传感器课件 数字式位置传感器

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。
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光栅细分举例
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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。
f m1 m1 f0 ts m3
则角编码器的转速n为
n60f 60m1f0 N N m3
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编码器的安装方式
1.编码器 的套式安装
安装套
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2.编码器的轴式安装
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安装轴
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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
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
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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
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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
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二、增量式编码器
转轴 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝
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
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=？
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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。
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
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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 ）
最小分辨角度为 α=360°/2n
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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）
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其他角编码器外形（续）
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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。
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2．绝对式光电编码器
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
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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） 。
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。
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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。
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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
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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。
固定
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莫尔条纹的光学放大作用
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）
= 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）
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余弦信号 （超前）
正弦信号
零位信号
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光栅输出信号（电压正弦波）
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余弦信号 细分点 正弦信号 零位信号
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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。
AB AC
B
C
光敏元件
盘码及 狭缝
零位标志
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光栏板及
辨向原理 A、B狭缝 LED
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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。
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
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 ）
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