机械工程测试技术第12章

1、东北大学机械工程与自动化学院（东北大学机械工程与自动化学院（2011）第2页学习导航学习导航第3页学习目标学习目标1. 掌握常用位移传感器的性能、特点以及适用范围，掌握常用位移传感器的性能、特点以及适用范围， 光栅、光电盘和编码盘、激光测量原理；光栅、光电盘和编码盘、激光测量原理；2. 能够正确选择位移测量的方法。能够正确选择位移测量的方法。第4页引引 言言位移位移测量系统测量系统由由位移传感器位移传感器、 相应的相应的测量放大电路测量放大电路 和和终端显示装置终端显示装置等组成。等组成。位移位移是指物体上的某一点或某一射线在一定方向上的位置移是指物体上的某一点或某一射线在一定方向上的位置移动

2、或转动，因此位移是动或转动，因此位移是矢量矢量， 测量时，应使测量方向与位移方向重合。测量时，应使测量方向与位移方向重合。位移（位移（displacement）是）是线位移和角位移线位移和角位移的统称。的统称。 位移测量在机械工程中应用十分广泛，位移测量在机械工程中应用十分广泛， 许多参数的测量也以位移测量为基础。许多参数的测量也以位移测量为基础。位移与厚度同属位移与厚度同属长度计量的范畴长度计量的范畴。第5页12.1 常用位移传感器常用位移传感器根据传感器的根据传感器的变换原理变换原理，常用的位移测量传感器可分为，常用的位移测量传感器可分为 电阻式电阻式 、电感式、电感式 、电容式、磁电式、

3、电容式、磁电式 、光电式、光电式 等。等。电阻式电阻式变阻器变阻器线位移线位移角位移角位移应变式应变式非粘贴非粘贴粘贴粘贴半导体半导体电容式电容式变面积变面积变间距变间距磁电式磁电式霍尔元件霍尔元件光电式光电式遮光式遮光式计量计量光栅光栅长光栅长光栅圆光栅圆光栅反射式反射式激光干涉仪激光干涉仪吸收式吸收式射线物位计射线物位计电感式电感式自感式自感式变气隙型变气隙型螺管型螺管型互感式互感式旋转变压器旋转变压器差动变压器差动变压器感应感应同步器同步器直线式直线式旋转式旋转式磁尺磁尺长磁尺长磁尺圆磁尺圆磁尺涡流式涡流式超声波（测距、测厚）超声波（测距、测厚）编码器编码器光电式光电式接触式接触式*第6

4、页12.2 光栅式传感器光栅式传感器 12.2.0 特点概述特点概述兼有兼有高分辨率高分辨率和和大量程大量程两种特性。两种特性。 感应同步器也具有大量程测量的特点，感应同步器也具有大量程测量的特点， 但分辨率和精度都不如光栅传感器；但分辨率和精度都不如光栅传感器；精度高精度高- 光栅传感器光栅传感器在大量程测长或直线位移方面的精度在大量程测长或直线位移方面的精度 仅低于激光干涉仪；仅低于激光干涉仪； 圆分度和圆分度和角位移测量方面精度最高角位移测量方面精度最高；可实现可实现数字化动态测量数字化动态测量，易于实现测量和数据处理自动化；，易于实现测量和数据处理自动化；具有较强的具有较强的抗干扰抗干

5、扰能力，不仅可用于实验室，能力，不仅可用于实验室， 也可用于精密加工车间中的数控机床；也可用于精密加工车间中的数控机床；第7页12.2 光栅式传感器光栅式传感器特点概述（续）特点概述（续）获得高精度的光栅尺价格较贵，其获得高精度的光栅尺价格较贵，其成本成本比感应同步器高；比感应同步器高；制造制造量程量程大于大于1m的光栅尚有困难，但可以接长；的光栅尚有困难，但可以接长；采用采用增量式增量式测量，与编码盘等绝对式测量相比，测量，与编码盘等绝对式测量相比， 在高速工作时在高速工作时易产生误差易产生误差。#第8页12.2.1 光栅式传感器的基本原理和分类光栅式传感器的基本原理和分类1.光栅式传感器的

6、组成和结构光栅式传感器的组成和结构12.2 光栅式传感器光栅式传感器a) 长光栅b) 圆光栅光栅刻线示意直光栅上的刻线称为直光栅上的刻线称为栅线栅线， W =a+b 称为光栅的栅距称为光栅的栅距 （光栅常数或节距）（光栅常数或节距）， a 、b分别为栅线和缝隙宽度。分别为栅线和缝隙宽度。 通常通常a =b，或或a/b=1.1: 0.9。线纹密度线纹密度 一般为每毫米一般为每毫米100、50、25和和10线。线。光栅光栅（grating）是在基体上刻有）是在基体上刻有 均匀分布条纹的光学元件。均匀分布条纹的光学元件。第9页12.2 光栅式传感器光栅式传感器光栅式传感器安装示例两块栅距相同的光栅：

7、两块栅距相同的光栅：较长的光栅称为较长的光栅称为标尺光栅标尺光栅 （主光栅），（主光栅）， 通常通常安装在活动部件上安装在活动部件上， 其有效长度即为测量范围；其有效长度即为测量范围；两光栅刻线面相对叠合，两光栅刻线面相对叠合，中间留很小的间隙，组成中间留很小的间隙，组成光栅副光栅副。另一块光栅很短，称另一块光栅很短，称指示光栅指示光栅， 它通常与光学系统等组成读数头，它通常与光学系统等组成读数头， 安装在固定部件上安装在固定部件上。第10页12.2 光栅式传感器光栅式传感器光栅传感器的结构 用光电元件接收此光用光电元件接收此光 强信号，强信号， 经电路处理后，经电路处理后， 可得标尺光栅移过

8、的可得标尺光栅移过的 距离。距离。 将将光栅副置于光栅副置于由点光源和凸透镜形成的由点光源和凸透镜形成的平行光束中平行光束中， 使标尺光栅随被测物体移动，使标尺光栅随被测物体移动， 则通过光栅副的光强随之变化。则通过光栅副的光强随之变化。第11页2.莫尔条纹现象莫尔条纹现象（1）莫尔条纹的几何光学原理）莫尔条纹的几何光学原理B12.2 光栅式传感器光栅式传感器若两栅线间有很小夹角，则在近似垂直于栅线的方向上可显示出若两栅线间有很小夹角，则在近似垂直于栅线的方向上可显示出 比栅距比栅距W宽得很多的明暗相间的条纹，宽得很多的明暗相间的条纹， 这些条纹称为这些条纹称为“莫尔条纹莫尔条纹” 。莫尔（M

9、oire）条纹 第12页12.2 光栅式传感器光栅式传感器当标尺光栅沿垂直于栅线的当标尺光栅沿垂直于栅线的 x 方向每移动一个栅距方向每移动一个栅距 W 时，时， 莫尔条纹沿近似栅线的方向移过一个莫尔条纹沿近似栅线的方向移过一个条纹间距条纹间距 B 。B莫尔（Moire）条纹 x第13页横向条纹横向条纹光闸条纹光闸条纹12.2 光栅式传感器光栅式传感器两个亮带两个亮带之间距之间距离离B为莫尔条纹的宽度为莫尔条纹的宽度。栅线的形状和排列方向不同，能够形成各种栅线的形状和排列方向不同，能够形成各种形状形状的莫尔条纹。的莫尔条纹。对于栅距较大的黑白光栅，可按光直线传播的对于栅距较大的黑白光栅，可按光

10、直线传播的几何光学原理几何光学原理，求得光栅副结构参数与莫尔条纹几何图案之间的关系。求得光栅副结构参数与莫尔条纹几何图案之间的关系。第14页圆弧形条纹圆弧形条纹光闸条纹光闸条纹环形条纹环形条纹12.2 光栅式传感器光栅式传感器第15页12.2 光栅式传感器光栅式传感器莫尔条纹间距B的定义 莫尔条纹莫尔条纹间距间距 B B ：是两个亮带是两个亮带（或暗带）（或暗带）间的垂直距离。间的垂直距离。B B第16页22sinsin2LLWWWWBB；222若两光栅常数相等，则若两光栅常数相等，则MNP为等腰三角形：为等腰三角形：12.2 光栅式传感器光栅式传感器由于由于 很小很小：莫尔条纹间距B的计算第

11、17页误差均化误差均化效应效应 莫尔条纹由大量栅线共同形成，能极大地消除莫尔条纹由大量栅线共同形成，能极大地消除 栅距局部误差的影响。若单根栅线位置误差的栅距局部误差的影响。若单根栅线位置误差的 标准差为标准差为 ，则，则 n n 条栅线形成的莫尔条纹的位置条栅线形成的莫尔条纹的位置 误差的标准差为误差的标准差为 。（2）莫尔条纹的特性）莫尔条纹的特性12.2 光栅式传感器光栅式传感器位移放大位移放大作用作用 光栅副中，由于光栅副中，由于 很小，很小， ， 即莫尔条纹即莫尔条纹 具有放大作用，其放大倍数具有放大作用，其放大倍数为为 。 W W 可做到约可做到约 0.01mm0.01mm，而，而

12、 B B 可以到可以到 6 68 mm8 mm。 运动对应运动对应关系关系 当标尺光栅向右（或向左）运动一个栅距当标尺光栅向右（或向左）运动一个栅距W W 时，时， 莫尔条纹向下（或向上）移动一个条纹间距莫尔条纹向下（或向上）移动一个条纹间距 B B 。测量时，可以根据莫尔条纹移动的量和方向判定光栅的相对运动。测量时，可以根据莫尔条纹移动的量和方向判定光栅的相对运动。/BW/1/KB W/nn第18页（3）莫尔条纹信号的质量指标）莫尔条纹信号的质量指标12.2 光栅式传感器光栅式传感器莫尔条纹信号质量的影响莫尔条纹信号质量的影响因素（因素（光栅质量及光栅副的工作条件）：光栅质量及光栅副的工作条

13、件）：2）输出信号的）输出信号的直流电平漂移直流电平漂移。 信号中的直流分量在全量程范围内变动，称为直流电平漂移。信号中的直流分量在全量程范围内变动，称为直流电平漂移。 其原因是光栅其原因是光栅透光度透光度及及光强光强的变化的变化和和 光电器件本身的光电器件本身的直流漂移直流漂移等等 可引起细分误差。可引起细分误差。1）信号的）信号的正弦性正弦性。莫尔条纹的输出信号是基波和各次谐波的叠加。莫尔条纹的输出信号是基波和各次谐波的叠加。 谐波含量越小，正弦性越好，可细分精度越高。谐波含量越小，正弦性越好，可细分精度越高。第19页12.2 光栅式传感器光栅式传感器3）输出信号的）输出信号的对比度对比度

14、表示莫尔条纹明暗的反衬程度表示莫尔条纹明暗的反衬程度 。 常用常用对比度对比度 或或 调制度调制度 表示：表示：【参见图参见图12-6】影响因素有：影响因素有： 光源单色性、光强稳定性、光源单色性、光强稳定性、 光源尺寸、光源尺寸、 接收窗口尺寸、接收窗口尺寸、 光栅的衍射作用、光栅质量、光栅副间隙等。光栅的衍射作用、光栅质量、光栅副间隙等。 若对比度太低，则易被噪声淹没。若对比度太低，则易被噪声淹没。CMmaxminmax(126)uuCu10/127Muu输出信号基波最大值输出信号基波最大值输出信号基波最小值输出信号基波最小值输出信号基波幅值输出信号基波幅值输出信号直流分量输出信号直流分量

15、第20页5）输出信号的）输出信号的正交性正交性和和等幅性等幅性。 用用2个（或个（或4个）光电转换器件在不同位置同时接收同一个）光电转换器件在不同位置同时接收同一莫尔条纹信号，使多相输出信号依次相差莫尔条纹信号，使多相输出信号依次相差90，称为输出信，称为输出信号的号的正交性正交性。其偏差大小用基波相位偏离各信号理想位置的其偏差大小用基波相位偏离各信号理想位置的数值表示。数值表示。 各相输出信号基波的幅值之差表示各信号的一致程度，各相输出信号基波的幅值之差表示各信号的一致程度，称为输出信号的称为输出信号的等幅性等幅性。 光栅光栅栅距误差栅距误差和和栅线夹角误差栅线夹角误差都会影响都会影响正交性

16、正交性； 输出信号的输出信号的正交性偏差正交性偏差和和等幅性差值等幅性差值都会带来都会带来细分误差细分误差。 12.2 光栅式传感器光栅式传感器4）输出信号幅度的）输出信号幅度的稳定性稳定性取决于在取决于在全量程范围内，全量程范围内， 输出信号的输出信号的基波幅值基波幅值 的波动量的波动量。 其影响因素是其影响因素是 光强不稳定光强不稳定 和和 光栅运动速度不均匀。光栅运动速度不均匀。1u第21页12.2.3 计量光栅的种类计量光栅的种类12.2 光栅式传感器光栅式传感器长光栅长光栅栅线疏密用栅线疏密用栅线密度栅线密度（每毫米长度内的栅线数）表示。（每毫米长度内的栅线数）表示。 如如 W =

17、0.02mm，代表其栅线密度为，代表其栅线密度为50线线/mm；圆光栅圆光栅还使用还使用栅距角栅距角d d（也称（也称节距角节距角）。）。 代表相邻两条光栅所夹角度。代表相邻两条光栅所夹角度。圆光栅刻线示意 直线形直线形圆形圆形所夹角度第22页12.2 光栅式传感器光栅式传感器按调制内容分按调制内容分：黑白光栅黑白光栅只对入射光波的振幅或光强进行调制（振幅光栅），只对入射光波的振幅或光强进行调制（振幅光栅），闪耀光栅闪耀光栅只对入射光波的相位进行调制（相位光栅）。只对入射光波的相位进行调制（相位光栅）。按光的传播方式，长（直）光栅又分为按光的传播方式，长（直）光栅又分为：透射式透射式将栅线刻在

18、透明材料上，将栅线刻在透明材料上，反射式反射式将栅线刻在有强反射能力的材料上。将栅线刻在有强反射能力的材料上。根据栅线刻划方向分：根据栅线刻划方向分：径向光栅、切向光栅（用于精度要求较高的场合）径向光栅、切向光栅（用于精度要求较高的场合）环形光栅（用于特殊场合）环形光栅（用于特殊场合）第23页光栅分类光栅分类12.2 光栅式传感器光栅式传感器计量光栅的分类 计量光栅计量光栅长长 光光 栅栅黑白光栅黑白光栅透射光栅透射光栅玻玻 璃璃 体体闪耀光栅闪耀光栅反射光栅反射光栅金金 属属 体体金金 属属 膜膜 玻玻 璃璃 体体圆圆 光光 栅栅透射光栅透射光栅玻玻 璃璃 体体径向光栅径向光栅切向光栅切向光

19、栅第24页12.3 12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器12.3.1 12.3.1 光电盘传感器光电盘传感器（1 1）原理）原理光电盘的工作原理 光电盘圆周上均布槽缝或小孔；光电盘圆周上均布槽缝或小孔； 光栏板上有两狭缝，缝距为光栏板上有两狭缝，缝距为光电盘槽距或孔距的光电盘槽距或孔距的1/41/4， 每条缝后装一光电管。每条缝后装一光电管。 光电管将光信号转换为电脉光电管将光信号转换为电脉冲，经整形、放大、分频、冲，经整形、放大、分频、 计数和译码后输出或显示。计数和译码后输出或显示。是一种最简单的光电式转角测量元件。是一种最简单的光电式转角测量元件。第25页（2

20、2）特点和应用）特点和应用多用于简易型和多用于简易型和 经济型数控设备。经济型数控设备。 12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器光电盘的工作原理 由脉冲数可测回转轴转角。加传动装置可测直线位移。由脉冲数可测回转轴转角。加传动装置可测直线位移。由光栏板两狭缝中信号的次序，可判别光电盘的旋转方向。由光栏板两狭缝中信号的次序，可判别光电盘的旋转方向。制造精度较低，制造精度较低， 只能测增量值只能测增量值， 易受环境干扰。易受环境干扰。第26页12.3.2 12.3.2 编码盘（编码盘（binary shaft encoderbinary shaft encoder）传感器）传

21、感器12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器增量编码盘增量编码盘（也可测角位移）（也可测角位移） 由于没有编码功能，不属于严格意义上的编码盘传感器。由于没有编码功能，不属于严格意义上的编码盘传感器。 分为光电式、接触式和电磁式。分为光电式、接触式和电磁式。是是机械式机械式模模/ /数编码器，数编码器， 不同角位移状态与不同角位移状态与 数字编码一一对应。数字编码一一对应。是广泛应用的编码式是广泛应用的编码式数字传感器数字传感器， 把角位移直接转换成代码的把角位移直接转换成代码的 传感器。传感器。四位二进制码盘四位二进制码盘 1基本原理基本原理#第27页（1 1）编码结构）

22、编码结构各圆环为分别代表一位各圆环为分别代表一位二进制数码道，形成一二进制数码道，形成一套编码。套编码。12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器黑色不透光区（暗区）和黑色不透光区（暗区）和白色透光区（亮区）分别代表白色透光区（亮区）分别代表二进制的二进制的“0”0”和和“1”1”。编码盘为圆盘形装置，编码盘为圆盘形装置， 按一定规律刻有二进制按一定规律刻有二进制 数码。数码。四位二进制码盘四位二进制码盘 第28页最外圈分成最外圈分成1616个角度方位：个角度方位： 0 0、l15l15，对应由码道组成的二进制码对应由码道组成的二进制码 ： CC4 4 C C3 3 C C

23、2 2 C C1 1 。（2 2）二进制码盘码制）二进制码盘码制其亮暗区总数为其亮暗区总数为 2 21 1、 2 22 2、 2 23 3和和2 24 4。 。12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器四位二进制码盘四位二进制码盘 四位光电码盘有四圈码道，四位光电码盘有四圈码道， 从内圈依次记从内圈依次记为：为： C C4 4、C C3 3、C C2 2和和C C1 1。第29页（3 3）材料和基本工作原理）材料和基本工作原理基本工作原理：基本工作原理： 编码盘两侧分别放置电源和光电元件，编码盘两侧分别放置电源和光电元件， 每个码道对应一个光敏管及放大、整形电路。每个码道对

24、应一个光敏管及放大、整形电路。 编码盘转到不同位置，编码盘转到不同位置， 各光电元件通过狭缝接受所在码道的光信号，并转换成电信号，各光电元件通过狭缝接受所在码道的光信号，并转换成电信号， 经放大整形，成为数字信号。经放大整形，成为数字信号。 12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器材料：玻璃、金属和塑料。材料：玻璃、金属和塑料。 玻璃：玻璃上沉积玻璃：玻璃上沉积很薄很薄的刻线，热稳定性好，精度高。的刻线，热稳定性好，精度高。 金属：镂空码形，不易碎，但金属：镂空码形，不易碎，但厚度厚度降低精度，热稳定性差。降低精度，热稳定性差。 塑料：成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差

25、。塑料：成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差。第30页（4）与增量式位移传感器比较）与增量式位移传感器比较编码盘编码盘采用绝对的机械编码，采用绝对的机械编码，属于绝对式位移传感器属于绝对式位移传感器； 与以与以光栅光栅为代表的为代表的增量式位移传感器增量式位移传感器相比相比， 在安装、测量和信号输出等方面有显著区别：在安装、测量和信号输出等方面有显著区别：12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器分类分类增量式增量式绝对式绝对式安安装装测线测线位移位移只需只需确保每个确保每个运动位置均有运动位置均有增量增量可以输出可以输出小量程小量程传感器，其零点位置应尽传感器，其零点位置

26、应尽量与测量（或设备）量与测量（或设备）零点对齐零点对齐，使之：既不浪费量程，又不超出使之：既不浪费量程，又不超出量程；量程；大量程大量程传感器可在中部传感器可在中部任意一点任意一点与测量（或设备）与测量（或设备）零点对齐零点对齐测角测角位移位移任意位置安装任意位置安装第31页（4）与增量式位移传感器比较（续）与增量式位移传感器比较（续）12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器分类分类增量式增量式绝对式绝对式测测量量计数器计数器需要使用计数器需要使用计数器记忆记忆无需计数器无需计数器，可靠性高，可靠性高断电断电/启动启动需要调零需要调零无需调零无需调零，传感器自动记录真实

27、位置传感器自动记录真实位置静止静止无信号输出无信号输出，靠计数器记忆靠计数器记忆大多数可输出当前位置大多数可输出当前位置（带判（带判位触发读数的编码器等除外）位触发读数的编码器等除外）误差误差因误读因误读有累积误有累积误差差无累积误差无累积误差，精度高，精度高输出方式输出方式单向或双向单向或双向脉冲输出脉冲输出多位数字输出多位数字输出：并行则所需线路较多；并行则所需线路较多；串行则传输时间较长串行则传输时间较长34 #第32页2.提高分辨率的措施提高分辨率的措施（1）增加码道数）增加码道数12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器增加码盘的码道数即可提高角位移的分辨率，增加

28、码盘的码道数即可提高角位移的分辨率， 但要受到制作工艺的限制，通常采用多级码盘来解决。但要受到制作工艺的限制，通常采用多级码盘来解决。二进制码盘有二进制码盘有 2n 种不同编码（种不同编码（n为码道数），其分辨率为：为码道数），其分辨率为：a a = 360/2n 码道数越多，能分辨的角度越小。码道数越多，能分辨的角度越小。第33页（2）多级码盘）多级码盘12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器同理，保持上述编码盘的传动关系和传动比，同理，保持上述编码盘的传动关系和传动比， 使被测轴直接驱动二级编码盘，使被测轴直接驱动二级编码盘， 中心编码盘成为二级编码盘旋转周数的计数器

29、，中心编码盘成为二级编码盘旋转周数的计数器， 即可即可扩大测量范围扩大测量范围。中心码盘经二级编码盘细分，可中心码盘经二级编码盘细分，可提高提高编码器编码器分辨率分辨率。当被测轴直接驱动的中心编码盘旋转一个最小分度时，当被测轴直接驱动的中心编码盘旋转一个最小分度时， 通过齿轮传动使二级编码盘转动一周。通过齿轮传动使二级编码盘转动一周。在一个编码盘的基础上再在一个编码盘的基础上再级联级联一个（或多个）编码盘，一个（或多个）编码盘， 可提高编码器的分辨率，也可扩大编码器的测量范围。可提高编码器的分辨率，也可扩大编码器的测量范围。第34页3.避免非单值性误差避免非单值性误差12.3 光电盘传感器和编

30、码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器举例：码盘旋转由位置举例：码盘旋转由位置0111变变为为1000时，四位数应同时变化，时，四位数应同时变化， 由于上述原因，可误读成由于上述原因，可误读成16种代码中的任意一种，产生无法种代码中的任意一种，产生无法估计的误差，这种误差称为估计的误差，这种误差称为非单值性误差非单值性误差（粗误差）。（粗误差）。二进制码盘的非单值性误差 产生原因：产生原因： 码道刻线位置不准，使亮码道刻线位置不准，使亮区或暗区提前或迟后改变；区或暗区提前或迟后改变； 光电管和狭缝的安装误差。光电管和狭缝的安装误差。误差形成条件误差形成条件： （1）多个码道同时改变；）多个码道同

31、时改变； （2）在错误的位置读数。）在错误的位置读数。 第35页采用错误最小化方式编码：采用错误最小化方式编码：任意相邻的两个代码间只有一位有变化，任意相邻的两个代码间只有一位有变化，是错误最小化的编码方式是错误最小化的编码方式；（1）循环码盘）循环码盘（可避免非单值性误差）（可避免非单值性误差）特点：特点：每次只有一个码道改变每次只有一个码道改变12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器其设置可由二进制码转换，输出也需要转换成二进制码。其设置可由二进制码转换，输出也需要转换成二进制码。四位循环码盘 不能直接进行比较大小或算术运算；不能直接进行比较大小或算术运算；编码方式不

32、唯一；编码方式不唯一；属无权二状态多位编码；属无权二状态多位编码；第36页编码转换编码转换二进制码二进制码循环码循环码数值二进制码循环码0 000000001 000100012 001000113 001100104 010001105 010101116 011001017 0111010012.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器将二进制码将二进制码 与其与其本身本身右移一位右移一位并并舍去末位舍去末位后的数码后的数码作作不进位加法不进位加法： 12112121nnnnnnnnCCCCCCCRRRR二进制码右移一位并舍去末位循环码10,1nnniiiRCCRCCin

33、（12-10）。四位二进制码与循环码对照数值二进制码循环码8 100011009 1001110110 1010111111 1011111012 1100101013 1101101114 1110100115 11111000不进位加法不进位加法第37页12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器由（由（12-1012-10） 1,1nniiiCRCRCin （12-11）10,1nnniiiRCCRCCin 。11111()0iiiiiiiiiiRCCCCCCCCC按位异或运算（不进位加法）的次序可以改变，按位异或运算（不进位加法）的次序可以改变， 且有：且有：可得循环

34、码转换二进制码关系式：可得循环码转换二进制码关系式：循环码循环码二进制码二进制码 转换转换有有 11()0iiCC做不进位加法做不进位加法结果等于零结果等于零第38页转换电路实现（转换电路实现（a a）并行）并行12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器 Ci 的结果要在的结果要在 Ci+1 计算完成后才能开计算完成后才能开 始计算（不属于严格意义上的并行）。始计算（不属于严格意义上的并行）。1,1nniiiCRCRCin 二进制码转换器 优点：转换速度快；优点：转换速度快；缺点：使用元件较多。缺点：使用元件较多。 第39页时钟脉冲时钟脉冲CP将将Ri送至送至J、K端：端：

35、若若J=K=Ri=1，则时钟脉冲后，则时钟脉冲后，Q= ；若若J=K=Ri=0，则时钟脉冲后，则时钟脉冲后，Q=Ci+1 。（b b）串行）串行12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器特点：特点：1.结构简单；结构简单； 2.转换速度慢转换速度慢（时钟脉冲需附加晶振或引入脉冲；（时钟脉冲需附加晶振或引入脉冲；Ri由多个光电器件同时采集，由多个光电器件同时采集， 转为顺序输入需增加电路和运算时间）。转为顺序输入需增加电路和运算时间）。 1,1nniiiCRCRCin 二进制码转换器 i 1C开始时，利用开始时，利用RD将输出端将输出端 Q 置零；置零；10011000iii

36、RCQC11101110iiiRCQC上行为下行的特例()(0)nnnnCRCR第40页（2）在正确位置读数）在正确位置读数 增加判位码道增加判位码道12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器信号位无信号时不能读数，造成部分信号位无信号时不能读数，造成部分“失忆失忆”； 意外断电重启时需增加操作和电气元件意外断电重启时需增加操作和电气元件“回忆回忆”。带判位光电装置的二进制码盘 只有当信号位处的光电元件只有当信号位处的光电元件有信号时才读数，有信号时才读数，避免非单值性误差，避免非单值性误差，不改变原最低位的分辨率。不改变原最低位的分辨率。 在二进制码盘最外侧码道上在二进制

37、码盘最外侧码道上增加一圈信号位，其位置增加一圈信号位，其位置正好与状态交线错开。正好与状态交线错开。第41页二进制编码中，二进制编码中， 除最低位除最低位C1外，外， 其它其它各位各位Ci的变化的变化 必发生在其较低位必发生在其较低位Ci-1进位时，进位时， 如图中空心圆所在的位置；如图中空心圆所在的位置；双读数法双读数法 a.a.二进制码道特点二进制码道特点12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器进位/不进位区分布 恒/变值区域规律 且且Ci-1不进位变化时，不进位变化时，Ci一定不变，一定不变，如图中实心（涂黑）圆所在的位置。如图中实心（涂黑）圆所在的位置。由黑变白、

38、由白变黑由白变黑处第42页当当Ci-1在暗区读在暗区读数（数（Ci-1=0）即）即Ci-1刚进过位时，刚进过位时，Ci的亮暗区变更的亮暗区变更线应在当前位置左侧，读线应在当前位置左侧，读Ci的狭缝的狭缝向右偏移一定的距离也能正确读数；向右偏移一定的距离也能正确读数；当当Ci-1码道在亮区读数（码道在亮区读数（Ci-1=1），即），即Ci-1将要进位时，将要进位时，Ci的亮暗区变更线应在当前位置右侧，的亮暗区变更线应在当前位置右侧，读读Ci的狭缝向左偏移也能正确读数。的狭缝向左偏移也能正确读数。 12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器进位/不进位区分布 恒/变值区域规律

39、设：134iiCCCC第43页方法方法： C1码道只从码道只从AA读数，读数， 其余码道按其较低位码道当前的状态决定读数狭缝：其余码道按其较低位码道当前的状态决定读数狭缝： i若若Ci-1码道读数为码道读数为1（亮区），则（亮区），则Ci码道从左侧的码道从左侧的AA线读数。线读数。 ii若若Ci-1码道读数为码道读数为0（暗区），则（暗区），则Ci码道从右侧的码道从右侧的BB线读数。线读数。 （双读数法的）（双读数法的） b.b.原理、结构与方法原理、结构与方法12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器恒/变值区域规律 结构结构：两组光电器件安在读数狭缝：两组光电器件安在读

40、数狭缝AA与与BB位置。位置。 允许各码道亮暗区分界线有一定误差（允许各码道亮暗区分界线有一定误差（d d），）， 但单侧误差但单侧误差不能超过不能超过AA线与线与BB线间距的一半。线间距的一半。 原理原理：根据较低位码道的当前状态，：根据较低位码道的当前状态， 选择较选择较“安全安全”的区域读数；的区域读数；肯定落在临变前的“恒值安全”区。第44页结论结论：i 完全避免非单值性误差；完全避免非单值性误差； ii 可随时正确读数；可随时正确读数； iii 理论误差为理论误差为C1刻线误差；刻线误差；iv 级联时，可由级联时，可由 状态决定其高级编码盘的状态决定其高级编码盘的 读数线。读数线。

41、（双读数法的）双读数法的） c.c.逻辑、电路及结论逻辑、电路及结论iii-1ii-1ii-1ii-1ii-1ii-1CA CB C A CB CA CB C1“与非化”辨别电路电路电路：可在一个含有四个与非门的芯片上实现上述逻辑。：可在一个含有四个与非门的芯片上实现上述逻辑。逻辑与非化逻辑与非化：i若若Ci-1码道读数为码道读数为1（亮区），则（亮区），则Ci码道从左侧的码道从左侧的AA线读数。线读数。ii若若Ci-1码道读数为码道读数为0（暗区），则（暗区），则Ci码道从右侧的码道从右侧的BB线读数。线读数。Cn低读数线亮区暗区1C高第45页（双读数法的）双读数法的）d.d.光电元件的放置

42、光电元件的放置12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器V型读数型读数逻辑：逻辑： 按折线按折线（粗实线）（粗实线）放置光电元件和狭缝，放置光电元件和狭缝， 以减少由光电器件增加导致的放置困难。以减少由光电器件增加导致的放置困难。V型扫描（读数）逻辑 a）展开图V型扫描（读数）逻辑 b）实际空间位置 刻线误差的大小在各码道上基本相同；刻线误差的大小在各码道上基本相同；安全区域的大小随码道号的增大而增大。安全区域的大小随码道号的增大而增大。第46页由由 知：知：Ci必在必在Ci-1确定后才能得出，非并行。确定后才能得出，非并行。若若C4码道码道AB两线靠近，即可避免此误差，即

43、两线靠近，即可避免此误差，即C1码道亮暗区宽码道亮暗区宽度限制了度限制了C4码道码道AB线间距。即，线间距。即，时间并行要受空间的限制时间并行要受空间的限制。（双读数法的）（双读数法的） e.e. 并行输出的限制因素并行输出的限制因素iii-1ii-1CA CB C12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器读数误差例：例：C4码道按码道按C2状态（亮区）可从状态（亮区）可从A线正线正常读数；但常读数；但C1码道为暗区，若据此从码道为暗区，若据此从C4码码道道B线读数，将产生非单值性误差。线读数，将产生非单值性误差。Ci码道的读数线，亦可由比它低的任意码道的状态按上述方法码道

44、的读数线，亦可由比它低的任意码道的状态按上述方法决定；但决定；但Ci码道读数线的间距要受判别码道亮暗区宽度的限制，码道读数线的间距要受判别码道亮暗区宽度的限制，随判别码道号的降低而减小。随判别码道号的降低而减小。第47页低速端低速端安装：装于减速齿轮后，可避免齿轮回程误差，安装：装于减速齿轮后，可避免齿轮回程误差， 优点：精度较高；优点：精度较高； 缺点：但如果运动范围小，则浪费了量程，缺点：但如果运动范围小，则浪费了量程， 一般用于长距离定位，如各种提升设备和送料小车的定位。一般用于长距离定位，如各种提升设备和送料小车的定位。4. 旋转编码的机械安装旋转编码的机械安装12.3 光电盘传感器和

45、编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器高速端高速端安装：装于电机转轴端，电机抖动小，不易损坏编码器，安装：装于电机转轴端，电机抖动小，不易损坏编码器， 优点是：分辨率高（由于多级编码器的量程较大，电机转动范优点是：分辨率高（由于多级编码器的量程较大，电机转动范 围在量程内，可用足量程而提高分辨率）；围在量程内，可用足量程而提高分辨率）； 缺点是：经齿轮传动，有回程误差。缺点是：经齿轮传动，有回程误差。 一般用于单向高精度控制定位，如轧钢辊缝控制。一般用于单向高精度控制定位，如轧钢辊缝控制。辅助机械辅助机械安装：常用的有齿轮齿条、链条皮带、摩擦转轮和安装：常用的有齿轮齿条、链条皮带、摩擦转轮和

46、收绳机械等。收绳机械等。第48页12.5 激光干涉仪（激光干涉仪（laser interferometer）12.5.0 激光概述激光概述与普通光相比，激光有四个重要与普通光相比，激光有四个重要特性特性。 高相干性高相干性：相干波是指两个振动方向和频率相同、传播方：相干波是指两个振动方向和频率相同、传播方向相近、相位差恒定的波。激光是受激辐射光，是相干光。向相近、相位差恒定的波。激光是受激辐射光，是相干光。 高方向性高方向性：发散角很小。可集中在狭窄的范围内，向特定发散角很小。可集中在狭窄的范围内，向特定的方向发射。的方向发射。 高单色性高单色性：谱线宽度很窄。氦氖激光器，波长：谱线宽度很窄。

47、氦氖激光器，波长632.8nm，谱谱线宽度线宽度f2）产生干涉，）产生干涉， 由由光电元件转换光电元件转换为以（为以（f基基=f1-f2）为频率的交流电信号。）为频率的交流电信号。 测量时，可动棱镜的移动使频率为测量时，可动棱镜的移动使频率为 f基基 交流信号产生交流信号产生 多普勒频差多普勒频差D Df，结果仍为交流信号。结果仍为交流信号。 通过测量通过测量D Df ，得到可动棱镜的移动距离，得到可动棱镜的移动距离。12.5 激光干涉仪激光干涉仪特点特点：采用双频氦氖激光器作为光源，其精度高，抗干扰能：采用双频氦氖激光器作为光源，其精度高，抗干扰能 力强，空气湍流和热波动等影响很小。力强，空

48、气湍流和热波动等影响很小。降低降低了对了对环境环境 条件条件的要求，可在车间对较大距离进行测量。的要求，可在车间对较大距离进行测量。改善改善过程过程略略具体内容具体内容第52页12.6 厚度（厚度（thickness）测量）测量12.6.0 引言引言厚度测量有接触测厚和非接触测厚两种方式。厚度测量有接触测厚和非接触测厚两种方式。常用的非接触式测厚仪：常用的非接触式测厚仪：X射线测厚仪和放射性同位素测厚射线测厚仪和放射性同位素测厚仪，统称射线测厚仪。仪，统称射线测厚仪。 厚度检测的方法有其独特性。如，带材轧制生产时，进行产厚度检测的方法有其独特性。如，带材轧制生产时，进行产品厚度控制，要精确且连续地测量带材的厚度。品厚度控制，要精确且连续地测量带材的厚度。厚度也可理