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1、 数字式传感器按工作原理不同，可分为三大类：*脉冲输出式：光电编码器、光栅传感器、感应同步器、磁栅传感器等*频率输出式：振弦式、振筒式和振膜式传感器。*直接以数字量形式输出：直接编码器数字式位置传感器的分类第1页/共89页111 角编码器 将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。编码器的种类很多，按照测角度位移和直线位移分别有码盘和码尺，码盘即为角编码器。第2页/共89页 角编码器是一种旋转式位置传感器，它的转轴通常随被测轴一起转动，能将被测轴的角位移转换成二进制编码或一串脉冲。角编码器绝对
2、式编码器（直接式）增量式角编码器第3页/共89页一、绝对式角编码器 绝对式（直接）角编码器是直接将角位移转换为二元码（即“0”或“1”）。绝对式角编码器接触式光电式磁阻式非接触式编码器特点：非接触，体积小，寿命长，分辨率高 第4页/共89页1.接触式编码器接触式编码器由码盘和电刷组成 码盘：是利用制造印刷电路板的工艺，在铜箔板上制作某种码制图形（如8-4-2-1码等）的盘式印刷电路板。电刷：是一种活动触头结构，在外界力的作用下旋转码盘时，电刷与码盘接触处就产生某种码制的某一数字编码输出。第5页/共89页码盘第6页/共89页接触式编码器工作原理（以四位二进制码盘为例）8421码：是最基本、最简单
3、的二进制码，是用四位 二进制来表示一位等值的十进制数，共十六种组合。以8421制作的码盘和旋转轴固定在一起。码盘上有四圈码道，相应地，对应码道上有一个电刷。四个电刷沿着一个固定的径向 安装。涂黑处为导电区，电刷接触导电部分时，输出高电平（“1 1”）白处为绝缘区，电刷接触绝缘部分时，输出低电平（“0 0”）第7页/共89页接触式编码器 无论码盘处在哪个角度，均有一个4位二进制编码与该角度对应。码道的圈数就是二进制的位数。若有n圈码道，就称为n位码盘，圆周就被分为2的n次方个数据，能分辨的角度（即为分辨率）显然，编码器的分辨率与码道数n有关，位数n越大，分辨率越高，测量准确度就越高。若要提高分辨
4、能力，就必须增加码道数。第8页/共89页绝对式接触式编码器绝对式接触式编码器演示演示4 4位二进制码盘 +5V +5V输入 公共码道 最小分辨角度为 =360/2n 4 4个电刷 第9页/共89页存在问题：由于四个电刷扫描的不同步容易引起错码。另外，电刷安装不精确引起的机械偏差，码盘制作和安装不准 等。第10页/共89页 提高精度的途径（防止错码的出现）是常采用循环码盘。循环码的特点是相邻两个数码间只有一位变化，即使制造或安装不精确，产生的误差最多也只是最低位，在一定程度上可消除非单值误差。因此采用循环码盘比8-4-2-1码盘的精度更高。第11页/共89页角 度电 刷 位 置二进制码（B）循环
5、码（R）十 进 制 数0a0000000001 b0001000112 c0010001123 d0011001034 e0100011045 f0101011156 g0110010167 h0111010078 i1000110089 j10011101910 k101011111011 l101111101112 m110010101213 n110110111314 o111010011415 p1111100015第12页/共89页2.绝对式光电编码器 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。构成：由光学玻璃制成的圆形码盘，码盘上刻有同心码
6、道，码道上有亮区和暗区；光源经光学系统形成一束平行光通过狭缝形成窄光束照射在光电元件上；光电编码器的精度取决于码盘的精度光电编码器的精度取决于码盘的精度。第13页/共89页有多少条码道，就有多长的二进制数，工业上常用的是21码道。从里向外读数亮区：定义为高电平1暗区：定义为低电平0零位（全黑）：000000110000缺点：码道多，要求制造精度高，否则，会产生很大的误差。码盘（以6位二进制码盘为例）第14页/共89页 当狭缝对准a,b,c,a,b,c,p p位置时，得到的数码将是0000,0001,0010,0000,0001,0010,11111111 光电码盘的特点是除了转轴之外，不存在接
7、触磨损，允许高速旋转。第15页/共89页二进制码盘的粗误差（了解）上图是一个四位二进制码盘展开图。当读数狭缝处于AA位置时，正确读数为0111，为十进制数7。若码道C4黑区做得太短，就误读为1111，为十进制数15。反之，若黑区C4太长，当狭缝处于AA时，就会将1000读为0000。这两种情况下都将产生粗误差。第16页/共89页数字式角编码器数字式角编码器 信号航空插头（参考德国沃申道夫公司资料）第17页/共89页其他角编码器外形其他角编码器外形 拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。第18页/共89页其他角编码器外形其他角编码器外形（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）（参
8、考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）第19页/共89页绝对式角编码器结论 三种编码器相比较，光电式编码器的性价比最高，它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。目前我国已有23位光电编码器，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。第20页/共89页 增量式编码器（即脉冲盘式编码器）是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲 A、B 和C 相；A、B 两组脉冲相位差 900，从而可方便地判断出旋转方向，而 C 相为码盘每转一圈就产生一个脉冲，用于基准点定位。二、增量式角编码器有三个码道：最外圈零位码道 中间外圈A码道 最内圈B码道第21页/共89页增
9、量式编码器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LEDABC零位标志ABC第22页/共89页增量式增量式编码器编码器增量式码盘10码道光电绝对式码盘 它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。零位标志第23页/共89页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：第24页/共89页增量编码器原理演示顺时针旋转式超前第25页/共89页增量编码器
10、原理演示逆时针旋转时滞后第26页/共89页第27页/共89页第28页/共89页编码器在伺服电机中的应用编码器在伺服电机中的应用 利用编码器测量伺服电机的转速、转角，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数。转速测量转子磁极位置测量角位移测量三相电参数闭环控制第29页/共89页编码器在定位编码器在定位加工中的加工中的应用应用1 1绝对式编码器 2电动机 3转轴 4转盘 5工件 6刀具 第30页/共89页11-2 光栅传感器光栅传感器 1.光栅一、光栅的基本知识 光栅是上面有很多等节距的刻线均匀相见排列的光器件。物理光栅：利用光的衍射现象计量光栅：利用光栅的莫尔条纹主要讨论：计量光栅第31页/共89页
11、2.计量光栅 光栅传感器由照明系统、光栅副、光敏元件三大部分组成。光栅副是光栅传感器的主要部分。在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅。光栅副主要由主光栅（也称标尺光栅）和指示光栅（读数头）组成。通常将指示光栅与主光栅叠合在一起，两者之间保持很小的间隙（0.05mm0.05mm或0.1mm0.1mm），在近乎垂直栅线的方向上出现了明暗相间的条纹，即莫尔条纹，起到光学放大作用。播放莫尔条纹动画第32页/共89页 当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化，利用光敏元件，将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并与数字显示，从而可以测量出标尺光栅的移动距离。第33页/共8
12、9页3.计量光栅的种类长光栅（直线光栅）：用于直线位移测量圆光栅：用于角位移测量按形状分按原理分透射式反射式第34页/共89页abW刻线密度：（1010，2525，5050，100100线）/mm/mm10001000线/mm/mm a：刻线宽度b:刻线间的缝隙宽度W：栅距，光栅常数第35页/共89页 透射光栅是在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条。图610中a为刻线宽度，b为刻线间的缝隙宽度，a+b=w称为光栅的栅距（或光栅常数）指示光栅一般比主光栅短得多，通常刻有与主光栅同样密度的线纹。光源一般用钨丝灯泡。光电元件包括光电池和光敏三极管等部分。第36页/共89
13、页尺身尺身安装孔 反射式扫描头 （与移动部件固定）扫描头安装孔可移动电缆光栅的外形及结构光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长磁栅第37页/共89页扫描头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆光栅的外形及结构（续）光栅的外形及结构（续）第38页/共89页透射式直光栅透射式直光栅第39页/共89页反射式光栅反射式光栅第40页/共89页透射式圆光栅透射式圆光栅固定第41页/共89页第42页/共89页莫尔条纹莫尔条纹演示演示二、莫尔条纹形成的原理及特点第43页/共89页两光栅平行-竖条纹标尺光栅移动一个W，光电管接受光线亮暗一次 缺点：无法辨向两光栅成微小角度-横条纹（莫尔条纹）形成黑白相间的条纹光栅左右
14、移动，条纹上下移动-可辨向每移动一个栅距W，条纹移动一个间距BH第44页/共89页莫尔条纹的重要特性运动对应关系莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角固定后，两光栅相对左右移动一个栅距W时，莫尔条纹上下或下上移动一个节距B，因此，可以通过检测莫尔条纹的移动条数和方向来判断两光栅相对位移的大小和方向。位移放大关系误差平均效应莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻线误差有平均作用。光强近似于正弦变化第45页/共89页莫尔条纹莫尔条纹的位移放大作用的位移放大作用 在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角。在两光栅的刻线重合处，光从
15、缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。光栅的刻线宽度W莫尔条纹的宽度BH BHW/，（为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）BH第46页/共89页莫尔条纹莫尔条纹光学放大作用举光学放大作用举例例 有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角 =1.8，则：分辨力 =栅距W=1mm/50=0.02mm=20 m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）莫尔条纹的宽度是栅距的32倍：BH W/=0.02mm/（1.8 *3.14/180 ）=0.02mm/0.0314=0.637mm由于较大，因此可以 “观察”莫尔条纹光强的变化。第47页/共89页三.光栅
16、位移数字转换的基本原理1.光栅传感器输出信号波形当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期变化，其输出波形如图：第48页/共89页 输出表达式：0mCOS(2/w)X 式中，2/W为空间角频率，W为栅距（信号周期），X为位移。由此可知，只要计算输出电压的周期数，便可测出位移量。从而实现了位移量向电量的转换。在一个周期内，V的变化是位移在一个栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题：辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向；精度低；分辨力只为一个栅距W。怎么解决这两个问题
17、呢？第49页/共89页四、辨向电路及波形 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点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移。第50页/共89页辨向电路及波形第51页/共89页 细分技术能在不增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅的分辨力。细分前，光栅的分辨力只有一个栅距的大小。采用4 4细分技术后，计数脉冲的频率提高了4 4倍，相当于原光栅的分辨力提高了3 3倍，测量步距是原来的1/41/4，较大地提高了测量精度。五、细分技术提高光栅的分辨力对栅线进行加
18、密采用细分技术第52页/共89页四细分l直接细分（放置4个光电元件）第53页/共89页光栅细分光栅细分举例举例 有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细分数为4细分，则：分辨力 =（1mm/50）/4=0.005mm=5 m 采用细分技术，在不增加光栅刻线数（成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。第54页/共89页电阻电桥细分法（矢量和法）电阻链细分法（电阻分割法）锁向倍频法第55页/共89页为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。第56页/共89页为光栅设计为光栅设计的专用信号的专用信号 处理单元处
19、理单元 （光栅插补器）（光栅插补器）功能同上页第57页/共89页光栅在机床上的安装位置（光栅在机床上的安装位置（2 2个自由度）个自由度）第58页/共89页光栅在机床上的安装位置（光栅在机床上的安装位置（3个自由度）个自由度）数显表数显表第59页/共89页2 2自由度光栅数显表自由度光栅数显表X位移位移显示显示Z（Y）位移）位移显示显示第60页/共89页3 3自由度光栅数显表自由度光栅数显表第61页/共89页光栅数显表（续）光栅数显表（续）三座标数显表第62页/共89页SDS8-3E SDS8-3E 光栅数显箱功能光栅数显箱功能:公制/英制转换绝对/相对转换线性误差补偿正反方向计算归零插值补偿
20、到达目标值停机PCD圆周分孔200组零位记忆电蚀深度目标值显示实时工作位置显示掉电记忆 第63页/共89页6-3 感应同步器 感应同步器也是一种用来测量位移量的数字式传感器，它是利用两个平面型绕组的互感随位置不同而变化的原理制成的，它的工作原理与变压器的工作原理类似，又称平面变压器。第64页/共89页感应同步器由两个平面形印刷绕组组成，平面绕组是用铜箔加工而成，粘在钢板上或铸铁制成的基体上，两个绕组相当于变压器的两个线圈。感应同步器有两种，一种是直线感应同步器，用来测量线位移，两个绕组分为定尺绕组和滑尺绕组。另一种是圆感应同步器，用来测量角位移。两个绕组分为定子绕组和转子绕组。定尺和转子的绕组
21、为连续绕组，相当于变压器的副边，用于输出与位移有关的信号。滑尺和定子的绕组为分段绕组（又称为正、余弦绕组），工作时输入激磁电压，用以产生交变磁场。一.感应同步器的种类及结构第65页/共89页直线型感应同步器的基本结构：由定尺和滑尺组成定尺安装在固定部件上（如机床台座），滑尺与运动部件（如机床刀架）一起沿定尺移动。绕组分布不同定尺是连续绕组，滑尺是分段绕组。分段绕组分为两组，布置成在空间相差90 相角，又称为正、余弦绕组。第66页/共89页图6-23结构组成节距：绕组在长度方向的分布周期滑尺与定尺相对移动时，定尺绕组上的感应电动势与两尺的相对位移成正比正弦绕组余弦绕组第67页/共89页 圆盘式感
22、应同步器（旋转式）圆盘式感应同步器由定子和转子组成，形状呈圆片形，定子相当于直线式感应同步器的滑尺，转子相当于定尺。第68页/共89页定尺或滑尺其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化。再通过对此信号的处理，便可测量出直线位移量。定尺与滑尺间的气隙应保持在0.250.05mm范围内。二.工作原理第70页/共89页以直线感应同步器为例，当两绕组位置相对固定时，滑尺绕组中的激磁电流使定尺绕组中产生一个感应电势，其大小为：M为互感系数 如果假设绕组的自感系数很小，且激磁频率较低，则滑尺激磁绕组可视为纯电阻，则
23、激磁电流为：,所以有K称为电磁耦合系数第71页/共89页随着两绕组间的位置关系不同，定尺中的感应电势大小是不同的，我们可以具体分析如下：见P129 图6-26当滑尺与定尺间的相对位置按下面规律变化，以正弦绕组为例：1.x=o时：这时两绕组完全重合，通过定尺的耦合磁通最大，这时定尺绕组中产生的感应电势最大。2.x=1/4W时：滑尺跨在定尺的两侧，定尺中的感应电势相互抵消为零。3.x=1/2W时：滑尺与定尺重合，但感应电势方向与x=0时相反，达到反方向最大。4.x=3/4W时：定尺中感应电势为零。第72页/共89页因此，对于正弦绕组激磁而产生的感应电势的大小为：cos为位置系数，同理，若设，则可推
24、出对于余弦绕组激磁而产生的而总电势为：这里讨论是在理想情况下近似的，实际的输出中还存在有其它高次谐波及干扰。一般情况下，激磁电压，感应电势；但激磁电压太大（i增大），引起发热，致使不能正常工作。V=12V.【演示】感应电势为：第73页/共89页第74页/共89页三.感应同步器的工作方式感应同步器工作方式通常分为：鉴相型鉴幅型第75页/共89页鉴相型工作方式鉴相型工作方式是根据感应输出电压的相位来检测位移量的一种工作方式。激磁方式：对滑尺的正余弦绕组分别供以幅值相同，但相位相差90的交流方波。这时总电势为：第76页/共89页 这相当于一个相位调制波，当位移X发生变化时，输出信号的相位发生变化。由
25、上述讨论可知，输出信号的幅值与激磁电压（相当于载波）的频率有关。激磁频率越高，输出幅值越大，且可使测量速度提高。但若激磁频率过高，则导致感抗增加，容抗减小，使测量精度下降。从上面讨论还可以看出，在一个节距w内，感应输出电压的相位与滑尺和定尺间位移x相对应，每当位移变化一个节距，变化2角度，输出信号的相位变化一个周期，因此，必须采用累加计数的办法求总的位移量。第77页/共89页鉴幅型工作方式通过输出电压幅值变化来测量位移。激磁方式：滑尺的正、余弦绕组分别加以频率相同、相位相同、但幅值不等（按正、余弦规律变化）的交流电压。第78页/共89页可见，当激磁电压不变，固定，则输出信号幅值与相对位移x有关
26、。设初始=；如果，说明由位移存在，若设法改变，使，则通过计算的变化量便可求得x的大小。第79页/共89页感应同步器的优点：具有较高的分辨力和精度。长感应同步器：精度1.5m，分辨力0.05 m，重复性0.2 m。抗干扰能力强；使用寿命长，维护简单；可以做长距离位移测量；定尺拼接工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。应用：大位移静态与动态测量。三坐标测量机程控数控机床高精度重型机床第80页/共89页感应同步器 定尺、滑尺 感应同步器 数显表 感应同步器 第81页/共89页容栅传感器 容栅传感器是一种可测量大位移的变面积电容式数字传感器。容栅传感器分为直线型、圆型和圆筒形容栅传感器，前两种用于直
27、线位移测量，第三种用于角位移测量。容栅传感器由动尺和定尺组成，两者保持很小的间隙。动尺上有多个发射电极和一个长条形接收电极；定尺包含多个相互绝缘的反射电极和一个屏蔽电极。第82页/共89页发射电极分为发射电极分为6组，每组组，每组8个电极，编号相同的电极施加相同激个电极，编号相同的电极施加相同激励信号，相邻电极上激励信号相位差为励信号，相邻电极上激励信号相位差为45度。度。直线式容栅传感器结构 第83页/共89页容栅传感器的应用 数显千分尺 第84页/共89页64 振弦式传感器 管、弦、钟、鼓等乐器利用谐振原理而可奏乐，这早已为人们所熟知。而把振弦、振筒、振梁和振膜等弹性振体的谐振特性成功地用
28、于传感器技术，这却是近几十年的事。弹性振体频率式传感器就是应用振弦、振筒、振梁和振膜等弹性振体的固有振动频率（自振谐振频率）来测量有关参数的。振弦式传感器以张紧的钢弦作为敏感元件，其弦振动的固有频率与张紧力有关。当振弦长度确定后，弦的振动频率变化量即可表示张紧力的大小。其输入量为力，输出量为频率信号。第85页/共89页工作原理：式中：l 振弦的有效长度；振弦的线密度(单位长度的质量)。振弦的固有频率f0：第86页/共89页应用：利用振弦的固有频率与其张力的函数关系，可以做成压力、力、力矩或加速度传感器；利用振弦的固有频率与其长度l的函数关系，可以做成温度式、位移式传感器。第87页/共89页思考题：1、什么是莫尔条纹的放大作用？2、设有一光栅，其刻线数为250线/mm，要用它测量1微米的位移，应采取什么措施？3、感应同步器如何在数控机床上应用？4、感应同步器绕组节距通常为2mm，为什么可以用它测出0.01mm的位移量？5、振弦式传感器输出的是什么信号？第88页/共89页感谢您的观看！第89页/共89页