第十一章数字式位置传感器解析课件

章节导入：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。第十一章数字式位置传感器7/29/20231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。

7/29/20232一、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。

7/29/20233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。

光栅工作台运动方向7/29/20234间接测量举例

1、丝杠—螺母装置

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工作台丝杠编码器进给电机θ

x7/29/202352、齿轮-齿条装置

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θ

x7/29/202363、两种装置的比较

滚珠丝杠螺母副能够减小传动磨檫力，延长使用寿命，减小间隙误差。

螺母丝杠xθ

7/29/20237二、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。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增量式测量得到的脉冲波形7/29/20238

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。7/29/20239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。7/29/202310一、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。

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2－转轴3－导电体4－绝缘体5－电刷6－激励公用轨道（接电源正极）7/29/202311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

=12.507/29/2023122．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、光敏元件的对应关系（4码道）高位低位7/29/202313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=1/2n7/29/202314二、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。7/29/202315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LEDABC零位标志ABC7/29/2023162、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：

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°。7/29/2023173、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。光电编码器的输出波形7/29/2023184、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。7/29/202319三、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。7/29/202320（1）M法测速（适合于高转速场合）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/（NT）

m17/29/202321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=60×65536/（1024×5）r/min=768r/min

m17/29/202322（2）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

···测速原理：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)

T

7/29/202323例题时钟脉冲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：7/29/2023242、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7/29/2023253、工位编码1—绝对式编码器

2—电动机

3—转轴

4—转盘

5—工件

6—刀具

7/29/202326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：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。7/29/202327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7/29/202328用不同的刀具加工复杂的工件7/29/202329安装套四、编码器的安装方式1.编码器的套式安装7/29/202330安装轴2.编码器的轴式安装7/29/2023313、其他角编码器外形7/29/202332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。7/29/202333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）7/29/202334第三节

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

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。7/29/202335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。

7/29/202336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。a）透射式光栅b）反射式光栅1－光源2－透镜3－指示光栅4－标尺光栅5－光敏元件7/29/202337透射式光栅7/29/202338透射式圆光栅固定7/29/202339反射式光栅7/29/202340二、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

线到高精度等级的21600线不等。例：某一长光栅的栅线密度为：25线/mm，求栅距W（可视为分辨力）W＝1mm/25线＝0.04mm/线＝4μm/线7/29/202341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7/29/202342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7/29/202343三、光栅副的工作原理：

1、莫尔条纹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θ。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。由亮暗带形成光栅的刻线宽度W莫尔条纹的宽度L莫尔条纹的宽度LL≈W/θ

W—栅距θ—为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度

7/29/2023442、莫尔条纹演示7/29/202345

3、莫尔条纹放大作用举例

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）L≈W/θ=0.02mm/（1.8×3.14/180

）

=0.02mm/0.0314=0.637mm莫尔条纹的宽度是栅距的32倍，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。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：7/29/202346三、辨向及细分

1、辨向技术

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：(10－4)×1024＝6144个脉冲。举例：人有两只耳朵，它们的输出信号经大脑处理后，可以判断脑后物体移动的左右方向。在上例中，左边的耳朵称为sin耳朵，右边的耳朵称为cos耳朵。7/29/202347辨向技术通常可以在沿光栅线的y方向上相距（m±1/4）L（相当于电相角1/4周期）的距离上设置sin和cos两套光电元件，这样就可以得到两个相位相差π/2的电信号uos和uoc

经放大、整形后得到u‘os和u’oc两个方波信号，分别送到计算机的两路接口由计算机判断两路信号的相位差。当指示光栅向右移动时，uos滞后于uoc；当指示光栅向左移动时，uos超前于uoc。计算机据此判断指示光栅的移动方向。7/29/2023487/29/202349细分技术细分技术又称倍频技术。如将光敏元件的输出电信号直接计数，则光栅的分辨力只有一个W的大小。为了能够分辨比W更小的位移量，必须采用细分电路。细分电路能在不增加光栅刻线数（线数越多，成本越昂贵）的情况下提高光栅的分辨力。该电路能在一个W的距离内等间隔地给出n个计数脉冲。细分后计数脉冲的频率是原来的n倍，传感器的分辨力就会有较大的提高。通常采用的细分方法有4倍频法、16倍频法等，可通过专用集成电路来实现。7/29/202350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7/29/202351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。7/29/2023523、零位光栅

在增量式光栅中，为了寻找坐标原点、消除误差积累，在测量系统中需要有零位标记（位移的起始点），因此在光栅尺上除了主光栅刻线外，还必须刻有零位基准的零位光栅，以形成零位脉冲，又称参考脉冲。把整形后的零位信号作为计数开始的条件。7/29/2023534、光栅的输出信号（TTL）余弦信号（超前）正弦信号零位信号7/29/202354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7/29/202355四、光栅传感器的应用：

1、为光栅设计的专用数据转接器

（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。7/29/202356为光栅设计的专用信号处理单元（光栅插补器）功能同上7/29/2023572、自由度光栅数显表X位移显示Z（Y）位移显示两个自由度7/29/202358自由度光栅数显表3个自由度7/29/202359光栅在机床上的安装位置（2个自由度）7/29/202360光栅在机床上的安装位置（3个自由度）数显表7/29/202361SDS8-3E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

7/29/202362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7/29/2023633、轴环式数显表

ZBS型轴环式光栅数显表示意图。它的主光栅用不锈钢圆薄片制成，可用于角位移的测量。a）外形b）内部结构c）测量电路框图1－电源线（+5V）2－轴套3－数字显示器4－复位开关5－主光栅6－红外发光二极管

7－指示光栅

8－sin光敏三极管

9－cos光敏三极管数显表7/29/202364第四节

磁栅传感器

磁栅是一种新型传感器。价格低于光栅，且录磁方便、易于安装，测量范围宽可超过十几米，抗干扰能力强。磁栅可分为长磁栅和圆磁栅。长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成。7/29/202365一、磁栅结构：磁尺、磁头和信号处理电路组成。1．磁尺磁尺按基体形状有带状磁尺、线状磁尺（又称同轴型）和圆形磁尺，如图所示。通过录磁磁头在磁尺上录制出节距严格相等的磁信号作为计数信号。节距（栅距）W通常为0.05mm、0.1mm、0.2mm。

2．磁头为了辨别磁头运动的方向，采用两只磁头（sin、cos磁头）来拾取信号。它们相互距离为（m1/4）W，m为整数。为了保证距离的准确性，通常将两个磁头做成一体。7/29/202366磁栅的外形及结构磁尺静态磁头去信号处理电路固定孔7/29/202367磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示7/29/202368二、鉴相型磁栅数显表的原理框图

磁头、磁尺与专用磁栅数显示表配合，可用于检测机械位移量，其行程可达数十米，分辨力优于1μm。7/29/202369磁栅测量系统压板磁头磁尺7/29/202370磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺7/29/202371第五节容栅传感器

容栅传感器是一种新型大位移传感器。基于变面积工作原理的电容传感器，它的电极排列如同栅状。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、造价低、耗电省，广泛应用于电子数显卡尺、千分尺、高度仪、坐标仪等几百毫米以下行程的测量中。

7/29/202372一、结构及工作原理

容栅传感器可分为三类：直线型容栅、圆容栅和圆筒形容栅。其中，直线型和圆筒形容栅传感器用于直线位移的测量，圆形容栅传感器用于角位移的测量。