模块数字式位移检测上.ppt

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1、机、电类传感器与检测技术项目教程模块十、数字式位移检测模块十、数字式位移检测 课件统一书号：统一书号：ISBN 978-7-111-48817-0课程配套网站www.sensor-或或 2015年年2月第月第1版版（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）12/18/20221本模块介绍本模块介绍“数字式位移传感器数字式位移传感器”的基本概的基本概念、念、大位移的测量方法大位移的测量方法、角编码器角编码器、光栅传感、光栅传感器、器、磁栅传感器磁栅传感器、容栅传感器容栅传感器，并讨论了它们并讨论了它们在在直线位移直线位移和和角位移角位移精密测量以及机床位置控精密

2、测量以及机床位置控制中的应用。制中的应用。还介绍还介绍了电梯平层的要求及方法。了电梯平层的要求及方法。内容简介内容简介今天是：今天是：12/18/202212/18/202212/18/20222模块九、小位移检测（上）模块九、小位移检测（上）目录目录进入进入进入进入进入进入进入进入知识链接知识链接 位置检测方式位置检测方式项目一、角编码器项目一、角编码器项目二、光栅传感器项目二、光栅传感器项目三、磁栅传感器项目三、磁栅传感器项目四、容栅传感器项目四、容栅传感器拓展阅读拓展阅读 电梯平层电梯平层現現在在時間時間是：是：19:0019:00进入进入12/18/20223知识链接知识链接 位置检测

3、方式位置检测方式位置测量主要是指位置测量主要是指直线位移直线位移和和角位移角位移的的精密测量精密测量。数字式位置传感器按测量方式有数字式位置传感器按测量方式有直接测量直接测量和和间接测间接测量量之分；按之分；按测量原理分测量原理分，有，有增量式测量增量式测量和和绝对式测绝对式测量量之分。之分。12/18/20224一、直接测量和间接测量一、直接测量和间接测量若位置传感器所测量的对象就是被测量本身，即：若位置传感器所测量的对象就是被测量本身，即：直线式传感器直接测量直线位移直线式传感器直接测量直线位移，旋转式传感器直接旋转式传感器直接测量角位移测量角位移，则，则该测量方式为直接测量该测量方式为直

4、接测量。例如用长光。例如用长光栅和长磁栅测量直线位移等。栅和长磁栅测量直线位移等。若旋转式位置传感器测若旋转式位置传感器测量的回转运动只是被测量量的回转运动只是被测量的中间值的中间值，再由测量结果再由测量结果推算出与之关联的运动部推算出与之关联的运动部件的直线位移件的直线位移，则该测量则该测量方式属于间接测量方式属于间接测量。例如。例如用角编码器测量出机械丝用角编码器测量出机械丝杠的旋转角度，再计算丝杠的旋转角度，再计算丝杠上的螺母的直线位移。杠上的螺母的直线位移。12/18/20225图图10-1 直接测量和间接测量示意图直接测量和间接测量示意图a）直接测量）直接测量 b）间接测量）间接测量

5、1导轨导轨 2运动部件运动部件 3直线式位置传感器的随动部件直线式位置传感器的随动部件 4直线式位置传感器直线式位置传感器的固定部件的固定部件5旋转式位置传感器旋转式位置传感器 6丝杠丝杠-螺母副螺母副 7电动机电动机12/18/202267直接测量直接测量示意图示意图光栅读数头光栅读数头 光栅尺光栅尺 随动刀具随动刀具12/18/202278间接测量示意图间接测量示意图 随动刀具随动刀具12/18/20228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移利用角位移传感器直接测传感器直接测量工作台的角量工作台的角位移位移12/18/20229直接利用数字式直线位移传感器直接利用

6、数字式直线位移传感器测量直线加工机床的直线位移量测量直线加工机床的直线位移量直接测量直接测量不会产生不会产生转换误差转换误差+x工作台工作台运动方向运动方向光栅光栅12/18/202210间接测量间接测量 在间接测量中，在间接测量中，多使用旋转式位置多使用旋转式位置传感器传感器。测量到的测量到的回转运动参数仅仅回转运动参数仅仅是中间值是中间值，但可由，但可由这中间值这中间值再推算出再推算出与之关联的移动部与之关联的移动部件的直线位移件的直线位移。间接测量须使用间接测量须使用丝杠丝杠-螺母副螺母副、齿齿轮轮-齿条副齿条副等传动等传动机构，机构，将旋转运动将旋转运动转换为直线运动转换为直线运动。工

7、作台工作台丝杠丝杠编码器编码器进给电动机进给电动机(伺服伺服或或步进步进)x12/18/202211齿轮齿轮-齿条副的位移转换演示齿条副的位移转换演示.例例：设齿轮的分度圆设齿轮的分度圆直直径为径为200mm,齿数齿数z=100,传感器测得齿轮转过了传感器测得齿轮转过了 =180度。度。求求：1）所转过的齿数所转过的齿数N；2）齿条的齿距齿条的齿距t；3)齿条所移动的距离齿条所移动的距离 x。齿轮齿轮齿条齿条-x齿条为直线运动，齿条为直线运动，齿轮作旋转运动齿轮作旋转运动+x解解：1）所转过的齿数所转过的齿数N=(z360)=(100/360)180=50 2）齿条的齿距齿条的齿距 t=D/z

8、=6.28mm；3）齿条所移动的距离）齿条所移动的距离x=N t=506.28=314mm.测出齿轮的角位移测出齿轮的角位移,就可测得齿条的直线位移就可测得齿条的直线位移D12/18/202212传动机构传动机构滚珠丝杠滚珠丝杠-螺母副螺母副、齿轮齿轮-齿条副齿条副等传动等传动机构机构能够将旋转运能够将旋转运动转换成直线运动动转换成直线运动。但应设法消除传但应设法消除传导过程产生的导过程产生的间隙间隙误差误差。齿距齿距t t齿条齿条齿轮齿轮 x12/18/202213滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副滚珠滚珠丝杠丝杠-螺母螺母副能够副能够减小传动减小传动磨檫力磨檫力，延长使，延长使用寿命，减小间用寿

9、命，减小间隙误差。隙误差。螺母螺母丝杠丝杠x 平均螺距误差大于平均螺距误差大于10m12/18/202214传动分析传动分析 设：设：螺距螺距t=4mm，丝杠丝杠在在4s时间里时间里转动了转动了10圈圈，求：丝杠的求：丝杠的平均转速平均转速n(r/min)及及螺母移动了多少毫米螺母移动了多少毫米？螺母的平均速度螺母的平均速度v又为多少又为多少？滚珠螺滚珠螺母母丝杠丝杠螺距螺距t=4mmxN=10圈时，圈时，=？度？度x=？mm 齿轮齿轮-齿条副、齿条副、螺母丝杆副等螺母丝杆副等直直线线-旋转转换设备旋转转换设备均存在间隙误差均存在间隙误差,特别是从正转切特别是从正转切换到反转时换到反转时,间隙

10、间隙将导致测量死区将导致测量死区,必须予以补偿。必须予以补偿。12/18/202215例例10-1 1 若丝杠的若丝杠的螺距螺距t=6.00mm（当丝杠转一圈当丝杠转一圈360时，时，“单线螺母单线螺母”或或“单头螺母单头螺母”移动的移动的直线距离为直线距离为6.00mm），），旋转式位置传感器测得旋转式位置传感器测得丝杠的旋转角度丝杠的旋转角度为为7290，求螺母的直线位移求螺母的直线位移x。解解 螺母的直线位移螺母的直线位移x=(7290/360)6mm=121.50mm1导轨导轨 2运运动动部件部件 5旋旋转转式位置式位置传传感器感器 6丝丝杠杠-螺母副螺母副 7电动电动机机12/18/

11、202216【丝杠丝杠-螺母副位移转换填表训练螺母副位移转换填表训练】丝杠丝杠-螺母副（单线）螺母副（单线）在在10s时间里运动的数据时间里运动的数据如下，如下，请分析、填空（最少保留三位有效数字）请分析、填空（最少保留三位有效数字）螺母的螺距螺母的螺距t/mm2（细牙细牙）6（粗牙粗牙）丝杠的旋转角丝杠的旋转角度度/180360-90-10003600丝杠转速丝杠转速/rmin-16.00-1.67螺母的位移螺母的位移x/mm-1.006.00螺母的线速度螺母的线速度v/mmin-100.060-0.0300.36012/18/202217表表10-110-1 数字式位置检测传感器的数字式位

12、置检测传感器的分类及特点分类及特点种种 类类工作原理工作原理测量范测量范围围最高最高分辨分辨力力特特 点点球栅尺球栅尺线圈与钢球线圈与钢球感应感应10m5m价廉，全密封；模拟输出信号易受干扰；价廉，全密封；模拟输出信号易受干扰；可用于直线位移测量可用于直线位移测量接触编接触编码器码器接触电位接触电位3605.6价廉；码道数小于价廉；码道数小于6；易磨损，适合于；易磨损，适合于静态测量静态测量光电编光电编码器码器光电效应光电效应36040960.3分辨力较高，响应频率快；适合于普通分辨力较高，响应频率快；适合于普通机床等的角位移测量或转速测量机床等的角位移测量或转速测量长光栅长光栅光电效应光电效

13、应3m1m准确度和分辨力高；易折断；用于直线准确度和分辨力高；易折断；用于直线位移的精密测量位移的精密测量圆光栅圆光栅光电效应光电效应3600.1分辨力高；适合于精密机床等要求较高分辨力高；适合于精密机床等要求较高的角位移测量或转速测量的角位移测量或转速测量长磁栅长磁栅磁电感应磁电感应30m5m磁栅尺可以按需要剪裁，安装简便，可磁栅尺可以按需要剪裁，安装简便，可用于大量程位移测量用于大量程位移测量12/18/202218表表10-110-1 数字式位置检测传感器的数字式位置检测传感器的分类及特点（续）分类及特点（续）种种 类类工作原理工作原理测量测量范围范围最高最高分辨分辨力力特特 点点圆磁栅

14、圆磁栅磁电感应磁电感应3601适合于普通机床等的角位移测量或转适合于普通机床等的角位移测量或转速测量速测量直线直线容栅容栅静电感应静电感应20010m价廉；分辨力不高，响应频率慢；可价廉；分辨力不高，响应频率慢；可用于百分尺、千分尺、标高尺等用于百分尺、千分尺、标高尺等圆容栅圆容栅静电感应静电感应3600.6价廉；分辨力较高，响应频率慢；可价廉；分辨力较高，响应频率慢；可用于百分表、千分表等用于百分表、千分表等磁阻式磁阻式角编码角编码器器磁阻效应磁阻效应36040960.35价廉；码道数小于价廉；码道数小于10；适用于要求不；适用于要求不高的角位移测量高的角位移测量12/18/202219二、

15、增量式测量与绝对式测量二、增量式测量与绝对式测量（1）增增量量式式测测量量：运运动动部部件件每每移移动动一一个个基基本本长长度度单单位位，位位置置传传感感器器便便发发出出一一个个输输出出脉脉冲冲。一一个个脉脉冲冲所所代代表表的的基基本本长长度度单单位位就就是是分分辨辨力力。计计数数器器对对脉脉冲冲进进行行计计数，便可得到位移量。数，便可得到位移量。光源光源12/18/202220（1 1）增量式测量）增量式测量（续）（续）例例10-2 2 在在图图10-1a中中，若若增增量量式式测测量量系系统统的的每每个个脉脉冲冲代代表表0.01mm，在在10s时时间间里里，长长光光栅栅传传感感器器发发出出2

16、000个脉冲个脉冲，求：，求：1）工工作作台台的的直直线线位位移移x（机机床床行行业业习习惯惯使使用用的的单单位位为：为：mm）。）。2）运运动动速速度度v（机机床床行行业业习习惯惯使使用用的的单单位位为为：m/min）。）。解解 1）根根据据题题意意，工工作作台台每每移移动动0.01mm，长长光光栅栅传传感感器器便便发发出出1个个脉脉冲冲，计计数数器器就就加加1或或减减1。当当计计数数值值为为2000时，工作台移动了时，工作台移动了x=20000.01mm=20.0mm。2）v=x/t=20.0mm/(10s)=2.00mm/s=0.12m/min。增增量量式式位位置置传传感感器器必必须须有

17、有一一个个零零位位标标志志，作作为为测测量量起起点点的的零零位位标标志志。典典型型的的增增量量式式位位置置传传感感器器有有增增量量式式光电角编码器、增量式光栅等光电角编码器、增量式光栅等12/18/202221增量式传感器工作原理分析增量式传感器工作原理分析在在增量式增量式测量中，测量中，移动部件移动部件每移动一每移动一个基本长度单位，个基本长度单位，位置传感器便发出位置传感器便发出一个测量信号一个测量信号，此，此信号通常是脉冲形信号通常是脉冲形式。这样，式。这样，一个脉一个脉冲冲所代表的基本长所代表的基本长度单位就是度单位就是分辨力分辨力，对脉冲对脉冲计数计数，便可，便可得到位移量。得到位移

18、量。增量式测量得到的脉冲波形增量式测量得到的脉冲波形12/18/202222（2 2）绝对式测量）绝对式测量 每一被测点都有一个对应每一被测点都有一个对应的的编码编码,常以常以二进制数据二进制数据形式来表示（形式来表示（例如例如:10 1011 0010:10 1011 0010）。）。即使断电之后再即使断电之后再重新上电重新上电,也能读出绝对式测量传感器当前位置的数据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。12/18/202223项目一项目一 角编码器角编码器项目教学目标项目教学目标】知识目标知识目标1了解接触式

19、角编码器的原理与编码方法。了解接触式角编码器的原理与编码方法。2了解绝对式和增量式光电角编码器的工作原理。了解绝对式和增量式光电角编码器的工作原理。技能目标技能目标1掌握绝对式角编码器的分辨率与分辨力的计算。掌握绝对式角编码器的分辨率与分辨力的计算。2掌握增量式角编码器的分辨率与分辨力的计算。掌握增量式角编码器的分辨率与分辨力的计算。3掌握增量式角编码器的掌握增量式角编码器的M法测速计算。法测速计算。12/18/202224任务一任务一 认识角编码器认识角编码器角编码器是一种旋转式位置传感器角编码器是一种旋转式位置传感器，它的，它的转轴通常转轴通常与被测旋转轴连接与被测旋转轴连接，随被测轴一起

20、转动。角编码器，随被测轴一起转动。角编码器能能将被测轴的角位移转换成二进制编码（将被测轴的角位移转换成二进制编码（绝对式角编码绝对式角编码器）器）或一串脉冲或一串脉冲（增量式角编码器）。（增量式角编码器）。混合式角混合式角编码器编码器（不仅（不仅输出格雷码，输出格雷码，同时还输出增同时还输出增量式脉冲信号）量式脉冲信号），可以同时测可以同时测量转子的空间量转子的空间位置与转速位置与转速。光栅板光栅板12/18/202225一、绝对式角编码器一、绝对式角编码器（将被测角度直接进行编码将被测角度直接进行编码）根据内部结构和检测方式的不同，有根据内部结构和检测方式的不同，有接触式接触式、光电光电式式

21、、磁阻式磁阻式等形式。等形式。常用的角编码器是光电式常用的角编码器是光电式。1 1接触式角编码器的结构接触式角编码器的结构在一个不导电基体上，制造出许多有规律的导电金在一个不导电基体上，制造出许多有规律的导电金属区属区，图中的涂黑部分为导电区，用电平，图中的涂黑部分为导电区，用电平“1”表示，表示，其他部分为绝缘区，用电平其他部分为绝缘区，用电平“0”表示。图中的码盘分表示。图中的码盘分成成4个输出码道，在每个码道上都有一个电刷，电刷经个输出码道，在每个码道上都有一个电刷，电刷经取样电阻取样电阻R0R3接地，接地，信号从电阻的信号从电阻的“热端热端”（非接地（非接地端）取出端）取出。12/18

22、/202226图图10-2 4位二进制位二进制接触式码盘接触式码盘a）电刷在自然二进制码盘上的位置）电刷在自然二进制码盘上的位置 b）4位位自然二进制码盘自然二进制码盘 c）4位位格雷码码盘格雷码码盘1码盘码盘 2转轴转轴 3导电体导电体 4绝缘体绝缘体 5电刷电刷 6激励公用轨道（接电源正极）激励公用轨道（接电源正极）12/18/202227表表10-210-2 4 4位十进制数与位十进制数与自然二进制码自然二进制码以及以及格雷码格雷码的对照表的对照表十十进进制制数数自然自然二进二进制制码码格格雷雷码码十十进进制制数数自然自然二进二进制制码码格格雷雷码码0000000008100011001

23、0001000191001110120010001110101011113001100101110111110401000110121100101050101011113110110116011001011411101001701110100151111100012/18/202228绝对式编码器（接触式）绝对式编码器（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 +5V+5V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=36016=22.512/18/2022292 2角编码器的分辨力与分辨率角编码器的分辨力与分辨率二二进进制制的的位位数数等等

24、于于码码道道的的圈圈数数（不不包包括括最最里里面面的的公公用轨道）。用轨道）。高位在内高位在内，低位在外低位在外。M位位二二进进制制码码盘盘就就有有M圈圈码码道道，且且圆圆周周被被均均分分为为2M个个区区域域，分分别别表表示示不不同同的的角角度度位位置置，所所能能分分辨辨的的角角度度（即分辨力）为（即分辨力）为=360/2M （10-1）分辨率分辨率=1/2M （10-2）例例10-3 求求12码道码道绝对式角编码器的绝对式角编码器的分辨力分辨力。解解 12码道的绝对式角编码器的码道的绝对式角编码器的圆周被均分为圆周被均分为212=4096个位置数个位置数，所以能分辨的角度：，所以能分辨的角度

25、：=360/212=5.27 12/18/2022303 3绝对式光电角编码器的结构绝对式光电角编码器的结构图图10-3 绝对式光电角编码器绝对式光电角编码器a）12码道光电码盘的平面结构码道光电码盘的平面结构 b）4码道光电码盘与光源、光敏元件的对应关系码道光电码盘与光源、光敏元件的对应关系 c）外形）外形12/18/202231绝对式光电编码器结构绝对式光电编码器结构 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、光敏元件的对应关系（光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4 4码道）码道）高位高位低位低位12/18/202232光电式角编码器的特点光电

26、式角编码器的特点码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，在，在玻璃上沉积很薄的刻线玻璃上沉积很薄的刻线，按一定规律排列的透光按一定规律排列的透光和和不不透光部分透光部分，即，即亮区亮区和和暗区暗区。当光源将光投射在码盘上。当光源将光投射在码盘上时，时，通过亮区的光线由光敏元件接收通过亮区的光线由光敏元件接收。光敏元件的排。光敏元件的排列与码道一一对应，列与码道一一对应，对应于亮区的光敏元件输出为对应于亮区的光敏元件输出为“1”，暗区的输出为暗区的输出为“0”。当码盘旋至不同位置时，。当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出格雷码，代表码盘轴的角位移的大小。光

27、敏元件输出格雷码，代表码盘轴的角位移的大小。不锈钢光电码盘要玻璃码盘抗振性好不锈钢光电码盘要玻璃码盘抗振性好。现在也采用。现在也采用透明树脂片镀膜刻蚀，强度比玻璃码盘高透明树脂片镀膜刻蚀，强度比玻璃码盘高。光电码盘没有接触磨损光电码盘没有接触磨损，寿命长，寿命长，允许转速高允许转速高。角编码器信号输出有角编码器信号输出有并行输出并行输出、串行输出串行输出、总线型总线型输出输出等。由于等。由于并行信号连接线较多并行信号连接线较多。高位数及多圈角。高位数及多圈角编码器多数采用串行或总线型输出。编码器多数采用串行或总线型输出。12/18/202233光电脉冲角编码器示意图光电脉冲角编码器示意图34放

28、大、整形放大、整形12/18/202234绝对式角编码器绝对式角编码器 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 绝对式角编码器绝对式角编码器按照角度直接进行编按照角度直接进行编码码。根据内部结构和。根据内部结构和检测方式有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12/18/202235绝对式测量角编码器绝对式测量角编码器 每一个微小的角位每一个微小的角位移都有一个对应的移都有一个对应的编编码码，常以，常以二进制数据二进制数据形式来表示。在绝对形式来表示。在绝对式测量中

29、，即使中途式测量中，即使中途断电，重新上电之后断电，重新上电之后，当前位置的二进制编当前位置的二进制编码数据仍然不变。码数据仍然不变。10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0112/18/202236其他角编码器外形其他角编码器外形12/18/202237其他角编码器外形（续）其他角编码器外形（续）12/18/202238其他角编码器外形（续其他角编码器外形（续）拉线拉线式式角编码角编码器器利用线轮，能利用线轮，能将直线运动转换将直线运动转换成旋转运动。成旋转运动。12/18/202239E1050-14E1050-14绝对式绝对式角编码器的角编码器的特性参数

30、特性参数.位数位数14分辨力分辨力80最大误差最大误差100外尺寸外尺寸/mm 5040输出轴尺寸输出轴尺寸/mm 612重量重量/g250允许转速允许转速/rmin-1200电源电压电源电压/VDC12(5%)，5(5%)光源光源红外红外LED输出信号输出信号格雷码，格雷码，TTL电平电平使用温度使用温度40+55工作环境工作环境相对湿度相对湿度/（%）相对湿度相对湿度95（35时）时）振动振动/g6冲击冲击/g5012/18/2022404 4多圈角编码器多圈角编码器当当图图10-3所示的绝对式光所示的绝对式光电码盘转动超过电码盘转动超过360时，时，编码又回到原点编码又回到原点，称为单圈

31、绝对式角编码器。，称为单圈绝对式角编码器。如果测量旋转超过如果测量旋转超过360，在断电时，可以用锂电池在断电时，可以用锂电池来保持对旋转圈数的记忆来保持对旋转圈数的记忆（但不允许在断电后再旋转（但不允许在断电后再旋转一圈以上）。一圈以上）。也可以采用也可以采用类似于钟类似于钟表的齿轮结构来记忆圈表的齿轮结构来记忆圈数数，称为，称为多圈绝对式角多圈绝对式角编码器编码器。还可以在图。还可以在图10-3所示的码盘的所示的码盘的内圈内圈，增，增加加粗码刻度粗码刻度，可以做到，可以做到在在4096圈之内不重复输圈之内不重复输出出。12/18/2022415 5绝对式角编码器的绝对式角编码器的RS485

32、RS485接线接线图图10-4 绝对式角编码器与用户端的绝对式角编码器与用户端的RS485通信电路通信电路表表10-4 10码道角编码器的码道角编码器的接线颜色接线颜色接接线线DC1224V20212223242526272829颜颜色色正正:白白地地:黑黑棕棕色色红红色色橙橙色色黄黄色色蓝蓝色色紫紫色色灰灰色色白白夹夹棕棕色色白白夹夹红红色色白白夹夹橙橙色色12/18/202242屏蔽线的屏蔽层接到设备的外壳屏蔽线的屏蔽层接到设备的外壳12/18/202243二、增量式角编码器二、增量式角编码器1增量式光电角编码器的结构增量式光电角编码器的结构图图10-5 增量式光电角编码器增量式光电角编码

33、器结构示意图结构示意图(放大图见下页放大图见下页)a）外形）外形 b）内部结构）内部结构 c）扫描孔板与码盘、光电）扫描孔板与码盘、光电接收器之间的对应关系接收器之间的对应关系 1转轴转轴 2发光二极管发光二极管 3扫描孔板（光栏板）扫描孔板（光栏板）4零位标志光槽（零位标志光槽（Z）5零位光敏元件零位光敏元件 6码盘码盘 7电源及信号线连接座电源及信号线连接座 8聚光透镜聚光透镜12/18/202244图图10-510-5 增量式光电角编码器结构示意图增量式光电角编码器结构示意图12/18/202245增量式光电角编码器的结构增量式光电角编码器的结构（续）（续）b）内部结构）内部结构1转轴转

34、轴 2发光二极管发光二极管 3扫描孔板扫描孔板（光栏板）（光栏板）4零位标志光零位标志光槽（槽（Z）5零位光敏元零位光敏元件件 6码盘码盘 7电源及信号电源及信号线连接座线连接座 8聚光透镜聚光透镜12/18/202246增量式编码器结构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LEDABC零位标志零位标志ABC12/18/202247增量式光电角编码器的结构（续）增量式光电角编码器的结构（续）12/18/202248增量式光电角编码器的结构增量式光电角编码器的结构（续）（续）图图10-5 b）内部结构）内部结构1转轴转轴 2发光二极管发光二极管

35、 3扫描孔板（光栏板）扫描孔板（光栏板）4零位标志光槽（零位标志光槽（Z）5零位光敏元件零位光敏元件 6码盘码盘 7电源及信号线连接座电源及信号线连接座 8聚光透镜聚光透镜12/18/202249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12/18/202250 分辨力分辨力 360/条条纹数纹数例：条纹数例：条纹数1024 360/10240.352 增量式光电编码器增量式光电编码器的的分辨力与分辨力与分辨率分辨率1转轴转轴 2LED 3光栏板光栏板

36、4零标志零标志 5光敏元件光敏元件 6码盘码盘 7印制电路板印制电路板 8电源及信号线连接座电源及信号线连接座 一一个脉冲个脉冲对应一个分对应一个分辨角辨角 增量式编码器（增量式编码器（INC）（续）续）12/18/202251辨向原理辨向原理 光光敏敏元元件件所所产产生生的的信信号号A A、B B彼彼此此相相差差9090 相相位位。当当码码盘盘正正转转时时，A A信信号号超超前前B B信信号号9090；当当码码盘盘反反转时，转时，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cossinC：零位检测：零位检测12/18/202252光电编码器的两个光电编码

37、器的两个“辨向元件辨向元件”光栏板上的两光栏板上的两个狭缝距离是码个狭缝距离是码盘上的两个盘上的两个狭缝狭缝距离距离W的的(m+1/4)倍倍,m 为正整数为正整数,并并设置了两组光敏设置了两组光敏元件元件A、B,有时又有时又称为称为cos、sin元元件。件。W(m+1/4)W A相位超前相位超前B:90（1/4周期周期）例例:W=1mm,cos与与sin元件的元件的距离可以是距离可以是6.25或或8.25mm等等12/18/202253 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超前于超前于B，判断为判断为正向旋转正向旋转，A也称为也称为cos信号；信号；B也称为也称为sin信号。信

38、号。A A滞后于滞后于B B，判断为判断为反向旋转反向旋转12/18/202254辨向信号和零标志辨向信号和零标志 光光电电编编码码器器的的光光栏栏板板上上有有A与与B两两组组狭狭缝缝，彼彼此此错错开开1/4节节距距，两两组组狭狭缝缝相相对对应应的的光光敏敏元元件件所所产产生生的的信信号号A、B彼彼此此相相差差90 相相位位，用用于于辩辩向向（辨辨别别旋旋转转方方向向）。当当码码盘盘正正转转时时，A信信号号超超前前B信信号号90；当当码码盘盘反转时，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）在在码码盘盘里里圈圈，还还有有一一根根狭狭缝缝C，每

39、每转转能能产产生生一一个个脉脉冲冲，该该脉脉冲冲信信号号又又称称“一一转转信信号号”或或零零标标志志脉脉冲冲，作为测量的作为测量的起始基准起始基准。12/18/202255 零标志（一转脉冲）零标志（一转脉冲）波形及作用波形及作用 一转（360）CC 在在码码盘盘里里圈圈，有有一一条条狭狭缝缝C C，码码盘盘每每转转一一圈圈，产产生生一一个个脉脉冲冲。该该脉脉冲冲信信号号又又称称“一一转转信信号号”或或零零标标志志脉脉冲冲，作作为为测测量量的的起起始始基基准准（0 0）。ABC9012/18/2022562 2增量式光电角编码器的分辨力与分辨率增量式光电角编码器的分辨力与分辨率增增量量式式光光

40、电电角角编编码码器器的的测测量量准准确确度度与与码码盘盘圆圆周周上上的的狭缝条纹数（分度数）狭缝条纹数（分度数）M有关，最小分辨的角度有关，最小分辨的角度：=360/M （10-3）分辨率分辨率=1/M （10-4）例例10-4 某增量式角编码器的某增量式角编码器的技术指标为技术指标为1024个脉冲个脉冲/r（即（即分度数分度数M1024P/r），），求：分辨力求：分辨力。解解 按按题题意意，码码盘盘边边缘缘的的透透光光槽槽数数为为1024个个，则则能能分分辨的最小角度为辨的最小角度为=360/M=360/1024=0.35212/18/202257判断码盘旋转方向的方法判断码盘旋转方向的方法

41、为了判断码盘旋转的方向，必须在增量式角编码器为了判断码盘旋转的方向，必须在增量式角编码器的光栏板上设置两个狭缝，并设置两组对应的光敏元的光栏板上设置两个狭缝，并设置两组对应的光敏元件，如件，如图图10-5b、c中的中的A、B光敏元件，有时也称为光敏元件，有时也称为cos、sin元件。元件。图图10-6 绝对式角编码器的输出信号绝对式角编码器的输出信号(放大图见后页放大图见后页)a）TTL电平信号电平信号 b）正弦波信号）正弦波信号12/18/202258图图10-6 绝对式角编码器的输出信号绝对式角编码器的输出信号a）TTL电平信号电平信号 b）正弦波信号）正弦波信号12/18/2022593

42、 3增量式光电角编码器的旋转角度计算增量式光电角编码器的旋转角度计算设设增增量量式式角角编编码码器器的的码码盘盘每每转转输输出出的的脉脉冲冲数数（分分度度数数）为为M，在在静静止止时时码码盘盘的的初初始始位位置置角角为为零零，开开始始旋旋转后给出脉冲数目为转后给出脉冲数目为m，则码盘旋转的角度，则码盘旋转的角度=360(m/M)（10-5）例例10-5 某某增增量量式式角角编编码码器器的的分分度度数数M1024，从从零零位位信信号号Z之之后后的的10s内内，计计数数器器对对角角编编码码器器的的一一路路信信号号（图图10-6中中的的A信信号号）计计数数，得得到到m=1024+128个个脉脉冲冲。

43、求：码盘旋转的角度求：码盘旋转的角度和转速和转速n（r/min）。）。解解 按按题题意意，码码盘盘边边缘缘的的透透光光槽槽数数为为1024个个，码码盘盘旋旋转的角度转的角度=360(m/M)=360(1152/1024)=3601.125=405n=60r/s=60(405/360)/10s=6.75r/min12/18/2022604 4响应频率响应频率增量式角编码器的增量式角编码器的响应频率取决于响应频率取决于光电检测器件光电检测器件、电电子处理线路的响应速度子处理线路的响应速度。当码盘高速旋转时，如果其分。当码盘高速旋转时，如果其分度数（分辨率）很高，那么角编码器输出的信号频率将度数（分

44、辨率）很高，那么角编码器输出的信号频率将会很高，光电检测器件和电子线路元器件的会很高，光电检测器件和电子线路元器件的输出波形滞输出波形滞后和严重畸变后和严重畸变，甚至，甚至产生丢失脉冲产生丢失脉冲的现象。的现象。12/18/2022615 5增量式光电角编码器的接线增量式光电角编码器的接线图图10-8 增量式角编码器的差分输出的接线增量式角编码器的差分输出的接线12/18/2022626 6光电角编码器的安装、使用注意事项光电角编码器的安装、使用注意事项1）主轴转速较低时角编码器轴与用户端输出轴之间）主轴转速较低时角编码器轴与用户端输出轴之间需要采用弹性软连接需要采用弹性软连接，避免因用户轴的

45、窜动、跳动而避免因用户轴的窜动、跳动而造成角编码器轴系和码盘的损坏造成角编码器轴系和码盘的损坏。安装时应保证角编安装时应保证角编码器轴与用户输出轴的偏角小于码器轴与用户输出轴的偏角小于1.5。2）高速运行时建议使用同步带轮连接）高速运行时建议使用同步带轮连接。3）长距离传输时，应选用具备输出阻抗低的型号。）长距离传输时，应选用具备输出阻抗低的型号。4）接地线一般应大于）接地线一般应大于1.5mm2，尽量避免双端接地尽量避免双端接地。5）现场总线式角编码器使用前要对角编码器的参数）现场总线式角编码器使用前要对角编码器的参数进行设置进行设置。需要设置的参数有：需要设置的参数有：旋转的正方向旋转的正

46、方向、每转的脉冲数每转的脉冲数和转数和转数、总分辨率总分辨率、预置值预置值、记忆功能记忆功能、诊断模式诊断模式等等12/18/202263表表10-510-5 WLF WLF系列角编码器的主要技术指标系列角编码器的主要技术指标参数名称参数名称指指 标标电源电压电源电压/VDC 5或或8 30消耗电流消耗电流/mA60mA分辨率分辨率1/1024输出形态输出形态推拉型推拉型或或集电极集电极开路开路NPN型型上升、下上升、下降时间降时间/ns100最高响应最高响应频率频率/kHz150允许最高允许最高机械转机械转速速/rmin-1600025时的时的起动力起动力矩矩/Nm510-2使用环境使用环境

47、温度温度/-1070使用环境使用环境湿度湿度（%）3585RH（不结（不结露）露）防护等级防护等级IP54，IP6512/18/202264任务二任务二 角编码器的应用角编码器的应用一、角一、角编码编码器在器在数字数字测测速中的速中的应应用用由由于于增增量量式式角角编编码码器器的的输输出出是是脉脉冲冲信信号号，因因此此，可可以通过以通过测量脉冲频率或周期的方法来测量转速测量脉冲频率或周期的方法来测量转速。数字测速方法有数字测速方法有M法测速、法测速、T法法测速测速和和M/T法法测速等。测速等。1 1M M法测速法测速在在一一定定的的时时间间间间隔隔ts内内（ts=t闸闸门门，见见图图10-9a

48、，如如10s、1s、0.1s等等），用用角角编编码码器器所所产产生生的的脉脉冲冲数数来来确确定定速速度度的方法称为的方法称为M法测速法测速。12/18/202265M法测速（适合于高转速场合）法测速（适合于高转速场合）m1图图10-9a M法测速原理法测速原理编编码码器器每每转转产产生生M个个脉脉冲冲，在在ts时时间间段段内内有有 m1 个个脉脉冲产生，则转速（冲产生，则转速（r/min)为为：n=60m1/(ts M)1 ts12/18/202266M法门控测速电路（基本原理）法门控测速电路（基本原理）先先利用施密特触发器将角编码器的输出脉冲三角波利用施密特触发器将角编码器的输出脉冲三角波转

49、换为矩形波转换为矩形波。当与门的当与门的C端为高电平时，端为高电平时，b端的信号端的信号可以通过与门，到达可以通过与门，到达d端端，然后，然后单片机进行计数，得到单片机进行计数，得到m1个计数结果个计数结果。12/18/202267M M法测速的计算法测速的计算 若编码器每转产生若编码器每转产生N个脉冲个脉冲，在在ts的闸门时间间隔内的闸门时间间隔内得到得到m1个脉个脉，则，则编码器所产生的脉冲频率为编码器所产生的脉冲频率为（10-6）则则转速转速n（单位为（单位为r/min）为）为（10-7）12/18/2022681 1误差简述误差简述M法测速的本质是测频法测速的本质是测频。误差主要由两个

50、因素决定：。误差主要由两个因素决定：1）闸门时间）闸门时间ts的误差：可以的误差：可以使用使用晶振晶振来来提高闸门时提高闸门时间的间的准确性准确性；2）量化误差）量化误差：又又称为称为1误差误差，见下图，见下图(原理见后页原理见后页)ts12/18/2022692）产生）产生1误差的原因误差的原因：测频时，计数脉冲通过测频时，计数脉冲通过闸门进入计数器。闸门进入计数器。由于闸门开启时刻（秒信号的上升由于闸门开启时刻（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随机的,有可能在有可能在第二个第二个t闸门闸门时间里，比在第一个时间里