光电编码器BL演示幻灯片

光电编码器BL,磁栅传感器,光电编码器培训教程,按测量方式的分类：旋转编码器直尺编码器按编码方式的分类：绝对式编码器增量式编码器混合式编码器,编码器分类,编码器,模拟量编码器,数字编码器,旋转变压器,Sin/Cos编码器,增量编码器,绝对值编码器,格雷码,二进制码,光电编码器培训教程,编码器分类,数字编码器,增量式编码器,绝对值编码器,混合式编码器,旋转编码器：通过测量被测物体的旋转角度并将测量到的旋转角度转化为脉冲电信号输出直尺编码器：通过测量被测物体的直线行程长度并将测量到的行程长度转化为脉冲电信号输出,绝对式旋转编码器用光信号扫描分度盘（分度盘与传动轴相联）上的格雷码刻度盘以确定被测物的绝对位置值，然后将检测到的格雷码数据转换为电信号以脉冲的形式输出测量的位移量,格雷码的绝对编码器的分度盘,代码盘用格雷码编码,绝对式旋转编码器的特点：在一个检测周期内对不同的角度有不同的格雷码编码，因此编码器输出的位置数据是唯一的因使用机械连接的方式，在掉电时编码器的位置不会改变，上电后立即可以取得当前位置数据检测到的数据为格雷码，因此不存在模拟量信号的检测误差,绝对式编码器综述,特点:数字编码,根据旋转角度输出脉冲信号根据输出的脉冲信号可以转化为速度.选型:-单编码盘/多编码盘(测量一个或二个旋转变量)-代码(格雷码,BCD码,二进制码)-信号传输方式(并口,串口)-分辨率-最大旋转速度优点:-结构简单-角行程编码(通过旋转轴获得)-线性编码(激光远距离测量)-掉电不影响编码数据的获得-最大24位编码缺点:-比较贵,增量式旋转编码器用光信号扫描分度盘（分度盘与转动轴相联），通过检测、统计信号的通断数量来计算旋转角度,用TTL与HTL信号的增量编码器,TTL信号有零点与取消信号HTL信号只有零点没有取消信号,用正弦或余弦信号分辨的增量编码器,用正弦或余弦信号表示零点与角度,增量式旋转编码器的特点：编码器每转动一个预先设定的角度将输出一个脉冲信号，通过统计脉冲信号的数量来计算旋转的角度，因此编码器输出的位置数据是相对的由于采用固定脉冲信号，因此旋转角度的起始位可以任意设定由于采用相对编码，因此掉电后旋转角度数据会丢失需要重新复位,增量式编码器综述,特点:数字编码,根据旋转角度输出脉冲信号根据旋转脉冲数量可以转换为速度选型:-旋转一周对应的脉冲数(256,512,1024,2048)-输出信号类型(TTL,HTL,push-pullmode)-电压类型(5V,24V)-最大分辨速度优点:-分辨能力强-测量范围大(100-10.000inc./rotationalmotion)-适应大多数情况缺点:-断电后丢失位置信号-技术专有，兼容性较差,混合式旋转编码器用光信号扫描分度盘（分度盘与转动轴相联），通过检测、统计光信号的通断数量来计算旋转角度同时输出绝对旋转角度编码与相对旋转角度编码,混合式旋转编码器的特点：具备绝对编码器的旋转角度编码的唯一性与增量编码器的应用灵活性,编码器安装方式,编码器在扩展轴上,编码器在实体轴上,绝对编码器,分解器,临近传感器,通用编码器安装在扩展轴上,数字式传感器具有以下优点：*精确度和分辨力高；*抗干扰能力强，便于远距离传输；*信号易于处理和存储；*可以减少读数误差。,第六章数字式传感器,一、光电编码器的工作原理光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测，并输出若干脉冲信号，其原理示意图如下：,通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外为判断旋转方向，码盘可以提供相位相差900的两路脉冲信号。,编码器包括码盘和码尺。码盘用于测量角度。码尺用于测量长度，测量长度的实际应用比较少。所以在这里只讨论码盘。,有多少条码道，就有多长的二进制数，工业上常用的是21码道。从里向外读数亮：定义为高电平1暗：定义为低电平0零位（全黑）：000000,110000,缺点：码道多，要求制造精度高，否则，会产生很大的误差。,二、码制和码盘,二进制码盘的粗误差上图是一个四位二进制码盘展开图。当读数狭缝处于AA位置时，正确读数为0111，为十进制数7。若码道C4黑区做得太短，就误读为1111，为十进制数15。反之，若黑区C4太长，当狭缝处于AA时，就会将1000读为0000。这两种情况下都将产生粗误差。,双读数头法,循环码盘,数字式角编码器,信号航空插头,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。,其他角编码器外形,光电编码器包括增量编码器和绝对码编码器两大类。三、增量编码器增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和C相；A、B两组脉冲相位差900，从而可方便地判断出旋转方向，而C相为每转一个脉冲，用于基准点定位。,增量式编码器,转轴,盘码及狭缝,光敏元件,光栏板及辨向用的A、B狭缝,LED,A,B,C,零位标志,A,B,C,增量式编码器,增量式码盘,10码道光电绝对式码盘,它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。,零位标志,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：,四、绝对式编码器,绝对式码盘与增量式码盘有何区别,10码道光电绝对式码盘,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。,零位标志,位置唯一,脉冲数,绝对,增量,绝对式接触式编码器演示,4位二进制码盘,+5V输入公共码道,最小分辨角度为=360/2n,4个电刷,光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理，转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。,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,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,光栅传感器,一、光栅传感器的结构原理,光栅传感器由照明系统、光栅副、光电接受元件三大部分组成。光栅副是光栅传感器的主要部分。在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅，它主要由主光栅（也称标尺光栅）和指示光栅组成。计量光栅可为透射式光栅和反射式光栅两大类。当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化，利用光电接受元件，将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并与数字显示，从而测量出标尺光栅的移动距离。,a,b,W,刻线密度：（10，25，50，100线）/mm1000线/mm,a：刻线宽度b:刻线见的缝隙宽度W：栅距，光栅常数,透射光栅是在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条。图610中a为刻线宽度，b为刻线间的缝隙宽度，a+b=w称为光栅的栅距（或光栅常数）指示光栅一般比主光栅短得多，通常刻有与主光栅同样密度的线纹。光源一般用钨丝灯泡。光电元件包括光电池和光敏三极管等部分。,尺身,尺身安装孔,反射式扫描头（与移动部件固定）,扫描头安装孔,可移动电缆,光栅的外形及结构,防尘保护罩的内部为长磁栅,扫描头（与移动部件固定）,光栅尺,可移动电缆,光栅的外形及结构（续）,透射式直光栅,反射式光栅,透射式圆光栅,固定,莫尔条纹演示,二、莫尔条纹形成的原理及特点,两光栅平行-竖条纹标尺光栅移动一个W，光电管接受光线亮暗一次缺点：无法辨向两光栅成微小角度-横条纹（莫尔条纹）形成黑白相间的条纹光栅左右移动，条纹上下移动-可辨向每移动一个栅距W，条纹移动一个间距BH,莫尔条纹的重要特性运动对应关系莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角固定后，两光栅相对左右移动一个栅距W时，莫尔条纹上下或下上移动一个节距B，因此，可以通过检测莫尔条纹的移动条数和方向来判断两光栅相对位移的大小和方向。位移放大关系误差平均效应莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻线误差有平均作用。光强近似于正弦变化,莫尔条纹的位移放大作用,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。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。,光栅的刻线宽度W,莫尔条纹的宽度BH,BHW/，（为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）,BH,莫尔条纹光学放大作用举例,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（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）莫尔条纹的宽度是栅距的32倍：BHW/=0.02mm/（1.8*3.14/180）=0.02mm/0.0314=0.637mm由于较大，因此可以“观察”莫尔条纹光强的变化。,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。,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,光栅,工作台运动方向,2.间接测量,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。,工作台,丝杠,编码器,进给电机,x,传动机构,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。,齿距,齿条,齿轮,x,滚珠丝杠螺母副,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。,螺母,丝杠,x,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？,螺母,丝杠,螺距,x=？,N=10圈,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。,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。,增量式测量得到的脉冲波形,数字式角编码器,信号航空插头,其他角编码器外形,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。,其他角编码器外形,一、绝对式编码器,绝对式码盘与增量式码盘有何区别？,10码道光电绝对式码盘,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,零位标志,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=360/2n,2绝对式光电编码器,a）光电码盘的平面结构（8码道）b）光电码盘与光源、光敏元件对应关系（4码道）,高位,低位,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：=360/2n分辨率=1/2n,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：,二、增量式编码器,转轴,盘码及狭缝,光敏元件,光栏板及辨向用的A、B狭缝,LED,A,B,C,零位标志,A,B,C,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。,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）,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。,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。,M法测速（适合于高转速场合）,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）,例题,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=6065536/（10245）r/min=768r/min,T法测速（适合于低转速场合）,时钟脉冲fc,编码器输出脉冲,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=60fc/（Nm2）,T法测速举例,时钟脉冲fc,编码器输出脉冲,m2,n=60fc/（Nm2）=60*1000000/（1024*3000）=19.53r/min,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：,安装套,编码器的安装方式,1.编码器的套式安装,安装轴,2.编码器的轴式安装,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,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？,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,旋转刀库,被加工工件,刀具,角编码器的输出为当前刀具号,角编码器与旋转刀库连接,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。,转速测量转子磁极位置测量角位移测量,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。,尺身,尺身安装孔,反射式扫描头（与移动部件固定）,扫描头安装孔,可移动电缆,光栅的外形及结构,防尘保护罩的内部为长磁栅,扫描头（与移动部件固定）,光栅尺,可移动电缆,光栅的外形及结构（续）,反射式光栅,透射式光栅,透射式圆光栅,固定,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。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。,光栅的刻线宽度W,莫尔条纹的宽度L,LW/，（为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）,莫尔条纹演示,莫尔条纹光学放大作用,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（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）莫尔条纹的宽度是栅距的32倍：LW/=0.02mm/（1.8*3.14/180）=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。,光栅的输出信号（TTL）,余弦信号（超前）,正弦信号,零位信号,光栅输出信号（电压正弦波）,细分点,余弦信号,正弦信号,零位信号,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。,细分前,细分后,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。,辨向电路及波形,如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，无法分辨位移的方向。,例：某1024p/r圆光栅，正转10圈，反转4圈，若不采取辨向措施，则计数器将错误地得到14336个脉冲，而正确值为：(104)10246144个脉冲。,正向运动产生加法脉冲,正向运动时，与门IC2无“减”计数脉冲输出。,光栅专用数据转接器（光栅计数卡）,内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。,2自由度光栅数显表,X位移显示,Z（Y）位移显示,3自由度光栅数显表,光栅数显表（续）,三座标数显表,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,光栅数显表（续）,设定按键,安装有直线光栅的数控机床加工实况,防护罩内为直线光栅,光栅扫描头,被加工工件,切削刀具,角编码器安装在夹具的端部,磁栅传感器,磁栅