲取的莫爾條紋是指示光柵覆蓋區(qū)域刻線的綜合結(jié)果，對刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除柵距的局部誤差及短周期誤差的影響。這是光柵傳

7、感器精度高的一個重要原因。153）莫爾條紋輸出信號的質(zhì)量評定 理想情況下，光柵副相對位移產(chǎn)生莫爾條紋，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換輸出的電壓信號應(yīng)為三角波形。見圖a。而實際上，由于光柵副間隙，光柵衍射效應(yīng)，照明光源有一定寬度以及柵線質(zhì)量問題，使輸出的電壓信號為近似的正弦波，如圖b。4.1.1 光柵傳感器16 光柵是高精度位移測量中常用的傳感器之一,隨著制造業(yè)的發(fā)展,人們對光柵傳感器的精度要求也越來越高。 傳統(tǒng)的光柵傳感器通常采用兩片黑白光柵形成莫爾條紋, 其光柵信號一般不是標準的正弦波, 往往含有10% 左右的高次諧波。由于光柵傳感器通常需要借助于電子細分達到較高的精度和分辨力, 而細分是建立在光柵信號是正弦波

8、的基礎(chǔ)上。 4.正弦微窗光柵位移傳感器17 高次諧波破壞了信號的準確性，從而影響到傳感器的細分精度，高次諧波對光柵傳感器的影響已不容忽視。 由莫爾條紋輸出正弦信號質(zhì)量評定可知，高次諧波的疊加，使輸出電壓信號近似為正弦波。高次諧波含量越小，正弦波形越好。 采用正弦微窗光柵，輸出電壓信號不含高次諧波，只含基波正弦波，保證了輸出正弦波原始信號的質(zhì)量。4.正弦微窗光柵位移傳感器18 所謂正弦微窗光柵是指光柵是由許多微小的窗口排列而成。4.正弦微窗光柵位移傳感器19 微窗單元為一長方形, 中間有一透光孔, 透光孔內(nèi)光強透過率為一常數(shù)C, 孔以外區(qū)域光強透過率為零或接近于零, 透光孔的內(nèi)邊緣沿y 方向的跨

9、度 y是一個變量，可表示為 4.正弦微窗光柵位移傳感器1sin 22hyx W 204.正弦微窗光柵位移傳感器 光源1位于聚光鏡2的焦面上, 光線經(jīng)聚光鏡2變?yōu)闇手惫? 準直光依次通過彼此相鄰的主光柵3和指示光柵4 (主光柵3為一普通的黑白光柵, 指示光柵4為一正弦微窗光柵, 并具有與主光柵3相同的光柵常數(shù)W ) , 主光柵3和指示光柵4的柵線相互平行或者稍微傾斜。照明光經(jīng)過兩光柵后為光電接收元件5所接收。 理論上可以證明，由于正理論上可以證明，由于正弦微窗光柵的作用弦微窗光柵的作用, 光電元件的光電元件的輸出信號將不含有高次諧波。輸出信號將不含有高次諧波。211 概述 2 感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu) 3

10、 感應(yīng)同步器工作原理4 感應(yīng)同步器的信號處理方式主要內(nèi)容主要內(nèi)容4.1.2 感應(yīng)同步器221. 概述 感應(yīng)同步器是20世紀60年代末發(fā)展起來的一種高精度位移（直線位移、角位移）傳感器。 按其用途可分為兩大類： 測量直線位移的線位移感應(yīng)同步器； 測量角位移的圓盤感應(yīng)同步器。 首先用絕緣粘貼劑把銅箔粘牢在金屬（或玻璃）基板上，然后按設(shè)計要求腐蝕成不同曲折形狀的平面繞組。這種繞組稱為印制電路繞組。231. 概述 分為直線感應(yīng)同步器和圓感應(yīng)同步器，它們都由兩部分組成：定尺和滑尺或定子和轉(zhuǎn)子。 定尺和轉(zhuǎn)子上是連續(xù)繞組，而在滑尺和定子上是分段繞組，分段繞組分為兩組，布置成在空間相差90相角，又稱為正、余弦

11、繞組。 感應(yīng)同步器的分段繞組和連續(xù)繞組相當于變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)線圈，利用交變電磁場和互感原理工作，將繞組間相對位移量（線位移或角位移）轉(zhuǎn)換成電信號輸出。242. 感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)由定尺和滑尺兩部分組成。定尺和滑尺可利用印刷電路板的生產(chǎn)工藝，用覆銅板制成。 滑尺上有兩個繞組，彼此相距/2或3/4。當定尺節(jié)距為W2時，滑尺上的兩個繞組間的距離l1應(yīng)滿足如下關(guān)系： l1 =(n/2+1/4)W2。n=0，相差/2，n=1，相差3/4。滑尺繞組呈W 形或U形。252. 感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)4l26 感應(yīng)同步器由一組平面繞組組成。長感應(yīng)同步器的滑尺和圓感應(yīng)同步器的定子是分段繞組，作為一次繞組，通以交變激勵電

12、壓，形成一個相對空間位置固定，大小隨時間變化的脈振磁場。長感應(yīng)同步器的定尺和圓感應(yīng)同步器的轉(zhuǎn)子的連續(xù)繞組在相對線位移或角位移時，穿過其繞組中的磁通是變化的，產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電動勢。以長感應(yīng)同步器為例來闡述感應(yīng)同步器的工作原理。3. 感應(yīng)同步器工作原理273. 感應(yīng)同步器工作原理當滑尺上b繞組處于A點處，感應(yīng)電 動 勢 最 大 （ 幅值）；當移動W/4時處于B點，感應(yīng)電動勢為零；繼續(xù)移到C處，反向感應(yīng)電動勢最大，移到D處為零， 移到E處，又回到與初始位置完全相同的耦合狀態(tài)。283. 感應(yīng)同步器工作原理 當滑尺每移動一個繞組節(jié)距，在定尺繞組中的感應(yīng)電動勢變化一個周期，這樣便把機械位移量和電信號

13、周期聯(lián)系起來了，繞組節(jié)距W相當于2電角度。 如果滑尺相對于定尺自某初始位置算起的位移量為x。則x機械位移引起的電角度變化2x/W。29當滑尺正弦繞組上加激磁電壓us后，與之相耦合的定尺繞組上的感應(yīng)電壓為： uos= K us cos K 電磁感應(yīng)系數(shù) 定尺繞組上感應(yīng)電壓的相位角（空間相位角）當滑尺余弦繞組上加激磁電壓uc后，與之相耦合的定尺繞組上的感應(yīng)電壓為：uoc = K uc cos（ + /2） =K ucsin4. 感應(yīng)同步器信號處理方式30 當滑尺正、余弦繞組上同時加激磁電壓us 、 uc 時，由于感應(yīng)同步器的磁路可視為線性的，根據(jù)疊加原理，則與之相耦合的定尺 繞組上的總感應(yīng)電壓為：

14、 uo = uos + uoc = K us cos K uc sin 相位角與相對位移量 x的關(guān)系： = 2x/W 由于相對位移量 x 與 相位角呈線性關(guān)系，只要能測出相位角 ，就可求得位移量 x 。4. 感應(yīng)同步器信號處理方式31 根據(jù)滑尺正、余弦繞組上激磁電壓us 、 uc供電方式的不同和對輸出電壓檢測方式的不同，感應(yīng)同步器可有兩種工作方式：鑒相工作方式、鑒幅工作方式。4. 感應(yīng)同步器信號處理方式鑒相型鑒相型鑒幅型鑒幅型32感應(yīng)同步器的鑒相型處理方式 在該種工作方式中，滑尺正、余弦繞組通以頻率相同、幅值相同，相位差為 /2的交流勵磁電壓 正弦繞組勵磁電壓: us = Um sint 余弦

15、繞組勵磁電壓: uc = Um cost定尺 繞組上的總感應(yīng)電壓為：uo = uos + uoc = K us cos + K uc sin= K Um sint cos +K Um cost sin= K Um sin（t + ）33感應(yīng)同步器的鑒相型處理方式 結(jié)論：在鑒相工作方式中, 通過測量感應(yīng)電壓uo與正弦繞組勵磁電壓us相位差 ，就可求得滑尺與定尺相對位移量 x 。相位角與相對位移量 x的關(guān)系： = 2x/W34 滑尺正、余弦繞組通以頻率相同、相位相同，但幅值不同的交流勵磁電壓us =Um sin1 sint uc =Um cos1 sint 定尺 繞組上的總感應(yīng)電壓為：uo = u

16、os + uoc = K us cos K uc sin= K Um sin(1)sint 1 = 2 x1 /W （ x1是指令位移值） 感應(yīng)同步器的鑒幅型處理方式35 結(jié)論：在鑒幅工作方式中, 通過測量感應(yīng)電壓uo的幅值，就可求得滑尺與定尺相對位移量 x 。感應(yīng)同步器的鑒幅型處理方式36感應(yīng)同步器優(yōu)點1) 具有很高的精度和分辨率。目前直線式感應(yīng)同步器的精度可達到1m，分辨率可達0.05 m ，重復(fù)性誤差可達0.2 m。 2) 抗干擾能力強。不受瞬時作用的偶然干擾信號的影響。平面繞組的阻抗很小，受外界干擾電場和空間磁場變化的影響很小。因為是根據(jù)正弦和余弦兩相繞組的電壓幅值或相位進行比較完成測

17、量的。因此，基本上不受電源波動的影響。37感應(yīng)同步器優(yōu)點3) 結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用壽命長。固定部件和運動部件互不接觸，沒有摩擦、磨損，所以使用壽命長。4) 可以作長距離位移測量。可根據(jù)測量長度的需要進行拼接。10米的大型機床工作臺位移的測量，大多采用感應(yīng)同步器。 5) 工藝性好、成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。 感應(yīng)同步器中導(dǎo)片的數(shù)量很多，產(chǎn)生誤差平均效應(yīng)。38感應(yīng)同步器缺點輸出信號弱；信號處理麻煩；配套信號處理設(shè)備(數(shù)顯表)比較復(fù)雜；價格高。39 磁柵是用于線位移(長度)測量的一種數(shù)字式傳感器。這是一種比較新的傳感元件，加工工藝也比較簡單。 當需要時，可將原來的磁化信號抹去，重新錄制。還可

18、以安裝在被測體上，再錄制磁化信號，對消除安裝誤差和被測體本身的幾何誤差，以提高測量精度都是十分有利的。 由于可以采用激光定位錄磁，而不需要采用感光、腐蝕等工藝，因而可以得到較高的精度。4.1.3 磁柵位移傳感器40 磁柵位移傳感器分為測線位移的長磁柵和測角位移的圓磁柵。 磁柵傳感器由磁尺、磁頭和檢測電路磁尺、磁頭和檢測電路組成。4.1.2 磁柵位移傳感器414.1.3 磁柵位移傳感器輸 出 信 號勵 磁 電 源654SS3NNSSS7NN1SNN200abx 磁尺是用不導(dǎo)磁的金屬做尺基，或者采用在鋼材表面上鍍上一層抗磁材料，如0.15-0.20mm厚的銅做尺基。在尺基表面均勻地涂覆一層厚度為0

19、.10-0.20mm的磁性薄膜，常用的是Ni-Co-P合金，然后錄上一定波長的磁信號（等距離排列的小磁極） 。磁尺上的磁場強度是周期變化的。 42 讀取磁信號時，按讀取方式不同。有動態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭之分。 動態(tài)磁頭又稱速度響應(yīng)式磁頭，只有一組線圈，當磁頭相對磁尺運動時，在線圈里產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，有輸出信號。動態(tài)磁頭只有在磁頭與磁尺問有相對運動時才有信號輸出。運動速度不同時，輸出信號的大小也不同，靜止時就沒有信號輸出，故不適用于長度測量。 靜態(tài)磁頭又稱磁通響應(yīng)式磁頭。與動態(tài)磁頭的根本區(qū)別在于，在磁頭磁柵之間沒有相對運動的情況下也有信號輸出。 4.1.2 磁柵位移傳感器43 磁柵位移傳感器的信號處理

20、方式有兩種工作方式：鑒相工作方式、鑒幅工作方式。 磁柵傳感器通常是獨立結(jié)構(gòu)。磁尺在中小型機床上安裝方便。由于磁柵材料與鐵芯熱膨脹系數(shù)接近，受溫度影響較小。加上可以屏蔽外界磁干擾，對油污、鐵屑、振動的干擾，也產(chǎn)生較小影響。所以，特別適合中小型鏜銑機床安裝作測量工具用。 4.1.2 磁柵位移傳感器444.2.1 概述 4.2.2 絕對值編碼器4.2.3 增量編碼器4.2.4 編碼器的性能及使用主要內(nèi)容主要內(nèi)容4.2 編碼器454.2.1 概述 編碼器又稱碼盤，是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，將機械轉(zhuǎn)動的模擬量（位移）轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號。編碼器以其高精度

21、、 高分辨率和高可靠性被廣泛用于各種位移的測量。測量線位移的稱作直線編碼器，測量角位移的稱作旋轉(zhuǎn)編碼器。 編碼器按其結(jié)構(gòu)形式有接觸式、光電式、電磁式等，后兩種為非接觸式編碼器。它們的工作原理不同，敏感元件不同，由結(jié)構(gòu)相似但內(nèi)涵不同的碼盤組成。46類類 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 特特 點點 接接觸觸式式電刷與碼盤直接接觸，電刷數(shù)目與碼道數(shù)目相同，電刷與碼盤直接接觸，電刷數(shù)目與碼道數(shù)目相同，每個電刷連接一根導(dǎo)線。碼盤基體是絕緣體，碼道每個電刷連接一根導(dǎo)線。碼盤基體是絕緣體，碼道上小網(wǎng)格為高電平上小網(wǎng)格為高電平-導(dǎo)電區(qū)和低電平導(dǎo)電區(qū)和低電平-非導(dǎo)電區(qū)。另非導(dǎo)電區(qū)。另加一個供電碼道，并與供電電刷相連，所有碼區(qū)內(nèi)加一

22、個供電碼道，并與供電電刷相連，所有碼區(qū)內(nèi)導(dǎo)電區(qū)與供電碼道相連。導(dǎo)電區(qū)與供電碼道相連。 電刷安裝精度直接影電刷安裝精度直接影響編碼器精度。直接響編碼器精度。直接接觸造成磨損，抗震接觸造成磨損，抗震能力差、易跳閘。能力差、易跳閘。 光光電電式式在碼盤基體上形成透明與不透明的碼區(qū)，組成扇形在碼盤基體上形成透明與不透明的碼區(qū)，組成扇形網(wǎng)格。每個扇形網(wǎng)格由透明網(wǎng)格。每個扇形網(wǎng)格由透明“1”或不透明或不透明“0”小網(wǎng)小網(wǎng)格組成。光源采用白熾燈和發(fā)光二極管。光敏元件格組成。光源采用白熾燈和發(fā)光二極管。光敏元件采用光電二極管，光電三極管或硅光電池。采用光電二極管，光電三極管或硅光電池。 對碼區(qū)的轉(zhuǎn)接處要求對碼

23、區(qū)的轉(zhuǎn)接處要求位置準確，邊緣陡峭位置準確，邊緣陡峭分明。光路較復(fù)雜，分明。光路較復(fù)雜，成本高、壽命也長。成本高、壽命也長。 電電磁磁式式對碼盤的碼道上各碼區(qū)進行磁化處理，磁化區(qū)用對碼盤的碼道上各碼區(qū)進行磁化處理，磁化區(qū)用“0”表示，非磁化區(qū)用表示，非磁化區(qū)用“1”表示。敏感元件是小磁表示。敏感元件是小磁環(huán)，每個環(huán)上繞兩個繞組；一個是激磁繞組通以恒環(huán)，每個環(huán)上繞兩個繞組；一個是激磁繞組通以恒頻恒幅交流電，另一個是輸出繞組。頻恒幅交流電，另一個是輸出繞組。 工作可靠，工作范圍工作可靠，工作范圍比接觸式寬，成本較比接觸式寬，成本較高。高。 4.2.1 概述47 非接觸式編碼器具有非接觸、體積小和壽命

24、長，且分辨率高的特點。三種編碼器相比較，接觸式編碼器的分辨率受電刷的限制不可能很高； 而光電式編碼器由于使用了體積小、易于集成的光電元件代替機械的接觸電刷，其測量精度和分辨率能達到很高水平。 光電式編碼器的性價比最高，它作為精密位移傳感器在自動測量和自動控制技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。4.2.1 概述48 就精度和可靠性來講，光電式編碼器優(yōu)于其他類型，電磁式和接觸式的編碼器因其精度及可靠性不高等原因，應(yīng)用愈來愈少。 光電式編碼器按照編碼方式分為脈沖盤式（增量編碼器）和碼盤式編碼器（絕對值編碼器），其關(guān)系如下所示： 光電式編碼器 脈沖盤式編碼器(增量編碼器) 碼盤式編碼器(絕對值編碼器) 4.2.1

25、 概述49 增量編碼器的輸出是一系列脈沖，需要一個計數(shù)系統(tǒng)對脈沖進行加減(正向或反向旋轉(zhuǎn)時)累計計數(shù)，一般還需要一個基準數(shù)據(jù)即零位基準，才能完成角位移測量。 絕對值編碼器不需要基準數(shù)據(jù)及計數(shù)系統(tǒng)，它在任意位置都可給出與位置相對應(yīng)的固定數(shù)字碼輸出，能方便地與數(shù)字系統(tǒng)（如微機）連接。4.2.1 概述50絕對值編碼器核心部件是碼盤。碼盤有光電式、接觸式和磁電式三種。 以接觸式四位絕對編碼盤為例來說明其工作原理。4.2.2 絕對值編碼器51 涂黑部分是導(dǎo)電的，其余是絕緣的。通常把組成編碼的各圈稱為碼道。編碼盤的外四圈按導(dǎo)電為“1”、絕緣為“0”組成二進制碼。對應(yīng)于四個碼道并排裝有四個電刷。電刷經(jīng)電阻接

26、到電源負極。編碼盤里面的一圈是共用的，接電源正極。碼盤的轉(zhuǎn)軸與被測對象連在一起(如電動機轉(zhuǎn)軸)。碼盤的電刷裝在一個不隨被測對象一起運動的部件上。當被測對象帶動碼盤一起轉(zhuǎn)動時，與電刷串聯(lián)的電阻上將流過電流或沒有流過電流，出現(xiàn)相應(yīng)的二進制代碼。4.2.2 絕對值編碼器接觸式四位二進制碼盤52 碼盤的內(nèi)孔由安裝碼盤的被測軸徑?jīng)Q定，碼盤外徑由碼盤上碼道數(shù)和碼道徑向（寬度）尺寸決定。所需碼道數(shù)目由分辨力決定，n道碼道的分辨力為2/2n 。四位二進制碼盤 2n個扇形網(wǎng)格區(qū)對應(yīng)著2n組數(shù)字編碼，確定了碼盤上2n個角位置對應(yīng)的（輸出）數(shù)字量。由輸出的數(shù)字（編碼）量可知角位移量。1. 碼盤53四位二進制碼盤 二

27、進制碼盤，由于電刷安裝不可能絕對精確，必然存在機械偏差，這種機械偏差會產(chǎn)生非單值誤差。例如，由二進制碼0111過渡到1000時，即由7變?yōu)?時，如果電刷進出導(dǎo)電區(qū)的先后可能是不一致的，此時就會出現(xiàn)其它數(shù)字。這就是所謂的非單值誤差。1. 碼盤54 與二進制碼盤對比，循環(huán)碼的特點是相鄰的兩組數(shù)碼之間只有一位變化。同樣同樣碼道數(shù)，循環(huán)碼的碼碼道數(shù)，循環(huán)碼的碼道網(wǎng)格節(jié)距可擴大一道網(wǎng)格節(jié)距可擴大一倍，倍，可降低制作精度。對于n位循環(huán)碼碼盤，與二進制碼一樣，具有2n種不同編碼。2. 循環(huán)碼盤四位二進制循環(huán)碼盤55四位二進制循環(huán)碼盤四位二進制碼盤四位二進制碼與循環(huán)碼的對照表56 大多數(shù)編碼器都是單盤的，全部

28、碼道都在一個圓盤上。但如要求有很高的分辨率時，碼盤制作困難，圓盤直徑增大，而且精度也難以達到。如要達到1左右的分辨率，至少采用 20 位的碼盤。對于一個刻劃直徑為 400mm的20位碼盤，其外圈分劃間隔不到1.2m，可見碼盤的制作不是一件易事，而且光線經(jīng)過這么窄的狹縫會產(chǎn)生光的衍射。2. 循環(huán)碼盤57 光電編碼器主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的碼盤、狹縫以及安裝在圓盤兩邊的光源和光電元件等組成。 碼盤由光學玻璃制成，其上刻有許多同心碼道，每位碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。當光源將光投射在碼盤上時，轉(zhuǎn)動碼盤，通過亮區(qū)的光線經(jīng)狹縫后，由光敏元件接收。3. 光電式絕對值編碼器當碼盤

29、旋至不同位置時，光敏元件按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量，代表了碼盤軸的角位移大小。58絕對值編碼器的特點是：(1) 由于它是碼盤上直接讀出坐標值，因此不累積檢測過程中計數(shù)誤差；(2) 不需要考慮接收元件和電路的頻率特性允許在高轉(zhuǎn)速下運行；(3) 不會因停電及其他原因?qū)е伦x出坐標值的清除，具有機械式存貯功能；(4) 為了提高分辨率和精度，必須提高二進制的位數(shù)，故結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。3. 光電式絕對值編碼器59 增量編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，可作為位置檢測和速度檢測裝置。增量編碼器分為：光電式、接觸式和電磁式。增量編碼器的結(jié)構(gòu)1-轉(zhuǎn)軸 2-LED光源 3-光欄板 4-零標志槽 5

30、-光敏元件 6-碼盤 7-印刷電路板 8電源及信號線連接座 4.2.3 增量編碼器60 增量編碼器的圓盤上等角距地開有兩道縫隙，在某一徑向位置（一般在內(nèi)外兩圈之外）開有一狹縫，表示碼盤的零位。在它們相對的兩側(cè)面分別安裝光源和光電接收元件，如圖4.2.3 增量編碼器614.2.3 增量編碼器 增量編碼器碼盤最內(nèi)圈是用來產(chǎn)生計數(shù)脈沖的增量碼道A。扇形區(qū)的多少決定了編碼器的分辨率，扇區(qū)越多，分辨率越高。中間一圈碼道上有與外圈碼道相同數(shù)目的扇形區(qū)，但錯開半個扇形區(qū)，作為辨向碼道B。62 在正轉(zhuǎn)時，增量計數(shù)脈沖波形超前辨向脈沖波形/2；反轉(zhuǎn)時，增量計數(shù)脈沖滯后/2。第三圈碼道上只有一條透光的狹縫，它作為

31、碼盤的基準位置，C相的作用:被測軸的周向定位基準信號;被測軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)記數(shù)信號。 4.2.3 增量編碼器63 當轉(zhuǎn)動碼盤時，光線經(jīng)過透光和不透光的區(qū)域， 每個碼道將有一系列光電脈沖由光電元件輸出，根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出被測軸的角位移；根據(jù)脈沖的頻率可得被測軸的轉(zhuǎn)速； 增量編碼器的精度和分辨率主要取決于碼盤本身的精度。4.2.3 增量編碼器64以國產(chǎn)某型號編碼器為例。4.2.4 編碼器的技術(shù)指標及使用1.編碼器型號標注含義652.絕對值編碼器技術(shù)參數(shù)指標指標參數(shù)參數(shù)輸出編碼輸出編碼 格雷碼格雷碼 輸出脈沖數(shù)輸出脈沖數(shù) 8，16，32，64，128，256 p/r 輸出形式輸出形式電壓輸出，集電極開

32、路輸出電壓輸出，集電極開路輸出工作電源工作電源 DC10-26V，固定，固定DC5V 響應(yīng)頻率響應(yīng)頻率 10K HZ 最大速度最大速度 3，000RPM 66線纜定義 線色線色 定義定義黑色黑色 0 V 紅色紅色 電源電源 藍色藍色 輸出（輸出（2的的0次方）次方） 綠色綠色 輸出（輸出（2的的1次方）次方） 黃色黃色 輸出（輸出（2的的2次方）次方） 紫色紫色 輸出（輸出（2的的3次方）次方） 橘色橘色 輸出（輸出（2的的4次方）次方） ? ? 粉紅色粉紅色 輸出（輸出（2的的8次方）次方）673.增量型編碼器技術(shù)參數(shù)指標指標參數(shù)參數(shù)輸出編碼輸出編碼 方波方波 輸出脈沖數(shù)輸出脈沖數(shù) 5 ，

33、10，20， ，2500 p/r 輸出相輸出相 AB，ABZ 輸出形式輸出形式電壓輸出，集電極開路輸出電壓輸出，集電極開路輸出工作電源工作電源 DC8-26V；DC5V固定固定 響應(yīng)頻率響應(yīng)頻率 10-100K HZ 最大速度最大速度 6，000RPM 相位差相位差 A，B相差相差9045（T/4T/8)，Z相相TT/2 68編碼器屬于高精度儀器，安裝時嚴禁敲擊和摔打碰撞。編碼器實心軸與外部聯(lián)接應(yīng)避免鋼性聯(lián)接，而應(yīng)采用彈性聯(lián)軸器、尼龍齒輪或同步帶聯(lián)接傳動。避免因用戶軸的串動、跳動、造成編碼器軸系和碼盤的損壞。安裝編碼器空心軸與電機軸是間隙配合，不能過緊或過松，定位鍵也不得過緊，嚴禁敲打裝入。有

34、鎖緊環(huán)的編碼器在裝入電機軸前，嚴禁鎖緊，以防止軸壁永久變形，避免編碼器因此造成的裝卸困難。4. 編碼器安裝使用及注意事項 69應(yīng)保證編碼器軸與用戶輸出軸的不同軸度0.20mm，兩軸線的偏角1.5。安裝時注意其允許的軸負載，不得超過其極限負載。注意不要超過其極限轉(zhuǎn)速，如超過上述極限轉(zhuǎn)速時，電氣信號可能會丟失。接線務(wù)必要正確，錯誤接線會導(dǎo)致內(nèi)部電路損壞。在初次啟動前對未用電纜進行絕緣處理。不要將編碼器的輸出線與動力線等繞在一起或同一管道傳輸，也不宜在配線盤附近使用，以防干擾。4. 編碼器安裝使用及注意事項 70 在光纖位移傳感器中，通過對光強進行調(diào)制測位移的最基本的原理有兩種： 微彎式原理 反射式

35、原理 4.3.1 光強調(diào)制式位移傳感器4.3 光纖位移傳感器71 光纖產(chǎn)生彎曲時，改變了內(nèi)芯與包層間的光線折射方向，部分光逸出散射進入包層，改變了光纖里傳輸光信號的強度，光電接收器接收到光強變化的光信號，可解調(diào)出被測量引起的變化，稱作強度調(diào)制。利用光纖微彎效應(yīng)的位移傳感器是一種光強調(diào)制傳感器。1. 微彎位移傳感器72 被測物理量位移（可以是壓力引起的）使變形器位移，光纖微彎變形，會引起光纖中模式耦合，有些波導(dǎo)模變成了輻射模，內(nèi)芯中部分光透射入包層，造成微損耗，微彎器件的位置參數(shù)變化，使微彎程度與漏光強度成比例，實現(xiàn)了光強度調(diào)制。 光強與位移間有確定函數(shù)關(guān)系，通過輸出光強變化，就能確定變形器位移大小。1. 微彎位移傳感器73 微彎位移傳感器分為亮場式和暗場式。 亮場式測內(nèi)芯中傳輸?shù)墓鈴姸?，該強度隨微彎變化而變化。 暗場式是測包層中的光強度。 1. 微彎位移傳感器74 以亮場式為例，兩塊微彎板組成一個微彎變形器，在變形器前后均設(shè)有脫模器，前脫模器的作用是在光纖進入微彎變形器之前，吸收掉光纖包層中的光。變形器后面的脫模器的作用是把經(jīng)變形器作用而射進包層的光都吸收掉，不讓這部分光進入光電探測器，以免干擾測量結(jié)果。簡單的脫模方法就是在幾厘米長的光纖外面涂上黑漆。 1. 微彎位移傳感器 I0表示