第十一章 数字式传感器精品PPT课件
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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）
30.11.2020
22
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
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 中测量、控制的应用。
30.11.2020
1
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。
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。
30.11.2020
2
1.直接测量
直接测 量的误差较 小。
图为利 用光栅传感 器测量数控 机床工作台 位移量的现 场照片。
30.11.2020
工作台 工作台运动方向
光栅
3
2.间接测量
= 768 r/min
30.11.2020
23
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 ）
30.11.2020
工作台 丝杠 进给电机 x
θ
30.11.2020
编码器
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 间接测量须使用丝 杠-螺母、齿轮-齿 条等传动机构。
4
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。
透光区
不透光区
10码道光电绝对式码盘
绝对式码盘与增量
式码盘有何区别？
零位标志
30.11.2020
13
绝对式接触式编码器演示
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
30.11.2020
14
2．绝对式光电编码器
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）
24
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
30.11.2020
齿轮
齿条 x
θ
5
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 使用寿命，减小 x 间隙误差。
丝杠
θ
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6
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？
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。
30.11.2020
Βιβλιοθήκη Baidu20
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。
30.11.2020
21
M法测速（适合于高转速场合）
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。
30.11.2020
8
第十一章：第二节 数字 式角编码器
（参考德国沃申道夫公司资料）
信号航空插头
30.11.2020
9
其他角编码器外形
30.11.2020
30.11.2020
19
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）
10
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。
30.11.2020
11
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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12
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。
360
n
分 辨 率 1 n
11-3
11-4
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17
二、增量式编码器
转轴 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝
AB
A
C
B
C
光敏元件
盘码及 狭缝
零位标志
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18
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。
螺距 螺母
N=10圈
丝杠
x=？
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7
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：
30.11.2020
15
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 及分辨率为：
α=360°/2n 分辨率=1/2n
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16
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：
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）
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22
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
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 中测量、控制的应用。
30.11.2020
1
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。
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。
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2
1.直接测量
直接测 量的误差较 小。
图为利 用光栅传感 器测量数控 机床工作台 位移量的现 场照片。
30.11.2020
工作台 工作台运动方向
光栅
3
2.间接测量
= 768 r/min
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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 ）
30.11.2020
工作台 丝杠 进给电机 x
θ
30.11.2020
编码器
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 间接测量须使用丝 杠-螺母、齿轮-齿 条等传动机构。
4
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。
透光区
不透光区
10码道光电绝对式码盘
绝对式码盘与增量
式码盘有何区别？
零位标志
30.11.2020
13
绝对式接触式编码器演示
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
30.11.2020
14
2．绝对式光电编码器
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）
24
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
30.11.2020
齿轮
齿条 x
θ
5
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 使用寿命，减小 x 间隙误差。
丝杠
θ
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6
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？
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。
30.11.2020
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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。
30.11.2020
21
M法测速（适合于高转速场合）
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。
30.11.2020
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第十一章：第二节 数字 式角编码器
（参考德国沃申道夫公司资料）
信号航空插头
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9
其他角编码器外形
30.11.2020
30.11.2020
19
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）
10
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。
30.11.2020
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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）
30.11.2020
12
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。
360
n
分 辨 率 1 n
11-3
11-4
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17
二、增量式编码器
转轴 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝
AB
A
C
B
C
光敏元件
盘码及 狭缝
零位标志
30.11.2020
18
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。
螺距 螺母
N=10圈
丝杠
x=？
30.11.2020
7
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：
30.11.2020
15
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 及分辨率为：
α=360°/2n 分辨率=1/2n
30.11.2020
16
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：