传感器课件 数字式位置传感器

40
角编码器在机器人控制中的应用
伺服电机 编码器 编码器
伺服电机 编码器
伺服电机
伺服电机 编码器
点击播放jqrtw.AVI“角编码器在机器人运动控制中的
应用”录像
第三节 光栅传感器
一、光栅的类型和结构
计量光栅可分为透射式光栅和反射 式光栅两大类，均由光源、光栅副、光 敏元件三大部分组成。计量光栅按形状 又可分为长光栅和圆光栅。
例：某1024p/r 圆光栅，正转10圈，反 转 4 圈，若不采取辨向措施，则计数器将 错误地得到14336个脉冲，而正确值为： (10-4)×1024＝6144个脉冲。
正向运动 产生
加法脉冲
正向 运动时， 与门IC2 无“减” 计数脉 冲输出。
为光栅设计的专用数据转接器 （光栅计数卡）
内部包含以下电路：放大、整形、 细分、辨向、报警、阻抗变换等。
光栅的外形及结构
尺身 尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长磁栅
反射式扫描头 扫描头安装孔
（与移动部件固定）
可移动电缆
光栅的外形及结构（续）
可移动电缆 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺
30.06.2020
44
反射式光栅
30.06.2020
45
透射式光栅
30.06.2020
46
透射式圆光栅
（只画出其中一小部分）
编码器 在间接测量
工作台 丝杠 进给电机
中，多使用旋转式
位置传感器。测量
到的回转运动参数
x
仅仅是中间值，但
可由这中间值再推
θ
算出与之关联的移 动部件的直线位移
间接测量须使用丝
杠-螺母、齿轮-齿
条等传动机构。
30.06.2020
5
传动机构 齿距
滚珠丝杠螺母 副、齿轮-齿条副 等传动机构能够 将旋转运动转换 成直线运动。但 应设法消除传导 过程产生的间隙 误差。
T法测速举例
有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测 得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频率fc为 1MHz ，则转速（r/min)为 ：
编码器输出脉冲
m2 时钟脉冲fc
···
n = 60fc /（Nm2 ） = 60*1000000/（1024*3000） =19.53 r/min
光栅的刻线宽度W 莫尔条纹的宽度L
莫尔条纹演示
30.06.2020
49
莫尔条纹光学 放大作用举例
W
L
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与
指示光栅的夹角 =1.8，则： 分辨力 =栅距W =1mm/50=0.02mm=20m
（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） 由计算可知，莫尔条纹的宽度是栅距的32倍： L ≈W/θ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ）
在上一页图的码盘里圈，还有一根狭缝C， 每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信 号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。
零标志（一转脉冲） 波形及作用
C
C
30.06.2020
在码盘里圈，还有一 条狭缝C，每转产生一 个脉冲。该脉冲信号又 称“一转信号”或零标 志脉冲，作为测量的起 始基准（ 0） 。
脉冲细分
细分前 细分技术能在不 增加光栅刻线数及价 格的情况下提高光栅 的分辨力。细分前， 光栅的分辨力只有一 个栅距的大小。采用 4细分技术后，计数 脉冲的频率提高了4
细分后 倍，相当于原光栅的 分辨力提高了3倍， 测量步距是原来的 1/4 ， 较 大 地 提 高 了 测量精度。
53
光栅细分举例
齿轮
齿条
x
θ
滚珠丝杠螺母副
螺母
滚珠丝杠螺母 副能够将减小传 动磨檫力，延长 x 使用寿命，减小 间隙误差。
丝杠
θ
传动分析
设：螺距t=4mm，丝杠在4s时间里转动了10圈， 求：丝杠的平均转速n(r/min)及螺母移动了多少毫 米？螺母的平均速度v又为多少？
螺距 螺母
N=10圈
丝杠
x=？
30.06.2020
= 0.02mm/0.0314 = 0.637mm
由于莫尔条纹间距较大，因此可以用小 面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。
光栅的输出信号（TTL）
30.06.2020
余弦信号 （超前）
正弦信号
零位信号
51
光栅输出信号（电压正弦波）
30.06.2020
余弦信号 细分点 正弦信号 零位信号
52
30.06.2020
第二节 角编码器
角编码器又称码盘，是一种旋转式位置 传感器，它的转轴通常与被测旋转轴连接， 随被测轴一起转动。
角编码器能将被测轴的角位移转换成二 进制编码或一连串脉冲。角编码器有两种基 本类型：绝对式角编码器和增量式角编码器。
一、绝对式角编码器 10码道光电绝对式码盘
绝对式角编码 器按照角度直接进 行编码。根据内部 结构和检测方式有 接触式、光电式、 磁阻式等。
低位 高位
a）光电码盘的平面结构（8码道） b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道）
绝对式光电码盘与增量式码盘的区别
低位 高位
绝对式光电码盘（12码道） 增量式光电码盘（1024位）
绝对式光电编码器的分辨力及分辨率
绝对式光电编码器的测量精度取决于它 所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道 数n 有关，即最小能分辨的角度为：
A
B
一转（360）
26
三、角编码器的应用
角编码器除了能直接测量角位移或间 接测量直线位移外，还可用于数字测速、 工位编码、伺服电机控制等。
30.06.2020
27
M法测速（适合于高转速场合）
m1
T 编码器每转产生 N 个脉冲，在T 时间段内有 m1 个脉冲产生，则转速
（r/min)为 ：n = 60m1/（NT）
f m1 m1 f0 ts m3
则角编码器的转速n为
n60f 60m1f0 N N m3
30.06.2020
编码器的安装方式
1.编码器 的套式安装
安装套
34
2.编码器的轴式安装
30.06.2020
安装轴
35
编码器在定位加工中的应用
1—绝对式编码器 2—电动机 3—转轴 4—转盘 5—工件
6—刀具
为光栅设计 的专用信号 处理单元 （光栅插补器）
功能同上页
光栅在机床上的安装位置 （2个自由度）
30.06.2020
59
光栅在机床上的安装位置 （3个自由度）
数显表
30.06.2020
60
光栅在机床上 的安装位置
（3个自由度） （续）
30.06.2020
α=360°/2n 分辨率=1/2n
增量式光电编码器的分辨力及分辨率
增量式光电编码器的测量精度取决于它 所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的 狭缝条纹数n 有关，即最小能分辨的角度及 分辨率为：
360o
n
分 辨 率 1 n
11-3
11-4
30.06.2020
20
二、增量式编码器
转轴 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝
AB AC
B
C
光敏元件
盘码及 狭缝
零位标志
30.06.2020
21
光栏板及
辨向原理 A、B狭缝 LED
30.06.2020
光敏元件所产生的信号A、B彼 此相差90相位。当码盘正转时， A信号超前B信号90；当码盘反转 时，B信号超前A信号90。 22
光电编码器的输出波形
上图光栏板上的两个狭缝距离是码 盘上的两个狭缝距离的（m +1/4）倍，m 为正整数，并设置了两组光敏元件A、B， 有时又称为sin、cos元件。
透光区
不透光区
绝对式码盘与增量
式码盘有何区别？
零位标志
绝对式测量角编码器
每一个微小的
角位移都有一个对
应的编码，常以二
进制数据形式来表
示。在绝对式测量 中，即使中途断电，
θ
重新上电之后，也
能读出当前位置的
数据。
自然二进制码
1 0 0 1 或格雷码
绝对式编码器（接触式）演示
4个电刷 4位二进制
码盘 +5V输入 公共码道
最小分辨角度为 α=360°/2n
30.06.2020
13
其他角编码器外形
（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）
30.06.2020
14
其他角编码器外形（续）
30.06.2020
15
其他角编码器外形（续）
拉线式角编 码器利用线轮， 能将直线运动转 换成旋转运动。
30.06.2020
16
2．绝对式光电编码器
M/T法测速（高速、低速场合均可使用）
M/T法与M法稍有不同： 闸门时间发生器受角编码器输出脉冲上升沿 的触发，在经历设定的时间后，闸门高电平信号 随被测脉冲上升沿而同步结束。
30.06.2020
32
M/T法测速（高速、低速场合均可使用）
分别用两个计数器，对角编码器的输出脉 冲个数m1和标准时钟脉冲个数m3同时进行计数， 从而计算得到ts，ts＝m3 T0＝m3/f0 。与M法相 似，角编码器的输出脉冲频率f为
30.06.2020
设该增量式光电编码器
的参数为1024 p/r，大、小
皮带轮的传动比为5，若希望 当加工好元件3后紧接着加工 元件4，则电动机转动了多少 分之几圈？应等待角编码器 给出多少脉冲数时，电动机 停转？
36
数控加工中心
30.06.2020
37
编码器在数控 加工中心的刀库选 刀控制中的应用
角编码器与 旋转刀库连接
刀具
旋转刀库 角编码器的输出为
当前刀具号
被加工工件
用不同的刀具 加工复杂的工件
30.06.2020
39
编码器在伺服电机中的应用
利用编码器测 量伺服电机的转速、 转角，并通过伺服 控制系统控制其各 种运行参数。
•转速测量 •转子磁极位置测量 •角位移测量
30.06.2020
例题
m1
T
有一增量式光电编码器，其参数为 1024p/r， 在5s时间内测得65536个脉冲，则 转速（r/min)为 ：
n = 60 × 65536 /（1024 × 5） r/min
= 768 r/min
T法测速（适合于低转速场合）
编码器输出脉冲
m2 时钟脉冲fc
···
编码器每转产生 N 个脉冲，用已知 频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两 个相邻脉冲之间的脉冲数为m2 ，则转速 (r/min)为 n = 60fc / （Nm2 ）
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细 分数为4细分，则：
分辨力 =W /4 =（1mm/50）/4
=0.005mm=5m 采用细分技术，在不增加光栅刻线数 （成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。
辨向电路及波形
如果传感器只安装一套光电元件，则 在实际应用中，无论光栅作正向移动还是 反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信 号，无法分辨位移的方向。
8
二、增量式和 绝对式测量
在增量式测量中， 移动部件每移动一个基 本长度单位，位置传感 器便发出一个测量信号， 此信号通常是脉冲形式。 这样，一个脉冲所代表 的基本长度单位就是分 辨力，对脉冲计数，便 可得到位移量。
增量式测量得到的脉冲波形
绝对式测量的特点是：
每一被测点都有一个对应的编码，常以二进制数据形式 来表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前 位置的数据。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。
若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间 值，再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移， 则该测量方式为间接测量。
1.直接测量
回转工作台 旋转运动θ
利用角位 移传感器直接 测量工作台的 角位移
直接利用数字式直线位移传感器测量 直线机床的位移量
直接测量 的误差 较小
工作台运动方向
光栅
2.间接测量
30.06.2020
23
两路光电信号判断旋转方向
A超前于B，判断为正向旋转， A滞后于B，判断为反向旋转
30.06.2020
24
辨向信号和零标志
光电编码器的光栏板上有 A组与B组两组狭缝，彼此错 开 1/4 节 距 ， 两 组 狭 缝 相 对 应 的光敏元件所产生的信号A、 B彼此相差90相位，用于辩向。 当编码正转时，A信号超前B 信号90；当码盘反转时，B信 号超前A信号90。 (请画出反转时信号B的波形）
第十一章 数字式位置传感器
本章学习几种常用数字式位置 传感器的结构、原理，如角编码器、 光栅传感器、磁栅传感器、容栅传 感器等，并讨论他们在直线位移和 角位移测量、控制中的应用。
第一节 位置测量的方式
一、直接测量和间接测量
位置传感器有直线式和旋转式两大类。
若位置传感器所测量的对象就是被测量本身， 即用直线式传感器测直线位移，用旋转式传感器测 角位移，则该测量方式为直接测量。例如直接用于 直线位移测量的直线光栅和长磁栅等；直接用于角 度测量的角编码器、圆光栅、圆磁栅等。
固定
30.06.2020
47
莫尔条纹的Байду номын сангаас学放大作用
在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠 合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹 角θ。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两 光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。
L≈W/θ ， （θ为主光栅和
指示光栅刻线的 夹角，弧度）