數(shù)字式位置傳感器

數(shù)字式位置傳感器第1頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/112第一節(jié)位置測(cè)量的方式

一、直接測(cè)量和間接測(cè)量

位置傳感器有直線式和旋轉(zhuǎn)式兩大類。若位置傳感器所測(cè)量的對(duì)象就是被測(cè)量本身，即用直線式傳感器測(cè)直線位移，用旋轉(zhuǎn)式傳感器測(cè)角位移，則該測(cè)量方式為直接測(cè)量。例如直接用于直線位移測(cè)量的直線光柵和長(zhǎng)磁柵等；直接用于角度測(cè)量的角編碼器、圓光柵、圓磁柵等。

若旋轉(zhuǎn)式位置傳感器測(cè)量的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)只是中間值，再由它推算出與之關(guān)聯(lián)的移動(dòng)部件的直線位移，則該測(cè)量方式為間接測(cè)量。

第2頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1131.直接測(cè)量

直接測(cè)量的誤差較小。圖為利用光柵傳感器測(cè)量數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)位移量的現(xiàn)場(chǎng)照片。

工作臺(tái)光柵工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向第3頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1142.間接測(cè)量

在間接測(cè)量中，多使用旋轉(zhuǎn)式位置傳感器。測(cè)量到的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)僅僅是中間值，但可由這中間值再推算出與之關(guān)聯(lián)的移動(dòng)部件的直線位移間接測(cè)量須使用絲杠-螺母、齒輪-齒條等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。工作臺(tái)絲杠編碼器進(jìn)給電機(jī)θ

x第4頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/115傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

滾珠絲杠螺母副、齒輪-齒條副等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。但應(yīng)設(shè)法消除傳導(dǎo)過(guò)程產(chǎn)生的間隙誤差。齒距齒條齒輪θ

x第5頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/116滾珠絲杠螺母副

滾珠絲杠螺母副能夠?qū)p小傳動(dòng)磨檫力，延長(zhǎng)使用壽命，減小間隙誤差。螺母絲杠xθ

第6頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/117傳動(dòng)分析

設(shè)：螺距t=4mm，絲杠在4s時(shí)間里轉(zhuǎn)動(dòng)了10圈，求：絲杠的平均轉(zhuǎn)速n(r/min)及螺母移動(dòng)了多少毫米？螺母的平均速度v又為多少？螺母絲杠螺距x=？N=10圈第7頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/118

二、增量式和絕對(duì)式測(cè)量

在增量式測(cè)量中，移動(dòng)部件每移動(dòng)一個(gè)基本長(zhǎng)度單位，位置傳感器便發(fā)出一個(gè)測(cè)量信號(hào)，此信號(hào)通常是脈沖形式。這樣，一個(gè)脈沖所代表的基本長(zhǎng)度單位就是分辨力，對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，便可得到位移量。絕對(duì)式測(cè)量的特點(diǎn)是：

每一被測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的編碼，常以二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式來(lái)表示。絕對(duì)式測(cè)量即使斷電之后再重新上電，也能讀出當(dāng)前位置的數(shù)據(jù)。典型的絕對(duì)式位置傳感器有絕對(duì)式角編碼器。增量式測(cè)量得到的脈沖波形第8頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/119作業(yè)

p201:3、5第9頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1110休息一下第10頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1111第二節(jié)數(shù)字式角編碼器

信號(hào)航空插頭（參考德國(guó)沃申道夫公司資料）第11頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1112其他角編碼器外形第12頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1113其他角編碼器外形（續(xù)）

拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。第13頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1114其他角編碼器外形

（參考德國(guó)圖爾克傳感與自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)公司）第14頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1115一、絕對(duì)式編碼器

絕對(duì)式碼盤與增量式碼盤有何區(qū)別？10碼道光電絕對(duì)式碼盤

絕對(duì)式編碼器按照角度直接進(jìn)行編碼，可直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來(lái)。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測(cè)方式有接觸式、光電式等形式。透光區(qū)不透光區(qū)零位標(biāo)志第15頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1116絕對(duì)式接觸式編碼器演示4個(gè)電刷4位二進(jìn)制碼盤+5V輸入公共碼道

最小分辨角度為α=360°/2n

第16頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/11172．絕對(duì)式光電編碼器

a）光電碼盤的平面結(jié)構(gòu)（8碼道）b）光電碼盤與光源、光敏元件的對(duì)應(yīng)關(guān)系（4碼道）

高位低位第17頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1118絕對(duì)式光電編碼器的分辨力及分辨率

絕對(duì)式光電編碼器的測(cè)量精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與碼盤上的碼道數(shù)n有關(guān)，即最小能分辨的角度及分辨率為：

α=360°/2n分辨率=1/2n第18頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1119增量式光電編碼器的分辨力及分辨率

增量式光電編碼器的測(cè)量精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與碼盤圓周上的狹縫條紋數(shù)n有關(guān)，即最小能分辨的角度及分辨率為：第19頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1120二、增量式編碼器轉(zhuǎn)軸盤碼及狹縫光敏元件光欄板及辨向用的A、B狹縫LEDABC零位標(biāo)志ABC第20頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1121光電編碼器的輸出波形

為了判斷碼盤旋轉(zhuǎn)的方向，在上圖的光欄板上的兩個(gè)狹縫距離是碼盤上的兩個(gè)狹縫距離的（m+1/4）倍，m為正整數(shù)，并設(shè)置了兩組光敏元件A、B，有時(shí)又稱為sin、cos元件。第21頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1122辨向信號(hào)和零標(biāo)志

光電編碼器的光欄板上有A組與B組兩組狹縫，彼此錯(cuò)開1/4節(jié)距，兩組狹縫相對(duì)應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生的信號(hào)A、B彼此相差90相位，用于辯向。當(dāng)編碼正轉(zhuǎn)時(shí)，A信號(hào)超前B信號(hào)90；當(dāng)碼盤反轉(zhuǎn)時(shí)，B信號(hào)超前A信號(hào)90。(請(qǐng)畫出反轉(zhuǎn)時(shí)信號(hào)B的波形）

在上一頁(yè)圖的碼盤里圈，還有一根狹縫C，每轉(zhuǎn)能產(chǎn)生一個(gè)脈沖，該脈沖信號(hào)又稱“一轉(zhuǎn)信號(hào)”或零標(biāo)志脈沖，作為測(cè)量的起始基準(zhǔn)。第22頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1123三、角編碼器的應(yīng)用

角編碼器除了能直接測(cè)量角位移或間接測(cè)量直線位移外，可用于數(shù)字測(cè)速、工位編碼、伺服電機(jī)控制等。第23頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1124M法測(cè)速（適合于高轉(zhuǎn)速場(chǎng)合）T

編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個(gè)脈沖，在T時(shí)間段內(nèi)有m1

個(gè)脈沖產(chǎn)生，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：n=60m1/（NT）

m1第24頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1125例題T

有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r，在5s時(shí)間內(nèi)測(cè)得65536個(gè)脈沖，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：

n=60×65536/（1024×5）r/min

=768r/min

m1第25頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1126T法測(cè)速（適合于低轉(zhuǎn)速場(chǎng)合）時(shí)鐘脈沖fc

編碼器輸出脈沖

m2

···

編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個(gè)脈沖，用已知頻率fc作為時(shí)鐘，填充到編碼器輸出的兩個(gè)相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為m2

，則轉(zhuǎn)速(r/min)為n=60fc/（Nm2）

第26頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1127T法測(cè)速舉例時(shí)鐘脈沖fc

編碼器輸出脈沖

m2

···n=60fc

/（Nm2

）

=60*1000000/（1024*3000）

=19.53r/min

有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r，測(cè)得兩個(gè)相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為3000，時(shí)鐘頻率fc為1MHz，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：第27頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1128安裝套編碼器的安裝方式1.編碼器的套式安裝第28頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1129安裝軸2.編碼器的軸式安裝第29頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1130編碼器在定位加工中的應(yīng)用1—絕對(duì)式編碼器

2—電動(dòng)機(jī)

3—轉(zhuǎn)軸

4—轉(zhuǎn)盤

5—工件

6—刀具

設(shè)該增量式光電編碼器的參數(shù)為1024p/r，大、小皮帶輪的傳動(dòng)比為5，若希望當(dāng)加工好元件1后緊接著加工元件8，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)了多少分之幾圈？應(yīng)等待編碼器給出多少脈沖數(shù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)？第30頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1131數(shù)控加工中心第31頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1132

編碼器在數(shù)控加工中心的刀庫(kù)選刀控制中的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)刀庫(kù)被加工工件刀具角編碼器的輸出為當(dāng)前刀具號(hào)角編碼器與旋轉(zhuǎn)刀庫(kù)連接第32頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1133

用不同的刀具加工復(fù)雜的工件第33頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1134編碼器在伺服電機(jī)中的應(yīng)用

利用編碼器測(cè)量伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角，并通過(guò)伺服控制系統(tǒng)控制其各種運(yùn)行參數(shù)。轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)子磁極位置測(cè)量角位移測(cè)量第34頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1135作業(yè)

p201:3、5第35頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1136休息一下第36頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1137第三節(jié)光柵傳感器

一、光柵的類型和結(jié)構(gòu)

計(jì)量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。計(jì)量光柵按形狀又可分為長(zhǎng)光柵和圓光柵。

第37頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1138尺身尺身安裝孔

反射式掃描頭（與移動(dòng)部件固定）掃描頭安裝孔可移動(dòng)電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長(zhǎng)磁柵第38頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1139掃描頭（與移動(dòng)部件固定）光柵尺可移動(dòng)電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）第39頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1140反射式光柵第40頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1141透射式光柵第41頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1142透射式圓光柵固定第42頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1143莫爾條紋的光學(xué)放大作用

在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對(duì)疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角θ。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過(guò)，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯(cuò)開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。

光柵的刻線寬度W莫爾條紋的寬度LL≈W/θ

，（θ為主光柵和指示光柵刻線的夾角，弧度）

第43頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1144莫爾條紋演示第44頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1145莫爾條紋光學(xué)放大作用舉例

有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，主光柵與指示光柵的夾角=1.8，則：分辨力=柵距W=1mm/50=0.02mm=20m（由于柵距很小，因此無(wú)法觀察光強(qiáng)的變化）莫爾條紋的寬度是柵距的32倍：

L≈W/θ=0.02mm/（1.8*3.14/180

）

=0.02mm/0.0314=0.637mm

由于較大，因此可以用小面積的光電池“觀察”莫爾條紋光強(qiáng)的變化。第45頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1146光柵的輸出信號(hào)（TTL）余弦信號(hào)（超前）正弦信號(hào)零位信號(hào)第46頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1147光柵輸出信號(hào)（電壓正弦波）細(xì)分點(diǎn)余弦信號(hào)正弦信號(hào)零位信號(hào)第47頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1148脈沖細(xì)分

細(xì)分技術(shù)能在不增加光柵刻線數(shù)及價(jià)格的情況下提高光柵的分辨力。細(xì)分前，光柵的分辨力只有一個(gè)柵距的大小。采用4細(xì)分技術(shù)后，計(jì)數(shù)脈沖的頻率提高了4倍，相當(dāng)于原光柵的分辨力提高了3倍，測(cè)量步距是原來(lái)的1/4，較大地提高了測(cè)量精度。細(xì)分前細(xì)分后第48頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1149光柵細(xì)分舉例

有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，細(xì)分?jǐn)?shù)為4細(xì)分，則：分辨力=W/4

=（1mm/50）/4=0.005mm=5m

采用細(xì)分技術(shù)，在不增加光柵刻線數(shù)（成本）的情況下，將分辨力提高了3倍。第49頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1150辨向電路及波形

如果傳感器只安裝一套光電元件，則在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)論光柵作正向移動(dòng)還是反向移動(dòng)，光敏元件都產(chǎn)生相同的正弦信號(hào)，無(wú)法分辨位移的方向。

例：某1024p/r圓光柵，正轉(zhuǎn)10圈，反轉(zhuǎn)4圈，若不采取辨向措施，則計(jì)數(shù)器將錯(cuò)誤地得到14336個(gè)脈沖，而正確值為：(10－4)×1024＝6144個(gè)脈沖。第50頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1151正向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生

加法脈沖

正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，與門IC2無(wú)“減”計(jì)數(shù)脈沖輸出。第51頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1152為光柵設(shè)計(jì)的專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器（光柵計(jì)數(shù)卡）

內(nèi)部包含以下電路：放大、整形、細(xì)分、辨向、報(bào)警、阻抗變換等。第52頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1153為光柵設(shè)計(jì)

的專用信號(hào)

處理單元（光柵插補(bǔ)器）功能同上頁(yè)第53頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1154光柵在機(jī)床上的安裝位置（2個(gè)自由度）第54頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1155光柵在機(jī)床上的安裝位置（3個(gè)自由度）數(shù)顯表第55頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1156光柵在機(jī)床上

的安裝位置

（3個(gè)自由度）（續(xù)）第56頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/11572自由度光柵數(shù)顯表X位移顯示Z（Y）位移顯示第57頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/11583自由度光柵數(shù)顯表第58頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1159光柵數(shù)顯表（續(xù)）三座標(biāo)數(shù)顯表第59頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1160SDS8-3E光柵數(shù)顯箱功能:

公制/英制轉(zhuǎn)換

絕對(duì)/相對(duì)轉(zhuǎn)換

線性誤差補(bǔ)償

正反方向計(jì)算

歸零

插值補(bǔ)償

到達(dá)目標(biāo)值停機(jī)

PCD圓周分孔

200組零位記憶

電蝕深度目標(biāo)值顯示

實(shí)時(shí)工作位置顯示

掉電記憶第60頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1161光柵數(shù)顯表（續(xù)）

設(shè)定按鍵第61頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1162安裝有直線光柵的數(shù)控機(jī)床加工實(shí)況

防護(hù)罩內(nèi)為直線光柵光柵掃描頭被加工工件切削刀具角編碼器安裝在夾具的端部第62頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1163作業(yè)

p201:3、5第63頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1164休息一下第64頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1165第四節(jié)磁柵傳感器

磁柵價(jià)格低于光柵，且錄磁方便、易于安裝，測(cè)量范圍寬可超過(guò)十幾米，抗干擾能力強(qiáng)。磁柵可分為長(zhǎng)磁柵和圓磁柵。長(zhǎng)磁柵主要用于直線位移測(cè)量，圓磁柵主要用于角位移測(cè)量。磁柵傳感器主要由磁尺、磁頭和信號(hào)處理電路組成。第65頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1166磁柵的外形及結(jié)構(gòu)磁尺靜態(tài)磁頭去信號(hào)處理電路固定孔第66頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1167磁頭與磁尺相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的輸出波形演示第67頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1168鑒相型磁柵數(shù)顯表的原理框圖

磁尺與磁頭接觸，使用壽命不如光柵，數(shù)年后易退磁。設(shè)置兩個(gè)磁頭的意義何在？第68頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1169磁柵測(cè)量系統(tǒng)壓板磁頭磁尺第69頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1170磁柵在磨床測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用磁尺磁頭安裝在何處？第70頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1171第五節(jié)容柵傳感器

容柵傳感器是基于變面積工作原理的電容傳感器，它的電極排列如同柵狀。與其他大位移傳感器，如光柵、磁柵等相比，雖然精度稍差，但體積小、造價(jià)低、耗電省，廣泛應(yīng)用于電子數(shù)顯卡尺、千分尺、高度儀、坐標(biāo)儀等幾百毫米以下行程的測(cè)量中。第71頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1172結(jié)構(gòu)及工作原理

容柵傳感器可分為三類：直線型容柵、圓容柵和圓筒形容柵。其中，直線型和圓筒形容柵傳感器用于直線位移的測(cè)量，圓形容柵傳感器用于角位移的測(cè)量。第72頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1173各種容柵測(cè)量裝置第73頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1174各種容柵數(shù)顯表第74頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1175各種容柵數(shù)顯卡尺第75頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1176各種容柵數(shù)顯卡尺（續(xù)）該卡尺的分辨力為多少微米？第76頁(yè)/共91頁(yè)2023/4/1177各種容柵卡尺