数字式位置传感器

第十一章 数字式位置传感器 目录
11.1 位置测量方式 11.2 角编码器 11.3 光栅传感器 11.4 磁栅传感器 11.5 容栅传感器
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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。
t=πD/z=6.28mm；3）齿条所移动的距离x=N t=
. 50×6.28=314mm.测出齿轮的角位移,就可测得齿条的直线位移
传动机构 齿距t 齿轮
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。
齿条
x
θ
滚珠丝杠螺母副
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（例如:10 1011 0010）。即使断电之后 再重新上电,也能读出绝对式测量传感器当前位置的 数据。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。
第二节 角编码器
角编码器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。
最小分辨角度为 α=360º/2n =360÷16=22.5º
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光盘资料）
其他角编码器外形（续）
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。
2．绝对式光电编码器结构
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）
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。
直接测量 示意图
随动刀具
光栅尺
光栅读数头
5
间接测量 示意图
随动刀具
6
7
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
机电类 《自动检测技术及应用》
多媒体课件
（共13章，第十一章）
统一书号：ISBN 978-7-111-34300-4
课程配套网站
www.sensor-measurement.net 或www.liangsen.net
2012年7月版
2020/4/7
1
第十一章 数字式位置传感器
介绍几种常用数字式位置传感器的结 构、原理，如角编码器、M法测速、光栅 传感器、莫尔条纹、磁栅传感器、容栅 传感器等，并讨论他们在直线位移和角 位移精密测量以及机床位置控制中的应 用。
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。
回目录
光电脉冲角编码器示意图
17
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。
透光区
不透光区
光源 输出信号 使用温度 工作环境 相对湿度/（%）
振动/g 冲击/g
14
80" ±100" Φ 50× 40 Φ 6× 12
250
200 DC12(±5%)，5(±5%)
红外LED 格雷码，TTL电平
－40～+55℃ 相对湿度95 （35℃时）
增量式光电编码器的测量分辨力取决于它 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
E1050-14 绝对式 角编码器的 特性参数
2020/4/7
位数 分辨力 最大误差 外尺寸/mm 输.出轴尺寸/mm 重量/g 允许转速/r·min_1 电源电压/V
例：设齿轮的分度圆直 齿条
径为200mm ,齿数z=100,
传感器测得齿轮转过了
-x
齿轮
θ=180度。求：
θ
1）所转过的齿数N；
2）齿条的齿距t；
3)齿条所移动的距离 x。
解： 1）所转过的齿数
N=(z÷360º) ×θ
D 齿条为直线运动，
=(100/360º)×180º=50 齿轮作旋转运动
2）齿条的齿距
绝对式光电码盘与增量式码盘的区别
低ຫໍສະໝຸດ Baidu 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分辨力取决于 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：
α=360º/2n 分辨率=1/2n
增量式光电编码器的分辨力及分辨率
滚珠丝杠-螺
螺母 丝杠
母副能够减小传
θ
动磨檫力，延长
使用寿命，减小
间隙误差。
x
平均螺距误差大于10μm
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t=4mm
N=10圈时，θ =？度 x=？mm
滚珠
θ
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
θ
中，即使中途断电，
重新上电之后，当
前位置的二进制编
码数据仍然不变。
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-齿条副、 螺母丝杆副等直
螺母
线-旋转转换设备
丝杠
均存在间隙误差,
x 特别是从正转切
换到反转时,间隙
将导致测量死区,
必须予以补偿。
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。
直接测量 没有转换
误差
工作台运动方向
光栅
2.间接测量
编码器 在间接测量中，
工作台 丝杠 进给电机
多使用旋转式位置 传感器。测量到的
回转运动参数仅仅
x
是中间值，但可由
这中间值再推算出
与之关联的移动部
θ
件的直线位移。间
接测量须使用丝杠
-螺母副、齿轮-齿
条副等传动机构。
齿轮-齿条副的位移转换演示 +x