傳感器課件數(shù)字式位置傳感器PPT

傳感器課件數(shù)字式位置傳感器PPT2023/6/161第一頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六第一節(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。

第二頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六1.直接測量回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)運動θ利用角位移傳感器直接測量工作臺的角位移第三頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六直接利用數(shù)字式直線位移傳感器測量直線機床的位移量直接測量的誤差較小光柵工作臺運動方向第四頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六2.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

x2023/6/165第五頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六傳動機構(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

x第六頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六滾珠絲杠螺母副

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

第七頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六傳動分析設(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2023/6/168第八頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六

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第九頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六第二節(jié)角編碼器

角編碼器又稱碼盤，是一種旋轉(zhuǎn)式位置傳感器，它的轉(zhuǎn)軸通常與被測旋轉(zhuǎn)軸連接，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動。角編碼器能將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換成二進制編碼或一連串脈沖。角編碼器有兩種基本類型：絕對式角編碼器和增量式角編碼器。第十頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六一、絕對式角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角編碼器按照角度直接進行編碼。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式有接觸式、光電式、磁阻式等。

透光區(qū)不透光區(qū)零位標(biāo)志第十一頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六絕對式測量角編碼器每一個微小的角位移都有一個對應(yīng)的編碼，常以二進制數(shù)據(jù)形式來表示。在絕對式測量中，即使中途斷電，重新上電之后，也能讀出當(dāng)前位置的數(shù)據(jù)。10θ絕對式角編碼器自然二進制碼或格雷碼01第十二頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六絕對式編碼器（接觸式）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

2023/6/1613第十三頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六其他角編碼器外形

（參考德國圖爾克傳感與自動化技術(shù)專業(yè)公司）2023/6/1614第十四頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六其他角編碼器外形（續(xù)）2023/6/1615第十五頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六其他角編碼器外形（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。2023/6/1616第十六頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六2．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）

高位低位第十七頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六絕對式光電碼盤與增量式碼盤的區(qū)別

絕對式光電碼盤（12碼道）增量式光電碼盤（1024位）

高位低位第十八頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六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為：

α=360°/2n分辨率=1/2n第十九頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六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：2023/6/1620第二十頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六二、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ABC2023/6/1621第二十一頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六辨向原理

光敏元件所產(chǎn)生的信號A、B彼此相差90相位。當(dāng)碼盤正轉(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。LED光欄板及A、B狹縫2023/6/1622第二十二頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六光電編碼器的輸出波形

上圖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。2023/6/1623第二十三頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六

兩路光電信號判斷旋轉(zhuǎn)方向

A超前于B，判斷為正向旋轉(zhuǎn)，A滯后于B，判斷為反向旋轉(zhuǎn)2023/6/1624第二十四頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六辨向信號和零標(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)。第二十五頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六零標(biāo)志（一轉(zhuǎn)脈沖）波形及作用

一轉(zhuǎn)（360）CC

在碼盤里圈，還有一條狹縫C，每轉(zhuǎn)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)（0）

。AB2023/6/1626第二十六頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六三、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，還可用于數(shù)字測速、工位編碼、伺服電機控制等。2023/6/1627第二十七頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六M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）

m1第二十八頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六例題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

m1第二十九頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六T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）

第三十頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六T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：第三十一頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六M/T法測速（高速、低速場合均可使用）M/T法與M法稍有不同：

閘門時間發(fā)生器受角編碼器輸出脈沖上升沿的觸發(fā)，在經(jīng)歷設(shè)定的時間后，閘門高電平信號隨被測脈沖上升沿而同步結(jié)束。2023/6/1632第三十二頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六M/T法測速（高速、低速場合均可使用）分別用兩個計數(shù)器，對角編碼器的輸出脈沖個數(shù)m1和標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖個數(shù)m3同時進行計數(shù)，從而計算得到ts，ts＝m3T0＝m3/f0。與M法相似，角編碼器的輸出脈沖頻率f為則角編碼器的轉(zhuǎn)速n為第三十三頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六安裝套編碼器的安裝方式1.編碼器的套式安裝2023/6/1634第三十四頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六安裝軸2.編碼器的軸式安裝2023/6/1635第三十五頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六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3后緊接著加工元件4，則電動機轉(zhuǎn)動了多少分之幾圈？應(yīng)等待角編碼器給出多少脈沖數(shù)時，電動機停轉(zhuǎn)？2023/6/1636第三十六頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六數(shù)控加工中心2023/6/1637第三十七頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六編碼器在數(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)刀庫連接第三十八頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六用不同的刀具加工復(fù)雜的工件2023/6/1639第三十九頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六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2023/6/1640第四十頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六角編碼器在機器人控制中的應(yīng)用伺服電機伺服電機編碼器伺服電機伺服電機編碼器編碼器編碼器點擊播放jqrtw.AVI“角編碼器在機器人運動控制中的應(yīng)用”錄像第四十一頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六第三節(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。

第四十二頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六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)部為長磁柵第四十三頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六掃描頭（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)）2023/6/1644第四十四頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六反射式光柵2023/6/1645第四十五頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六透射式光柵2023/6/1646第四十六頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六透射式圓光柵固定（只畫出其中一小部分）2023/6/1647第四十七頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六莫爾條紋的光學(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LL≈W/θ，（θ為主光柵和指示光柵刻線的夾角，弧度）

第四十八頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六莫爾條紋演示2023/6/1649第四十九頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六莫爾條紋光學(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）由計算可知，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由于莫爾條紋間距較大，因此可以用小面積的光電池“觀察”莫爾條紋光強的變化。LW第五十頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六光柵的輸出信號（TTL）余弦信號（超前）正弦信號零位信號2023/6/1651第五十一頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六光柵輸出信號（電壓正弦波）細分點余弦信號正弦信號零位信號2023/6/1652第五十二頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六脈沖細分

細分技術(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。細分前，光柵的分辨力只有一個柵距的大小。采用4細分技術(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。細分前細分后2023/6/1653第五十三頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六光柵細分舉例

有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，細分數(shù)為4細分，則：分辨力=W/4

=（1mm/50）/4=0.005mm=5m采用細分技術(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。第五十四頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六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。第五十五頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六正向運動產(chǎn)生

加法脈沖正向運動時，與門IC2無“減”計數(shù)脈沖輸出。第五十六頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六為光柵設(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、細分、辨向、報警、阻抗變換等。第五十七頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六為光柵設(shè)計

的專用信號

處理單元（光柵插補器）功能同上頁第五十八頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六光柵在機床上的安裝位置（2個自由度）2023/6/1659第五十九頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六光柵在機床上的安裝位置（3個自由度）數(shù)顯表2023/6/1660第六十頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六光柵在機床上

的安裝位置

（3個自由度）（續(xù)）2023/6/1661第六十一頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六2自由度光柵數(shù)顯表X位移顯示Z或Y位移顯示2023/6/1662第六十二頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六3自由度光柵數(shù)顯表2023/6/1663第六十三頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六光柵數(shù)顯表（續(xù)）三座標(biāo)數(shù)顯表2023/6/1664第六十四頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六SDS8-3E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

·蝕深度目標(biāo)值顯示

·時工作位置顯示

·掉電記憶第六十五頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六光柵數(shù)顯表（續(xù)）設(shè)定按鍵2023/6/1666第六十六頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六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第六十七頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六第四節(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。目前還出現(xiàn)了磁敏電阻原理的磁頭，可不必設(shè)置勵磁電路，檢測速度也進一步提高。還有一種“空間靜磁柵”。在失電→上電后，仍能正確地反映失電前的位置或角度，實現(xiàn)了磁柵的“絕對編碼”。

第六十八頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六磁柵的外形及結(jié)構(gòu)磁尺靜態(tài)磁頭去信號處理電路固定孔2023/6/1669第六十九頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六磁頭與磁尺相對運動時的輸出波形演示2023/6/1670第七十頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六鑒相型磁柵數(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？2023/6/1671第七十一頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六磁柵測量系統(tǒng)壓板磁頭磁尺2023/6/1672第七十二頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六磁柵在磨床測長系統(tǒng)中的應(yīng)用磁尺磁頭安裝在何處？2023/6/1673第七十三頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六磁柵在銑床直線位移測量中的應(yīng)用磁尺數(shù)顯表2023/6/1674第七十四頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六第五節(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。第七十五頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六結(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。第七十六頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六各種容柵測量裝置2023/6/1677第七十七頁，共九十四頁，編輯于2023年，星期六各種容柵數(shù)顯表2023/6/