第十一章数字式位置传感器

教师授课方案（首页）授课班级09D电气1、电气2 授课日期课节 2 课堂类型讲授课题第十一章数字式位置传感器第一节位置测量的方式第二节数字式角编码器第三节光栅传感器第四节磁栅、容栅传感器教学目的与要求【知识目标】1．了解直接测量和间接测量的区别；2．了解绝对式和增量式角编码器的原理；3．掌握角编码器的分辨力、分辨率计算；4、了解光栅的原理和细分计算；5．了解磁栅、容栅的原理和计算；【能力目标】培养学生理论分析及理论联系实际的能力，在实际测量中会分析光电元件的基本应用电路。

【职业目标】培养学生爱岗敬业的情感目标。

重点难点重点：二进制编码与角度的关系；角编码器的分辨率；辨向与细分技术难点：辨向与细分技术教具教学辅助活动教具：多媒体课件、角编码器实物、习题册教学辅助活动：提问、学生讨论一节教学过程安排复习1、光电传感器的分类2、简述光电传感器的应用3、简述遮断与反射式光电开关、光电断路器的检测应用5分钟讲课1．直接测量和间接测量的区别；2．绝对式和增量式角编码器的原理；3．掌握角编码器的分辨力、分辨率计算；4、光栅的原理和细分计算；5．磁栅、容栅的原理和计算73分钟小结小结见内页，之后利用10分钟时间与学生互动答疑10分钟作业习题册第十一章数字式位置传感器传感器习题2分钟任课教师：叶睿2011年2月7日审查教师签字：年月日教案附页【复习提问】上节课知识点：1、光电传感器的分类2、简述光电传感器的应用3、简述遮断与反射式光电开关、光电断路器的检测应用第十一章数字式位置传感器【章节导入】：在用普通机床进行零件加工时，操作人员要控制进给量以保证零件的加工尺寸，如长度、高度、直径、角度及孔距，数字式传感器能直接检测直线位移和角位移，并用数字形式显示出来。

【本章要点】：1、常用数字式位置传感器的结构、原理2、掌握角编码器的分辨力以及辨向、细分技术3、角编码器、光栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器等在直线位移和角位移中测量、控制的应用。

第一节位置测量的方式【本节内容设计】通过课件与教师讲授位置测量的方式，为学习数字式位置传感器做准备。

【授课内容】位置测量主要指直线测量和角位移的精密测量，数字式位置测量就是将被测的位置以数字的形式表现出来，具有以下特点：1、将被测的位置量直接转变为脉冲个数或编码，便于显示和处理。

2、测量精度取决于分辨力，和量程基本无关。

3、输出脉冲的抗干扰能力强。

数字式位置传感器可以单独组成数字显示装置专门用于位置测量和显示，也可以和数控系统组成位置控制系统。

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。

（一）直接测量若位置传感器所测量的对象就是被测量本身则该测量方式为直接测量。

优点是误差小用直线式传感器测直线位移。

例如直接用于直线位移测量的直线光栅和长磁栅等。

用旋转式传感器测角位移。

直接用于角度测量的角编码器、圆光栅、圆磁栅等。

（二）间接测量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、丝杠—螺母装置在间接测量中，多使用旋转式位置传感器。

测量到的回转运动参数仅仅是中间值，但可由这中间值再推算出与之关联的移动部件的直线位移。

例如：丝杠螺距t=6mm，旋转式位置传感器测得丝杠旋转角度为72900，则螺母的直线位移为（6mm×3600）/72900=121.50mm2、齿轮-齿条装置齿轮-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。

3、两种装置的比较滚珠丝杠螺母副能够将减小传动磨檫力，延长使用寿命，减小间隙误差。

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。

例如：增量式测量系统的分辨力为0.01mm，移动部件每移动0.01mm，位置传感器发出一个脉冲，计数器加1或减1.计数器为200时，工作台移动了0.1×200=2.00mm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。

第二节数字式角编码器【本节内容设计】通过实物展示课件与教师讲授数字式角编码器的工作过程分析、结构分类以及应用，为工程位置测量与检测做知识与技能的储备【授课内容】从角编码器（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。

它能将被测轴的角位移转换成二进制编码或一串脉冲。

角编码器分类：绝对式编码器和增量式角编码器。

一、绝对式编码器绝对式编码器按照角度直接进行编码，可直接把被测转角用数字代码表示出来。

根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等形式。

1、绝对式接触编码器：a）电刷在码盘上的位置b）4位8421二进制码盘c）4位格雷码码盘1－码盘2－转轴3－导电体4－绝缘体5－电刷6－激励公用轨道（接电源正极）分辨的角度α（即分辨力）为α=360°/2n分辨率=1/2n码道越多，位数n越大，所能分辨的角度α就越小若要提高分辨力，就必须增加码道数，即二进制位数。

例：某12码道的绝对式角编码器，其每圈的位置数为212=4096，能分辨的角度为α=360°/212=5.27'；若为13码道，则能分辨的角度为α=360°/213=2.64'。

2、绝对式光电编码器的分辨力及分辨率特点：没有接触磨损，允许转速高。

码盘材料：不锈钢薄板、玻璃码盘。

分辨力：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及分辨率为：α=360°/2n分辨率=1/2n二、增量式光电编码器1、增量式光电编码器的结构：光电码盘与转轴连在一起。

码盘可用玻璃材料制成，表面镀上一层不透光的金属铬，然后在边缘制成向心的透光狭缝。

透光狭缝在码盘圆周上等分，数量从几百条到几千条不等。

这样，整个码盘圆周上就被等分成n个透光的槽。

增量式光电码盘也可用不锈钢薄板制成，然后在圆周边缘切割出均匀分布的透光槽。

2、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：举例：盘边缘的透光槽数为1024个，则能分辨的最小角度α=360°/1024=0.352°增量式光电码盘结构示意图a ）外形b ）内部结构1—转轴 2－发光二极管 3－光栏板 4－零标志位光槽5－光敏元件 6－码盘 7－电源及信号线连接座3、光电编码器的输出波形为了判断码盘旋转的方向，在上图的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。

光电编码器的输出波形如图所示。

有关A 、B 信号如何用于辨向、细分的原理将在本章第三节中论述。

为了得到码盘转动的绝对位置，还须设置一个基准点，如前图中的“零位标志槽”。

码盘每转一圈，零位标志槽对应的光敏元件产生一个脉冲，称为“一转脉冲”，见图中的C0脉冲。

()360 11-3n α= (1 11-4n =分辨率4、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︒。

在图的码盘里圈，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。

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，可用于数字测速、工位编码、伺服电机控制等。

1、数字测速：由于增量式角编码器的输出信号是脉冲形式，因此，可以通过测量脉冲频率或周期的方法来测量转速。

角编码器可代替测速发电机的模拟测速，而成为数字测速装置。

数字测速头可分为M法测速和T法测速。

a）M法测速b）T法测速M法测速举例：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/minT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f c为1MHz ，则转速（r/min)为：n = 60f c /（Nm2 ）= 60×1000000/（1024×3000）=19.53 r/min2、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。

例如：通过F/V转换电路提供速度反馈信号进行转速测量；转子磁极位置测量；传动系统的角位移测量3、工位编码由于绝对式编码器每一转角位置均有一个固定的编码输出，若编码器与转盘同轴相连，则转盘上每一工位安装的被加工工件均可以有一个编码相对应，转盘工位编码如前图所示。

当转盘上某一工位转到加工点时，该工位对应的编码由编码器输出给控制系统。

例：要使处于工位4上的工件转到加工点等待钻孔加工，计算机就控制电动机通过带轮带动转盘逆时针旋转。

与此同时，绝对式编码器（假设为4码道）输出的编码不断变化。

设工位1的绝对二进制码为0000，当输出从工位3的0100，变为0110时，表示转盘已将工位4转到加工点，电动机停转。

第三节光栅传感器【本节内容设计】通过实物展示课件与教师讲授光栅传感器的分类、变向与细分技术以及光栅传感器的应用，为实际工程测量与检测做知识与技能的储备【授课内容】光栅可分为物理光栅和计量光栅物理光栅利用光的衍射，分析光谱和光波定长测试，在检测中使用计量光栅。

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；栅副由标尺光栅和指示光栅构成；敏元件可以使光敏二极管也可以是光电池。

透射式光栅：用光学玻璃做基体并镀铬，在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区和不透光区，如图a所示；反射式式光栅：使用不锈钢作基体，在其上用化学方法制出黑白相间的条纹，形成反光区和不反光区，如图b所示。

a）透射式光栅b）反射式光栅1－光源2－透镜3－指示光栅4－标尺光栅5－光敏元件计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。

长光栅用于直线位移测量标尺光栅固定不动，而指示光栅安装在运动部件上，所以两者之间形成相对运动圆光栅用于角位移测量，指示光栅通常固定不动，而标尺光栅随轴转动。