数字式位置传感器讲解.ppt

机电类 《自动检测技术及应用》 多媒体课件 （共13章，第十一章） 统一书号：ISBN 978-7-111-34300-4 课程配套网站 www.sensor- 或 2012年7月版 Date1 介绍几种常用数字式位置传感器的结 构、原理，如角编码器、M法测速、光栅 传感器、莫尔条纹、磁栅传感器、容栅 传感器等，并讨论他们在直线位移和角 位移精密测量以及机床位置控制中的应 用 第十一章 数字式位置传感器 *2 11.1 位置测量方式 11.2 角编码器 11.3 光栅传感器 11.4 磁栅传感器 11.5 容栅传感器 第十一章 数字式位置传感器 目录 进入 进入 进入 进入 进入 *3 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。

Date4 5 直接测量 示意图 光栅读数头 光栅尺 随动刀具 Date5 6 间接测量 示意图 随动刀具 Date6 7 Date7 1.直接测量 回转工作台 旋转运动θ 利用角位移 传感器直接测 量工作台的角 位移 Date8 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 没有转换 误差 光栅 工作台运动方向 Date9 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-螺母副、齿轮- 齿条副等传动机构 工作台丝杠 编码器 进给电机 θ x Date10 齿轮-齿条副的位移转换演示 . 例：设齿轮的分度圆直 径为200mm ,齿数z=100, 传感器测得齿轮转过了 θ=180度求： 1）所转过的齿数N； 2）齿条的齿距t； 3)齿条所移动的距离 x 齿轮齿条 θ -x 齿条为直线运动， 齿轮作旋转运动 +x 解： 1）所转过的齿数 N=(z÷360º) ×θ =(100/360º)×180º =50 2）齿条的齿距 t=πD/z=6.28mm； 3）齿条所移动的距离x=N t= 50×6.28=314mm.测出齿轮的角位移,就可测得齿条的直线位移 D Date11 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t 齿条 齿轮 θ x Date12 滚珠丝杠螺母副 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 x θ 平均螺距误差大于10μm Date13 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？ 滚珠 螺母 丝杠 螺距t=4mm x N=10圈时，θ =？度 θ x=？mm 齿轮-齿条副、 螺母丝杆副等直 线-旋转转换设备 均存在间隙误差, 特别是从正转切 换到反转时,间隙 将导致测量死区, 必须予以补偿 Date14 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（例如:10 1011 0010）即使断电之后 再重新上电,也能读出绝对式测量传感器当前位置的 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 Date15 第二节 角编码器 角编码器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 角编码器能将被测轴的角位移转换成二进制 编码或一连串脉冲角编码器有两种基本类型 ：绝对式角编码器和增量式角编码器 回目录 Date16 光电脉冲角编码器示意图 17 Date17 一、绝对式角编码器 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 绝对式角编码 器按照角度直接进 行编码根据内部 结构和检测方式有 接触式、光电式、 磁阻式等 透光区 不透光区 零位标志 Date18 绝对式测量角编码器 每一个微小的 角位移都有一个对 应的编码，常以二 进制数据形式来表 示在绝对式测量 中，即使中途断电 ，重新上电之后， 当前位置的二进制 编码数据仍然不变 10 θ 绝对式角 编码器 自然二进制码 或格雷码0 1 Date19 绝对式编码器（接触式）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=360º/2n =360÷16=22.5º Date20 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） Date21 其他角编码器外形（续） Date22 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。

Date23 2．绝对式光电编码器结构 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 Date24 绝对式光电码盘与增量式码盘的区别 绝对式光电码盘（12码道） 增量式光电码盘（1024位 ） 高位 低位 Date25 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分辨力取决 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为： α=360º/2n 分辨率=1/2n Date26 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分辨力取决于它所 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： Date27 E1050-14 绝对式 角编码器的 特性参数 . 位数14 分辨力80“ 最大误差±100“ 外尺寸/mmΦ 50×40 输出轴尺寸 /mm Φ 6×12 重量/g250 允许转速 /r·min_1 200 电源电压/VDC12(±5%)， 5(±5%) 光源红外LED 输出信号格雷码，TTL电平 使用温度－40～+55℃ 工作环境 相对湿度/（% ） 相对湿度95 （35℃时） 振动/g6 冲击/g50 Date28 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 Date29  分辨力＝360/条纹数 例：条纹数＝1024 ＝360/1024＝0.352 增量式光电编码器 的内部结构 1－转轴 2－LED 3－光栏板 4－零标志 5－光敏元件 6－码盘 7－印制电路板 8－电源及信号线连接座   一个脉冲对应一个分辨 角 增量式编码器（INC） Date30 辨向原理 光敏元件所产生的信号A、B彼 此相差90相位。

当码盘正转时， A信号超前B信号90；当码盘反转 时，B信号超前A信号90 LED 光栏板及 A、B狭缝 cos sin C：零位检测 Date31 光电编码器的两个“辨向元件” 光栏板上的两 个狭缝距离是 码盘上的两个 狭缝距离W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cos 、 sin 元件 W (m +1/4)W A相位超前B :90° （1/4周期） 例:W=1mm,cos与sin元件的距离可以是6.25或8.25mm等 Date32 两路光电信号判断旋转方向 A超前于B，判断为正向旋转， A也称为cos信号； B也称为sin信号 A滞后于B，判断为反向旋转 Date33 辨向信号和零标志 光电编码器的光栏板上有A 与B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（辨别 旋转方向）当码盘正转时， 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。

Date34 零标志（一转脉冲） 波形及作用 一转（360） C C 在码盘里圈，有一条 狭缝C，码盘每转一圈 ，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（0） A B C 90° Date35 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，还可用于数字测速（ 转速、直线位移速度）、工位编码、伺服 电机控制等 Date36 M法测速和T法测速 a）M法测速 b）T法测速 Date37 M法测速（适合于高转速场合） m1 编码器每转产生 N 个脉冲，在ts时间段 内有 m1 个脉冲产生，则转速（r/min)为 ： n = 60m1/(NT)±1 ts Date38 M法门控测速电路 先利用施密特触发器将角编码器的输出脉冲三角波 转换为矩形波当与门的C端为高电平时，b端的信号 可以通过与门，到达d端，然后单片机进行计数，得到 m1个计数结果 Date39 M法测速的计算 在一定的时间间隔ts内（ ts =t 闸门= t门控，如10s、1s 、0.1s等），用编码器所产生的脉冲数来确定速度的方 法称为Ｍ法测速 若编码器每转产生N个脉冲，在ts的闸门时间间隔内 得到m1个脉，则编码器所产生的脉冲频率为 则转速n（单位为r/min）为 Date40 ±1误差简述 M法测速的本质是测频。

误差主要由两个因素决定 ： 一是闸门时间ts的误差，可以使用晶振来提高闸门时 间的准确性； 二是量化误差，又称为±1误差，见下图，原理见后 述ts Date41 2）产生±1误差的原因：测频时，计数脉冲通过闸门 进入计数器由于闸门开启时刻（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的,有 可能在第二个t闸门时间里，比在第一个t闸门时间多计数了 一个脉冲，或少计数了一个脉冲,就造成了±误差 ts Date42 例 某角编码器的技术指标为1024个脉冲/r（即 N＝1024P/r =1K），在0.2s时间内，测得100个 脉冲，即ts=0.2s，m１=100，求： 1）转速n；2）±1误差引起的转速测量误差为 多少r/min3）如果将ts延长到1s，求±1误差引 起的转速测量误差为多少r/min 解 1）角编码器轴的转速n为 Date43 3）如果将ts延长到1s，m１＇必然增加到500，则 结论：采样时间为1s时计算得到的转速，与在 0.2s时间内测得的转速相同，但±1个脉冲引起的 误差显然缩小 2）由于±1误差，在ts时间段里，计数得到的脉 冲数m１=100±1个脉冲，则 Date44 M法测速计算 T 例：有一增量式光电编码器，其参数为 1024p/r， 在5s时间内测得65536个单向脉冲 ，求：转速n（r/min) 解：n = 60×65536 ÷1024 ÷ 5= 768 r/min m1 Date45 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 ··· 编码器每转产生 N 个脉冲，用已知频率fc 作为时钟，填充到角编码器输出的两个相邻 脉冲之间的脉冲数为m2个，则转速(r/min)为 n = 60fc / (Nm2 ) Date46 T法测速举例 时钟脉冲fc 编码器输出脉冲 m2 ··· 解：n = 60fc /(Nm2 ) = 60×106÷(1024×3000) =19.53 r/min 例：有一增量式光电编码器，其参。