第十章_数字式传感器.ppt

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1、 数字数字式传感器式传感器 1 1 光栅光栅传感器传感器 2 2 光电编码光电编码器器 3 3 磁栅式磁栅式传感器传感器 光栅基础光栅基础1.1.光栅的结构光栅的结构 光栅是在一块长条型（圆形）光学玻璃（或光栅是在一块长条型（圆形）光学玻璃（或金属）上均匀刻上许多宽度相等的刻线，形成透金属）上均匀刻上许多宽度相等的刻线，形成透光与不透光相间排列的光与不透光相间排列的光电器件光电器件。栅线栅线光栅上的刻线，宽度光栅上的刻线，宽度a a 缝隙宽度缝隙宽度b b 栅距栅距w=w=a+ba+b（也称光栅常数）（也称光栅常数）2 2、分类、分类按原理和用途：物理光栅和按原理和用途：物理光栅和计量光栅计量

2、光栅物理光栅：刻线细密物理光栅：刻线细密,利用光的衍射现象利用光的衍射现象,主要用于光谱分析和光波长主要用于光谱分析和光波长等量的测量。等量的测量。计量光栅：主要利用莫尔现象实现长度、角度、速度、加速度、振动计量光栅：主要利用莫尔现象实现长度、角度、速度、加速度、振动等几何量的测量。等几何量的测量。2 2、分类、分类按光的走向：按光的走向：透射式（玻璃）透射式（玻璃）和反射式（金属）和反射式（金属）透射式光栅：刻划基面采用玻璃材料透射式光栅：刻划基面采用玻璃材料反射式光栅：刻划基面采用金属材料反射式光栅：刻划基面采用金属材料按栅线形式：黑白光栅（幅值光栅）和闪耀光栅（相位光按栅线形式：黑白光栅

3、（幅值光栅）和闪耀光栅（相位光栅）栅）黑白光栅：利用照相复制工艺加工而成黑白光栅：利用照相复制工艺加工而成,其栅线与缝隙为其栅线与缝隙为黑白相间结构；黑白相间结构；相位光栅：横断面呈锯齿状相位光栅：横断面呈锯齿状,常用刻划工艺加工而成。常用刻划工艺加工而成。2 2、分类、分类按按应用应用类型：长光栅和圆光栅类型：长光栅和圆光栅长光栅：刻划在玻璃尺上的光栅，也称为光栅尺，长光栅：刻划在玻璃尺上的光栅，也称为光栅尺，刻线相互平行；用于测量刻线相互平行；用于测量长度或线位移长度或线位移构成：主光栅构成：主光栅-标尺光栅，定光栅；指示光栅标尺光栅，定光栅；指示光栅-动光栅动光栅长度长度-测量范围；刻线

4、密度测量范围；刻线密度-测量精度测量精度(10、25、50、100、125线线/mm)圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移圆光栅：在圆盘玻璃上刻线，用来测量角度或角位移.栅距栅距栅线宽度栅线宽度缝隙宽度缝隙宽度栅距角栅距角圆光栅分类：圆光栅分类：根据根据栅线刻划的方向栅线刻划的方向，圆光栅分三种：，圆光栅分三种：径向光栅径向光栅:其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；切向光栅切向光栅:其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切有零点儿或几个毫米的小圆相切;环形光栅环形光栅:一簇等间距同心圆组成

5、一簇等间距同心圆组成.若按若按光线的走向光线的走向，圆光栅只有透射光栅。，圆光栅只有透射光栅。3.3.莫尔条纹莫尔条纹1).1).莫尔条纹的形成及其特征莫尔条纹的形成及其特征 当指示光栅和主光栅的刻线相交一个微小的当指示光栅和主光栅的刻线相交一个微小的夹角夹角时时,光源照射光栅尺，由于挡光效应，两光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的块光栅刻线的相交处形成暗带相交处形成暗带，而在，而在刻线彼此刻线彼此错开处形成亮带错开处形成亮带。在与光栅线纹大致垂直的方。在与光栅线纹大致垂直的方向上向上,产生出亮暗相间的条纹产生出亮暗相间的条纹,这些条纹称为这些条纹称为“莫尔条纹莫尔条纹”。莫尔条纹莫尔

6、条纹演示演示 长光栅横向莫尔条纹长光栅横向莫尔条纹横向莫尔条纹：横向莫尔条纹：由于两光栅的栅线夹角由于两光栅的栅线夹角 很小，条很小，条纹近似与栅线的方向垂直，故称为纹近似与栅线的方向垂直，故称为横向莫尔条纹横向莫尔条纹。纵向莫尔条纹：纵向莫尔条纹：当栅线的夹角当栅线的夹角0，且两光栅栅距不且两光栅栅距不等时产生的莫等时产生的莫尔条纹尔条纹。光闸莫尔条纹：光闸莫尔条纹：当栅线的夹角当栅线的夹角0,且两光栅栅距相且两光栅栅距相等时等时产生的莫尔条纹。产生的莫尔条纹。横向莫尔条纹横向莫尔条纹光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹2)2)莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征、位移放大作用、位移放

7、大作用相邻两条莫尔条纹间距相邻两条莫尔条纹间距B B与栅距与栅距w w及两光栅夹角及两光栅夹角的关系为：的关系为：B结论：结论：越小越小,k,k越大，越大，B B越大。越大。例如：例如：=0.1=0.1，W=0.02mmW=0.02mm时时 =0.1=0.12/360=0.00175432rad=0.1=0.12/360=0.00175432rad 则：则：B=11.4592mmB=11.4592mm。莫尔条纹间距放大了光栅间距，令莫尔条纹间距放大了光栅间距，令k k为放大系数，为放大系数，则：则：、运动对应关系、运动对应关系 通过莫尔条纹的运动特性判别光栅的运动特性通过莫尔条纹的运动特性判别

8、光栅的运动特性光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间隔；光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间隔；光栅改变运动方向，莫尔条纹随之改变运动方向。光栅改变运动方向，莫尔条纹随之改变运动方向。当移动的刻线数当移动的刻线数i和角度和角度一定时，莫尔条纹间距一定时，莫尔条纹间距B B与移动距离与移动距离x成正比，即：成正比，即：误差的平均效应误差的平均效应 光电元件对光栅的栅距误差具有平均光电元件对光栅的栅距误差具有平均消差消差作用。作用。u莫莫尔尔条条纹纹由由光光栅栅的的大大量量刻刻线线形形成成,几几条条刻刻线线的的栅栅距距误误差差或或断断裂裂对对莫莫尔尔条条纹纹的的位位置置和和形形状状影影响响甚

9、甚微微。能在很大程度上能在很大程度上消除短周期误差消除短周期误差的影响。的影响。工作原理：工作原理：利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量的测量利用光栅的莫尔条纹现象实现几何量的测量：光栅光栅的相对移动使的相对移动使透射光强度透射光强度呈周期性变化，光电元件呈周期性变化，光电元件把这种光强信号变为周期性变化的把这种光强信号变为周期性变化的电信号电信号，由电信，由电信号的变化即可获得光栅的相对移动量。号的变化即可获得光栅的相对移动量。特点：特点：数字式传感器：数字式传感器：能把被测的模拟量能把被测的模拟量直接直接转换成数字转换成数字量。与模拟传感器相比，数字式传感器抗干扰能力量。与模拟传感器相比，数字

10、式传感器抗干扰能力强强,稳定性强稳定性强;易于微机接口易于微机接口,便于信号处理和实现自便于信号处理和实现自动化测量。动化测量。7.2 7.2 光栅传感器的工作原理一、光电转换原理一、光电转换原理 1 1光源；光源；2 2聚光镜；聚光镜；3 3光栅主尺；光栅主尺；4 4指示光栅；指示光栅；5 5光敏元件；光敏元件；6 6莫尔条纹；莫尔条纹；7 7光强分布光强分布 光闸莫尔条纹光电转换原理光闸莫尔条纹光电转换原理理想情况：理想情况：三角形三角形二、光闸莫尔条纹测量位移原理二、光闸莫尔条纹测量位移原理 当光电元件当光电元件5 5接收到明暗相间的正弦信号时接收到明暗相间的正弦信号时,根据根据光电转换

11、原理将光信号转换为电信号。当主光栅移动光电转换原理将光信号转换为电信号。当主光栅移动一个栅距一个栅距w w时时,电信号则变化了一个周期。光电元件输电信号则变化了一个周期。光电元件输出波形为：出波形为：直流分量直流分量交流分量交流分量光栅相对光栅相对位移量位移量 当波形重复到原当波形重复到原来的相位和幅值时来的相位和幅值时,相当于光栅移动了相当于光栅移动了一个栅距一个栅距w,w,如果光如果光栅相对位移了栅相对位移了N N个个栅距栅距,此时位移此时位移x=NWx=NW。因此因此,只要能记录只要能记录移动过的莫尔条纹移动过的莫尔条纹数数N,N,就可以知道光就可以知道光栅的位移量栅的位移量x x值。值

12、。这就是这就是利用光闸莫利用光闸莫尔条纹测量位移的尔条纹测量位移的原理。原理。三、辨向原理及辨向电路三、辨向原理及辨向电路1 1）辨向的原因）辨向的原因 当指示光栅无论向前或向后移动时，在当指示光栅无论向前或向后移动时，在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向移的大小。因而必须在测量电路中加入辨

13、向电路。电路。2 2）辨向原理与辨向电路）辨向原理与辨向电路 为辨别主光栅的移动方向为辨别主光栅的移动方向,需要有两个具有相差需要有两个具有相差的莫尔条纹信号同时输入来辨别移动方向的莫尔条纹信号同时输入来辨别移动方向,且两个且两个莫尔条纹信号相差莫尔条纹信号相差9090相位。相位。实现的方法是在相隔实现的方法是在相隔B B4 4条纹间隔的位置上安条纹间隔的位置上安装两只光敏元件装两只光敏元件,当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮度变化规律完全一样度变化规律完全一样,相位相差相位相差2 2。滞后还是。滞后还是超前完全取决于光栅的运动方向。这种区别运动超前完全取决于光栅的运动方

14、向。这种区别运动方向的方法称为方向的方法称为位置细分辨向原理位置细分辨向原理。图7.5 辨向原理 1 1、2 2光电元件；光电元件；3 3指示光栅；指示光栅；4 4莫尔条纹；莫尔条纹；A A光栅移动方向；光栅移动方向；B B莫尔条纹移动方向；莫尔条纹移动方向；U1U1元件元件ABAB对应的输出电压；对应的输出电压；U2U2元件元件CDCD对应的输出电压；对应的输出电压；ABAB与与CDCD两两个个狭狭缝缝在在结结构构上上相相差差2,2,所所以以它它们们在光电元件上取得的信号必是相差在光电元件上取得的信号必是相差2 2。ABAB为主信号为主信号,CD,CD为门控信号。为门控信号。当当主主光光栅栅

15、作作正正向向运运动动时时,CD,CD产产生生的的信信号号只只允允许许ABAB产产生生的的正正脉脉冲冲通通过过,门门电电路路在在可可逆逆计计数数器器中中作作加加法法运运算；算；当当主主光光栅栅作作反反方方向向移移动动时时,则则CDCD产产生生的的负负值值信信号号只只让让ABAB产产生生的的负负脉脉冲冲通通过过,门门电电路路在在可可逆逆计计数数器器中中作作减法运算。减法运算。辨向电路辨向电路 U U1 1和和U U2 2经过整形后得两个方波信号经过整形后得两个方波信号U1U1和和U2 U2。U1U1产产生生计计数数脉脉冲冲，U2U2的的电电平平状状态态作作为为与与门门的的控控制制信信号号,来来控控

16、制制在在不不同同的的移移动动方方向向时时,U1U1所所产产生生的的脉脉冲冲输输出出路路线线。这这样样就就可可以以根根据据运运动动方方向向正正确确的的给给出出加加计计数数脉脉冲冲或或减减计计数数脉脉冲冲,再再将将其其输输入入可可逆逆计计数数器器,实实时时显显示示出出相相对对于于某某个个参参考考点点的的位位移移量量。当当光光栅栅沿沿A A向向移移动动时时,莫莫尔尔条条纹纹向向B B向向移移动动。U2U2超超前前U1 U1 9090。U1U1经经微微分分电电路路后后产产生生的的脉脉冲冲（如如图图中中实实线线所所示示）正正好好发发生生在在U2U2的的“1 1”电电平平时时,从从而而经经Y1Y1输输出出

17、一一个个加加计计数数脉脉冲冲;而而U1U1经经反反相相并并微微分分后后产产生生的的脉脉冲冲（如如图图中中虚虚线线所所示示）则则与与U2U2的的“0 0”电电平平相相遇遇,与门与门Y2Y2被阻塞被阻塞,无脉冲输出。无脉冲输出。当当光光栅栅沿沿A A反反方方向向移移动动时时,莫莫尔尔条条纹纹向向B B反反向向移移动动。U U1 1超超前前U U2 29090。U U1 1的的微微分分脉脉冲冲发发生生在在U U2 2为为“0 0”电电平平时时,与与门门Y1Y1无无脉脉冲冲输输出出;而而U1U1的的反反相相微微分分脉脉冲冲则则发发生生在在U U2 2的的“1 1”电电平平时时,与与门门Y Y2 2输输

18、出出一一个个减减计计数数脉冲脉冲。辨向电路各点波形7.3 7.3 莫尔条纹细分技术莫尔条纹细分技术目的目的：提高分辨力（测量更小的位移量）。：提高分辨力（测量更小的位移量）。细分方法细分方法：1.1.增加光栅刻线密度；增加光栅刻线密度；2.2.电子细分；电子细分；3.3.机械和光学细分。机械和光学细分。电子细分电子细分：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内期内,发出发出n n个脉冲个脉冲,每个脉冲代表原来栅距的每个脉冲代表原来栅距的1/n1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了由于细分后计数脉冲频率提高了n n倍倍,因此因此也称之为也称之为n n倍频法。倍频法

19、。通常采用的电子细分方法有：通常采用的电子细分方法有：四倍频细分和电桥细四倍频细分和电桥细分分等。等。1.1.四倍频细分四倍频细分 方方案案：在在一一个个莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度上上并并列列放放置置四四个个光光电电元元件件，得得到到四四个个相相差差依依次次为为/2/2的的电电压压信信号号；或或在在相相差差B/4B/4位位置置上上安安放放两两个个光光电电元元件件，得得到到两两个个相相差差/2/2电电压压信信号号，将将这这两两个个信信号号整整形形、反反相相后后得得到到四四个依次相差个依次相差/2/2的电压信号。的电压信号。在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运在光栅作相对运动时，经过微分电路，

20、在正向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。相距相距B/4B/4放置四个光电元件放置四个光电元件 四倍频细分电路原理框图细分前后比较7.4 7.4 光栅传感器的光学系统光栅传感器的光学系统组成组成：光源、透镜、光栅、光敏元件：光源、透镜、光栅、光敏元件光源光源：白炽灯或其它发光元件；：白炽灯或其它发光元件；透镜透镜：把光线变成平行光束照射在光尺上；：把光线变成平行光束照射在光尺上；光敏元件光敏元件：输出电压信号；：输出电压信号；形式形式：透射直读式、反射直读式、反射积

21、分式等：透射直读式、反射直读式、反射积分式等1 1、透透射射直直读读式式特点：特点：光电元件采用光电元件采用四极硅光电池四极硅光电池构成四细分直读式分光构成四细分直读式分光系统，输出的四路电信号相位依次相差系统，输出的四路电信号相位依次相差/2/2，相当于对莫相当于对莫尔条纹信号进行四细分。尔条纹信号进行四细分。特点特点：标尺光栅为反射式：标尺光栅为反射式光栅，光栅，光源经透镜成平行光光源经透镜成平行光束并以一定角度射向指示束并以一定角度射向指示光栅，莫尔条纹是由标尺光栅，莫尔条纹是由标尺光栅反射回来的光线与指光栅反射回来的光线与指示光栅相互作用而成。示光栅相互作用而成。（b）反射直读式）反射

22、直读式2 2、反射直读式、反射直读式特点特点：只用一个闪耀光栅作主光栅，没有指示光栅，利：只用一个闪耀光栅作主光栅，没有指示光栅，利用光的衍射和干涉现象测量位移。用光的衍射和干涉现象测量位移。3 3、反射积分式、反射积分式7.5 7.5 光栅传感器的应用光栅传感器的应用 由于光栅传感器由于光栅传感器测量精度高、动态测量范围测量精度高、动态测量范围广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和数字化数字化，因而在机械工业中得到了广泛的应用。，因而在机械工业中得到了广泛的应用。光栅传感器通常作为光栅传感器通常作为测量元件测量元件应用于机床定应用于机床定位、长度

23、和角度的计量仪器中，并用于测量速度、位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度、加速度、振动等。加速度、振动等。例例:光光栅栅式式万万能能测测长长仪仪光源：红外发光二极管光源：红外发光二极管主光栅：透射式黑白振幅光栅；主光栅：透射式黑白振幅光栅；指示光栅：四裂相光栅，得到四路相位差依次为指示光栅：四裂相光栅，得到四路相位差依次为/2/2的原始信号；的原始信号；光电元件：光电三极管光电元件：光电三极管四路原始信号经差分放大器放大、移相电路分相、四路原始信号经差分放大器放大、移相电路分相、整形电路整形、倍频电路细分、辩相电路辩相后整形电路整形、倍频电路细分、辩相电路辩相后进入可逆计数器计数，由显示

24、器显示读出。进入可逆计数器计数，由显示器显示读出。THE COLLEGE OF MECHANICAL ENGINEERING AUTOMATION,FUZHOU UNIVERSITY 机电一体化技术 光栅传感器的应用光栅传感器的应用日本仓敷KBT-11WA卧式加工中心编码器编码器1 1 认识编码器认识编码器2 2 编码器的测量对象编码器的测量对象3 3 编码器测量直线位移的方式编码器测量直线位移的方式4 4 绝对式测量绝对式测量5 5 增量式测量增量式测量6 6 编码器在数字测速中的应用编码器在数字测速中的应用7 7 编码器在主轴控制中的应用编码器在主轴控制中的应用光电编码器光电编码器 光电编

25、码器是集光、机、电技术于一体的数字化传感器，可光电编码器是集光、机、电技术于一体的数字化传感器，可以高精度测量被测物的转角或直线位移以高精度测量被测物的转角或直线位移 量。量。1 1 认识编码器认识编码器（编码器在机器人控制中的应用）（编码器在机器人控制中的应用）编码器编码器伺服伺服电机电机伺服伺服电机电机编码器编码器伺服伺服电机电机伺服伺服电机电机编码器编码器编码器编码器编码器编码器播放播放2 2 编码器的测量对象编码器的测量对象编码器编码器 轴式轴式套式套式电信号电信号二进制编码二进制编码脉冲脉冲3 3 编码器测量直线位移的方式编码器测量直线位移的方式（1 1）编码器装在丝杠末端）编码器装

26、在丝杠末端编码器编码器位置反馈位置反馈 x 通通过过测测量量滚滚珠珠丝丝杠杠的的角角位位移移，间间接接获获得得工工作作台台的的直直线线位位移移x，构构成成位位置置半半闭闭环环伺服系统。伺服系统。xt/360 （2 2）丝杠螺距）丝杠螺距编码器编码器螺母螺母丝杠丝杠螺距螺距x=？设设:螺螺距距t=4mm，丝丝杠杠在在4 4s时时间间里里转转动动了了10圈圈，求求:丝丝杠杠的的平平均均转转速速n(r/min)及及螺螺母母移移动动了了多多少少毫毫米米？螺螺母母移移动动的平均速度的平均速度v又为多少？又为多少？螺距螺距编码器编码器（3 3）编码器和伺服电动机同轴安装）编码器和伺服电动机同轴安装位置反馈

27、位置反馈 xxt/360 （4 4）编码器和伺服电动机同轴安装）编码器和伺服电动机同轴安装编码器编码器工作台工作台丝杠丝杠伺服电动机伺服电动机编码器编码器导轨导轨（5 5）编码器和伺服电动机同轴安装）编码器和伺服电动机同轴安装编码器编码器光电编码器伺服电动机 联轴器滚珠丝杠滑块光电编码器信号输出伺服电动机电源（6 6）编码器两种安装方式比较）编码器两种安装方式比较编码器编码器 xx 编码器装在丝杠末端与前端编码器装在丝杠末端与前端（和伺服电动机同轴）在位置控（和伺服电动机同轴）在位置控制精度上有什么区别？制精度上有什么区别？4 4 绝对式测量（绝对式测量（ABSABS）（1 1）信号性质信号性

28、质编码器编码器0 0 0 0 0 0 0 0 1 22.5 0 0 1 0 45 1 1 1 1 337.5 输出输出n位二进制编码，每一个编码对位二进制编码，每一个编码对应唯一的角度。应唯一的角度。（2 2）接触式绝对码盘）接触式绝对码盘编码器编码器4个电刷个电刷 4 4位二进制码盘位二进制码盘 最小分辨角最小分辨角 3602n 当当n4，3602422.5 导电为导电为“1”，非导电为，非导电为“0”（3 3）绝对式光电码盘）绝对式光电码盘编码器编码器LED光敏光敏元件元件5 5 增量式测量（增量式测量（INCINC）（1 1）信号性质信号性质编码器编码器 输输出出信信号号为为一一串串脉脉

29、冲冲，每每一一个个脉脉冲冲对对应应一一个个分分辨辨角角，对对脉脉冲冲进进行行计计数数N，就就是对是对 的累加，即，角位移的累加，即，角位移 N。如如：0.352，脉脉冲冲N1000，则：则：0.352 1000 352 （2 2）增量式光电编码器的结构）增量式光电编码器的结构编码器编码器码盘码盘光栏板光栏板LED零位标志零位标志（一转脉冲）（一转脉冲）光敏元件光敏元件 360条纹数条纹数 36010240.352 透光条纹透光条纹（3 3）辨向）辨向编码器编码器90 ABAB 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 辨辨 向向。当当

30、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；当当码码盘盘反反转转时时，B信信号号超超前前A信号信号90。（4 4）辨向信号）辨向信号编码器编码器ABABA 超前于超前于B 90，正向正向A 滞后于滞后于B 90，反向反向（5 5）倍频（细分）倍频（细分）编码器编码器 /4细分前细分前4细分后细分后 在在现现有有编编码码器器的的条条件件下下，通通过过细细分分技技术术能能提提高高编编码码器器的的分分辨辨力力。细细分分前前，编编码码器器的的分分辨辨力力只只有有一一个个分分辨辨角角的的大大小小。采采用用4细细分分技技术术后后，计计数数脉脉冲冲的的频频率率提提高高了了4倍倍，相相当当于于将将

31、原原编编码码器器的的分分辨辨力力提提高高了了3倍倍，测测量量分分辨辨角角是是原原来来的的1/4，提提高高了了测量精度。测量精度。（6 6）零标志（一转脉冲）零标志（一转脉冲）编码器编码器 一转（360）CC 在在码码盘盘里里圈圈，还还有有一一条条狭狭缝缝C，每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，作作为测量的起始基准。为测量的起始基准。（7 7）零标志在回参考点中的作用）零标志在回参考点中的作用编码器编码器Z 轴参考点轴参考点X 轴参考点轴参考点Y 轴参考点轴参考点回回参考点方式参考点方式SINUMERIK数控系统工数控系

32、统工作方式开关作方式开关（8 8）回参考点减速开关）回参考点减速开关编码器编码器限位限位开关开关参考点减速开关参考点减速开关滑块滑块（9 9）回参考点示意图）回参考点示意图编码器编码器减速寻找零标减速寻找零标志志零零标志找到标志找到参考点位置参考点位置速度速度慢速慢速快速快速行程行程碰到参考点减速开关碰到参考点减速开关播放播放6 6 编码器在数字测速中的应用编码器在数字测速中的应用（1 1）模拟测速和数字测速的比较）模拟测速和数字测速的比较编码器编码器MTGU测速发电机测速发电机nUnMPCn光电编码器光电编码器ffn（2 2）M M法测速（适合于高转速场合）法测速（适合于高转速场合）编码器编

33、码器 m1T 有有一一增增量量式式光光电电编编码码器器，其其参参数数为为1024p/r，在在5s时时间内测得间内测得65536个脉冲，则转速（个脉冲，则转速（r/min)为为 ：n=60 65536/（1024 5）=768 r/min 编编码码器器每每转转产产生生 N 个个脉脉冲冲，在在T 时时间间段段内内有有 m1 个个脉脉冲冲产产生生，则则转转速速（r/min)为为:n=60m1/（NT）（3 3）T T法测速（适合于低转速场合）法测速（适合于低转速场合）编码器编码器 编码器输编码器输出脉冲出脉冲时钟脉冲时钟脉冲fc m2 编编码码器器每每转转产产生生 N 个个脉脉冲冲，用用已已知知频频

34、率率fc作作为为时时钟钟，填填充充到到编编码码器器输输出出的的两两个个相相邻邻脉脉冲冲之之间间的的脉脉冲冲数为数为m2，则转速则转速(r/min)为：为：n=60fc/（Nm2）有有一一增增量量式式光光电电编编码码器器，其其参参数数为为1024p/r，测测得得两两个个相相邻邻脉脉冲冲之之间间的的脉脉冲冲数数为为3000，时时钟钟频频率率fc为为1MHz ，则转速（则转速（r/min)为为 ：n=60fc/（Nm2）=60106/（10243000）=19.53 r/min7 7 编码器在主轴控制中的应用编码器在主轴控制中的应用(1)(1)主轴编码器主轴编码器编码器编码器（2 2）主轴编码器用于

35、）主轴编码器用于C C 轴控制轴控制编码器编码器主轴编码器主轴编码器回转刀盘回转刀盘自驱刀头自驱刀头CZn工件工件卡盘卡盘主轴主轴（3 3）主轴编码器用于螺纹车削）主轴编码器用于螺纹车削编码器编码器 车车削削螺螺纹纹时时，为为保保证证每每次次切切削削的的起起刀刀点点不不变变，防防止止“乱乱牙牙”，主主轴轴编编码码器器通通过过对对起起刀刀点点到到退退刀刀点点之之间间的的脉脉冲冲进进行行计计数数来来达达到到车削螺纹的目的。车削螺纹的目的。播放播放起刀点起刀点退刀退刀点点小小 结结编码器编码器1.编编码码器器用用来来测测量量角角位位移移。在在数数控控机机床床直直线线进进给给运运动动控控制制中中，通通

36、过过测测量量角角位位移移间间接接测测量量出出直直线位移，表达式为线位移，表达式为 xt/360 。2.绝绝对对式式编编码码器器输输出出二二进进制制编编码码，增增量量式式编编码码器输出器输出脉冲脉冲。3.增增量量式式编编码码器器输输出出信信号号要要进进行行辨辨向向、零零标标志志和和倍频倍频等处理。等处理。4.编编码码器器用用于于数数字字测测速速，有有M法法和和T法法等等方方式式；在数控车床中用于在数控车床中用于C 轴轴控制和控制和螺纹切削螺纹切削。磁栅式传感器磁栅优点：价格低于光栅、制作简单、复制方便；测量范围宽（从几十毫米到数十米）、不需接长；易安装和调整、抗干扰能力强。大尺寸磁栅尺外形图一、

37、磁栅的组成及类型 1磁栅的组成 磁栅传感器是由磁栅（磁尺）、磁头、检测电路组成。l磁尺；2尺基；3磁性薄膜；4铁心；5磁头磁栅的外形及结构图磁尺静态磁头去信号处理电路固定孔2磁栅的类型长磁栅圆磁栅（测量直线位移）（测量角位移）尺形带形同轴形1磁头 2磁栅 3屏蔽罩 4基座 5软垫磁尺磁栅外观图磁头德国SIKO 磁栅尺磁头与磁尺相对运动时的输出波形二、磁栅传感器的工作原理 1基本工作原理磁栅传感器工作原理动画演示磁磁栅栅传传感感器器由由磁磁栅栅（简简称称磁磁尺尺）、磁磁头头和和检检测测电电路路组组成成。磁磁尺尺是是用用非非导导磁磁性性材材料料做做尺尺基基，在在尺尺基基的的上上面面镀镀一一层层均均

38、匀匀的的磁磁性性薄薄膜膜，然然后后录录上上一一定定波波长长的的磁磁信信号号而而制制成成的的。磁磁信信号号的的波波长长（周周期期）又又称称节节距距，用用W表表示示。磁磁信信号号的的极极性性是是首首尾尾相相接接，在在N、N重重叠叠处处为为正正的的最最强强，在在S、S重重叠叠处处为为负负的的最最强强。磁磁尺尺的的断断面面和和磁磁化化图形如图所示。图形如图所示。1基本工作原理图5-4-1 磁栅传感器示意图这这里里以以静静态态磁磁头头为为例例，简简要要说说明明磁磁栅栅传传感感器器的的工工作作原原理理。静静态态磁磁头头的的结结构构如如上上图图所所示示，它它有有两两组组绕绕组组N1和和N2。其其中中，N1为

39、为励励磁磁绕绕组组，N2为为感感应应输输出出绕绕组组。在在励励磁磁绕绕组组中中通通入入交交变变的的励励磁磁电电流流，一一般般频频率率为为5 kHz或或25 kHz，幅幅值值约约为为200 mA。励励磁磁电电流流使使磁磁芯芯的的可可饱饱和和部部分分（截截面面较较小小）在在每每周周期期内内发发生生两两次次磁磁饱饱和和。磁磁饱饱和和时时磁磁芯芯的的磁磁阻阻很很大大，磁磁栅栅上上的的漏漏磁磁通通不不能能通通过过铁铁芯芯，输输出出绕绕组组不不产产生生感感应应电电动动势势。只只有有在在励励磁磁电电流流每每周周两两次次过过零零时时，可可饱饱和和磁磁芯芯才才能能导导磁磁，磁磁栅栅上上的的漏漏磁磁通通使使输输出

40、出绕绕组组产产生生感感应应电电动动势势e。可可见见感感应应电电动动势势的的频频率率为为励励磁磁电电流流频频率率的的两两倍倍，而而e的的包包络络线线反反映映了了磁磁头头与与磁磁尺尺的的位位置置关关系系，其其幅幅值值与与磁磁栅栅到磁芯漏磁通的大小成正比。到磁芯漏磁通的大小成正比。式中：Em感应电势的幅值 W磁栅信号的节距 x机械位移量 磁头输出的电势信号经检波，保留其基波成分，可用下式表示：2信号处理方式 当两只磁头励磁线圈加上同一励磁电流时，两磁头输出绕组的输出信号为：式中：机械位移相角，图5-4-3双磁头结构 双磁头是为了识别磁栅的移动方向而设置的，其结构如图5-4-3所示。两磁头按(m14)

41、配置（m为正整数），它们的输出电压分别是 为增大输出，实际使用时常采用多间隙磁头。多间隙磁头的输出是许多个间隙磁头所取得信号的平均值，有平均效应作用，因而可提高测量精度。图5-4-4双磁头结构 将第二个磁头的电压读出信号移相900，两磁头的输出信号则变为：将两路输出相加，则获得总输出：（1）鉴相方式 磁尺与磁头接触，使用寿命不如光栅，数年后易退磁。设置两个磁头的意义何在？利用输出信号的幅值大小来反映磁头的位移量或与磁尺的相对位置的信号处理方式。经检波器去掉高频载波后可得：（2）鉴幅方式 与光栅的信号辨向、细分一致。鉴幅型磁栅传感器的原理框图 磁栅数显装置的结构示意图1磁性标尺 2磁头 3固定块

42、 4尺体安装孔 5泡沫垫 6滑板安装孔 7磁头连接板 8滑板三、磁栅数显装置 国产磁栅数显装置的LSI芯片组成：1磁头放大器（SF023）2磁尺检测专用集成芯片（SF6114）主要功能：两输入信号的放大；通道B信号移相 900；通道A和通道B信号求和放大；补 偿两只磁头特性所需的调整和来自数显 表供给两只磁头的励磁信号。主要功能：对磁尺励磁信号的低通滤波和功率放大；供给磁头的励磁信号；对放大器输出信号 经滤波后进行放大、限幅、整形为矩形 波；接受反馈信号对磁尺检出信号进行相 位微调。4可逆计数芯片（WK50395）3磁尺细分专用集成芯片（SIM011）主要功能：对磁尺的节距W200m实现200

43、或40 或20等分的电气细分，从而获得1、5、10m的分辨力（最小显示值）。该芯片带有比较寄存器和锁存器的P沟道MOS六位十进制同步可逆计数/显示驱动器。可以逐位用BCD码置数，及有异步清零功能。1磁栅测量系统压板磁头磁尺四、磁栅式传感器的应用 数显磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺2应用实例 54 感应同步器圆感应同步器与角度数显表外形图（参考航天数显中心）优点：具有精度高、抗干扰能力强、工作可靠、对工作环境要求低、维护方便、寿命长、制造工艺简单。用途：可用来测量直线或转角位移。分类：测量直线位移的称长感应同步器，测量转角位移的称圆感应同步器。一、感应同步器的结构和类型 圆盘式感应同步器示意图直

44、线式感应同步器示意图1结构定尺与滑尺绕组关系图 感应同步器的解剖图2类型直线式旋转式（圆盘式）带型 标准型窄型直线式感应同步器的尺寸和精度一览表 种种 类类定尺尺寸定尺尺寸（mmmm）滑尺尺寸滑尺尺寸（mmmm）测测量周期量周期（mmmm）精度精度(mm)标标准型准型250589.5100739.521.52.5窄窄 型型250309.574359.522.55带带 型型(2002000)19210带型感应同步器外形图（参考东方仿真）二、感应同步器的工作原理感应同步器原理动画演示 在定尺绕组上加上激励电流，于是滑尺绕组中便产生感应电势，其值为 设感应线圈 A的中心从励磁线圈中心右移的距离为x，

45、则感应电动势为 上式中：Em=K0UmK主要与两绕组的相对位置等因素有关如图滑尺绕组有两组，相差1/4个周期，则有F从励磁形式来说一般可分为二大类：一类是以滑尺(或转子)励磁，由定尺(或定子)取感应电动势，另一类则相反。F依信号处理方式而言，一般可分为鉴相型、鉴幅型和脉冲调宽型三种，而脉冲调宽型本质上也是一种鉴幅。1鉴相方式 在滑尺的正弦、余弦绕组上供给幅值和频率相同、相位差900的励磁电压us和uc，两个励磁绕组在定尺绕组上感应电势分别为：定尺上的总感应电势为：2鉴幅方式 在滑尺的正弦、余弦绕组上供以同频、反相，但幅值不等的交流励磁电压us和uc，即：两个励磁绕组在定尺上感应电势分别为：定尺上的总感应电势为：式中：感应同步器数显表鉴幅型滑尺励磁定位控制原理框图 三、感应同步器的应用 1定位控制系统鉴相型滑尺励磁随动控制原理框图 2随动控制系统轮廓仪外形图