專題10數字式位移傳感器

專題10數字式位移傳感器(138到145頁）2023/2/52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。

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

2023/2/531.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控機床工作臺位移量的現場照片。

工作臺光柵工作臺運動方向2023/2/542.間接測量

在間接測量中，多使用旋轉式位置傳感器。測量到的回轉運動參數僅僅是中間值，但可由這中間值再推算出與之關聯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。工作臺絲杠編碼器進給電機θ

x2023/2/55傳動機構

滾珠絲杠螺母副、齒輪-齒條副等傳動機構能夠將旋轉運動轉換成直線運動。但應設法消除傳導過程產生的間隙誤差。齒距齒條齒輪θ

x2023/2/56滾珠絲杠螺母副

滾珠絲杠螺母副能夠將減小傳動磨檫力，延長使用壽命，減小間隙誤差。螺母絲杠xθ

2023/2/57傳動分析

設：螺距t=4mm，絲杠在4s時間里轉動了10圈，求：絲杠的平均轉速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2023/2/58

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，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的編碼，常以二進制數據形式來表示。絕對式測量即使斷電之后再重新上電，也能讀出當前位置的數據。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2023/2/59數字編碼器1）相關概念數字式位移傳感器分絕對編碼式和計數式兩類，其中計數式有分頻式和計數（增量）式，計數式有增量碼盤式和柵式如光柵等兩類。編碼器是根據位置的“編碼”，把位移轉換成“數字代碼”。測線位移的稱直線編碼器，測角位移的稱旋轉編碼器。旋轉編碼器有絕對碼和增量碼編碼器。絕對碼編碼器的任意位置都對應固定的編碼，不需基準點和計數就可確定角位移及所處位置。增量碼編碼器輸出的是一系列脈沖，對其計數并對照（零位）基準數據實現位移測量。編碼器與同樣尺寸的模擬式傳感器相比，有更高的精度、靈敏度及可靠性。2023/2/510信號航空插頭（參考德國沃申道夫公司資料）2023/2/511其他角編碼器外形2023/2/512其他角編碼器外形（續(xù)）

拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運動轉換成旋轉運動。2023/2/513其他角編碼器外形

（參考德國圖爾克傳感與自動化技術專業(yè)公司）2023/2/514數字編碼器1）絕對碼編碼器按變換原理分類：光電式、磁電式等，基于不同的敏感/轉換元件,有相似結構但內涵不同的碼盤。（1）碼盤：一組同心圓環(huán)碼道，中心孔用于安裝。碼道數n決定分辨力，二進制碼盤第n道的角度分辨力為/2n-1

rad。敏感元件的幾何參數和物理特性決定碼道徑向尺寸。二進制碼盤的2n個扇形網格區(qū)對應2n組編碼，確定碼盤上2n個角位置的對應輸出碼，輸出數字的變化對應角位移量。二進制碼盤每個扇形網格對應由里到外

n個“1”或“0”小網格組成的一組數字碼。光電式中“l(fā)”對應透明碼區(qū)，光敏管能收到信號光；“0”對應不透明碼區(qū)，光敏管收不到信號光。磁電式編碼器中“0”對應磁化區(qū)，“l(fā)”對應非磁化區(qū)。2023/2/515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，可直接把被測轉角用數字代碼表示出來。根據內部結構和檢測方式有接觸式、光電式等形式。透光區(qū)不透光區(qū)零位標志2023/2/516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

2023/2/517絕對式光電編碼器

a）光電碼盤的平面結構（8碼道）b）光電碼盤與光源、光敏元件的對應關系（4碼道）高位低位2023/2/518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n有關，即最小能分辨的角度及分辨率為：

α=360°/2n分辨率=1/2n2023/2/519絕對碼編碼器(2)元件與電路(a)光電式編碼器的電路常用白熾燈或LED作光源，需考慮光譜匹配及其工作溫度。光敏元件可用光敏二極管、三極管或硅光電池。上圖中，使用硅光電池時，輸出為10～20mV，通常接一集成差動高增益運放，作用類似施密特觸發(fā)器。預置一觸發(fā)電平

(監(jiān)控電平，單獨用光敏元件掃描一個完全清晰碼道即無碼碼道來獲得），并輸給所有數據碼道的放大器，以克服信號光強和電源引起的輸出電平漂移。2023/2/520(2)元件與電路(b)電磁式的電路磁敏元件為小磁環(huán)，每個環(huán)上繞兩線圈，一個用于詢問，通恒頻恒幅交流電，另一個用于讀出。根據電磁感應原理，小磁環(huán)(非接觸)對準磁化區(qū)“0”時，磁路飽和，讀出電壓很低；小磁環(huán)對準非磁化區(qū)“1”時，兩繞組構成一變壓器，讀出繞組輸出電壓信號。該信號為調制信號，經解調后輸出方波.

2023/2/5211)絕對碼編碼器(3)提高測量精度的途徑影響精度的直接因素：都用光刻法(照相制版)批量制作碼道,碼盤制作精度及讀數誤差是主因，最外道(最低位碼)網格刻制的準確度影響最大。例：二進制碼盤實現1分辨力需2021道，若在400mm圓盤制作20碼道，最外道網格節(jié)距僅1m。同時保證同碼道節(jié)距準確而各碼道同扇形網格線對準很困難，易出現誤差。對策1：用循環(huán)碼替代二進制碼。(a)循環(huán)碼:主要特點是相鄰兩組數碼(相鄰位置)

之間僅1位變化。圖中R6與R5道的明、暗區(qū)各占半圓環(huán)，但位差90°。二進制碼C6道同樣分明、暗兩半（前圖），C5道卻分兩明區(qū)和兩暗區(qū)；以此類推可知，同碼道數，循環(huán)碼網格節(jié)距大一倍，制作容易。2023/2/522(3)提高測量精度的途徑n位二進制碼與循環(huán)碼之間轉換關系為：循環(huán)碼直接譯碼困難，一般先轉二進制再譯碼，有電路實現，分并行和串行兩種，如圖所示。串行循環(huán)碼?二進制碼轉換器并行循環(huán)碼?二進制碼轉換器2023/2/523(3)提高測量精度的途徑(a)掃描法:又稱雙讀數法。圖a為刻線不準所致二進制碼誤讀.圖b為雙讀數法-兩讀數狹縫AA與BB分別對應兩組光敏元件。允許透明與不透明碼區(qū)轉接處有一定誤差（小于AA與BB間距）。讀取原則：最低位Cl道只讀一次AA，其余各道按低一位碼道讀數決定按AA或BB讀取。如Ci-1讀“1”(亮區(qū))，則Ci取AA；否則Ci取BB。2023/2/524（b）碼盤組單碼盤的絕對碼編碼器角位移限于0～360,將n個碼盤由機械傳動連成碼盤組，利用傳動比變化提高絕對編碼器分辨率。碼盤組可測轉速(傳動比大于1)和大于360的角位移(傳動比小于1)；傳動比起“放大”和“縮小”作用。絕對碼編碼器的優(yōu)點：編碼位置的數碼唯一，不因系統(tǒng)斷電、重測而改變；各碼道有獨立的光敏器件，位置信息是并行全量程位置編碼，輸出接口或譯碼簡便；抗干擾能力強，可靠性高，上電即可確定編碼位置數據，不需自引導過程。2023/2/525增量式編碼器轉軸盤碼及狹縫光敏元件光欄板及辨向用的A、B狹縫LEDABC零位標志ABC2023/2/526光電編碼器的輸出波形

為了判斷碼盤旋轉的方向，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，并設置了兩組光敏元件A、B，有時又稱為sin、cos元件。2023/2/527辨向信號和零標志

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，兩組狹縫相對應的光敏元件所產生的信號A、B彼此相差90相位，用于辯向。當編碼正轉時，A信號超前B信號90；當碼盤反轉時，B信號超前A信號90。(請畫出反轉時信號B的波形）

在上一頁圖的碼盤里圈，還有一根狹縫C，每轉能產生一個脈沖，該脈沖信號又稱“一轉信號”或零標志脈沖，作為測量的起始基準。2023/2/528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n有關，即最小能分辨的角度及分辨率為：2023/2/5292)增量碼編器解決碼盤制作精度限制分辨率的矛盾，用累計“脈沖”數確定相對基準點的瞬時角位移。（1）增量碼盤碼盤設內、外軌道，兩者關系如圖所示。外道由增量計數軌道(僅1位碼道)和方向軌道組成，按分辨率要求設置扇區(qū)（相當于最低碼道網格）。方向道與增量計數道扇區(qū)相同，但位差半個扇區(qū)(兩扇區(qū)為周期，半扇區(qū)使兩道相差90)，依據兩者的超前或滯后識別順、逆方向，決定計數器的加或減。內道即基準軌道，提供基準點的是一個單獨標志的扇區(qū)，其輸出使計數器歸零。2023/2/5305.3數字式位移傳感器5.3.1數字編碼器2）增量碼編碼器（2）增量碼編碼器工作原理如上圖所示，方向道與增量計數道在1-2-3-4變化過程中，完成一次[0,1]、[1,1]、[1,0]、[0,0]編碼，完成一次循環(huán)，輸給加法器一個計數脈沖。用增量碼編碼器測角速度，最大測速范圍受限于觸發(fā)器產生的單次脈寬。此脈寬應小于一個扇區(qū)（bit）所占時間的一半。如果單次脈沖寬度為4～6s，其上升時間和恢復時間為200ns，對5000個脈沖/轉的增量碼編碼器，最大測速為2000r/min。2023/2/5315.3數字式位移傳感器5.3.1數字編碼器2）增量碼編碼器(3)磁電式增量碼編碼器:

磁鼓+磁阻器件+信號處理電路。磁鼓：在鋁基非磁性體上鍍l0m的磁材，再刻錄等間距小磁極，磁化后裝在被測轉軸上；MR+信號處理：放置磁鼓下(間隙0.1~0.01mm)，MRl與MR2接成差動，磁鼓轉動使MR輸出變化，再轉換成電壓變化（近似正弦波），多個檢測脈沖的MR成對加到波形整形電路上，將正弦波輸入轉換為方波/脈沖輸出。2023/2/532角編碼器的應用

角編碼器除了能直接測量角位移或間接測量直線位移外，可用于數字測速、工位編碼、伺服電機控制等。2023/2/533M法測速（適合于高轉速場合）T

編碼器每轉產生N個脈沖，在T時間段內有m1

個脈沖產生，則轉速（r/min)為：n=60m1/（NT）

m12023/2/534例題T

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

n=60×65536/（1024×5）r/min

=768r/min

m12023/2/535T法測速（適合于低轉速場合）時鐘脈沖fc

編碼器輸出脈沖

m2

···

編碼器每轉產生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為m2

，則轉速(r/min)為n=60fc/（Nm2）

2023/2/536T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，其參數為1024p/r，測得兩個相鄰脈沖之間的脈沖數為3000，時鐘頻率fc為1MHz，則轉速（r/min)為：2023/2/537安裝套編碼器的安裝方式1.編碼器的套式安裝2023/2/538安裝軸2.編碼器的軸式安裝2023/2/539編碼器在定位加工中的應用1—絕對式編碼器

2—電動機

3—轉軸

4—轉盤

5—工件

6—刀具

設該增量式光電編碼器的參數為1024p/r，大、小皮帶輪的傳動比為5，若希望當加工好元件1后緊接著加工元件8，則電動機轉動了多少分之幾圈？應等待編碼器給出多少脈沖數時，電動機停轉？2023/2/540數控加工中心2023/2/541

編碼器在數控加工中心的刀庫選刀控制中的應用旋轉刀庫被加工工件刀具角編碼器的輸出為當前刀具號角編碼器與旋轉刀庫連接2023/2/542

用不同的刀具加工復雜的工件2023/2/543編碼器在伺服電機中的應用

利用編碼器測量伺服電機的轉速、轉角，并通過伺服控制系統(tǒng)控制其各種運行參數。轉速測量轉子磁極位置測量角位移測量2023/2/5445.3數字式位移傳感器5.3.2光柵精密線位移傳感器光柵傳感器是一種技術成熟的高精度數字式位移傳感器?；诠饩€在均勻透明介質中按直線傳播的原理，當主、副光柵以很小夾角重疊時（對柵距W＝0.02mm的粗光柵，兩柵之間有約0.1mm間隙），產生莫爾條紋，利用莫爾條紋信息可測兩柵的相對位移。莫爾條紋對柵距有放大作用。如圖所示，縱向以夾角交疊的主、副光柵，在橫向產生間距為B的莫爾條紋。若光柵l向右移動一個柵距W，莫爾條紋則向下移動一個條紋間距B，使亮區(qū)與暗區(qū)互換。發(fā)源的光透過亮區(qū)，在受光器上產生光電信號，即光柵相對位移產生光電（脈沖）輸出，對此光電信號計數，可得相對位移。2023/2/5455.3數字式位移傳感器5.3.2光柵精密線位移傳感器1）光柵傳感器的工作原理和特點（1）位移放大作用(高精度的主因)若主柵與指示柵有等柵距W，且夾角很小，則B≈W/。放大倍數K=B/W=1/，若W=0.02mm,=0.1，K約為570。可見，莫爾條紋起位移放大作用，且放大倍數很大.（2）誤差平均效應莫爾條紋由多條柵線交疊后形成，個別光柵刻劃的誤差被平均，很大地消除了柵距局部誤差和短周期誤差影響。（3）光電轉換后的莫爾條紋輸出信號理想輸出應為三角波，如左圖。實際輸出近似正弦波電壓信號，如右圖。移動一個柵距，輸出電壓變化一個周期(2)。2023/2/5465.3數字式位移傳感器5.3.2光柵精密線位移傳感器2）位移方向識別光柵位移變換成莫爾條紋的移動，再經光電轉換成電輸出。

在一點觀察，無論光柵左移右移，莫爾條紋均明暗交替變

化。若只有一條莫爾條紋，則只能計數。為了辨向，需提供

另一條，使兩者相差/2。通常在相隔1/4條紋間距的位置上安放兩光敏元件來實現，如圖b所示。方向識別：光柵正向移動時只有加計數脈沖輸出；反向移動時只有減計數脈沖輸出。電路分析：2023/2/547光柵的類型和結構

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。

2023/2/548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構防塵保護罩的內部為長磁柵2023/2/549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構（續(xù)）2023/2/550反射式光柵2023/2/551透射式光柵2023/2/552透射式圓光柵固定2023/2/553莫爾條紋的光學放大作用

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LL≈W/θ

，（θ為主光柵和指示光柵刻線的夾角，弧度）

2023/2/554莫爾條紋演示2023/2/555莫爾條紋光學放大作用舉例

有一直線光柵，每毫米刻線數為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。2023/2/556光柵的輸出信號（TTL）余弦信號（超前）正弦信號零位信號2023/2/557光柵輸出信號（電壓正弦波）細分點余弦信號正弦信號零位信號2023/2/558脈沖細分

細分技術能在不增加光柵刻線數及價格的情況下提高光柵的分辨力。細分前，光柵的分辨力只有一個柵距的大小。采用4細分技術后，計數脈沖的頻率提高了4倍，相當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。細分前細分后2023/2/559光柵細分舉例

有一直線光柵，每毫米刻線數