数字式位置传感器

第十一章：第二节 数字式角编码器
（参考德国沃申道夫公司资料）
信号航空插头
其他角编码器外形
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。
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
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 绝对式码盘 与增量式码盘有何区别 ？ 零位标志
编码器输出脉冲 m2 时钟脉冲 fc
···
= 60*1000000/ （ 1024*3000 ） =19.53 r/min
n = 60fc / （ Nm2 ）
编码器的安装方式
1. 编码器 的套式安装
安装套
2. 编码器的轴式安装
安装轴
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
工作台
丝杠
进给电机
x
θ
传动机构
齿距
齿轮
齿条
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。
x
θ
滚珠丝杠螺母副
丝杠 螺母
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。
θ
x
传动分析
设：螺距 t=4mm ，丝杠在 4s 时间里转动了 1 0 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？ 螺距
N=10 圈
螺母 丝杠
x= ？
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。
增量式测量得到的脉冲波形
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。
盘码及 狭缝
零位标志
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 9 0 。 ( 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。
第十一章
数字式位置传感器
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。
第一节
一、直接测量和间接测量
位置测量的方式
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。
辨向信号和零标志
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。
M 法测速（适合于高转速场合）
m1
T
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 ）
例题
m1
T
有一增量式光电编码器，其参数为 102 4p/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
T 法测速（适合于低转速场合） 编码器输出脉冲
m2 时钟脉冲 fc
···
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：
360 a= n
°
(11-3)
(11-4 )
1 分辨率 = n
二、增量式编码器
转轴
LED
光栏板及辨向用的 A 、 B 狭缝
A A C B C B 光敏元件
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 (r/m in) 为 n = 60fc / （ Nm2 ）
T 法测速举例
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 ：
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
2 ．绝对式光电编码器
低位 高位
a ）光电码盘的平面结构（ 8 码道） 源、光敏元件的对应关系（ 4 码道）
b ）光电码盘与光
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°/2n 分辨率 =1/2n
1. 直接量
工作台
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。 工作台运动方向
光栅
2. 间接测量
编码器 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。