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第12章 数字式传感器 12.1 光栅位移传感器 12.2 光电编码器 一 光栅位移传感器 光栅的工作原理 莫尔条纹的作用 光栅分类 光栅的内部结构 光栅输出信号（电压正弦波） 光栅的输出信号（TTL） 光栅在机床上的安装 安装有直线光栅的数控机床 小结： 光栅细分举例 辨向电路及波形 如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，无法分辨位移的方向。 4倍频辨向细分电路 脉冲计数电路 为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡） 2自由度光栅数显表 3自由度光栅数显表 二、光电编码器 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。 一、绝对式编码器 (1)绝对式编码器 绝对式编码器演示 4个电刷 a）光电码盘的平面结构（8码道） b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道） 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 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： 增量式光电编码器输出信号 轴角编码器的应用 编码器在伺服电机中的应用 光电编码器举例 例：采用四细分技术的增量式轴角编码器，参数为2048p/r,与螺距为2mm的丝杠相连接。实测轴角编码器在1s的时间内输出了411648个脉冲，请计算丝杠转过的圈数、与之配合的螺母移动的直线位移及螺母移动的平均速度。 解：四细分后编码器的实际输出为2048×4＝8192p/r。则轴在1s内实际的转数为411648/8192＝50.25r，即丝杠转过50.25转。 螺母的直线位移L=r*p=50.25*2=100.5mm。 平均速度100.5mm/s。 (2) T法测速（适合于低转速场合） T法测速举例 二、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 LED A B C 零位标志 A B C 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90?。 (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。 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。 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 光电编码器测量－（1）M法测量（适合于高转速场合） 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） m1 例题 T 有一增量式光电编码器，其参数为1024p/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 m1 * * 大量程高精度位移测量场合用哪种传感器？ 扫描头 光栅尺 光栅：一种把位移转换为数字量输出的位移传感器 20um 实用光栅每毫米刻线一般有25、50、 100、125、250条等 莫尔条纹 通过莫尔条纹的移动可以测量位移的大小和方向 (1) 位移放大作用：光栅移动栅距W 时，莫尔条纹也移动一个条纹宽度B。 （2）辨向：莫尔条纹上下移动方向代表指示光栅的移动方向。  透射式光栅 反射式光栅 结构布局特点： G1,G2相差1/2W。 G3,G4相差1/2W。 则G1,G3处于亮条纹时，G2,G4正好处于暗条纹。 而G1,G2与G3,G4差1/4W。 G1,G2 G3,G4 G5 余弦信号 正弦信号 零位信号 余弦信号 （整形后） 正弦信号 (整形后) 零位信号 一般将光敏元件输出的正弦电压信号整形为相差90度的方波信号。 光栅传感器的应用 光栅位移数显表 防护罩内为直线光栅 光栅扫描头 被加工工件 切削刀具 轴角编码器安装在夹具的端部 1. 光栅是一种高精度量程大的数