数字式位置传感器课件.ppt

1、2023-4-271机电类自动检测技术及应用多媒体课件（共（共13章，第十一章）章，第十一章）统一书号：统一书号：ISBN 978-7-111-34300-4课程配套网站www.sensor-或或 2012年年7月版月版介绍介绍几种常用数字式位置传感器的结几种常用数字式位置传感器的结构、原理，如构、原理，如角编码器角编码器、M M法测速、法测速、光栅光栅传感器传感器、莫尔条纹、莫尔条纹、磁栅传感器磁栅传感器、容栅容栅传感器传感器等等，并讨论他们在，并讨论他们在直线位移直线位移和和角角位移位移精密测量以及机床位置控制中的应精密测量以及机床位置控制中的应用。用。第十一章第十一章 数字式位置传感器数

2、字式位置传感器11.1 位置测量方式位置测量方式11.2 角编码器角编码器11.3 光栅传感器光栅传感器11.4 磁栅传感器磁栅传感器11.5 容栅传感器容栅传感器第十一章第十一章 数字式位置传感器数字式位置传感器 目录目录进入进入进入进入进入进入进入进入进入进入第一节 位置测量的方式位置测量的方式 一、直接测量和间接测量一、直接测量和间接测量 位置传感器有位置传感器有直线式直线式和和旋转式旋转式两大类。若位置传两大类。若位置传感器所测量的对象就是被测量本身，即感器所测量的对象就是被测量本身，即用直线式传用直线式传感器测直线位移，用旋转式传感器测角位移感器测直线位移，用旋转式传感器测角位移，则

3、该，则该测量方式为直接测量。例如直接用于直线位移测量测量方式为直接测量。例如直接用于直线位移测量的的直线光栅和长磁栅直线光栅和长磁栅等；直接用于角度测量的等；直接用于角度测量的角编角编码器、圆光栅、圆磁栅码器、圆光栅、圆磁栅等。等。若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值，若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值，再由它再由它推算推算出与之关联的移动部件的直线位移，则出与之关联的移动部件的直线位移，则该测量方式为该测量方式为间接测量间接测量。5直接测量直接测量示意图示意图光栅读数头光栅读数头 光栅尺光栅尺 随动刀具随动刀具6间接测量间接测量示意图示意图 随动刀具随动刀具71.1.直接测量直

4、接测量回转工作台回转工作台旋转运动旋转运动利用角位移利用角位移传感器直接测传感器直接测量工作台的角量工作台的角位移位移直接利用数字式直线位移传感器直接利用数字式直线位移传感器测量直线机床的位移量测量直线机床的位移量直接测量直接测量没有转换没有转换误差误差光栅光栅工作台运动方向工作台运动方向2.2.间接测量间接测量 在在间接测量中，间接测量中，多使用旋转式位置多使用旋转式位置传感器传感器。测量到的。测量到的回转运动参数仅仅回转运动参数仅仅是中间值，但可由是中间值，但可由这中间值再推算出这中间值再推算出与之关联的移动部与之关联的移动部件的直线位移。件的直线位移。间间接测量须使用丝杠接测量须使用丝杠

5、-螺母副、齿轮螺母副、齿轮-齿齿条副等传动机构条副等传动机构。工作台工作台丝杠丝杠编码器编码器进给电机进给电机 x齿轮齿轮-齿条副的位移转换演示齿条副的位移转换演示.例例：设齿轮的分度圆设齿轮的分度圆直直径为径为200mm,齿数齿数z=100,传感器测得齿轮转过了传感器测得齿轮转过了 =180度。度。求求：1）所转过的齿数所转过的齿数N；2）齿条的齿距齿条的齿距t；3)齿条所移动的距离齿条所移动的距离 x。齿轮齿轮齿条齿条-x齿条为直线运动，齿条为直线运动，齿轮作旋转运动齿轮作旋转运动+x解解：1）所转过的齿数所转过的齿数N=(z360)=(100/360)180=50 2）齿条的齿距齿条的齿

6、距 t=D/z=6.28mm；3）齿条所移动的距离）齿条所移动的距离x=N t=506.28=314mm.测出齿轮的角位移测出齿轮的角位移,就可测得齿条的直线位移就可测得齿条的直线位移D传动机构传动机构滚珠丝杠滚珠丝杠-螺母螺母副副、齿轮齿轮-齿条副齿条副等传动机构等传动机构能够能够将旋转运动转换将旋转运动转换成直线运动成直线运动。但。但应设法消除传导应设法消除传导过程产生的过程产生的间隙间隙误差误差。齿距齿距t t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滚珠丝杠丝杠-螺螺母副能够母副能够减小传减小传动磨檫力动磨檫力，延长，延长使用寿命，减小使用寿命，减小间隙误差。间隙误差。螺母螺

7、母丝杠丝杠x 平均螺距误差大于平均螺距误差大于10m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)及螺母移动了多少毫及螺母移动了多少毫米？螺母的平均速度米？螺母的平均速度v又为多少？又为多少？滚珠滚珠螺母螺母丝杠丝杠螺距螺距t=4mmxN=10圈时，圈时，=？度？度x=？mm 齿轮齿轮-齿条副、齿条副、螺母丝杆副等螺母丝杆副等直直线线-旋转转换设备旋转转换设备均存在间隙误差均存在间隙误差,特别是从正转切特别是从正转切换到反转时换到反转时,间隙间隙将导致测量死区将导致测量死区,必须予以补偿。

8、必须予以补偿。二、增量式和二、增量式和 绝对式测量绝对式测量 在在增量式增量式测量中，移动测量中，移动部件部件每移动一个基本长度每移动一个基本长度单位，位置传感器便发出单位，位置传感器便发出一个测量信号一个测量信号，此信号通，此信号通常是脉冲形式。这样，常是脉冲形式。这样，一一个脉冲个脉冲所代表的基本长度所代表的基本长度单位就是单位就是分辨力分辨力，对脉冲，对脉冲计数计数，便可得到位移量。，便可得到位移量。绝对式绝对式测量的特点是：测量的特点是：每一被测点都有一个对应的每一被测点都有一个对应的编码编码,常以常以二进制数据二进制数据形式来表示（形式来表示（例如例如:10 1011 0010:10

9、 1011 0010）。）。即使断电之后即使断电之后再重新上电再重新上电,也能读出绝对式测量传感器当前位置的也能读出绝对式测量传感器当前位置的数据数据。典型的绝对式位置传感器有。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。绝对式角编码器。增量式测量得到的脉冲波形增量式测量得到的脉冲波形第二节第二节 角编码器角编码器 角编码器角编码器是一种旋转式位置传感器是一种旋转式位置传感器，它的，它的转转轴通常与被测旋转轴连接轴通常与被测旋转轴连接，随被测轴一起转动。，随被测轴一起转动。角编码器能将被测轴的角位移转换成角编码器能将被测轴的角位移转换成二进制二进制编码编码或或一连串脉冲一连串脉冲。角编码器有两种基

10、本类型：。角编码器有两种基本类型：绝对式角编码器绝对式角编码器和和增量式角编码器增量式角编码器。回目录回目录光电脉冲角编码器示意图光电脉冲角编码器示意图17一、绝对式角编码器 绝对式码盘与绝对式码盘与增量增量式码盘式码盘有何区别？有何区别？10码道光电绝对式码盘码道光电绝对式码盘 绝对式角编码绝对式角编码器器按照角度直接进按照角度直接进行编码行编码。根据内部。根据内部结构和检测方式有结构和检测方式有接触式接触式、光电式光电式、磁阻式磁阻式等。等。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测量角编码器绝对式测量角编码器 每一个微小的每一个微小的角位移都有一个对角位移都有一个对应的应的编码

11、编码，常以，常以二二进制数据进制数据形式来表形式来表示。在绝对式测量示。在绝对式测量中，即使中途中，即使中途断电，断电，重新上电之后重新上电之后，当当前位置的二进制编前位置的二进制编码数据仍然不变。码数据仍然不变。10绝对式角绝对式角编码器编码器自然二进制码自然二进制码或格雷码或格雷码01绝对式编码器（接触式）绝对式编码器（接触式）演示演示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=36016=22.5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光盘资料）其他角编码器外形（

12、续）其他角编码器外形（续）其他角编码器外形（续其他角编码器外形（续）拉拉线式线式角编角编码器码器利用线轮，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。2 2绝对式光电编码器结构绝对式光电编码器结构 a a）光电码盘的平面结构光电码盘的平面结构（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码盘与增量式码盘的区别绝对式光电码盘与增量式码盘的区别 绝对式光电码盘绝对式光电码盘（1212码道）码道）增量式光电码盘增量式光电码盘（10241024位位）高位高位低位低位绝对式绝对式光电编

13、码器的分辨力及分辨率光电编码器的分辨力及分辨率 绝对式光电编码器绝对式光电编码器的测量分辨力取决于的测量分辨力取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码码道数道数n 有关，即最小能分辨的角度为：有关，即最小能分辨的角度为：=360/2n分辨率分辨率=1/2n增量式增量式光电编码器的分辨力及分辨率光电编码器的分辨力及分辨率增量式光电编码器增量式光电编码器的测量分辨力取决于它的测量分辨力取决于它所能分辨的最小角度，而这所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的与码盘圆周上的狭缝条纹数狭缝条纹数n 有关有关，即最小能分辨的角度及分，即最小能分辨的角度及分辨率为：辨率

14、为：360 11-3n1 11-4n分辨率2023-4-2728E1050-14E1050-14绝对式绝对式角编码器的角编码器的特性参数特性参数.位数位数14分辨力分辨力80最大误差最大误差100外尺寸外尺寸/mm 5040输出轴尺寸输出轴尺寸/mm 612重量重量/g250允许转速允许转速/rmin_1200电源电压电源电压/VDC12(5%)，5(5%)光源光源红外红外LED输出信号输出信号格雷码，格雷码，TTL电平电平使用温度使用温度40+55工作环境工作环境相对湿度相对湿度/（%）相对湿度相对湿度95（35时）时）振动振动/g6冲击冲击/g50二、增量式编码器转轴转轴盘码及盘码及狭缝狭

15、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、B狭缝狭缝LEDABC零位标志零位标志ABC 分辨力分辨力 360/条纹数条纹数例：条纹数例：条纹数1024 360/10240.352 增量式光电编码器增量式光电编码器的内部结构的内部结构1转轴转轴 2LED 3光栏板光栏板 4零标志零标志 5光敏元件光敏元件 6码盘码盘 7印制电路板印制电路板 8电源及信号线连接座电源及信号线连接座 一个脉冲对应一个分辨一个脉冲对应一个分辨角角 增量式编码器（增量式编码器（INC）辨向原理辨向原理 光敏光敏元件所产生的信号元件所产生的信号A A、B B彼彼此相差此相差9090 相位。当码盘正转时，相位。

16、当码盘正转时，A A信号超前信号超前B B信号信号9090；当码盘反转；当码盘反转时，时，B B信号超前信号超前A A信号信号9090。LED光栏板及光栏板及A、B狭缝狭缝cossinC：零位检测：零位检测光电编码器的两个光电编码器的两个“辨向元件辨向元件”光栏板上的光栏板上的两个狭缝距离两个狭缝距离是码盘上的两是码盘上的两个个狭缝距离狭缝距离W的的(m+1/4)倍倍,m 为正整数为正整数,并设并设置了两组光敏置了两组光敏元件元件A、B,有时有时又称为又称为cos、sin元件。元件。W(m+1/4)W A相位超前相位超前B:90（1/4周期周期）例例:W=1mm,cos与与sin元件的距离可以

17、是元件的距离可以是6.25或或8.25mm等等 两路光电信号判断旋转方向两路光电信号判断旋转方向 A超前于超前于B，判断为，判断为正向旋转正向旋转，A也称为也称为cos信号；信号；B也称为也称为sin信号。信号。A A滞后于滞后于B B，判断为，判断为反向旋转反向旋转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光电编码器的光栏板上有A与与B两组狭缝两组狭缝，彼此，彼此错开错开1/4节节距距，两组狭缝相对应的光敏元，两组狭缝相对应的光敏元件所件所产生的信号产生的信号A、B彼此相彼此相差差90 相位相位，用于辩向（辨别，用于辩向（辨别旋转方向）。当码盘旋转方向）。当码盘正转时，正转时，

18、A信号超前信号超前B信号信号90；当码盘；当码盘反转时，反转时，B信号超前信号超前A信号信号90。(请画出反转时信号请画出反转时信号B的波形）的波形）在码盘里圈，还有一根在码盘里圈，还有一根狭缝狭缝C，每转能产生一个每转能产生一个脉冲，脉冲，该脉冲信号又称该脉冲信号又称“一转信号一转信号”或或零标志脉冲零标志脉冲，作为测量的作为测量的起始基准起始基准。零标志（一转脉冲）零标志（一转脉冲）波形及作用波形及作用 一转（360）CC 在码盘里圈，有一条在码盘里圈，有一条狭缝狭缝C C，码盘码盘每转一圈，每转一圈，产生一个脉冲。该脉冲产生一个脉冲。该脉冲信号又称信号又称“一转信号一转信号”或零标志脉冲

19、，作为测或零标志脉冲，作为测量的起始基准（量的起始基准（0 0）。ABC90三、角编码器的应用三、角编码器的应用 角编码器除了能直接测量角位移或角编码器除了能直接测量角位移或间间接测量直线位移接测量直线位移外，还可用于外，还可用于数字测速数字测速（转速转速、直线位移速度）、直线位移速度）、工位编码工位编码、伺伺服电机控制服电机控制等。等。M法测速和法测速和T T法测速法测速a）M法测速法测速 b）T法测速法测速M法测速（适合于高转速场合）法测速（适合于高转速场合）m1 编码器每转产生编码器每转产生 N 个脉冲，在个脉冲，在ts时间段时间段内有内有 m1 个脉冲产生，则转速（个脉冲产生，则转速（

20、r/min)为为：n=60m1/(NT)1 tsM法门控测速电路法门控测速电路先先利用施密特触发器将角编码器的输出脉冲三角波利用施密特触发器将角编码器的输出脉冲三角波转换为矩形波转换为矩形波。当与门的当与门的C端为高电平时，端为高电平时，b端的信号端的信号可以通过与门，到达可以通过与门，到达d端端，然后，然后单片机进行计数，得到单片机进行计数，得到m1个计数结果个计数结果。M M法测速的计算法测速的计算 在一定的时间间隔在一定的时间间隔ts内（内（ts=t 闸门闸门=t门控门控，如，如10s、1s、0.1s等），用编码器所产生的脉冲数来确定速度的方等），用编码器所产生的脉冲数来确定速度的方法称

21、为法测速。法称为法测速。若编码器每转产生若编码器每转产生N个脉冲，在个脉冲，在ts的闸门时间间隔内的闸门时间间隔内得到得到m1个脉，则编码器所产生的脉冲频率为个脉，则编码器所产生的脉冲频率为s1tmf 则转速则转速n（单位为（单位为r/min）为）为NtmNfns160601 1误差简述误差简述M法测速的本质是测频法测速的本质是测频。误差主要由两个因素决。误差主要由两个因素决定：定：一是闸门时间一是闸门时间ts的的误差，可以使用晶振来误差，可以使用晶振来提高闸提高闸门时间的门时间的准确性准确性；二是量化误差二是量化误差，又称为，又称为1误差，见下图，原理误差，见下图，原理见后述。见后述。ts2

22、）产生）产生1误差的原因：测频时，计数脉冲通过闸误差的原因：测频时，计数脉冲通过闸门进入计数器。门进入计数器。由于闸门开启时刻（秒信号的上升沿）由于闸门开启时刻（秒信号的上升沿）和被测计数脉冲上升沿到来的时刻之间的关系是随机和被测计数脉冲上升沿到来的时刻之间的关系是随机的的,有可能在有可能在第二个第二个t闸门闸门时间里，比在第一个时间里，比在第一个t闸门闸门时间时间多计数了一个脉冲，或少计数了一个脉冲多计数了一个脉冲，或少计数了一个脉冲,就造成了就造成了误差。误差。ts例例 某某角角编码器的技术指标为编码器的技术指标为1024个脉冲个脉冲/r（即（即N1024P/r=1K），在），在0.2s时

23、间内，时间内，测测得得100个个脉冲，即脉冲，即ts=0.2s，m=100，求：，求：1）转速）转速n；2）1误差引起的转速测量误差为误差引起的转速测量误差为多少多少r/min。3）如果将）如果将ts延长到延长到1s，求，求1误差误差引起的转速测量误差为多少引起的转速测量误差为多少r/min。解解 1）角编码器轴的转速）角编码器轴的转速n为为1s1006060r/min29.3r/min0.2 1024mnt N3）如果将）如果将ts延长到延长到1s，m必然增加到必然增加到500，则，则结论：采样时间为结论：采样时间为1s时计算得到的转速，与在时计算得到的转速，与在0.2s时间内测得的转速相同

24、，但时间内测得的转速相同，但1个脉冲引起个脉冲引起的误差显然缩小。的误差显然缩小。500 160r/min29.30.06r/min1 1024n2）由于）由于1误差，在误差，在ts时间段里，计数得到的脉时间段里，计数得到的脉冲数冲数m=1001个脉冲，则个脉冲，则M M法测速计算法测速计算T例例：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/r，在在5s时间内测得时间内测得65536个单向脉冲，个单向脉冲，求：转速求：转速n（r/min)解解：n=6065536 1024 5=768 r/min m1T法测速（适合于低转速场合）法测速（适合于低转速场合）时钟脉冲时

25、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，用已知频率个脉冲，用已知频率fc作为作为时钟时钟，填充到角编码器输出的，填充到角编码器输出的两个相邻两个相邻脉冲之间脉冲之间的脉冲数为的脉冲数为m2个，则转速个，则转速(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 解：解：n=60fc/(Nm2)=60106(10243000)=19.53 r/min例例：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/r，插，插入时钟频率入时钟频率fc为为1MHz。测

26、得输出两个相邻脉冲之间。测得输出两个相邻脉冲之间的脉冲数为的脉冲数为3000，求转速，求转速n（r/min)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伺服电机中的应用编码器在伺服电机中的应用利用利用编码器编码器测量测量伺服电机的转速伺服电机的转速、转角转角，并，并通过伺服通过伺服控制系统控制系统控制其各控制其各种运行参数。种运行参数。转速测量转速测量转子磁极位置测量转子磁极位置测量角位移测量角位移测量编码器在伺服电机中的应用编码器在伺服电机中的应用a）外形）外形 b）控制系统框图）控制系统框

27、图1 电动机转子轴电动机转子轴 2电动机本体电动机本体 3光电编码器光电编码器4三相电源连接座三相电源连接座 5光电角编码器输出（航空插头）光电角编码器输出（航空插头）增量式编码器在定位增量式编码器在定位加工中的加工中的应用应用（例（例1，增量式），增量式）1 1绝对式编码器绝对式编码器 2电动机电动机 3转轴转轴 4转盘转盘 5工件工件 6刀具刀具 设该增量式光电编码器的参设该增量式光电编码器的参数为数为1024 p/r，大、小皮带轮，大、小皮带轮的的传动比为传动比为5，若希望当加工，若希望当加工好元件好元件3后紧接着加工元件后紧接着加工元件4，则电动机应转动多少分之几则电动机应转动多少分之

28、几圈？应等待圈？应等待角编码器给出多角编码器给出多少脉冲数时少脉冲数时，电动机停转电动机停转？绝对式编码器在定位绝对式编码器在定位加工中的加工中的应用应用（例（例 2，绝对式计算），绝对式计算）1 1绝对式编码器绝对式编码器 2电动机电动机 3转轴转轴 4转盘转盘 5工件工件 6刀具刀具 设工位设工位1 1刚已完成加工，要刚已完成加工，要使处于工位使处于工位2 2上的工件转到加上的工件转到加工点等待钻加工，计算机就控工点等待钻加工，计算机就控制电动机，使带轮带动转盘制电动机，使带轮带动转盘逆逆时针旋转时针旋转。与此同时，绝对式。与此同时，绝对式角编码器（假设为角编码器（假设为4 4码道）输码道

29、）输出的编码不断变化。当输出出的编码不断变化。当输出从从00000000变为变为00100010时时，表示转盘已，表示转盘已将工位将工位2 2转到图中的加工点，转到图中的加工点，电动机停转，并急刹车。电动机停转，并急刹车。也可以在也可以在即将到达设定的二进即将到达设定的二进制编码时制编码时,预先断电预先断电,再刹车。再刹车。数控数控加工中心加工中心 编码器在数控编码器在数控加加工中心的刀库选刀工中心的刀库选刀控制中控制中的应用的应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 旋转刀库连接旋转刀库连接 用不同的刀具用不同的

30、刀具完成不同的加工完成不同的加工 皮带式刀库皮带式刀库2023-4-2757角编码器角编码器用于汽车用于汽车壳体焊接壳体焊接机械手机械手绝对式角绝对式角编码器安装编码器安装于机械手的于机械手的各个关节，各个关节，角度变化与角度变化与设定值对比，设定值对比，步进电机控步进电机控制。制。第三节第三节 光栅传感器光栅传感器 一、光栅的类型和结构一、光栅的类型和结构 计量光栅可分为计量光栅可分为透射式光栅透射式光栅和和反射式光栅反射式光栅两两大类，均由大类，均由光源光源、光栅副光栅副、光敏元件光敏元件三大部分三大部分组成。计量光栅按形状又可分为组成。计量光栅按形状又可分为长光栅长光栅和和圆光圆光栅栅。

31、光栅副光栅副由由光栅尺光栅尺和和光电扫描头光电扫描头组成。组成。光电扫描头光电扫描头由细分辨向用光敏元件（由细分辨向用光敏元件（2路或路或4路）、零位光敏元件等组成。路）、零位光敏元件等组成。回目录回目录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 （与移动部件固定）（与移动部件固定）扫描头安装孔扫描头安装孔可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长磁栅防尘保护罩的内部为长磁栅扫描头扫描头（与移动部件固定）（与移动部件固定）光栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构（续）光栅的外形及结构（续）透射式直线光栅结构及组成透射式直线光栅结构及组成 1光源

32、光源 2透镜透镜 3指示光栅指示光栅 4主光栅（标尺光栅）主光栅（标尺光栅）5零位零位光栅光栅 6细分辨向用光敏元件细分辨向用光敏元件（2路或路或4路）路）7零位光敏元件零位光敏元件 光源、透镜、指示光栅光源、透镜、指示光栅及光敏元件均固定在扫描头及光敏元件均固定在扫描头内，随扫描头一起联动。内，随扫描头一起联动。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(只画出其中一小部分只画出其中一小部分)反射式光栅反射式光栅反射式光栅及读出光电信号莫尔条纹演示反射式光栅及读出光电信号莫尔条纹演示莫尔条纹莫尔条纹的光学放大作用的光学放大作用 在透射式直线光栅中，在透射式直线光栅中，把主光栅与指示

33、光栅的刻线面把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起相对叠合在一起，中间留有很小的间隙中间留有很小的间隙，并使两者的栅并使两者的栅线保持很小的夹角线保持很小的夹角。在两条光栅的透光线的重合处，在两条光栅的透光线的重合处，光从缝隙透过，形成亮带光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的不透光处，在两光栅刻线的不透光处，由于相互挡光作用而形成暗带由于相互挡光作用而形成暗带。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 暗线到暗线的暗线到暗线的间距间距 LW/，（为主为主光栅和光栅和指示光栅刻线的指示光栅刻线的夹角，弧度夹角，弧度）莫尔条纹莫尔条纹的光学放大作用的光学放大作用（暗线到

34、暗线的间距大于刻线的间距）（暗线到暗线的间距大于刻线的间距）暗线到暗线的间距暗线到暗线的间距栅距栅距透射光线透射光线莫尔条纹莫尔条纹演示演示莫尔条纹莫尔条纹光学光学放大作用的计算放大作用的计算 例例:有一直线光栅，每毫米刻线数为有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示，主光栅与指示光栅的夹角光栅的夹角 =1.8=1.8 3.14/180 弧度，求：分辨力弧度，求：分辨力解解：分辨力分辨力 =栅距栅距W=1mm50=0.02mm=20 m （由于栅距很小，因此（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化无法观察光强的变化）由以下计算可知，由以下计算可知，莫尔条纹的宽度是栅距的莫尔条纹的宽度是栅距

35、的32倍倍：L W/=0.02mm/(1.8 3.14/180 )=0.02mm0.0314=0.02mm32=0.64mm 由于由于莫尔条纹间距莫尔条纹间距有有0.64mm，因此，因此可以用小面积的可以用小面积的光电池光电池，通过，通过“狭缝狭缝”来来“观察观察”莫尔条纹莫尔条纹光强的变光强的变化化。LW光栅输出信号（正弦波，光栅输出信号（正弦波，1V1V）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光栅输出信号整形后转换为光栅输出信号整形后转换为TTLTTL电平电平整形后的整形后的余弦信号余弦信号（超前）（超前）整形后的整形后的正弦信号正弦信号（滞后（滞后90）零位信号零位

36、信号sin和和cos光敏元件的光敏元件的输出电压波形及细分脉冲输出电压波形及细分脉冲 a）光栅位移与光强及输出电压的关系）光栅位移与光强及输出电压的关系 b）整形后方波的上升沿和下降沿）整形后方波的上升沿和下降沿 c）4细分脉冲细分脉冲脉冲细分脉冲细分细分技术能在细分技术能在不增不增加光栅刻线数及价格加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅的的情况下提高光栅的分辨力分辨力。细分前，光栅的分细分前，光栅的分辨力只有一个栅距的辨力只有一个栅距的大小大小。采用采用4 4细分技术后，细分技术后，计数脉冲的频率提高计数脉冲的频率提高了了4 4倍，相当于原光倍，相当于原光栅的分辨力提高了栅的分辨力提高了3 3倍

37、，倍，较大地提高了测较大地提高了测量准确度。量准确度。细分前细分前细分后细分后光栅细分光栅细分举例举例 例例：有一直线光栅，每毫米刻线数为：有一直线光栅，每毫米刻线数为50，采，采用用4细分细分技术，求：细分前后的分辨力技术，求：细分前后的分辨力 。解解：分辨力：分辨力 =W/4=(1mm/50)4 =0.02mm 4=0.005mm=5 m结论：在结论：在不增加光栅刻线数（成本）不增加光栅刻线数（成本）的情况的情况下，采用细分技术，将分辨力提高了下，采用细分技术，将分辨力提高了3倍倍（数值变小）。（数值变小）。辨向电路及波形辨向电路及波形 如果传感器只安装一套光电元件，则在如果传感器只安装一

38、套光电元件，则在实际应用中，实际应用中，无论光栅作正向移动还是反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。无法分辨位移的方向。例例：某：某1024p/r 圆光栅，正转圆光栅，正转10圈，反转圈，反转 4 圈，圈，若不采取辨向措施，则计数器将错误地得到若不采取辨向措施，则计数器将错误地得到14336个脉冲。求：个脉冲。求：采用辨向电路后的计数值采用辨向电路后的计数值。解解：辨向后的计数值为辨向后的计数值为 N=101024-410246144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 正向运动正向运动时，只有

39、与时，只有与门门IC1有有“加加”计数脉冲输计数脉冲输出。而与出。而与门门IC2无无“减减”计数脉冲输计数脉冲输出。反向运出。反向运动时，情况动时，情况相反，计算相反，计算机做减法。机做减法。微机光栅数显表的组成框图微机光栅数显表的组成框图 在微机光栅数显表中，在微机光栅数显表中，放大、整形采用传统的集放大、整形采用传统的集成电路成电路，辨向、辨向、细分由单片机来完成细分由单片机来完成。为光栅设计的专用数据转接器为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）（光栅计数卡）内部包含以下电路：内部包含以下电路：放大、整形、细放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换分、辨向、报警、阻抗变换等。等。为光栅设计

40、为光栅设计的专用信号的专用信号处理单元处理单元 （光栅插补器）（光栅插补器）功能：功能：放大、整形、放大、整形、细分、辨向、报警、细分、辨向、报警、阻抗变换阻抗变换等。等。光栅在机床上的安装位置光栅在机床上的安装位置（2 2个自由度）个自由度）光栅在机床上的安装位置光栅在机床上的安装位置（3个自由度）个自由度）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个自由度）个自由度）（续）（续）2 2自由度光栅数显表自由度光栅数显表X位移位移显示显示Z或或Y位移位移显示显示3 3自由度光栅数显表自由度光栅数显表光栅数显表（续）光栅数显表（续）三座标三座标数显表数显表SDS8-3E SD

41、S8-3E 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 到达目标值停机到达目标值停机 PCD圆周分孔圆周分孔 200组零位记忆组零位记忆 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第四节第四节 磁栅传感器磁栅传感器 磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易

42、于安装，磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易于安装，测量范围宽可测量范围宽可超过十几米超过十几米，抗干扰能力强。磁栅，抗干扰能力强。磁栅可分为可分为长磁栅长磁栅和和圆磁栅圆磁栅。长磁栅主要用于直线位。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。移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。磁栅传感磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成。目前目前还出现了还出现了磁敏电阻磁敏电阻原理的原理的磁头磁头，可，可不必设置励磁不必设置励磁电路电路，检测速度也进一步提高检测速度也进一步提高。还有一种。还有一种“空间空间静磁栅静磁栅”，在失电，在失电上电后，仍能正确地反映失

43、上电后，仍能正确地反映失电前的位置或角度，实现了磁栅的电前的位置或角度，实现了磁栅的“绝对编码绝对编码”。回目录回目录磁栅的外形及结构磁栅的外形及结构磁尺磁尺静态磁头静态磁头去信号处理电路去信号处理电路固定孔固定孔磁栅测量系统磁栅测量系统数显表数显表1磁头磁头磁尺边缘压磁尺边缘压紧在机床上紧在机床上卷状磁尺卷状磁尺接口电路接口电路数显表数显表2预先用预先用激光干涉激光干涉仪录磁仪录磁磁栅在机床上的安装磁栅在机床上的安装磁栅尺磁栅尺磁栅价格低于光栅磁栅价格低于光栅，且且录磁方便、易于安录磁方便、易于安装装，测量范围宽可超测量范围宽可超过十几米过十几米，抗振动和，抗振动和抗冲击能力强。抗冲击能力强

44、。长磁长磁栅主要用于直线位移栅主要用于直线位移测量测量，圆磁栅主要用圆磁栅主要用于角位移测量于角位移测量。磁栅磁栅传感器主要由磁尺、传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路磁头和信号处理电路组成组成。数显表数显表磁头与磁尺相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 磁尺与磁头磁尺与磁头属于接触式测量属于接触式测量，由于摩擦等因数，使用寿命不由于摩擦等因数，使用寿命不如光栅，数年后如光栅，数年后易退磁易退磁。cos、sin磁头相磁头相距整数倍距整数倍W再加再加1/4栅距栅距磁尺磁尺XCCB磁栅传磁栅传感器的感器的特性参数特性参数 .

45、刻线数刻线数/线线mm_ _120分辨力分辨力/m0.5最大误差最大误差/m(5+5L/1000)全长全长/mmL+143有效长度有效长度L/mm100900最大行程最大行程/mmL+22mm最大响应速度最大响应速度/mmin_ _160激励源激励源10kHz脉冲脉冲/mm(细分前细分前)20(TTL电平）电平）移动寿命移动寿命/km9000电缆最大长度电缆最大长度/m30例：某磁栅传感器特性见上页，例：某磁栅传感器特性见上页，刻线数刻线数为每为每mm20mm20线，现希望分辨力达到线，现希望分辨力达到1 1 m m，求细分数。求细分数。解解：XCCB磁栅传感器磁栅传感器细分以前细分以前的的分

46、辨力分辨力1W=1mm20=50 m 则：则：细分数细分数m=50 m0.5 m=100细分细分结论：结论：需使用多磁头来组成细分电路，并由需使用多磁头来组成细分电路，并由专专用高速模块用高速模块进行计算，才能达到进行计算，才能达到100细分的要细分的要求。求。除此之外，细分后的除此之外，细分后的绝对误差比绝对误差比50 m大好大好几倍，必须通过激光干涉仪标定，才能逐段修几倍，必须通过激光干涉仪标定，才能逐段修正绝对误差正绝对误差。磁栅测量系统磁栅测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应用磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺磁尺磁头安装在何处？磁头安装在何处？磁栅在铣床磁栅在铣床直线

47、位移测直线位移测量中的应用量中的应用磁尺磁尺数显表数显表第五节第五节 容栅传感器容栅传感器 容栅传感器是基于容栅传感器是基于变面积变面积工作原理的电工作原理的电容传感器，它的容传感器，它的电极排列如同栅状电极排列如同栅状。与其。与其他大位移传感器，如光栅、磁栅等相比，他大位移传感器，如光栅、磁栅等相比，虽然准确度差一个数量级，但虽然准确度差一个数量级，但体积小、造体积小、造价低、耗电省价低、耗电省，广泛应用于电子数显卡尺、，广泛应用于电子数显卡尺、千分尺、高度仪、坐标仪等千分尺、高度仪、坐标仪等几百毫米以下几百毫米以下行程的测量中，分辨力为行程的测量中，分辨力为10m。回目录回目录结构及工作原

48、理结构及工作原理 容栅传感器可分为三类：容栅传感器可分为三类：直线型容直线型容栅、栅、圆容栅圆容栅。其中，。其中，直线型容栅传感器直线型容栅传感器用于直线位移的测量用于直线位移的测量，圆形容栅传感器圆形容栅传感器用于角位移的测量用于角位移的测量。容栅的结构容栅的结构 a a）动尺和定尺上的电极）动尺和定尺上的电极 b b）定尺、动尺的位置关系）定尺、动尺的位置关系 c c）发射电极和反射电极的相互关系）发射电极和反射电极的相互关系1 1发射电极发射电极 2 2反射电极反射电极 3 3接收电极接收电极 4 4屏蔽电极屏蔽电极容栅结构放大图容栅结构放大图 a a）动尺和定尺上的电极）动尺和定尺上的

49、电极 b b）定尺、动尺的位置关系）定尺、动尺的位置关系 c c）发射电极和反射电极的相互关系）发射电极和反射电极的相互关系1 1发射电极发射电极 2 2反射电极反射电极 3 3接收电极接收电极 4 4屏蔽电极屏蔽电极容栅传感器的内部结构及容量变化曲线容栅传感器的内部结构及容量变化曲线节距节距5.09mm（线路板（线路板上导电极板的间距），上导电极板的间距），分辨力分辨力0.01mm，采用，采用8组容栅进行细分。组容栅进行细分。随着转子与定子电极的重合或分离，电容量周期变化随着转子与定子电极的重合或分离，电容量周期变化容栅的结构容栅的结构 当当“动尺动尺”相对相对“定尺定尺”移动移动x距离时距

50、离时,“发射电极发射电极”与与“反射电极反射电极”间的间的相对面积发生变化相对面积发生变化,反射电极上的电荷反射电极上的电荷量发生变化量发生变化,并并将电荷感应到将电荷感应到“接收电极接收电极”上上,在接收电在接收电极上累积的极上累积的电荷电荷Q与位移量与位移量x成正比成正比。经运算器处理后进。经运算器处理后进行公行公/英制转换和英制转换和BCD码转换码转换,再由译码器将再由译码器将BCD码转变码转变成七段码成七段码,送显示驱动单元。送显示驱动单元。容栅传感器使用容栅传感器使用“锁相环锁相环”倍频。倍频。容栅传感器特性指标容栅传感器特性指标量程：量程：025mm；节距节距5.09mm；分辨力：