第十一章 数字式位置传感器 《自动检测技术及应用(第2版)》课件

绝对式码盘与增量
式码盘有何区别？
Hale Waihona Puke 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
n6 0m 16 0 1 0 0 r/m in2 9 .3 r/m in tsN 0 .2 1 0 2 4
2）由于±1误差，在ts时间段里，计数得到的脉 冲数m１=100±1个脉冲，则
n 60 100 1 r/min 29.3 0.29r/min 0.21024
3）如果将ts延长到1s，m１＇必然增加到500，则
N
tsN
±1误差简述
M法测速的本质是测频。误差主要由两个因素决
定：
一是闸门时间ts的误差，可以使用晶振来提高闸 门时间的准确性；
二是量化误差，又称为±1误差，见下图，原理见
后述。
ts
2）产生±1误差的原因：测频时，计数脉冲通过闸
门进入计数器。由于闸门开启时刻（秒信号的上升沿）
和被测计数脉冲上升沿到来的时刻之间的关系是随机
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。
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
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
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
1—绝对式编码器 2—电动机 3—转轴 4—转盘 5—工件 6—刀具
数控加工中心
编码器在数控加 工中心的刀库选刀 控制中的应用
T法测速举例
例：有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r ，插
入时钟频率fc为1MHz。测得输出两个相邻脉冲之间 的脉冲数为3000，求转速n（r/min)
编码器输出脉冲
m2 时钟脉冲fc
···
解：n = 60fc /(Nm2 ) = 60×106÷(1024×3000) =19.53 r/min
A相位超前B :90° （1/4周期）
元件A、B,有时
又称为cos 、
sin元件。
例:W=1mm,cos与sin元件的距离可以是6.25或8.25mm等
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也称为cos信号； B也称为sin信号。
A滞后于B，判断为反向旋转
辨向信号和零标志 光电编码器的光栏板上有A
M法测速的计算
在一定的时间间隔ts内（ ts =t 闸门= t门控，如10s、1s、
0.1s等），用编码器所产生的脉冲数来确定速度的方
法称为Ｍ法测速。
若编码器每转产生N个脉冲，在ts的闸门时间间隔内 得到m1个脉，则编码器所产生的脉冲频率为
f m1 ts
则转速n（单位为r/min）为
n60f 60m1
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
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
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。
M法测速和T法测速
a）M法测速 b）T法测速
M法测速（适合于高转速场合） m1
ts
编码器每转产生 N 个脉冲，在ts时间段
内有 m1 个脉冲产生，则转速（r/min)为 ： n = 60m1/(NT)±1
M法门控测速电路
先利用施密特触发器将角编码器的输出脉冲三角波 转换为矩形波。当与门的C端为高电平时，b端的信号 可以通过与门，到达d端，然后单片机进行计数，得到 m1个计数结果。
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。
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
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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
解：n = 60×65536 ÷1024 ÷ 5= 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，填充到角编码器输出的两个相邻
脉冲之间的脉冲数为m2个，则转速(r/min)为 n = 60fc / (Nm2 )
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
n 6 05 0 0 1r/m in 2 9 .3 0 .0 6 r/m in 1 1 0 2 4
结论：采样时间为1s时计算得到的转速，与在 0.2s时间内测得的转速相同，但±1个脉冲引起 的误差显然缩小。
M法测速计算
m1
T
例：有一增量式光电编码器，其参数为 1024p/r， 在5s时间内测得65536个单向脉冲， 求：转速n（r/min)
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）
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
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：
进入 进入
进入 进入
进入
间接测量 示意图
随动刀具
5
6
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
2020/10/31
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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 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
辨向原理 A、B狭缝 LED
cos sin
C：零位检测
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。
光电编码器的两个“辨向元件”
(m +1/4)W 光栏板上的
两个狭缝距离 W
是码盘上的两
个狭缝距离W
的(m +1/4)倍,m 为正整数,并设 置了两组光敏
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