自动检测技术与应用第十一章

1、 本章本章学习几种常用数字式位置学习几种常用数字式位置传感器的结构传感器的结构、原理原理，如如角编码角编码器器、光栅传感器光栅传感器、磁栅传感器磁栅传感器、容容栅传感器栅传感器等等，并讨论他们在并讨论他们在直线位直线位移移和和角位移角位移测量测量、控制中的应用控制中的应用。 第十一章第十一章 数字式位置传感器数字式位置传感器 第一节 位置测量的方式位置测量的方式 一一、直接测量和间接测量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两大类。若位置若位置 传感器所测量的对象就是被测量本身传感器所测量的对象就是被测量本身，即即用直线式用直线式 传感器测直线位移传感器测直线位移，用旋转式传感器测角位移用旋转式传感器测角位移，则则 该测量方式为直接测量该测量方式为直接测量。例如直接用于直线位移测例如直接用于直线位移测 量的量的直线光栅和长磁栅直线光栅和长磁栅等等；直接用于角度测量的直接用于角度测量的角角 编码器编码器、圆光栅圆光栅、圆磁栅圆磁栅等等。 若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间 值值，再由它再由它推算推算出与

2、之关联的移动部件的直线位出与之关联的移动部件的直线位 移移，则该测量方式为则该测量方式为间接测量间接测量。 1 1. .直接测量直接测量 回转工作台回转工作台 旋转运动旋转运动 利用角位利用角位移传感器直接移传感器直接测量工作台的测量工作台的角位移角位移 直接利用数字式直线位移传感器测量 直线机床的位移量 直接测量直接测量 的误差的误差 较小较小 光栅光栅 工作台运动方向工作台运动方向 2015/12/6 Sunday 5 2 2. .间接测量间接测量 在间接测量在间接测量 中中，多使用旋转式多使用旋转式 位置传感器位置传感器。测量测量 到的回转运动参数到的回转运动参数 仅仅是中间值仅仅是中间值，但但 可由这中间值再推可由这中间值再推 算出与之关联的移算出与之关联的移 动部件的直线位移动部件的直线位移 间接测量须使用丝间接测量须使用丝 杠杠- -螺母螺母、齿轮齿轮- -齿齿 条等传动机构条等传动机构。 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 传动机构传动机构 滚珠丝杠螺母滚珠丝杠螺母 副副、齿轮齿轮- -齿条副齿条副 等传动机构能够等传动机构能够 将旋转运动转换将旋

3、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 滚珠丝杠螺母滚珠丝杠螺母副能够将减小传副能够将减小传动磨檫力动磨檫力，延长延长使用寿命使用寿命，减小减小间隙误差间隙误差。 螺母螺母 丝杠丝杠 x 2015/12/6 Sunday 8 传动分析传动分析 设设：螺距螺距t=4mm，丝杠在丝杠在4s时间里转动了时间里转动了10 圈圈，求求：丝杠的平均转速丝杠的平均转速n(r/min)及螺母移动了多及螺母移动了多 少毫米少毫米？螺母的平均速度螺母的平均速度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 二二、增量式和增量式和 绝对式测量绝对式测量 在在增量式增量式测量中测量中， 移动部件每移动一个基移动部件每移动一个基 本长度单位本长度单位，位置传感位置传感 器便发出一个测量信器便发出一个测量信 号号，此信号通常是脉冲此信号通常是脉冲 形式形式。这样这样，一个脉冲一个脉冲 所代表的基本长度单位所代表的基本长度单位 就是就是分辨力分辨力，对脉冲

4、对脉冲计计 数数，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形式 来表示来表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前也能读出当前 位置的数据位置的数据。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 角编码器又称角编码器又称码盘码盘，是一种旋转式位置是一种旋转式位置传感器传感器，它的它的转轴通常与被测旋转轴连接转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二二进制编码进制编码或或一连串脉冲一连串脉冲。角编码器有两种基角编码器有两种基本类型本类型：绝对式角编码器绝对式角编码器和和增量式角编码增量式角编码器器。 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

5、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 示示。在绝对式测量在绝对式测量 中中，即使中途即使中途断断 电电，重新上电之重新上电之 后后，也能读出当前也能读出当前 位置的数据位置的数据。 1 0 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 0 1 2015/12/6 Sunday 13 绝对式编码器绝对式编码器（接触式接触式）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 + +5 5V V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 2015/12/6 Sunday 14 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

6、技术专业公司） 2015/12/6 Sunday 15 其他角编码器外形其他角编码器外形（续续） 2015/12/6 Sunday 16 其他角编码器外形其他角编码器外形（续续） 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绝对式光电编码器绝对式光电编码器 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）光电码盘与光源光电码盘与光源、光敏元件的对应关系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测量精度取决于它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所能分辨的最小角度，而这与码盘上的而这与码盘上的码道码道 数数n 有关有关，即最小能分辨的角度为即最小能分辨的角度为： =360/2n 分辨率分辨率=1

7、/2n 2015/12/6 Sunday 20 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 增量式光电编码器的测量精度取决于它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所能分辨的最小角度，而这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即最小能分辨的角度及 分辨率为分辨率为： 36011-3n111-4n分辨率2015/12/6 Sunday 21 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、B狭缝狭缝 LED A B C 零位标志零位标志 A B C 2015/12/6 Sunday 22 辨向原理辨向原理 光敏元件所产生的信号光敏元件所产生的信号A A、B B彼彼 此相差此相差9090 相位相位。当码盘正转时当码盘正转时， 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 2015/12/6 Sunday 23 光电编码器的输出

8、波形光电编码器的输出波形 上图光栏板上的两个狭缝距离是码上图光栏板上的两个狭缝距离是码 盘上的两个盘上的两个狭缝距离的狭缝距离的（m +1/4）倍倍，m 为正整数为正整数，并设置了两组光敏元件并设置了两组光敏元件A、B，有时又称为有时又称为sin、cos元件元件。 2015/12/6 Sunday 24 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 A超前于超前于B B，判断为判断为正向旋转正向旋转， 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光电编码器的光栏板上 有有A组与组与B组两组狭缝组两组狭缝，彼此彼此 错开错开1/4节距节距，两组狭缝相对应两组狭缝相对应 的光敏元件所产生的信号的光敏元件所产生的信号A、 B彼此相差彼此相差90 相位相位，用于辩用于辩 向向。当编码正转时当编码正转时，A信号超信号超 前前B信号信号90 ；当码盘反转时当码盘反转时， 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） 在上一页图的码盘里圈在上一页图的码盘里圈，还有一根还有一根狭缝狭缝

9、C， 每转能产生一个脉冲每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称该脉冲信号又称“一转信一转信 号号”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。 2015/12/6 Sunday 26 零标志零标志（一转脉冲一转脉冲） 波形及作用波形及作用 一转（360） C C 在码盘里圈在码盘里圈，还有一还有一 条狭缝条狭缝C C，每转产生一每转产生一 个脉冲个脉冲。该脉冲信号又该脉冲信号又 称称“一转信号一转信号”或零标或零标 志脉冲志脉冲，作为测量的起作为测量的起 始基准始基准（ 0 0 ） 。 A B 2015/12/6 Sunday 27 三三、角编码器的应用角编码器的应用 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外，还可用于还可用于数字测速数字测速、工位编码工位编码、伺服电机控制伺服电机控制等等。 M法测速法测速（适合于高转速场合适合于高转速场合） T 编码器每转产生编码器每转产生 N 个脉冲个脉冲，在在T 时间段内有时间段内有 m1 个脉冲产生个脉冲产生，则转速则转速 （r/min)为为 ：n = 60m1/（NT） m1 例题例题 T 有一增量式光电编码器有一增量式光电编码器，其参数为其参数为

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