數(shù)字式傳感器及應(yīng)用-角度編碼器（傳感技術(shù)課件）

任務(wù)7.1角度編碼器任務(wù)7.2光柵傳感器項目7數(shù)字式傳感器及應(yīng)用任務(wù)7.3感應(yīng)同步器知識鏈接位置檢測方式位置測量主要是指直線位移和角位移的精密測量。數(shù)字式位置傳感器按測量方式有直接測量和間接測量之分；按測量原理分，有增量式測量和絕對式測量之分。增量式測量與絕對式測量（1）增量式測量：運動部件每移動一個基本長度單位，位置傳感器便發(fā)出一個輸出脈沖。一個脈沖所代表的基本長度單位就是分辨力。計數(shù)器對脈沖進行計數(shù)，便可得到位移量。增量式測量（續(xù)）例:在上圖中，若增量式測量系統(tǒng)的每個脈沖代表0.01mm，在10s時間里，長光柵傳感器發(fā)出2000個脈沖，求：1）工作臺的直線位移x（機床行業(yè)習(xí)慣使用的單位為：mm）。2）運動速度v（機床行業(yè)習(xí)慣使用的單位為：m/min）。解1）根據(jù)題意，工作臺每移動0.01mm，長光柵傳感器便發(fā)出1個脈沖，計數(shù)器就加1或減1。當計數(shù)值為2000時，工作臺移動了x

=2000×0.01mm

=20.0mm。2）v=x/t=20.0mm/(10s)=2.00mm/s=0.12m/min。增量式位置傳感器必須有一個零位標志，作為測量起點的零位標志。典型的增量式位置傳感器有增量式光電角編碼器、增量式光柵等。增量式傳感器工作原理分析在增量式測量中，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。增量式測量得到的脈沖波形絕對式測量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（例如:1010110010）。即使斷電之后再重新上電,也能讀出絕對式測量傳感器當前位置的數(shù)據(jù)。典型的絕對式位置傳感器有絕對式角編碼器。7.1角度編碼器角度編碼器是一種旋轉(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（絕對式角編碼器）或一串脈沖（增量式角編碼器）。絕對式角編碼器（將被測角度直接進行編碼）根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式的不同，有接觸式、光電式等形式。常用的角編碼器是光電式。1．接觸式角編碼器的結(jié)構(gòu)在一個不導(dǎo)電基體上，制造出許多有規(guī)律的導(dǎo)電金屬區(qū)，圖中的涂黑部分為導(dǎo)電區(qū)，用電平“1”表示，其他部分為絕緣區(qū)，用電平“0”表示。圖中的碼盤分成4個輸出碼道，在每個碼道上都有一個電刷，電刷經(jīng)取樣電阻R0~R3接地，信號從電阻的“熱端”（非接地端）取出。4位二進制接觸式碼盤a）電刷在自然二進制碼盤上的位置b）4位自然二進制碼盤c）4位格雷碼碼盤1－碼盤2－轉(zhuǎn)軸3－導(dǎo)電體4－絕緣體5－電刷6－激勵公用軌道（接電源正極）絕對式角編碼器絕對式編碼器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=360o/2n

=360÷16=22.5o絕對式編碼器（接觸式）演示采用二進制編碼器時，任何微小的制作誤差，都可能造成讀數(shù)的粗誤差。這主要是因為二進制碼當某一較高的數(shù)碼改變時，所有比它低的各位數(shù)碼均需同時改變。如果由于刻劃誤差等原因，某一較高位提前或延后改變，就會造成粗誤差。如：由二進制碼0111過渡到1000時，即由7變?yōu)?時，如果刻度機械加工誤差，此時就可能會出現(xiàn)8～15間的某個數(shù)字。絕對式編碼器4位十進制數(shù)與自然二進制碼以及格雷碼(循環(huán)碼)的對照表十進制數(shù)自然二進制碼格雷碼十進制數(shù)自然二進制碼格雷碼000000000810001100100010001910011101200100011101010111130011001011101111104010001101211001010501010111131101101160110010114111010017011101001511111000二進制碼轉(zhuǎn)換為循環(huán)碼的方法是將二進制碼右移一位并舍去末位的數(shù)碼，再與二進制數(shù)碼作不進位加法，結(jié)果即為循環(huán)碼。循環(huán)碼（格雷碼）代替二進制碼。循環(huán)碼碼盤轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時，編碼中只有一位發(fā)生變化，不會產(chǎn)生粗誤差。

消除粗誤差方法回顧“分辨力和分辨率”

分辨力指傳感器能檢出被測信號的最小變化量。

分辨率指將分辨力除以儀表的滿量程就是儀表的分辨率，分辨率常以百分比或幾分之一表示。角編碼器的分辨力與分辨率二進制的位數(shù)等于碼道的圈數(shù)（不包括最里面的公用軌道）。高位在內(nèi)，低位在外。M位二進制碼盤就有M圈碼道，且圓周被均分為2M個區(qū)域，分別表示不同的角度位置，所能分辨的角度θ（即分辨力）為θ=360o/2M

分辨率=1/2M

例：求12碼道絕對式角編碼器的分辨力θ。解：12碼道的絕對式角編碼器的圓周被均分為212=4096個位置數(shù)，所以能分辨的角度：θ=360o/212=5.27

絕對式光電角編碼器的結(jié)構(gòu)絕對式光電角編碼器a）12碼道光電碼盤的平面結(jié)構(gòu)b）4碼道光電碼盤與光源、光敏元件的對應(yīng)關(guān)系c）外形絕對式光電編碼器結(jié)構(gòu)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）

高位低位光電式角編碼器的特點碼盤由光學(xué)玻璃制成，其上刻有許多同心碼道，在玻璃上沉積很薄的刻線，按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。當光源將光投射在碼盤上時，通過亮區(qū)的光線由光敏元件接收。光敏元件的排列與碼道一一對應(yīng)，對應(yīng)于亮區(qū)的光敏元件輸出為“1”，暗區(qū)的輸出為“0”。當碼盤旋至不同位置時，光敏元件輸出格雷碼，代表碼盤軸的角位移的大小。光電碼盤沒有接觸磨損，壽命長，允許轉(zhuǎn)速高。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，當前位置的二進制編碼數(shù)據(jù)仍然不變。10θ絕對式角編碼器自然二進制碼或格雷碼01其他角編碼器外形其他角編碼器外形（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。增量式光電角編碼器

結(jié)構(gòu)示意圖增量式角編碼器

輸出信號為一串脈沖，每一個脈沖對應(yīng)一個分辨角

，對脈沖進行計數(shù)N，就是對

的累加，即，角位移

＝

N。如：

＝0.352，脈沖N＝1000，則：

＝0.352×1000＝352

增量式編碼器增量式編碼器結(jié)構(gòu)碼盤光欄板LED零位標志（一轉(zhuǎn)脈沖）光敏元件

＝360°／條紋數(shù)

＝360°／1024＝0.352°

透光條紋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。當碼盤正轉(zhuǎn)時，A信號超前B信號90

；當碼盤反轉(zhuǎn)時，B信號超前A信號90

。LED光欄板及A、B狹縫cossinC：零位檢測光電編碼器的兩個“辨向元件”

光欄板上的兩個狹縫距離是碼盤上的兩個狹縫距離W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cos、sin元件。W(m+1/4)WA相位超前B

:90°（1/4周期）例:W=1mm,cos與sin元件的距離可以是6.25或8.25mm等

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也稱為cos信號；B也稱為sin信號。A滯后于B，判斷為反向旋轉(zhuǎn)辨向信號和零標志電編碼器的光欄板上有A與B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，用于辨向（辨別旋轉(zhuǎn)方向）。當碼盤正轉(zhuǎn)時，A信號超前B信號90

；當碼盤反轉(zhuǎn)時，B信號超前A信號90

。

在碼盤里圈，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”或零標志脈沖，作為測量的起始基準。零標志（一轉(zhuǎn)脈沖）波形及作用

一轉(zhuǎn)（360

）CC在碼盤里圈，有一條狹縫C，碼盤每轉(zhuǎn)一圈，產(chǎn)生一個脈沖。該脈沖信號又稱“一轉(zhuǎn)信號”或零標志脈沖，作為測量的起始基準（0

）。ABC90°增量式編碼器原理動畫演示增量式光電角編碼器的分辨力與分辨率增量式光電角編碼器的測量準確度與碼盤圓周上的狹縫條紋數(shù)（分度數(shù)）M有關(guān)，最小分辨的角度θ：θ=360o/M分辨率=1/M例：某增量式角編碼器的技術(shù)指標為：1024個脈沖/r（即分度數(shù)M