專題10數(shù)字式位移傳感器

專題10數(shù)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(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(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(shù)控機(jī)床工作臺(tái)位移量的現(xiàn)場照片。

工作臺(tái)光柵工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向2023/2/542.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(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

x2023/2/55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)過程產(chǎn)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?qū)p小傳動(dòng)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(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2023/2/58

二、增量式和絕對式測量

在增量式測量中，移動(dòng)部件每移動(dòng)一個(gè)基本長度單位，位置傳感器便發(fā)出一個(gè)測量信號(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度單位就是分辨力，對脈沖計(jì)數(shù)，便可得到位移量。絕對式測量的特點(diǎn)是：

每一被測點(diǎn)都有一個(gè)對應(yīng)的編碼，常以二進(jìn)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2023/2/59數(shù)字編碼器1）相關(guān)概念數(shù)字式位移傳感器分絕對編碼式和計(jì)數(shù)式兩類，其中計(jì)數(shù)式有分頻式和計(jì)數(shù)（增量）式，計(jì)數(shù)式有增量碼盤式和柵式如光柵等兩類。編碼器是根據(jù)位置的“編碼”，把位移轉(zhuǎn)換成“數(shù)字代碼”。測線位移的稱直線編碼器，測角位移的稱旋轉(zhuǎn)編碼器。旋轉(zhuǎn)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(yīng)固定的編碼，不需基準(zhǔn)點(diǎn)和計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)并對照（零位）基準(zhǔn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)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(hào)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2023/2/513其他角編碼器外形

（參考德國圖爾克傳感與自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)公司）2023/2/514數(shù)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(zhuǎn)換元件,有相似結(jié)構(gòu)但內(nèi)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(shù)n決定分辨力，二進(jìn)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(shù)和物理特性決定碼道徑向尺寸。二進(jìn)制碼盤的2n個(gè)扇形網(wǎng)格區(qū)對應(yīng)2n組編碼，確定碼盤上2n個(gè)角位置的對應(yīng)輸出碼，輸出數(shù)字的變化對應(yīng)角位移量。二進(jìn)制碼盤每個(gè)扇形網(wǎng)格對應(yīng)由里到外

n個(gè)“1”或“0”小網(wǎng)格組成的一組數(shù)字碼。光電式中“l(fā)”對應(yīng)透明碼區(qū)，光敏管能收到信號(hào)光；“0”對應(yīng)不透明碼區(qū)，光敏管收不到信號(hào)光。磁電式編碼器中“0”對應(yīng)磁化區(qū)，“l(fā)”對應(yīng)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(jìn)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2023/2/516絕對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

2023/2/517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(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=1/2n2023/2/519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(shí)，輸出為10～20mV，通常接一集成差動(dòng)高增益運(yùn)放，作用類似施密特觸發(fā)器。預(yù)置一觸發(fā)電平

(監(jiān)控電平，單獨(dú)用光敏元件掃描一個(gè)完全清晰碼道即無碼碼道來獲得），并輸給所有數(shù)據(jù)碼道的放大器，以克服信號(hào)光強(qiáng)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(gè)環(huán)上繞兩線圈，一個(gè)用于詢問，通恒頻恒幅交流電，另一個(gè)用于讀出。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，小磁環(huán)(非接觸)對準(zhǔn)磁化區(qū)“0”時(shí)，磁路飽和，讀出電壓很低；小磁環(huán)對準(zhǔn)非磁化區(qū)“1”時(shí)，兩繞組構(gòu)成一變壓器，讀出繞組輸出電壓信號(hào)。該信號(hào)為調(diào)制信號(hào)，經(jīng)解調(diào)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(shù)誤差是主因，最外道(最低位碼)網(wǎng)格刻制的準(zhǔn)確度影響最大。例：二進(jìn)制碼盤實(shí)現(xiàn)1分辨力需2021道，若在400mm圓盤制作20碼道，最外道網(wǎng)格節(jié)距僅1m。同時(shí)保證同碼道節(jié)距準(zhǔn)確而各碼道同扇形網(wǎng)格線對準(zhǔn)很困難，易出現(xiàn)誤差。對策1：用循環(huán)碼替代二進(jìn)制碼。(a)循環(huán)碼:主要特點(diǎn)是相鄰兩組數(shù)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(jìn)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(shù)，循環(huán)碼網(wǎng)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(jìn)制碼與循環(huán)碼之間轉(zhuǎn)換關(guān)系為：循環(huán)碼直接譯碼困難，一般先轉(zhuǎn)二進(jìn)制再譯碼，有電路實(shí)現(xiàn)，分并行和串行兩種，如圖所示。串行循環(huán)碼?二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換器并行循環(huán)碼?二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換器2023/2/523(3)提高測量精度的途徑(a)掃描法:又稱雙讀數(shù)法。圖a為刻線不準(zhǔn)所致二進(jìn)制碼誤讀.圖b為雙讀數(shù)法-兩讀數(shù)狹縫AA與BB分別對應(yīng)兩組光敏元件。允許透明與不透明碼區(qū)轉(zhuǎn)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(shù)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(gè)碼盤由機(jī)械傳動(dòng)連成碼盤組，利用傳動(dòng)比變化提高絕對編碼器分辨率。碼盤組可測轉(zhuǎn)速(傳動(dòng)比大于1)和大于360的角位移(傳動(dòng)比小于1)；傳動(dòng)比起“放大”和“縮小”作用。絕對碼編碼器的優(yōu)點(diǎn)：編碼位置的數(shù)碼唯一，不因系統(tǒng)斷電、重測而改變；各碼道有獨(dú)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(qiáng)，可靠性高，上電即可確定編碼位置數(shù)據(jù)，不需自引導(dǎo)過程。2023/2/525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ABC2023/2/526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。2023/2/527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。(請畫出反轉(zhuǎn)時(shí)信號(hào)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(gè)脈沖，該脈沖信號(hào)又稱“一轉(zhuǎn)信號(hào)”或零標(biāo)志脈沖，作為測量的起始基準(zhǔn)。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(shù)n有關(guān)，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(jì)“脈沖”數(shù)確定相對基準(zhǔn)點(diǎn)的瞬時(shí)角位移。（1）增量碼盤碼盤設(shè)內(nèi)、外軌道，兩者關(guān)系如圖所示。外道由增量計(jì)數(shù)軌道(僅1位碼道)和方向軌道組成，按分辨率要求設(shè)置扇區(qū)（相當(dāng)于最低碼道網(wǎng)格）。方向道與增量計(jì)數(shù)道扇區(qū)相同，但位差半個(gè)扇區(qū)(兩扇區(qū)為周期，半扇區(qū)使兩道相差90)，依據(jù)兩者的超前或滯后識(shí)別順、逆方向，決定計(jì)數(shù)器的加或減。內(nèi)道即基準(zhǔn)軌道，提供基準(zhǔn)點(diǎn)的是一個(gè)單獨(dú)標(biāo)志的扇區(qū)，其輸出使計(jì)數(shù)器歸零。2023/2/5305.3數(shù)字式位移傳感器5.3.1數(shù)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(jì)數(shù)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(gè)計(jì)數(shù)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(chǎn)生的單次脈寬。此脈寬應(yīng)小于一個(gè)扇區(qū)（bit）所占時(shí)間的一半。如果單次脈沖寬度為4～6s，其上升時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間為200ns，對5000個(gè)脈沖/轉(zhuǎn)的增量碼編碼器，最大測速為2000r/min。2023/2/5315.3數(shù)字式位移傳感器5.3.1數(shù)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(hào)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(zhuǎn)軸上；MR+信號(hào)處理：放置磁鼓下(間隙0.1~0.01mm)，MRl與MR2接成差動(dòng)，磁鼓轉(zhuǎn)動(dòng)使MR輸出變化，再轉(zhuǎn)換成電壓變化（近似正弦波），多個(gè)檢測脈沖的MR成對加到波形整形電路上，將正弦波輸入轉(zhuǎn)換為方波/脈沖輸出。2023/2/532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(jī)控制等。2023/2/533M法測速（適合于高轉(zhuǎn)速場合）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）

m12023/2/534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)測得65536個(gè)脈沖，則轉(zhuǎn)速（r/min)為：

n=60×65536/（1024×5）r/min

=768r/min

m12023/2/535T法測速（適合于低轉(zhuǎn)速場合）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）

2023/2/536T法測速舉例時(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：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(yīng)用1—絕對式編碼器

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)？2023/2/540數(shù)控加工中心2023/2/541

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(hào)角編碼器與旋轉(zhuǎn)刀庫連接2023/2/542

用不同的刀具加工復(fù)雜的工件2023/2/543編碼器在伺服電機(jī)中的應(yīng)用

利用編碼器測量伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角，并通過伺服控制系統(tǒng)控制其各種運(yùn)行參數(shù)。轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)子磁極位置測量角位移測量2023/2/5445.3數(shù)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(shù)成熟的高精度數(shù)字式位移傳感器?；诠饩€在均勻透明介質(zhì)中按直線傳播的原理，當(dāng)主、副光柵以很小夾角重疊時(shí)（對柵距W＝0.02mm的粗光柵，兩柵之間有約0.1mm間隙），產(chǎn)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(chǎn)生間距為B的莫爾條紋。若光柵l向右移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋則向下移動(dòng)一個(gè)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(chǎn)生光電信號(hào)，即光柵相對位移產(chǎn)生光電（脈沖）輸出，對此光電信號(hào)計(jì)數(shù)，可得相對位移。2023/2/5455.3數(shù)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(diǎn)（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(shù)K=B/W=1/，若W=0.02mm,=0.1，K約為570?？梢?，莫爾條紋起位移放大作用，且放大倍數(shù)很大.（2）誤差平均效應(yīng)莫爾條紋由多條柵線交疊后形成，個(gè)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(zhuǎn)換后的莫爾條紋輸出信號(hào)理想輸出應(yīng)為三角波，如左圖。實(shí)際輸出近似正弦波電壓信號(hào)，如右圖。移動(dòng)一個(gè)柵距，輸出電壓變化一個(gè)周期(2)。2023/2/5465.3數(shù)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(shí)別光柵位移變換成莫爾條紋的移動(dòng)，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換成電輸出。

在一點(diǎn)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(jì)數(shù)。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(shí)現(xiàn)，如圖b所示。方向識(shí)別：光柵正向移動(dòng)時(shí)只有加計(jì)數(shù)脈沖輸出；反向移動(dòng)時(shí)只有減計(jì)數(shù)脈沖輸出。電路分析：2023/2/547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(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)部為長磁柵2023/2/549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)）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(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(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）

2023/2/554莫爾條紋演示2023/2/555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(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。2023/2/556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)2023/2/557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)2023/2/558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2023/2/559光柵細(xì)分舉例

有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)