第十一章数字式位置传感器
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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
2014-3-10
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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。
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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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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：
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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
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
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第二节 数字式角编码器
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。
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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。
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3、工位编码
1—绝对式编码器 2—电动机 3—转轴 5—工件 6—刀具
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4—转盘
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编码器在定位加工中的应用
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 = 768 r/min
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（2）T法测速（适合于低转速场合）
编码器 输出脉冲 时钟脉冲fc 测速原理：
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第一节
位置测量的方式
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、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 光栅副由标尺光栅和指示光栅构成 光敏元件可以使光敏二极管也可以是光电池
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光栅的类型和结构
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。
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典型的光电增量式传感器有增量式光电编码器、 光栅等。
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。 在这种装置中，编码器所对应的每一个角度都有一 组二进制数据。分辨的角度值越小，或直线位移量 程越大，所要求的二进制位数越多，结构就越复杂。
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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。 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。
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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，用于辨向。 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。
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
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2－转轴
3－导电体 4－绝缘体 5－电刷 轨道（接电源正极）
6－激励公用
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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
在此例α = 360°/24 =12.50
二、增量式和绝对式测量
在增量式测量中，移动 增量式测量得到的脉冲波形 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
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。
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第十一章
章节导入：
数字式位置传感器
操作人员在用普通机床进行零件加工时，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，并能数字形式显示；还使传统的游 标卡尺、千分尺、高度尺等数显化，测量方便准确。
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。
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直接测量举例：
图为 利用光栅 传感器测 量数控机 床工作台 位移量。 优点 是直接测 量的误差 较小。
工作台运动方向
光栅
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间接测量举例 1、丝杠—螺母装置
工作台 丝杠 进给电机 编码器
x
θ
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=121.50mm
m2
T
· · ·
用编码器所产生的相邻两个脉冲之间的时间来 确定被测速度的方法。
举例：
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 ，则转速为 n = 60fc / （Nm2 ） (r/min)
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例题 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 m2
时钟脉冲fc
· · ·
n = 60fc /（Nm2 ） = 60×1000000/（1024×3000） =19.53 r/min
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2、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
举例： 码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°。
360 n
1 分辨率 11-3 n
11-4
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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 光电编码器的输出波形 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。
5
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2、齿轮-齿条装置
齿距
齿轮
wenku.baidu.com
齿条
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。
x θ
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3、两种装置的比较
螺母 滚珠丝杠螺 母副能够减小传 动磨檫力，延长 使用寿命，减小
丝杠
θ x
间隙误差。
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5－光敏元件 37
透射式光栅
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透射式圆光栅
固定
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39
反射式光栅
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二、光栅的有关概念
栅距W： 称为光栅常数。 栅线密度：10线/mm、25线/mm、50线/mm、100线/mm和 200线/mm等几种。 角节距：对于圆光栅来说，两条相邻刻线的中心线之夹 角称为角节距，每周的栅线数从较低精度的100
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（1）M法测速（适合于高转速场合） m1
T
测速原理： 根据在一定的时间间隔Tc内，编码器产生的脉 冲数来确定速度。 举例： 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/ 21 2014-3-10 （NT）
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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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用不同的刀具加工复杂的工件
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四、编码器的安装方式
1.编码器的套式安装
安装套
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2.编码器的轴式安装
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透射式、反射式光栅
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。
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1－光源
a）透射式光栅 b）反射式光栅 2－透镜 3－指示光栅 4－标尺光栅
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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。 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。数字测速分 为M法测速和T法测速。
安装轴
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3、其他角编码器外形
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其他角编码器外形
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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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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第三节
光栅传感器
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。
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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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。
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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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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：
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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
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
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第二节 数字式角编码器
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。
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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。
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3、工位编码
1—绝对式编码器 2—电动机 3—转轴 5—工件 6—刀具
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4—转盘
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编码器在定位加工中的应用
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 = 768 r/min
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（2）T法测速（适合于低转速场合）
编码器 输出脉冲 时钟脉冲fc 测速原理：
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第一节
位置测量的方式
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、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 光栅副由标尺光栅和指示光栅构成 光敏元件可以使光敏二极管也可以是光电池
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光栅的类型和结构
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。
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典型的光电增量式传感器有增量式光电编码器、 光栅等。
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。 在这种装置中，编码器所对应的每一个角度都有一 组二进制数据。分辨的角度值越小，或直线位移量 程越大，所要求的二进制位数越多，结构就越复杂。
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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。 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。
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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，用于辨向。 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。
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
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2－转轴
3－导电体 4－绝缘体 5－电刷 轨道（接电源正极）
6－激励公用
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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
在此例α = 360°/24 =12.50
二、增量式和绝对式测量
在增量式测量中，移动 增量式测量得到的脉冲波形 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
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。
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第十一章
章节导入：
数字式位置传感器
操作人员在用普通机床进行零件加工时，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，并能数字形式显示；还使传统的游 标卡尺、千分尺、高度尺等数显化，测量方便准确。
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。
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直接测量举例：
图为 利用光栅 传感器测 量数控机 床工作台 位移量。 优点 是直接测 量的误差 较小。
工作台运动方向
光栅
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间接测量举例 1、丝杠—螺母装置
工作台 丝杠 进给电机 编码器
x
θ
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=121.50mm
m2
T
· · ·
用编码器所产生的相邻两个脉冲之间的时间来 确定被测速度的方法。
举例：
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 ，则转速为 n = 60fc / （Nm2 ） (r/min)
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例题 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 m2
时钟脉冲fc
· · ·
n = 60fc /（Nm2 ） = 60×1000000/（1024×3000） =19.53 r/min
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2、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
举例： 码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°。
360 n
1 分辨率 11-3 n
11-4
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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 光电编码器的输出波形 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。
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2、齿轮-齿条装置
齿距
齿轮
wenku.baidu.com
齿条
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。
x θ
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3、两种装置的比较
螺母 滚珠丝杠螺 母副能够减小传 动磨檫力，延长 使用寿命，减小
丝杠
θ x
间隙误差。
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5－光敏元件 37
透射式光栅
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透射式圆光栅
固定
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反射式光栅
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二、光栅的有关概念
栅距W： 称为光栅常数。 栅线密度：10线/mm、25线/mm、50线/mm、100线/mm和 200线/mm等几种。 角节距：对于圆光栅来说，两条相邻刻线的中心线之夹 角称为角节距，每周的栅线数从较低精度的100
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（1）M法测速（适合于高转速场合） m1
T
测速原理： 根据在一定的时间间隔Tc内，编码器产生的脉 冲数来确定速度。 举例： 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/ 21 2014-3-10 （NT）
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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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用不同的刀具加工复杂的工件
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四、编码器的安装方式
1.编码器的套式安装
安装套
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2.编码器的轴式安装
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透射式、反射式光栅
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。
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1－光源
a）透射式光栅 b）反射式光栅 2－透镜 3－指示光栅 4－标尺光栅
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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。 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。数字测速分 为M法测速和T法测速。
安装轴
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3、其他角编码器外形
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其他角编码器外形
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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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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第三节
光栅传感器
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。