十一章数字式位置传感器ppt课件

1、 本章学习几种常用数字式位置传本章学习几种常用数字式位置传感器的构造、原理，如角编码器、光感器的构造、原理，如角编码器、光栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器栅传感器、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等，并讨论他们在直线位移和角位移中丈量、控制的运用。中丈量、控制的运用。第十一章第十一章 数字式位置传感数字式位置传感器器第一节 位置丈量的方式 一、直接丈量和间接丈量一、直接丈量和间接丈量 位置传感器有直线式和旋转式两大类。假设位位置传感器有直线式和旋转式两大类。假设位置传感器所丈量的对象就是被丈量本身，即用直线置传感器所丈量的对象就是被丈量本身，即用直线式传感器测直线位移，用

2、旋转式传感器测角位移，式传感器测直线位移，用旋转式传感器测角位移，那么该丈量方式为直接丈量。例如直接用于直线位那么该丈量方式为直接丈量。例如直接用于直线位移丈量的直线光栅和长磁栅等；直接用于角度丈量移丈量的直线光栅和长磁栅等；直接用于角度丈量的角编码器、圆光栅、圆磁栅等。的角编码器、圆光栅、圆磁栅等。 假设旋转式位置传感器丈量的回转运动只是中假设旋转式位置传感器丈量的回转运动只是中间值，再由它推算出与之关联的挪动部件的直线位间值，再由它推算出与之关联的挪动部件的直线位移，那么该丈量方式为间接丈量。移，那么该丈量方式为间接丈量。 1.1.直接丈量直接丈量 直接丈直接丈量的误差较量的误差较小。小。

3、 图为利图为利用光栅传感用光栅传感器丈量数控器丈量数控机床任务台机床任务台位移量的现位移量的现场照片。场照片。 任务台任务台光栅光栅任务台运动方向任务台运动方向2.2.间接丈量间接丈量 在间接丈量中，多运用旋转式位置传感器。丈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挪动部件的直线位移间接丈量须运用丝杠-螺母、齿轮-齿条等传动机构。 任务台任务台丝杠丝杠编码器编码器进给电机进给电机 x传动机构传动机构 滚珠丝杠螺母滚珠丝杠螺母副、齿轮副、齿轮- -齿条副齿条副等传动机构可以等传动机构可以将旋转运动转换将旋转运动转换成直线运动。但成直线运动。但应设法消除传导应设法消除传导过

4、程产生的间隙过程产生的间隙误差。误差。 齿距齿距齿条齿条齿轮齿轮 x滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副可以将减小传动磨可以将减小传动磨檫力，延伸运用寿檫力，延伸运用寿命，减小间隙误差。命，减小间隙误差。 螺母螺母丝杠丝杠x 传动分析传动分析 设：螺距设：螺距t=4mm，丝杠在，丝杠在4s时间里转动了时间里转动了10圈，圈，求：丝杠的平均转速求：丝杠的平均转速n(r/min)及螺母挪动了多少毫及螺母挪动了多少毫米？螺母的平均速度米？螺母的平均速度v又为多少？又为多少？ 螺母螺母丝杠丝杠螺距螺距x=？N=10圈圈 二、增量式和 绝对式丈量 在增量式丈量中，挪动在增量式丈量中

5、，挪动部件每挪动一个根本长度单部件每挪动一个根本长度单位，位置传感器便发出一个位，位置传感器便发出一个丈量信号，此信号通常是脉丈量信号，此信号通常是脉冲方式。这样，一个脉冲所冲方式。这样，一个脉冲所代表的根本长度单位就是分代表的根本长度单位就是分辨力，对脉冲计数，便可得辨力，对脉冲计数，便可得到位移量。到位移量。绝对式丈量的特点是：绝对式丈量的特点是： 每一被测点都有一个对应的编码，常以二进制每一被测点都有一个对应的编码，常以二进制数据方式来表示。绝对式丈量即使断电之后再重新上数据方式来表示。绝对式丈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电，也能读出当前位置的数据

6、。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。感器有绝对式角编码器。增量式丈量得到的脉冲波形增量式丈量得到的脉冲波形作业作业p201:3p201:3、5 5休休 息息 一一 下下第二节第二节 数字式角编码器数字式角编码器 信号航空插头信号航空插头参考德国沃申道夫公司资料参考德国沃申道夫公司资料其他角编码器外形其他角编码器外形其他角编码器外形续其他角编码器外形续 拉线式角编拉线式角编码器利用线轮，码器利用线轮，能将直线运动转能将直线运动转换成旋转运动。换成旋转运动。其他角编码器外形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参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司一、绝对式编码器 绝对式码盘

7、与增量绝对式码盘与增量式码盘有何区别？式码盘有何区别？10码道光电绝对式码盘码道光电绝对式码盘 绝对式编码器按照绝对式编码器按照角度直接进展编码，角度直接进展编码，可直接把被测转角用可直接把被测转角用数字代码表示出来。数字代码表示出来。根据内部构造和检测根据内部构造和检测方式有接触式、光电方式有接触式、光电式等方式。式等方式。 透光区透光区不透光区不透光区零位标志零位标志绝对式接触式编码器演示绝对式接触式编码器演示4 4个电刷个电刷 4 4位二进制位二进制码盘码盘 +5V +5V输入输入 公共码道公共码道 最小分辨角度为最小分辨角度为 =360/2n 2 2绝对式光电编码器绝对式光电编码器 a

8、 a光电码盘的平面构造光电码盘的平面构造8 8码道码道 b b光电码盘与光源、光敏元件的对应关系光电码盘与光源、光敏元件的对应关系4 4码道码道 高位高位低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分辨力及分辨率 绝对式光电编码器的丈量精度取决绝对式光电编码器的丈量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道数上的码道数n n 有关，即最小能分辨的角有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：度及分辨率为： =360 =360/2n/2n分辨率分辨率=1/2n=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分辨力及分辨率 增量式光电编码

9、器的丈量精度取决于它增量式光电编码器的丈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所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数狭缝条纹数n n 有关，即最小能分辨的角度及有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：分辨率为： 360 11-3n1 11-4n分辨率二、增量式编码器转轴转轴盘码及盘码及狭缝狭缝光敏元件光敏元件光栏板及辨向用的光栏板及辨向用的A A、B B狭缝狭缝LEDABC零位标志零位标志ABC光电编码器的输出波形光电编码器的输出波形 为了判别码盘旋转的方向，在上图为了判别码盘旋转的方向，在上图的光栏板上的两个狭缝间隔是码盘上的的光栏板上的两个狭缝间隔是码盘上的两个狭缝间隔

10、的两个狭缝间隔的m +1/4m +1/4倍，倍，m m 为正为正整数，并设置了两组光敏元件整数，并设置了两组光敏元件A A、B B，有，有时又称为时又称为sinsin、coscos元件。元件。辨向信号和零标志辨向信号和零标志 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，作为丈量的起始基准。三、角编码器的运用三、角

11、编码器的运用 角编码器除了能直接丈量角位移或间角编码器除了能直接丈量角位移或间接丈量直线位移外，可用于数字测速、工接丈量直线位移外，可用于数字测速、工位编码、伺服电机控制等。位编码、伺服电机控制等。 M法测速适宜于高转速场所法测速适宜于高转速场所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，那么转速r/min)为 ：n = 60m1/NT m1例题例题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，那么转速r/min)为 ： n = 60 65536 /1024 5 r/min = 768 r/min m1T法测速适宜于低转速场所法测

12、速适宜于低转速场所时钟脉冲时钟脉冲fc 编码器输出脉冲编码器输出脉冲 m2 编码器每转产生编码器每转产生 N 个脉冲，用知频个脉冲，用知频率率fc作为时钟，填充到编码器输出的两个作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为相邻脉冲之间的脉冲数为m2 ，那么转速，那么转速(r/min)为为 n = 60fc / Nm2 T法测速举例法测速举例时钟脉冲时钟脉冲fc 编码器输出脉冲编码器输出脉冲 m2 n = 60fc /Nm2 = 60*1000000/1024*3000 =19.53 r/min 有一增量式光电编码器，其参数为有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r1024p/r，

13、测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为30003000，时钟频，时钟频率率fcfc为为1MHz 1MHz ，那么转速，那么转速r/min)r/min)为为 ：安装套安装套编码器的安装方式编码器的安装方式 1. 1.编码器编码器的套式安装的套式安装安装轴安装轴2.2.编码器的轴式安装编码器的轴式安装编码器在定位加工中的运用编码器在定位加工中的运用11绝对式编码器绝对式编码器 22电动机电动机 3 3转轴转轴 44转盘转盘 5 5工件工件 66刀具刀具 设该增量式光电编码器设该增量式光电编码器的参数为的参数为1024 p/r1024 p/r，大、小，大、小皮带轮的传动比为皮带

14、轮的传动比为5 5，假设希，假设希望当加工好元件望当加工好元件1 1后紧接着加后紧接着加工元件工元件8 8，那么电动机转动了，那么电动机转动了多少分之几圈？应等待编码多少分之几圈？应等待编码器给出多少脉冲数时，电动器给出多少脉冲数时，电动机停转？机停转？数控加工中心数控加工中心 编码器在数控编码器在数控加工中心的刀库选加工中心的刀库选刀控制中的运用刀控制中的运用旋转刀库旋转刀库被加工工件被加工工件刀具刀具角编码器的输出为角编码器的输出为当前刀具号当前刀具号角编码器与角编码器与 旋转刀库衔接旋转刀库衔接 用不同的刀具用不同的刀具加工复杂的工件加工复杂的工件编码器在伺服电机中的运用编码器在伺服电机

15、中的运用 利用编码器丈利用编码器丈量伺服电机的转速、量伺服电机的转速、转角，并经过伺服转角，并经过伺服控制系统控制其各控制系统控制其各种运转参数。种运转参数。转速丈量转速丈量转子磁极位置丈量转子磁极位置丈量角位移丈量角位移丈量作业作业p201:3p201:3、5 5休休 息息 一一 下下第三节第三节 光栅传感器光栅传感器 一、光栅的类型和构造一、光栅的类型和构造 计量光栅可分为透射式光栅和反射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。计量光栅按外形敏元件三大部分组成。计量光栅按外形又可分为长光栅和圆光栅。又可分为长光栅

16、和圆光栅。 尺身尺身尺身安装孔尺身安装孔 反射式扫描头反射式扫描头 与挪动部件固定与挪动部件固定扫描头安装孔扫描头安装孔可挪动电缆可挪动电缆光栅的外形及构造光栅的外形及构造防尘维护罩的内部为长磁栅防尘维护罩的内部为长磁栅扫描头与挪动部件固定扫描头与挪动部件固定 光栅尺光栅尺可挪动电缆可挪动电缆光栅的外形及构造续光栅的外形及构造续反射式光栅反射式光栅透射式光栅透射式光栅透射式圆光栅透射式圆光栅固定固定莫尔条纹的光学放大作用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同，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线坚持很小的夹角。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，构成

17、亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而构成暗带。 光栅的刻线宽度光栅的刻线宽度W莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度L L LW/ ，为主光栅和指示为主光栅和指示光栅刻线的夹角，光栅刻线的夹角，弧度弧度 莫尔条纹演示莫尔条纹演示莫尔条纹光学放大作用莫尔条纹光学放大作用举例举例 有不断线光栅，每毫米刻线数为有不断线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与，主光栅与指示光栅的夹角指示光栅的夹角 =1.8，那么：，那么： 分辨力分辨力 =栅距栅距W =1mm/50=0.02mm=20m 由于栅距很小，因此无法察看光强的变化由于栅距很小，因此无法察看光强的变化 莫尔条纹的宽度是栅距的莫尔条纹的宽度是栅距的3

18、2倍：倍： L W/ = 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由于较大，因此可以用小面积的光电池“察看莫察看莫尔条纹光强的变化。尔条纹光强的变化。光栅的输出信号光栅的输出信号TTLTTL余弦信号余弦信号超前超前正弦信号正弦信号零位信号零位信号光栅输出信号电压正弦波光栅输出信号电压正弦波细分点细分点余弦信号余弦信号正弦信号正弦信号零位信号零位信号脉冲细分脉冲细分 细分技术能在不添加光栅刻线数及价钱的情况下提高光栅的分辨力。细分前，光栅的分辨力只需一个栅距的大小。采用4细分技术后，计数脉冲的频率提高了4倍，

19、相当于原光栅的分辨力提高了3倍，丈量步距是原来的1/4，较大地提高了丈量精度。细分前细分前细分后细分后光栅细分举例光栅细分举例 有不断线光栅，每毫米刻线数为有不断线光栅，每毫米刻线数为50，细，细分数为分数为4细分，那么：细分，那么： 分辨力分辨力 =W /4 =1mm/50/4=0.005mm=5m 采用细分技术，在不添加光栅刻线数采用细分技术，在不添加光栅刻线数本钱的情况下，将分辨力提高了本钱的情况下，将分辨力提高了3倍。倍。辨向电路及波形辨向电路及波形 假设传感器只安装一套光电元件，那假设传感器只安装一套光电元件，那么在实践运用中，无论光栅作正向挪动还么在实践运用中，无论光栅作正向挪动还

20、是反向挪动，光敏元件都产生一样的正弦是反向挪动，光敏元件都产生一样的正弦信号，无法分辨位移的方向。信号，无法分辨位移的方向。 例：某例：某1024p/r 圆光栅，正转圆光栅，正转10圈，反圈，反转转 4 圈，假设不采取辨向措施，那么计数圈，假设不采取辨向措施，那么计数器将错误地得到器将错误地得到14336个脉冲，而正确值个脉冲，而正确值为：为：(104)10246144个脉冲。个脉冲。正向运动正向运动产生产生加法脉冲加法脉冲 正向正向运动时，运动时，与门与门IC2IC2无无“减减计数脉计数脉冲输出。冲输出。为光栅设计的公用数据转接器为光栅设计的公用数据转接器光栅计数卡光栅计数卡 内部包含以下电

21、路：放大、整形、内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。细分、辨向、报警、阻抗变换等。为光栅设计为光栅设计的公用信号的公用信号处置单元处置单元 光栅插补器光栅插补器功能同上页功能同上页光栅在机床上的安装位置光栅在机床上的安装位置2 2个自在度个自在度光栅在机床上的安装位置光栅在机床上的安装位置3 3个自在度个自在度数显表数显表光栅在机床上光栅在机床上的安装位置的安装位置 3 3个自在度个自在度续续2 2自在度光栅数显表自在度光栅数显表X位移显示位移显示ZY位移显示位移显示3 3自在度光栅数显表自在度光栅数显表光栅数显表续光栅数显表续三座标数显表三座标数显表SDS8-3E S

22、DS8-3E 光栅数显箱功能光栅数显箱功能: : 公制公制/英制转换英制转换绝对绝对/相对转换相对转换线性误差补偿线性误差补偿正反方向计算正反方向计算归零归零插值补偿插值补偿到达目的值停机到达目的值停机PCD圆周分孔圆周分孔200组零位记忆组零位记忆电蚀深度目的值显示电蚀深度目的值显示实时任务位置显示实时任务位置显示掉电记忆掉电记忆 光栅数显表续光栅数显表续 设定按键设定按键安装有直线光栅的数控机床加工实况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防护罩内为直线光栅光栅扫描头光栅扫描头被加工工件被加工工件切削刀具切削刀具角编码器角编码器安装在夹安装在夹具的端部具的端部作业作业p201

23、:3p201:3、5 5休休 息息 一一 下下第四节第四节 磁栅传感器磁栅传感器 磁栅价钱低于光栅，且录磁方便、易磁栅价钱低于光栅，且录磁方便、易于安装，丈量范围宽可超越十几米，抗干于安装，丈量范围宽可超越十几米，抗干扰才干强。磁栅可分为长磁栅和圆磁栅。扰才干强。磁栅可分为长磁栅和圆磁栅。长磁栅主要用于直线位移丈量，圆磁栅主长磁栅主要用于直线位移丈量，圆磁栅主要用于角位移丈量。磁栅传感器主要由磁要用于角位移丈量。磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处置电路组成。尺、磁头和信号处置电路组成。 磁栅的外形及构造磁栅的外形及构造磁尺磁尺静态磁头静态磁头去信号处置电路去信号处置电路固定孔固定孔磁头与磁尺相

24、对运动时的输出波形演示磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示鉴相型磁栅数显表的原理框图鉴相型磁栅数显表的原理框图 磁尺与磁头接触，运用寿命磁尺与磁头接触，运用寿命不如光栅，数年后易退磁。不如光栅，数年后易退磁。设置两个磁头的设置两个磁头的意义何在？意义何在？磁栅丈量系统磁栅丈量系统压板压板磁头磁头磁尺磁尺磁栅在磨床测长系统中的运用磁栅在磨床测长系统中的运用磁尺磁尺磁头安装在何处？磁头安装在何处？第五节第五节 容栅传感器容栅传感器 容栅传感器是基于变面积任务原理容栅传感器是基于变面积任务原理的电容传感器，它的电极陈列好像栅状。的电容传感器，它的电极陈列好像栅状。与其他大位移传感器，如光栅、磁栅等与其他大位移传感器，如光栅、磁栅等相比，虽然精度稍差，但体积小、造价相比，虽然精度稍差，但体积小、造价低、耗电省，广泛运用于电子数显卡尺、低、耗电省，广泛运用于电子数显卡尺、千分尺、高度仪、坐标仪等几百毫米以千分尺、高度仪、坐标仪等几百毫米以下行程的丈量中。下行程的丈量中。 构造及任务原理构造及任务原理 容栅