4.2.5数字式位置传感器

光栅的栅距W
在沿光栅线的y方向 上相距（m + 1/4 L（相当于电相角 1/4周期）的距离， （图中sin和cos位 置）分别安装1只或 2只光敏元件。
莫尔条纹的间距L
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光栅位移与光强及输出电压的关系
光栅位移与光强及输出电压的关系
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莫尔条纹演示
1.莫尔条纹对光栅的刻划误差有平均作用
与其他大位移传感器，如光栅、磁栅等
相比，虽然精度稍差，但体积小、造价
低、耗电省，广泛应用于电子数显卡尺、
千分尺、高度仪、坐标仪等几百毫米以
下行程的测量中。
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结构及工作原理
容栅传感器可分为三类：直线型容栅、 圆容栅和圆筒形容栅。其中，直线型和圆 筒形容栅传感器用于直线位移的测量，圆 容栅传感器用于角位移的测量。
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。
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角编码器
角编码器又称码盘，是一种旋转式位置 传感器，转轴通常与被测旋转轴联接， 随被测轴一起转动。 角编码器有两种基本类型： 绝对式角编码器 增量式角编码器
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光栅数显表（续）
设定按键
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安装有直线光栅的数控机床加工实况
角编码器 安装在夹 具的端部
切削刀具
被加工工件 光栅扫描头
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防护罩内为直线光栅
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磁栅传感器
磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易
于安装，测量范围宽可超过十几米，抗干
扰能力强。磁栅可分为长磁栅和圆磁栅。
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各种容栅测量装置
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各种容栅数显表
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各种容栅数显卡尺
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各种容栅数显卡尺（续）
该卡尺的分辨力为多少微米？
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各种容栅卡尺（续）
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各种容栅数显卡尺（续）
外卡尺
汽车专用卡尺
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数显内螺孔深度尺
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容栅数显百分表
红宝石 测头
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位置测量的方式
一、直接测量和间接测量
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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。
工作台
工作台运动方向
光栅
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2.间接测量
工作台 丝杠 x θ 进给电机
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。
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透射式长光栅
在光学玻璃 上刻制平行 且等间隔的 密集条纹， 形成连续的 透光区和不 透光区。
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透射式圆光栅
固定
标尺光栅
在圆光栅 中，指示 光栅通常 固定不动， 而标尺光 栅随轴转 动。
指示光栅
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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。
刀具 旋转刀库 角编码器的输出为 当前刀具号 被加工工件
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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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2自由度光栅数显表 X位移显示
Z（Y）位移显示
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3自由度光栅数显表
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光栅数显表（续）
三座标数显表
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SDS8-3E 光栅数显箱功能:
公制/英制转换 绝对/相对转换 线性误差补偿 正反方向计算 归零 插值补偿 到达目标值停机 PCD圆周分孔 200组零位记忆 电蚀深度目标值显示 实时工作位置显示 掉电记忆
细分前
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光栅细分举例
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细 分数为4细分，则：
分辨力 =W /4 =（1mm/50）/4
=0.005mm=5m 采用细分技术，在不增加光栅刻线数 （成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。
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为光栅设计的专用数据转接器 （光栅计数卡）
长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主
要用于角位移测量。磁栅传感器主要由磁
尺、磁头和信号处理电路组成。
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磁栅传感器
当两只磁头励磁 线圈加上幅值相同、 相位相差90度的励磁
电流时，两磁头输出
绕组的输出信号合成 得到： e=Emsin(ω t±θ x) =Emsin(ω t±2π x/
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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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。
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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
L≈W/θ ， （θ 为主光栅和 指示光栅刻线的 夹角，弧度）
光栅的栅距W
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莫尔条纹的间距L
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莫尔条纹的光学放大作用
L≈W/θ ，θ通常很小，这样L就较大。当标尺光 栅向右或向左移动一个栅距W时，莫尔条纹就向上 或向下移动一个间距L。光敏元件检测经过某点的 莫尔条纹数目，便可知被测物体的位移量。
分辨率 = 1/2n
201Hale Waihona Puke Baidu-7-29
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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
A A C
B
光敏元件
B C
盘码及 狭缝 零位标志
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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：
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零位标志
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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）
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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
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。
光栅副由标尺光栅（主光栅）和指示光栅组成。标尺 光栅和指示光栅之间保持很小的间隙（0.05mm或0.1mm）。
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光栅的外形及结构（续）
2.指示光栅左右移动时，莫尔条纹上下移动 3.莫尔条纹间距是放大了的光栅栅距 L≈W/θ ，（θ 为主 光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）
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4.经过某点的莫尔条纹数目与光栅移过的刻线数相等
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脉冲细分
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。
数字式位置传感器
本节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。
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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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W)
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51
磁栅的外形及结构
静态磁头
磁尺 固定孔
去信号处理电路
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磁栅测量系统
磁头
磁尺
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压板
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磁栅在磨床测长系统中的应用
磁尺
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磁头安装在何处？
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容栅传感器
容栅传感器是基于变面积工作原理
的电容传感器，它的电极排列如同栅状。
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C0脉冲，也称零位脉冲、参考脉冲，是旋转基准点的标志。
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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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其他角编码器外形
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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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19
360 n

11-3
11-4
15
1 分辨率 n
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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
对输出脉冲计数，便可得到位移量。 根据A、B两路信号相位差，可知旋转方向。
内部包含以下电路：放大、整形、 细分、辨向、报警、阻抗变换等。
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为光栅设计 的专用信号 处理单元 （光栅插补器）
功能同上页
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39
光栅在机床上的安装位置 （2个自由度）
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光栅在机床上的安装位置 （3个自由度）
数显表
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光栅在机床上 的安装位置 （3个自由度） （续）
设该增量式光电编码器 的参数为1024 p/r，大、小 皮带轮的传动比为5，若希望 当加工好元件1后紧接着加工 元件8，则电动机转动了多少 圈？应等待编码器给出多少 脉冲数时，电动机停转？
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数控加工中心
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编码器在数控 加工中心的刀库选 刀控制中的应用
角编码器与 旋转刀库连接
最小分辨角度 （分辨力）为 α= 360°/2n
分辨率= 1/2n
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2.绝对式光电编码器
绝对式光电编码器 与接触式编码器结构 类似，只是用透光区 和不透光区表示“0”、 “1”，同样在任意角 度都有对应的二进制 编码。
10码道光电绝对式码盘
透光区
不透光区
绝对式码盘与增量 式码盘有何区别？

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8
一、绝对式角编码器
绝对式角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.接触式角编码器
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1－码盘 2－绝缘体
3－导电体 4－电刷
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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
可移动电缆 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺
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反射式长光栅
在金属材料上 用化学方法制 出平行且等间 隔的密集黑白 条纹，形成连 续的反光区和 不反光区。
标尺光栅 指示光栅
在长光栅中标尺 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。
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各种容栅数显卡尺（续）
内卡尺
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63
容栅数显卡尺的结构
2013-7-29
64
容栅数显卡尺内的数据 和信号处理组合功能块
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65
数显千分尺
该千分尺的分辨力为多少微米？
2013-7-29 66
数显千分尺（续）
2013-7-29
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数显外径测量台
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2013-7-29
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)及这4s内螺母移动距 离？螺母的平均速度v又为多少？
螺距 N=10圈
螺母 丝杠
x=？
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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