13第十一章 数字式位置传感器

第一节
位置测量的方式
位置测量：指(直线)线位移和(旋转)角位移的精密 测量。位置传感器有直线式和旋转式两大类。
一、直接测量和间接测量
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。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。
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，旋转编码器、光栅传感器、 磁栅传感器、感应同步器、容栅传感器等。 讨论他们在线位移和角位移中测量、控制 的应用。
数字式传感器的特点：数字式位置传感器与前面介绍的位置 传感器(电感式、电涡流式、电容式等)不同，它可以直接给出抗 干扰能力较强的数字脉冲信号或编码信号。既有很高的精度，又 可以测量很大的位移量，而且测量的准确度与量程基本无关。
1、直接测量
工作台
2、间接测量
丝杠
工作台
编码器
进给电机
x
θ
光栅
直接测量的误差较小
间接测量须使用丝杠-螺母、 齿轮-齿条等传动机构。
传动机构
齿距 齿轮 齿条 螺母 丝杠 θ
θ
x
x
齿轮-齿条副能够将旋转运 动转换成直线运动。应设法 消除传导过程的间隙误差。
滚珠丝杠螺母副能够将减 小传动磨檫力，延长使用 寿命，减小间隙误差。
也可刻成a∶b=1.1∶0.9。目前常用的光栅每毫米刻成10、
透射光栅示意图
光栅的外形及结构
尺身 尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长磁栅
反射式扫描头 (与移动部件固定)
扫描头安装孔
可移动电缆
2、光栅的类型
计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类； 计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。
反射式光栅
电磁式编码器的码盘上按照一定的编码图形，做成 磁化区(导磁率高)和非磁化区(导磁率低)，采用小型磁 环或微型马蹄形磁芯作磁头，磁环或磁头紧靠码盘，但 又不与码盘表面接触。每个磁头上绕两组绕组，原边绕 组用恒幅恒频的正弦信号激励，副边绕组用作输出信号， 副边绕组感应码盘上的磁化信号转化为电信号，其感应 电势与两绕组匝数比和整个磁路的磁导有关。当磁头对 准磁化区时，磁路饱和，输出电压很低，如磁头对准非 磁化区，它就类似于变压器，输出电压会很高，因此可 以区分状态“1”和“0”。
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。 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。
BH W sin

2

W

光栅的刻 线宽度W
莫尔条纹 的宽度L
θ 越小， BH 越大，这相当 于把栅距W放大了1/θ 倍。例 如 θ =0.1° ， 则 1/θ ≈573 ， 即莫尔条纹宽度 BH 是栅距W的 573倍，这相当于把栅距放大 了573倍。说明光栅具有位移 放大作用，从而提高了测量的 灵敏度。
(2) 莫尔条纹移动方向 如指示光栅沿着刻线垂直 方向向右移动时，莫尔条纹将沿着主光栅的栅线向下移 动；反之，当指示光栅向左移动时，莫尔条纹沿着主光 栅的栅线向上移动。因此根据莫尔条纹移动方向就可以 对指示光栅的运动进行辨向。 (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。
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹 角 =1.8，则： 分辨力 =栅距W =1mm/50=0.02mm=20m 莫尔条纹的宽度是： L≈W/θ=0.02mm/(1.8 *π/180 )=0.02mm/0.0314=0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察”莫尔条纹光 强的变化。
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 螺母
n=10圈
丝杠
x =？
二、增量式测量和绝对式测量测量
1、增量式测量的特点： 增量式测量得到的脉冲波形 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。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。 2、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。
第二节 数字式（旋转）角编码器
将机械转动的模拟量(角位移)转换成以数字代码形 式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器以其 高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测 量。 编码器的种类很多，主要分为脉冲盘式(增量编码 器)和码盘式编码器(绝对编码器)，其关系如下所示： 脉冲盘式编码器(增量编码器) 编码器 码盘式编码器(绝对编码器) 接触式编码器 光电式编码器 电磁式编码器
B、T法测速(适合于低转速场合)
编码器输出脉冲
时钟脉冲fc
m2
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 = 60 fc/(N m2 ) 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
案构成的；在 f--f 线上，两块光栅的栅线错开，形成条
纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。因此，莫
尔条纹的形成是由两块光栅的遮光、透光及光的衍射效
应形成的。
光栅莫尔条纹的形成
光栅莫尔条纹形成演示
莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点：
(1) 位移的放大作用 当光栅每移动一个光栅栅距W 时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度 BH ，如果光栅作 反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹的间距 BH 与 两光栅线纹夹角θ 之间的关系为：
四位二进制码与循环码对照表
格雷码（循环码）是一种无权码，这给译码造成一 定困难。通常先将它转换成二进制码然后再译码。 格雷码（循环码）和二进制码之间的转换关系为：
Rn Cn
Ri Ci Ci 1 Ci Ri Ci 1
式中：R --循环码； C --二进制码。 根据上式用与非门构成循环码-二进制码转换器，这 种转换器所用元件比较多。如采用存贮器芯片可直接把 循环码转换成二进制码或任意进制码。
三、光栅传感器的组成
光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数 头、光栅数显表两大部分。 光栅读数头利用光栅原理把输入量(位移量)转换成 相应的电信号。 光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系 统。
转速测量 转子磁极位置测量 角位移测量
第三节
一、光栅的结构和类型
1、光栅的结构
光栅传感器
光栅由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。 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(刻线)，这就是光栅。下图为透射光栅的 示意图。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(光栅常数)。通常a=b=W/2， 25、50、100、250条线条。
辨向信号和零标志
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：
三、磁编码器
磁编码器是近几年发展起来的新型传感器。它主要 由磁鼓与磁阻探头组成，它的构成如下图所示。多极磁 鼓常用的有两种：一种是塑磁磁鼓，在磁性材料中混入 适当的粘合剂，注塑成形；另一种是在铝鼓外面覆盖一 层粘结磁性材料而制成。 多极磁鼓产生的空间 磁场由磁鼓的大小和磁层 厚度决定，磁阻探头由磁 阻元件通过微细加工技术 而制成，磁阻元件电阻值 仅和电流方向成直角的磁 场有关，而与电流平行的 1—磁鼓 2—气隙 磁场无关。 3—磁敏传感器 4—磁敏元件
绝对式光电编码器的分辨力及分辨率
绝对式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
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。 如果由于刻划误差等原因，某一较高位提前或延后改变， 就会造成粗误差。 为了消除粗误差，可用格雷码（循环码）代替二进 制码。格雷码是一种无权码，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。下表给出了四位 二进制码与循环码的对照表，从表看出，所以只要适当 限制各码道的制造误差和安装误差，都不会产生粗误差。 下图是一个6位的二进制码盘和一个6位的格雷码 （循环码）码盘。
透光区 不透光区
10码道光电绝对式码盘
绝对பைடு நூலகம்码盘
增量式码盘
绝对式码盘与增量 式码盘有何区别？
零位标志
1、绝对式接触式编码器
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
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）
透射式光栅
固定
透射式直光栅
透射式圆光栅
二、光栅测量原理
把两块栅距相等的光栅(主光栅、指示光栅)面向对 叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之 间形成一个很小的夹角θ ，如图所示，这样就可以看到 在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹
叫莫尔条纹。
由图可见，在d--d线上，两块光栅的栅线重合，透 光面积最大，形成条纹的亮带，它是由一系列四棱形图
1MHz，则转速（r/min)为 ：
n = 60 fc /(N m2 )=60*1000000/(1024*3000) =19.53 r/min
编码器在定位加工中的应用
设该增量式光电编码器的参 数为1024p/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 动了多少分之几圈？应等待编码 器给出多少脉冲数时，电动机停 转？
(旋转)角编码器外形
信 号 航 空 插 头
绝对角编码器外形
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。
编码器的安装方式 安装轴
安装套
编码器的套式安装
编码器的轴式安装
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。
四、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、速度测量 A、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 = 60 m1/(N T) 例题：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 = 768r/min
1—绝对式编码器 3—转轴 5—工件
2—电动机 4—转盘 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
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
用不同的刀具加工复杂的工件
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。
二、增量式编码器
转轴
LED
光栏板及辨向用的A、B狭缝
A
A B C
B C
光敏元件
盘码及狭缝
零位标志
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。 光电编码器的光栏板上有A组