单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,,*,,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,,*,,本章,学习几种常用数字式位置传感器的结构、原理，如角编码器、光栅传感器、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中测量、控制的应用第十一章,数字式位置传感器,2024/8/30,1,本章学习几种常用数字式位置传感器的结构、原理,第一节,位置测量的方式,,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,2024/8/30,2,第一节 位置测量的方式 一、直接测量和间接测量,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,2024/8/30,3,1.直接测量 直接测量的误差较小工作台光栅工作台运,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,θ,,,x,2024/8/30,4,2.间接测量 在间接测量中，多使用旋转式,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,,θ,,x,2024/8/30,5,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,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,θ,,2024/8/30,6,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,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,2024/8/30,7,传动分析 设：螺距t=4mm，丝杠在4s时间里转动了1,,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,2024/8/30,8,二、增量式和 绝对式测量 在增量式测量中，移动,休 息 一 下,2024/8/30,9,休 息 一 下2023/9/59,第十一章：第二节 数字式角编码器,,信号航空插头,,（参考德国沃申道夫公司资料）,2024/8/30,10,第十一章：第二节 数字式角编码器 信号航空插头（参考德国沃申,其他角编码器外形,2024/8/30,11,其他角编码器外形2023/9/511,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2024/8/30,12,其他角编码器外形（续） 拉线式角编码器利用线轮,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）,,2024/8/30,13,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）,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,2024/8/30,14,一、绝对式编码器 绝对式码盘与增量式码盘有何,,,,,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,°,/2,n,,2024/8/30,15,绝对式接触式编码器演示4个电刷 4位二进制码盘 +5V输,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、光敏元件的对应关系（,4,码道）,,,高位,低位,2024/8/30,16,2．绝对式光电编码器 a）光电码盘的平面结构（8码道）,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：,,,α=360°/2,n,分辨率,=1/2,n,,2024/8/30,17,绝对式光电编码器的分辨力及分辨率 绝对式光电编码器,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：,,2024/8/30,18,增量式光电编码器的分辨力及分辨率 增量式光电编码器,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,2024/8/30,19,二、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,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。
2024/8/30,20,光电编码器的输出波形 为了判断码盘旋转的方向，在,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,2024/8/30,21,辨向信号和零标志 光电编码器的光栏板上有A,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2024/8/30,22,三、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,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,m,1,,个脉冲产生，则转速（,r/min),为 ：,n,= 60,m,1,/,（,NT,）,,,,,m,1,2024/8/30,23,M法测速（适合于高转速场合）T 编码器每转产,例题,,T,,有一增量式光电编码器，其参数为,1024,p/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,,= 768,r/min,,,m,1,2024/8/30,24,例题T 有一增量式光电编码器，其参数为102,T,法测速（适合于低转速场合）,,时钟脉冲,f,c,,编码器输出脉冲,,m,2,,···,,编码器每转产生,N,个脉冲，用已知频率,f,c,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,m,2,,，则转速,(r/min),为,n,= 60,f,c,/,（,Nm,2,）,,2024/8/30,25,T法测速（适合于低转速场合）时钟脉冲fc 编码器输出脉冲 m,T,法测速举例,,时钟脉冲,f,c,,编码器输出脉冲,,m,2,,···,n,= 60,f,c,,/,（,N,m,2,,）,,,= 60*,1000000,/,（,1024*,3000,）,,=19.53,r/min,,有一增量式光电编码器，其参数为,1024,p/r,，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为,3000,，时钟频率,f,c,为,1MHz,，则转速（,r/min),为 ：,2024/8/30,26,T法测速举例时钟脉冲fc 编码器输出脉冲 m2 ··· n,,安装套,编码器的安装方式,1.,编码器的套式安装,2024/8/30,27,安装套编码器的安装方式 1.编码器的套式安装2023/9,,安装轴,2.,编码器的轴式安装,2024/8/30,28,安装轴2.编码器的轴式安装2023/9/528,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,1024,p/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？,,2024/8/30,29,编码器在定位加工中的应用1—绝对式编码器 2—电动机,数控,加工中心,2024/8/30,30,数控加工中心2023/9/530,,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,2024/8/30,31,编码器在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用,,用不同的刀具加工复杂的工件,2024/8/30,32,用不同的刀具加工复杂的工件2023/9/5,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,2024/8/30,33,编码器在伺服电机中的应用 利用编码器测量伺服电,休 息 一 下,2024/8/30,34,休 息 一 下2023/9/534,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计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅2024/8/30,35,第三节 光栅传感器 一、光栅的类型和结构 计量光栅,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,2024/8/30,36,尺身尺身安装孔 反射式扫描头,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）,2024/8/30,37,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,2024/8/30,38,反射式光栅2023/9/538,透射式光栅,2024/8/30,39,透射式光栅2023/9/539,透射式圆光栅,,固定,2024/8/30,40,透射式圆光栅固定2023/9/540,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,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光栅的刻线宽度,W,莫尔条纹的,宽度,L,L,≈,W,/,θ,,，（,θ,为主,光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）,,2024/8/30,41,莫尔条纹的光学放大作用 在透射式直线光栅中，把主光栅,莫尔条纹,演示,,,2024/8/30,42,莫尔条纹演示2023/9/542,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=20,,m,（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：,,L,≈,W,/,θ,= 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2024/8/30,43,莫尔条纹光学放大作用举例 有一直线光栅，每毫,光栅的输出信号（,TTL,）,余弦信号,（超前）,正弦信号,零位信号,2024/8/30,44,光栅的输出信号（TTL）余弦信号正弦信号零位信号2023/9,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,2024/8/30,45,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20,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,2024/8/30,46,脉冲细分 细分技术能在不增加光栅刻线数及价,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=5,,m,,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2024/8/30,47,光栅细分举例 有一直线光栅，每毫米刻线数为5,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,1024,p/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2024/8/30,48,辨向电路及波形 如果传感器只安装一套光电元件，则在,正向运动产生 加法脉冲,,正向运动时，与,门,IC,2,无“减”计数脉冲输出。
2024/8/30,49,正向运动产生 加法脉冲 正向运动时，与门IC2无“减,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2024/8/30,50,为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡） 内部,为光栅设计 的专用信号 处理单元 （光栅插补器）,功能同上页,2024/8/30,51,为光栅设计 的专用信号 处理单元 （光栅插补器）功能同,光栅在机床上的安装位置（,2,个自由度）,2024/8/30,52,光栅在机床上的安装位置（2个自由度）2023/9/552,光栅在机床上的安装位置（,3,个自由度）,数显表,2024/8/30,53,光栅在机床上的安装位置（3个自由度）数显表2023/9/55,光栅在机床上 的安装位置 （,3,个自由度）（续）,2024/8/30,54,光栅在机床上 的安装位置 （3个自由度）（续）2023/,2,自由度光栅数显表,,X,位移,显示,Z,（,Y,）位移,显示,2024/8/30,55,2自由度光栅数显表X位移显示Z（Y）位移显示2023/9/5,3,自由度光栅数显表,,2024/8/30,56,3自由度光栅数显表2023/9/556,光栅数显表（续）,三座标,数显表,,2024/8/30,57,光栅数显表（续）三座标数显表2023/9/557,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,2024/8/30,58,SDS8-3E 光栅数显箱功能: 公制/英制转换 绝对/相,光栅数显表（续）,,设定按键,2024/8/30,59,光栅数显表（续） 设定按键2023/9/559,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,2024/8/30,60,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,休 息 一 下,2024/8/30,61,休 息 一 下2023/9/561,第十一章：第四节 磁栅传感器,,,磁栅价格低于光栅，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2024/8/30,62,第十一章：第四节 磁栅传感器 磁栅价格低于光栅,磁栅的外形及结构,,磁尺,静态磁头,去信号处理电路,固定孔,2024/8/30,63,磁栅的外形及结构磁尺静态磁头去信号处理电路固定孔2023/9,磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示,,,2024/8/30,64,磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示2023/9/564,鉴相型磁栅数显表的原理框图,,磁尺与磁头接触，使用寿命,不如光栅，数年后易退磁设置两个磁头的,意义何在？,2024/8/30,65,鉴相型磁栅数显表的原理框图 磁尺与磁头接触，使用寿命设置两个,磁栅测量系统,,压板,磁头,磁尺,2024/8/30,66,磁栅测量系统压板磁头磁尺2023/9/566,磁栅在磨床测长系统中的应用,,磁尺,,磁头安装在何处？,2024/8/30,67,磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺磁头安装在何处？2023/9/,第五节 容栅传感器,,,容栅传感器是基于,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2024/8/30,68,第五节 容栅传感器 容栅传感器是基于变面积工作,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2024/8/30,69,结构及工作原理 容栅传感器可分为三类：直线型容栅、,各种容栅测量装置,,2024/8/30,70,各种容栅测量装置2023/9/570,各种容栅数显表,,2024/8/30,71,各种容栅数显表2023/9/571,各种容栅数显卡尺,,2024/8/30,72,各种容栅数显卡尺2023/9/572,各种容栅数显卡尺（续）,,该卡尺的分辨力为多少微米？,2024/8/30,73,各种容栅数显卡尺（续）该卡尺的分辨力为多少微米？2023/9,各种容栅卡尺（续）,,2024/8/30,74,各种容栅卡尺（续）2023/9/574,各种容栅数显卡尺（续）,,外卡尺,汽车专用卡尺,2024/8/30,75,各种容栅数显卡尺（续）外卡尺汽车专用卡尺2023/9/575,各种容栅数显卡尺（续）,内卡尺,2024/8/30,76,各种容栅数显卡尺（续）内卡尺2023/9/576,容栅数显卡尺的结构,2024/8/30,77,容栅数显卡尺的结构2023/9/577,容栅数显卡尺内的数据和信号处理组合功能块,2024/8/30,78,容栅数显卡尺内的数据和信号处理组合功能块2023/9/578,数显千分尺,该千分尺的分辨力为多少微米？,2024/8/30,79,数显千分尺该千分尺的分辨力为多少微米？2023/9/579,数显千分尺（续）,,2024/8/30,80,数显千分尺（续）2023/9/580,数显外径测量台,2024/8/30,81,数显外径测量台2023/9/581,数显内螺孔深度尺,2024/8/30,82,数显内螺孔深度尺2023/9/582,容栅数显百分表,红宝石测头,2024/8/30,83,容栅数显百分表红宝石测头2023/9/583,其他容栅数显百分表,2024/8/30,84,其他容栅数显百分表2023/9/584,容栅数显千分表,,可以显示,1,,m,位移量的千分表,,千分表与百分表的本质区别在哪里？,,2024/8/30,85,容栅数显千分表 可以显示1m位移量的千分表 千分表,容栅数显测高仪,,量程,750mm,分辨率,0.001mm,示值误差,0.0075mm,示值重复性,0.002mm (3σ),测量力,1~3N,可调 测量滑架的最大速度,1,米,/,秒,,,,底座,测头,2024/8/30,86,容栅数显测高仪量程 750mm 分辨率 0.001mm 示值,容栅数显测高仪,1.,测力调节,,2.,测头导轨,,3.,测头,,4.,坐,垫,,5.,液晶屏显示,,6.,触摸开关,,7.RS-232,输出,,8.,打印机,,9.,驱动开关,,10.,气泵开关,,11.,电源线,,,2024/8/30,87,容栅数显测高仪1.测力调节 2.测头导轨 3.测头 4.坐垫,休 息 一 下,2024/8/30,88,休 息 一 下2023/9/588,。