第8章 位移测量-光栅传感器与光电编码器 (课件)

Ci Ri Ci1
式中，R为循环码；C为二进制码。 根据上式，可以用与非门构成循环码/ 二进制码转换电路。这种转换电路所用元 件是比较多的，如采用存储器芯片或软件 编程方式可以方便地实现循环码到二进制 码的转换。
实际应用中，较少采用二进制编码器， 因为这种传感器的任何微小的制作误差都可
能引起读数的粗误差。
主要是当二进制码在某一较高的数码改 变时，所有比它低的各位数码需要同时改变， 即造成编码在一些位置的变化时光电接收元
件输出信号发生陡变。如果由于刻划误差等
原因，使得某一较高位提前或延后改变，就
会造成粗误差。
光栅式传感器
基本工作原理和计量光栅的种类 莫尔条纹 辨向原理及细分电路
基本工作原理和计量光栅的种类
一、基本工作原理
光栅栅线放大图
二、光栅的种类： 光栅的种类很多，若 按工作原理分，有物理光栅和计量光栅 两种，前者用于光谱仪器，作色散元件， 后者主要用于精密测量和精密机械的自 动控制中。
而计量光栅按其用途可分为长光栅和圆 光栅两类。
旋转式编码器又分为增量式编码器和 绝对式编码器。增量式编码器的输出是一 系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行 累计计数，一般还需要一个基准数据即零 位基准才能完成角位移测量。绝对式编码 器不需要基准数据及计数系统，它在任意 位置都可给出与位置相对应的固定的数字 码输出。
码盘一般由光学玻璃制成，上面刻有许多同 心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光 和不透光部分，即亮区和暗区。码盘构造如图所 示，这是一个6位的二进制码盘。
软件细分法一般是： 将二个相差π/2的信号通过A/D转换输入 微机，再利用一定的算法计算出莫尔信号的 相位，即可推算出此时莫尔条纹内的位置点， 得到小于栅距的细分值，又称小数。 通过辨向电路输出的为大数脉冲，脉冲 频率对应于莫尔条纹变化频率，脉冲当量为 光栅栅距值。
大数脉冲
显
sinθ
大数计数、 （主脉冲）
注意：
在电子细分技术中，常采用四倍频细 分法，这种细分法也是许多其他细分法的 基础。
四倍频细分电路
电阻桥细分电路
电子细分不可能得到高的 细分数，且细分数是固定的， 所以现在大多数光栅数显表都 采用了微机软件细分法。
计算机软件细分
光栅信号的计算机软件细分技术是目前 应用较为广泛、也比较成熟的细分技术。
<A> [B] Y1 Y2
a)正向移光动 栅移动时辨向电路各点b)反波向形移动
依次相距B／4的位置安放四个光电元件
辨向原理和细分电路
二、细分电路
以移动过的莫尔条纹数量来确定位移 量，能测量的最小位移量就是光栅栅距。 为了提高分辨率，以测量小于栅距的位 移量，应采用细分技术。光栅信号细分 技术主要有光学细分、电子细分和微机 软件细分方式。
计量光栅的分类
黑白透射长光栅
光栅传感器的构成原理图
莫尔条纹
横向莫尔条纹 相邻的两明暗条纹之间的距离B称为莫
尔条纹间距。
长光栅横向模尔条纹
从图中不难看出。当光栅副间的夹角θ 很小，且两光栅的栅距相等，都为W时，莫 尔条纹间距B为:
B
W 2sin
W
2
由于θ值很小，条纹近似与栅线的方向 垂直，故称为横向莫尔条纹。当θ＝0、B＝ ∞时，莫尔条纹随着主光栅明暗交替变化。 这时的指示光栅相当于一个闸门的作用，故 将这种条纹称为光闸莫尔条纹。
光学细分由于结构复杂、调试困难、
成本高等原因，已很少使用。而电子细分
的原理是在莫尔条纹信号变化一个周期内， 发出若干个脉冲，以减小脉冲当量。如一 个周期内发出n个脉冲，就可使分辨率为原 来的n倍，每个脉冲当量相当于原来栅距的 1/n。由于细分后计数脉冲频率为原来的n倍， 所以也称为n倍频。
细分与未细分的比较
光电编码器
编码器概述编码器是将位移量转换成以数字代码形式输出 的传感器，这类传感器的种类很多，按其结构 形式有直线式编码器和旋转式编码器，直线式 编码器又称为编码尺，旋转式编码器又称为编 码盘。编码尺和编码盘可以分别用于直线位移 和角位移的测量，但由于许多直线位移是通过 转轴的运动产生的，因此旋转式编码器应用更 为广泛。编码器以其高精度、高分辨率和高可 靠性而广泛用于各种位移测量。
用正弦函数表示为：
u
U0
Um
sin(
2
2x )
W
式中，u为光电元件输出电压，U0为输
出信号中的平均直流分量，Um为输出信号中
正弦交流分量的幅值。
θ 3600
4
3
B
2
1
0
光栅信号的实际输出电路
USCA USCB
取样 sinθ
辨向电路原理框图
整形 [A]
微分 <A>
Y1=<A>*[B] Y1
[A] 反相
11
1011 1110
4
0100 0110
12
1100 1010
5
0101 0111
13
1101 1011
6
0110 0101
14
1110 1001
7
0111 0100
15
1111 1000
循环码是一种无权码，这给译码造成一 定困难。通常先将它转换成二进制码然后 再译码。 可以找到循环码和二进制码之间 的转换关系为：
横向莫尔条纹重要特性: ①莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系 ②莫尔条纹具有位移放大作用 ③莫尔条纹具有平均光栅误差作用
辨向原理和细分电路
一、辨向原理
在实际应用中，大部分被测物体的移动往 往不是单向的，既有正向运动，也可能有反向 运动。单个光电元件接收一固定的莫尔条纹信 号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹 的移动方向，因而就不能判别光栅的运动方向， 以致不能正确测量位移。如果能够在物体正向 移动时，并将得到的脉冲数累加，而物体反向 移动时就从已累加的脉冲数中减去反向移动所 得的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。 完成这样一个辨向任务的电路就是辨向电路。
大、小数
示
cosθ
辩向电路
方向信号
合并
测
量
计算结果
值
（细分值）
A/D 转换、 采样/保持电路
细分程序 （计算）
光栅信号微机软件细分原理图
经过大小数合并处理后，再由微机进 行数值计算和码制转换等处理，即可得到 测量值。
采用微机软件细分方法，不但可以得 到高细分数，而且可以通过编程改变细分 数、结构简单、成本低、可靠性高，非常 适用于智能检测与控制等系统。
光电式编码器具有非接触、体积小、 分辨率高的特点，作为精密位移传感器 在自动测量和自动控制技术中得到了广 泛的应用，为科学研究、军事、航天和 工业生产提供了对位移量进行精密检测 的手段。
光电式编码器
光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编 码圆盘(码盘)、狭缝以及安装在圆盘两边的光 源和光敏元件等组成，其基本结构如图所示。
微分 <A>
Y2=<A>*[B] Y2
取样
cosθ
整形 [B]
Y1：“加脉冲”，当光栅正向移动时输出脉冲信号。此时 Y2 门堵塞。 Y2：“减脉冲”，当光栅反向移动时输出脉冲信号。此时 Y1 门堵塞。
sinθ cosθ
[A] [A] <A>
<A> [B] Y1 Y2
sinθ -cosθ
[A] [A] <A>
为了清除粗误差，可采用相邻位置的 编码无陡变的形式。常用循环码来代替二 进制码，如图所示为一个6位的循环码码盘。
十进 制数
二进 制
循环 十进制 二进 循环
码
数
制
码
0
000ห้องสมุดไป่ตู้ 0000
8
1000 1100
1
0001 0001
9
1001 1101
2
0010 0011
10
1010 1111
3
0011 0010
当光源将光投射在转动的码盘上时， 光线透过亮区和狭缝后，由光敏元件所接 收。光敏元件的排列与码道一一对应，对 应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号， 前者有光照或光照为强，数码输出为“1”， 后者无光照或光照为弱，数码输出为“0”。 所以，当码盘旋转至不同的位置时，光敏 元件输出信号的组合将反映出按一定规律 编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大 小。