位置传感器

(3) 误差的平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，
对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除
短周期误差的影响。
0
n
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反射式光栅
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脉冲盘式两种。
透镜
光电元件组 窄缝
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光源
码盘
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9.5.1 码盘式编码器
(1)绝对编码编码器
（接触式）
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由六个同心码道，并按照一定编码 规律分布透光与不透光区，对应亮
B6
区和暗区光敏元件输出信号分别为
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0、1。
0
B1
光源照射。转动码盘，光束经过码
盘进行角度编码，输出。
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编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、 十进制码、 循 环码等。
对于6位二进制码盘，最内圈码盘一半透光， 一半不透光， 最外圈一共分成26=64个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同 的编码。例如零位对应于000000（全黑）；第23个方位对应于 010111。这样在测量时， 只要根据码盘的起始和终止位置，就 可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个n位二进制码 盘的最小分辨率，即能分辨的角度为α=360°/2n， 一个6位二进 制码盘， 其最小分辨的角度α≈5.6°。
还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。
零位 外圈 内圈
光电 转换
绝对式码盘与增量式码盘有何区别？
零位脉冲 A相脉冲 B相脉冲
光
发光 栏
光敏
二极管 板 零位 元件 码盘
转轴
电源 及信 号线 连接
座
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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。
反转
P1
P2
Q "0" P
（b）波形图
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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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N1
门 编码器脉冲
数字输出 计数器
t
时钟
复位 控制逻辑
（a）脉冲频率法测转速
时钟脉冲
数字输出
N2 时钟脉冲
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莫尔条纹演示
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说明：
在直线光栅中，主光栅固定不动，而指示光栅安装 在部件上，行成相对运动。
在圆光栅中，指示光栅固定不动，主光栅随物体的 转轴运动
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（2） 莫尔条纹移动方向 如光栅1沿着刻线垂直方向 向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反 之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下 移动。 因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动 进行辨向。
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。
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辨向原理
光敏元件1 光敏元件2
P1 P2 Q "1" P
放大整形 P1
P2
放大整形
加减 控制线
D
可逆
计数
C
器
计数脉冲
Y
& P 延时
（a）辨向原理框图
正转
θ
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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。
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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。
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计量光栅结构
——光源、光栅副、光敏元件
光栅副：主光栅（尺身）和指示光栅（读数头）
通常是将指示光栅和主光栅叠合在一起，两者 之间保持很小的间距（0.05mm，0.1mm）,从而 产生莫尔条纹，起到光学放大的作用.
光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量） 转换成响应的电信号
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光栅传感器
一、光栅的基本知识 光栅可分为：物理光栅和计量光栅。
物理光栅是利用光的衍射现象，常用于 光谱分析和光波波长的测定。
计量光栅：数字式位置光栅
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9.6 计量光栅
利用光栅的莫尔条纹现象，以线位移和角位移为基本测试 内容，应用高精度加工机床测量设备。
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光栅传感器
编码器输出脉冲
m2 时钟脉冲fc
···
n = 60fc /（Nm2 ） = 60*1000000/（1024*3000）
=19.53 r/min
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20相20邻/3/9脉冲之间的脉冲数为m2 ，则转速(r/min)为 n = 60fc / （Nm2 ）
1 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。
L≈W/θ ，（θ
为主光栅和指示光栅 刻线的夹角，弧度）
光栅的刻线宽度W 莫尔条纹的宽度L
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采用二进制编码器时，任何微小的制作误差，都可能 造成读数的粗误差。 这主要是因为二进制码当某一较高的 数码改变时， 所有比它低的各位数码均需同时改变。
为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。循环码 是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发 生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且 只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最 低位的一个比特。

光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电
子系统。
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1. 光电转换
光电转换装置（光栅读数头）主要由主光栅、指示光栅、 光路系统和光电元件等组成。主光栅的有效长度即为测量范围。 指示光栅比主光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用 时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。 主光栅一般固 定在被测物体上，且随被测物体一起移动，其长度取决于测量 范围，指示光栅相对于光电元件固定。
门
计数器
编码器脉冲
脉冲间隔（半个 编码器脉冲）
控制电路
（b）脉冲周期法测转速
复位
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M法测速（适合于高转速场合）
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）
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例题
m1
T
百度文库
有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r， 在5s时间
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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。
透光区
不透光区
10码道光电绝对式码盘
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零位标志
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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
最小分辨角度为 α=360°/2n
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齿轮
齿条 x
θ
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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
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
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（2）
光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码 盘）、 窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。 码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道， 每位码道 上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗 区。当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的 光线经窄缝后， 由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道 一一对应， 对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前 者为“1”，后者为“0”。 当码盘旋至不同位置时，光敏元 件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代 表了码盘轴的角位移大小。
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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9.5 光电式编码器
编码器是将机械转动的位移（模拟量） 转换成数字式电信号的传感器。
编码器在角位移测量方面应用广泛，具
有高精度、高分辨率、高可靠性的特点。
光电式编码器从结构上可分为码盘式和
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 ）
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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 ：
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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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。
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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 进给电机 x
内测得65536个脉冲，则转速（r/min)为 ： n = 60m1/（TN）
n = 60 × 65536 /（1024 × 5） r/min
= 768 r/min
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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32
3
2
4
1
5
1—光 源 ； 2—透 镜 ； 3—标 尺 光 栅 ； 4—指 示
5—光 电 元 件
x
光栅读数头结构示意图
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光栅测量原理
a
b
W

W
d
f d
f d 光栅2
光栅1 d f d f BH d
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光栅莫尔条纹的形式
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莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点。
数字式位置传感器
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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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。
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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）
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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
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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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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对于n位循环码码盘，与二进制码一样，具有2n种不同 编码，最小分辨率α=360°/2n。
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二、脉冲盘式编码器---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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脉冲盘式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数
系统对脉冲进行加减(正向或反向旋转时)累计计数，一般
二、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。
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1. 光栅结构 在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、
等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就 是光栅。图中a为栅线的宽度（不透光），b为 栅线间宽（透光）， a+b=W称为光栅的栅距 （也称光栅常数）。通常a=b=W/2，也可刻成 a∶b=1.1∶0.9。目前常用的光栅每毫米刻成25、 50、 100、125、250条线条。