第十一章-數(shù)字式位置傳感器課件

本章學(xué)習(xí)幾種常用數(shù)字式位置傳感器的結(jié)構(gòu)、原理，如角編碼器、光柵傳感器、磁柵傳感器、容柵傳感器等，并討論他們在直線位移和角位移中測量、控制的應(yīng)用。第十一章數(shù)字式位置傳感器7/22/20231第一節(jié)位置測量的方式

一、直接測量和間接測量

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

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

7/22/202321.直接測量

直接測量的誤差較小。圖為利用光柵傳感器測量數(shù)控機床工作臺位移量的現(xiàn)場照片。

工作臺光柵工作臺運動方向7/22/202332.間接測量

在間接測量中，多使用旋轉(zhuǎn)式位置傳感器。測量到的回轉(zhuǎn)運動參數(shù)僅僅是中間值，但可由這中間值再推算出與之關(guān)聯(lián)的移動部件的直線位移間接測量須使用絲杠-螺母、齒輪-齒條等傳動機構(gòu)。工作臺絲杠編碼器進給電機θ

x7/22/20234傳動機構(gòu)滾珠絲杠螺母副、齒輪-齒條副等傳動機構(gòu)能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。但應(yīng)設(shè)法消除傳導(dǎo)過程產(chǎn)生的間隙誤差。齒距齒條齒輪θ

x7/22/20235滾珠絲杠螺母副

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

7/22/20236傳動分析設(shè)：螺距t=4mm，絲杠在4s時間里轉(zhuǎn)動了10圈，求：絲杠的平均轉(zhuǎn)速n(r/min)及螺母移動了多少毫米？螺母的平均速度v又為多少？螺母絲杠螺距x=？N=10圈7/22/20237

二、增量式和絕對式測量

在增量式測量中，移動部件每移動一個基本長度單位，位置傳感器便發(fā)出一個測量信號，此信號通常是脈沖形式。這樣，一個脈沖所代表的基本長度單位就是分辨力，對脈沖計數(shù)，便可得到位移量。絕對式測量的特點是：

每一被測點都有一個對應(yīng)的編碼，常以二進制數(shù)據(jù)形式來表示。絕對式測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)。典型的絕對式位置傳感器有絕對式角編碼器。增量式測量得到的脈沖波形7/22/20238作業(yè)

p201:3、57/22/20239休息一下7/22/202310第二節(jié)

數(shù)字式角編碼器

信號航空插頭（參考德國沃申道夫公司資料）7/22/202311其他角編碼器外形7/22/202312其他角編碼器外形（續(xù)）拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動。7/22/202313其他角編碼器外形

（參考德國圖爾克傳感與自動化技術(shù)專業(yè)公司）7/22/202314一、絕對式編碼器絕對式碼盤與增量式碼盤有何區(qū)別？10碼道光電絕對式碼盤絕對式編碼器按照角度直接進行編碼，可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式有接觸式、光電式等形式。透光區(qū)不透光區(qū)零位標(biāo)志7/22/202315絕對式接觸式編碼器演示4個電刷4位二進制碼盤

+5V輸入公共碼道最小分辨角度為α=360°/2n

7/22/2023162．絕對式光電編碼器

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

高位低位7/22/202317絕對式光電編碼器的分辨力及分辨率絕對式光電編碼器的測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=1/2n7/22/202318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：7/22/202319二、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ABC7/22/202320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狹縫距離是碼盤上的兩個狹縫距離的（m+1/4）倍，m為正整數(shù)，并設(shè)置了兩組光敏元件A、B，有時又稱為sin、cos元件。7/22/202321辨向信號和零標(biāo)志

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

在上一頁圖的碼盤里圈，還有一根狹縫C，每轉(zhuǎn)能產(chǎn)生一個脈沖，該脈沖信號又稱“一轉(zhuǎn)信號”或零標(biāo)志脈沖，作為測量的起始基準(zhǔn)。7/22/202322三、角編碼器的應(yīng)用角編碼器除了能直接測量角位移或間接測量直線位移外，可用于數(shù)字測速、工位編碼、伺服電機控制等。7/22/202323M法測速（適合于高轉(zhuǎn)速場合）T

編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個脈沖，在T時間段內(nèi)有m1

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

m17/22/202324例題T

有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r，在5s時間內(nèi)測得65536個脈沖，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：

n=60×65536/（1024×5）r/min

=768r/min

m17/22/202325T法測速（適合于低轉(zhuǎn)速場合）時鐘脈沖fc

編碼器輸出脈沖

m2

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

，則轉(zhuǎn)速(r/min)為n=60fc/（Nm2）

7/22/202326T法測速舉例時鐘脈沖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，測得兩個相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為3000，時鐘頻率fc為1MHz，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：7/22/202327安裝套編碼器的安裝方式

1.編碼器的套式安裝7/22/202328安裝軸2.編碼器的軸式安裝7/22/202329編碼器在定位加工中的應(yīng)用1—絕對式編碼器

2—電動機

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，則電動機轉(zhuǎn)動了多少分之幾圈？應(yīng)等待編碼器給出多少脈沖數(shù)時，電動機停轉(zhuǎn)？7/22/202330數(shù)控加工中心7/22/202331編碼器在數(shù)控加工中心的刀庫選刀控制中的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)刀庫被加工工件刀具角編碼器的輸出為當(dāng)前刀具號角編碼器與旋轉(zhuǎn)刀庫連接7/22/202332用不同的刀具加工復(fù)雜的工件7/22/202333編碼器在伺服電機中的應(yīng)用利用編碼器測量伺服電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角，并通過伺服控制系統(tǒng)控制其各種運行參數(shù)。轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)子磁極位置測量角位移測量7/22/202334作業(yè)

p201:3、57/22/202335休息一下7/22/202336第三節(jié)

光柵傳感器

一、光柵的類型和結(jié)構(gòu)

計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。計量光柵按形狀又可分為長光柵和圓光柵。

7/22/202337尺身尺身安裝孔反射式掃描頭（與移動部件固定）掃描頭安裝孔可移動電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)防塵保護罩的內(nèi)部為長磁柵7/22/202338掃描頭（與移動部件固定）光柵尺可移動電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）7/22/202339反射式光柵7/22/202340透射式光柵7/22/202341透射式圓光柵固定7/22/202342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，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，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L

L≈W/θ

，（θ為主光柵和指示光柵刻線的夾角，弧度）

7/22/202343莫爾條紋演示7/22/202344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，因此無法觀察光強的變化）

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”莫爾條紋光強的變化。7/22/202345光柵的輸出信號（TTL）余弦信號（超前）正弦信號零位信號7/22/202346光柵輸出信號（電壓正弦波）細(xì)分點余弦信號正弦信號零位信號7/22/202347脈沖細(xì)分

細(xì)分技術(shù)能在不增加光柵刻線數(shù)及價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柵距的大小。采用4細(xì)分技術(shù)后，計數(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，測量步距是原來的1/4，較大地提高了測量精度。細(xì)分前細(xì)分后7/22/202348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。7/22/202349辨向電路及波形如果傳感器只安裝一套光電元件，則在實際應(yīng)用中，無論光柵作正向移動還是反向移動，光敏元件都產(chǎn)生相同的正弦信號，無法分辨位移的方向。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，則計數(shù)器將錯誤地得到14336個脈沖，而正確值為：(10－4)×1024＝6144個脈沖。7/22/202350正向運動產(chǎn)生

加法脈沖正向運動時，與門IC2無“減”計數(shù)脈沖輸出。7/22/202351為光柵設(shè)計的專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器（光柵計數(shù)卡）內(nèi)部包含以下電路：放大、整形、細(xì)分、辨向、報警、阻抗變換等。7/22/202352為光柵設(shè)計

的專用信號

處理單元（光柵插補器）功能同上頁7/22/202353光柵在機床上的安裝位置（2個自由度）7/22/202354光柵在機床上的安裝位置（3個自由度）數(shù)顯表7/22/202355光柵在機床上

的安裝位置

（3個自由度）（續(xù)）7/22/2023562自由度光柵數(shù)顯表X位移顯示Z（Y）位移顯示7/22/2023573自由度光柵數(shù)顯表7/22/202358光柵數(shù)顯表（續(xù)）三座標(biāo)數(shù)顯表7/22/202359SDS8-3E光柵數(shù)顯箱功能:公制/英制轉(zhuǎn)換

絕對/相對轉(zhuǎn)換

線性誤差補償

正反方向計算

歸零

插值補償

到達目標(biāo)值停機

PCD圓周分孔

200組零位記憶

電蝕深度目標(biāo)值顯示

實時工作位置顯示

掉電記憶7/22/202360光柵數(shù)顯表（續(xù)）設(shè)定按鍵7/22/202361安裝有直線光柵的數(shù)控機床加工實況

防護罩內(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7/22/202362作業(yè)

p201:3、57/22/202363休息一下7/22/202364第四節(jié)

磁柵傳感器

磁柵價格低于光柵，且錄磁方便、易于安裝，測量范圍寬可超過十幾米，抗干擾能力強。磁柵可分為長磁柵和圓磁柵。長磁柵主要用于直線位移測量，圓磁柵主要用于角位移測量。磁柵傳感器主要由磁尺、磁頭和信號處理電路組成。7/22/202365磁柵的外形及結(jié)構(gòu)磁尺靜態(tài)磁頭去信號處理電路固定孔7/22/202366磁頭與磁尺相對運動時的輸出波形演示7/22/202367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)置兩個磁頭的意義何在？7/22/202368磁柵測量系統(tǒng)壓板磁頭磁尺7/22/202369磁柵在磨床測長系統(tǒng)中的應(yīng)用磁尺磁頭安裝在何處？7/22/202370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量中。7/22/202371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量，圓形容柵傳感器用于角位移的測量。7/22/202372各種容柵測量裝置7/2