数字式位置传感器.pptx

当光源将光投射在码盘上时，转动码盘， 通过亮区的光线经狭缝后， 由光电晶体管元 件接收变成电流，经波形整形回路后变成数 字信号，即光电元件的排列与码道一一对应， 对应于亮区和暗区的光电元件输出的信号， 前者为“1” ，后者为“0”。 当码盘旋至不 同位置时，光电元件输出信号的组合，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。
器
输出相位差 A相、B相相差90°±45°（T/4±T/8）
的
启动转矩
100g·cm以下
特
惯性转矩
10g·cm以下
性
轴允许荷重 径向2kg、推力1kg
参
允许最高转速 5000r/min
数
防护结构
IEC标准IP52（防滴、防油）
质量
400g以下（带2m线）
10.1角度-数字编码器
A相、B相、Z相（可逆）
量
输出形态
电压输出
集电极开路输出
式
输出电阻：2kΩ
编
输出容量
变换器电流：20mA max 残余电压：0.4V以下
码
最高响应频率 30kHz
外施电压：DC30V max
变换器电流：80mA max 残余电压：1V以下（变换器电流80mA 时）0.4V以下（变换器电流20mA时）
DC5V（-5%），AC12V（+10%） 脉动（P-P）5%以下
DC12V（-10%），AC24V（+15%） 脉动（P-P）5%以下
部
消40,50,60,100,200,300,360,400,500,600,720,800,1000,1024
增
输出相
10.1角度-数字编码器
10.1.3增量式光电编码器

数，则上式为
(
单根振弦测压力时的非线性误差d 为
(
为了得到良好的线性，常采用差动式结构，如图。上下两 弦对称，初始张力相等，当被测量作用在膜片上时，两个 弦张力变化大小相等、方向相反。通过差频电路测得两弦 的频率差，则式中的偶次幂项相抵消，使非线性误差大为 减小，同时提高了灵敏度、减小了温度的影响。
振弦式加速度传感器结构原理图示于图8-15中，1
缺点： 要求材料质量较高，加工工艺复杂，所以生产周期 长，成本较高,价格贵。另外，其输出频率与被测 量往往是非线性关系，需进行线性化处理才能保 证良好的精度。
10.1 原理与类型
种类： 按照谐振的原理可分为：电的、机械的和原 子的三类。
这里分析机械式谐振传感器。
10.1 原理与类型
工作核心： 将被测量转换为物体的机械谐振频率，其中 振动部分被称为振子。
应用： 测量力、压力、位移、加速度、扭矩、密度、 液位等。 它主要用于航空、航天、计量、气象、地质、 石油等行业中。
机械振子的基本类型
振弦式
振筒式
振梁式
差动式振弦传感器原理
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电流法电路
1.基本原理
振子即机械振动系统的谐振频率f可近似用下
式表示 (
式中：k ──振子材料的刚度；me──振子的
故
项可忽略。
当由系上数式可a和得b满足条件a=2/(Bf0)和b=1/(Bf02)时，
式中:
──压差灵敏度系数，与振筒的
材料性质及尺寸有关；
r、h、 、E ──振筒的内半径、厚度、泊松
比、弹性模量。
可见，振筒式压力传感器的输入压差与输出频
率之间近似成抛物线关系。
由上式得到
因为 f/f0< < 1，相比之下( f/f0)2可

一、光栅的类型和结构
计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类 均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成 光栅副由标尺光栅和指示光栅构成 光敏元件可以使光敏二极管也可以是光电池
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光栅的类型和结构
计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。 长光栅用于直线位移测量标尺光栅固定不动，而 指示光栅安装在运动部件上，所以两者之间形成相对 运动 圆光栅用于角位移测量，指示光栅通常固定不动， 而标尺光栅随轴转动。
安装轴
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3、其他角编码器外形
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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。
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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）
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第三节
光栅传感器
光栅可分为物理光栅和计量光栅 物理光栅利用 光的衍射，分析光谱和光波定长测试，在检测中使 用计量光栅。
举例： 码盘边缘的透光槽数为1024个，则能分辨的最 小角度α =360°/1024=0.352°。
360 n

1 分辨率 11-3 n
11-4
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3、光电编码器的输出波形
为了判断码盘旋转的方向，在上 图的光栏板上的两个狭缝距离是码盘 上的两个狭缝距离的（m +1/4）倍， m 为正整数，并设置了两组光敏元件 A、B，有时又称为sin、cos元件。 光电编码器的输出波形如图所示。 有关A、B信号如何用于辨向、细分的 原理将在本章第三节中论述。为了得 到码盘转动的绝对位置，还须设置一 个基准点，如前图中的“零位标志 光电编码器的输出波形 槽”。码盘每转一圈，零位标志槽对 应的光敏元件产生一个脉冲，称为 “一转脉冲”，见图中的C0脉冲。

细分前 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细分技术后，计数 脉冲的频率提高了4
细分后 倍，相当于原光栅的 分辨力提高了3倍， 测量步距是原来的 1/4 ， 较 大 地 提 高 了 测量精度。
光栅细分举例
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细 分数为4细分，则：
由计算可知，莫尔条纹的宽度是栅距的32倍： L ≈W/θ = 0.02mm/（180 ）
由于莫尔条纹间距较大，因此可以用小 面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。
光栅的输出信号（TTL）
余弦信号 （超前） 正弦信号 零位信号
光栅输出信号（电压正弦波）
余弦信号 细分点 正弦信号 零位信号
脉冲细分
360
n
分 辨 率 1 n
11-3
11-4
二、增量式编码器
转轴 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝
AB AC
B
C
光敏元件
盘码及 狭缝
零位标志
光栏板及
辨向原理 A、B狭缝 LED
光敏元件所产生的信号A、B彼 此相差90相位。当码盘正转时， A信号超前B信号90；当码盘反转 时，B信号超前A信号90。
角编码器能将被测轴的角位移转换成二 进制编码或一连串脉冲。角编码器有两种基 本类型：绝对式角编码器和增量式角编码器。
一、绝对式角编码器 10码道光电绝对式码盘
绝对式角编码 器按照角度直接进 行编码。根据内部 结构和检测方式有 接触式、光电式、 磁阻式等。
透光区
不透光区绝对式码盘与增量式 Nhomakorabea盘有何区别？
编码器在数控 加工中心的刀库选 刀控制中的应用

第9章 数字式式传感器
• 类型： a、编码方式产生代码型的数字信号（编码盘） b、输出计数型的离散脉冲信号（光栅、感应同步器）
• 优点： a、测量精度高、分辨率高、 b、稳定性好、抗干扰能力强 c、便于与微机接口、适宜远距离传输
• 测量参数： a、机械量：线位移、角位移 b、其他量：计数
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b、按应用场合：透射光栅、反射光栅 c、按用途不同：线位移长光栅、角位移圆光栅 d、按表面结构：幅值光栅（几何光栅） 、相位光栅（衍射光栅） • 用途：
主要用于长度和角度的精密测量，在坐标测量仪＆数控机床伺 服系统有广泛应用。
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JIANG HAN UNI
9.1 光 栅 传 感 器
9.1.1 光栅的结构及莫尔条纹现象 9.1.2 光栅传感器的组成 9.1.3 光栅传感器的应用
JIANG HAN UNI
第9章 数字式式传感器
9.1 光 栅 传 感 器 9.2 编码盘 9.3 感应同步器
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9.1 光 栅 传 感 器
JIANG HAN UNI
• 敏感元件：光栅 • 参数变化过程：非电量－>莫尔条纹－>光电元件－脉冲 • 分类：
a、按工作原理：物理光栅（光栅的衍射）、计量光栅（光栅的莫 尔条纹）
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JIANG HAN UNI
9.1.1 光栅的结构及工作原理
1. 光栅结构
• 光栅：在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明 暗相间、等间距分布的细小条纹。
• a为栅线宽度（不透光），b为栅线间宽 （透光）， a+b=W称为光栅的栅距， 通常a=b=W/2。
• 目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、 100、250条线条。

未来数字式传感器将进一步实现多功能化和集成化，能够同时测量多个物理量，并与其他设备集成在一起。
多功能化和集成化
随着环保意识的提高，低功耗和绿色环保的数字式传感器将成为未来的发展趋势。
低功耗和绿色环保
为了满足各种严苛的工业环境需求，高可靠性、长寿命的数字式传感பைடு நூலகம்将成为研究的重要方向。
高可靠性和长寿命
数字式传感器的设计与实现
易于集成和智能化
数字式传感器通常具有较长的使用寿命和良好的稳定性，能够保证长期的测量精度。
长寿命和稳定性
数字式传感器可以通过数字信号进行远程传输和监控，方便实现远程管理和控制。
易于远程传输和监控
随着物联网技术的发展，数字式传感器将更加智能化和网络化，能够实现更高效、更准确的测量和控制。
智能化和网络化
总结词
数字式传感器采用数字化测量技术，能够将温度、压力、位移等物理量转换为数字信号，并通过数字通信接口传输给计算机或其他数字设备进行处理。与传统的模拟传感器相比，数字式传感器具有更高的测量精度和稳定性，能够更好地抵抗外部干扰的影响，提高测量的可靠性和准确性。
详细描述
总结词
数字式传感器的工作原理通常涉及信号的转换和传输。首先，传感器将物理量转换为电信号，然后通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号，最后通过数字通信接口将数字信号传输到计算机或其他数字设备进行处理。
实验室测试
将传感器安装在实际使用场景中，验证其在各种工况下的性能表现。
实际应用测试
在不同温度、湿度和压力条件下测试传感器的稳定性。
环境适应性测试
数字式传感器的实际案例分析
PART
05
01
智能工厂的温度监控
02
在智能工厂中，温度传感器被用于实时监测生产过程中的温度变化，确保产品质量和设备安全。

dx W
W
(10-4)
由上式可见，当2x/W=n，即x=W/2、W、3W/2、…
时，斜率最大，灵敏度最高。故其输出信号灵敏度Ku为
Ku =2Um/W
(10-5)
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10.1 光栅传感器
10.1.2.2 辨向原理
计量光栅辨向原理电路如图10-4所示。
图10-4 光栅辨向原理图
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10.1 光栅传感器
可编辑
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10.1 光栅传感器
•光栅传感器测位移x的原理： 当位移量x变化一个栅距W时，其输出信号uo变化一个周 期，若对输出正弦信号uo整形成变化一个周期输出一个脉 冲，则位移量x为
x=NW 式中，N—脉冲数；W—光栅栅距。
•输出信号灵敏度： 输出电压信号的斜率为
(10-3)
duo 2Um sin 2x
将这两个信号经求和处理后，可得输出信号为
(10-16)
eo
Eo
sin t
2
x
(10-17)
这是一个幅值不变、相位随磁头与磁栅相对位置x而变化
的信号，利用鉴相电路测量出相位，便可确定x。
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10.2 磁栅传感器
10.2.3磁栅传感器的特点和误差分析
•磁栅传感器录制的磁信号的空间波长稍大于计量光栅 的栅距W；
可编辑
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10.1 光栅传感器
10.1.2 光栅传感器的测量电路
10.1.2.1 光栅的输出信号
主光栅与指示光栅作相对位移产生莫尔条纹，光电元件在
固定位置观测莫尔条纹移动的光强变化，并将光强转换成电
信号输出。光电元件输出电压uo与位移量x成近似正弦关 系。

Ussinωt和uc＝Ucsinωt，则定尺上的感应电势es和ec 可用下式表达：
其中：K——耦合系数； θ——与位移x等值的电角度，θ＝2πx／W2

第10章 数字式传感器
第10章 数字式传感器

对于不同的感应同步器，若滑尺绕组激磁， 其输出信号的处理方式有: 1.鉴相法 2.鉴幅法 3.脉冲调宽法 三种。
第10章 数字式传感器

鉴幅法测量系统
此系统的作用是通过感应同步器将代表位移量的电 压幅值转换成数字量。

第10章 数字式传感器
第10章 数字式传感器

三、感应同步器的接长使用
感应同步器可用于大量程的线位移和角位移的静 态和动态测量。
在数控机床、加工中心及某些专用测试仪器中常 用它作为测量元件。
与光栅传感器相比，它抗干扰能力强，对环境要 求低，机械结构简单，接长方便。
目前在测长时误差约为±1μm/250mm，测角时误 差约为±0.5”。

第10章 数字式传感器
第二节 光 栅
光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均 匀相间排列构成的光器件。按工作原理，有物理光 栅和计量光栅之分，前者的刻线比后者细密。物理 光栅主要利用光的衍射现象，通常用于光谱分析和 光波长测定等方面；计量光栅主要利用光栅的莫尔 条纹现象，它被广泛应用于位移的精密测量与控制 中。

第10章 数字式传感器
鉴相法
所谓鉴相法就是根据感应电势的相位来测量 位移。采用鉴相法，须在感应同步器滑尺的 正弦和余弦绕组上分别加频率和幅值相同， 但 相 位 差 为 V2 的 正 弦 激 磁 电 压 ， 即 us＝
Um·sinωt和uc＝Umcosωt。
第10章 数字式传感器

数，并设置了两组光敏元件A、B，有时
又称为sin、cos元件。
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辨向信号和零标志
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）
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1.直接测量
直接测 量的误差较 小。 图为利 用光栅传感 器测量数控 机床工作台 位移量的现 场照片。
工作台
工作台运动方向
光栅
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2.间接测量
工作台 丝杠 x θ 进给电机
编码器
在间接测量 中，多使用旋转式 位置传感器。测量 到的回转运动参数 仅仅是中间值，但 可由这中间值再推 算出与之关联的移 动部件的直线位移 间接测量须使用丝 杠-螺母、齿轮-齿 条等传动机构。
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传动机构
齿距
齿轮
齿条
滚珠丝杠螺母 副、齿轮-齿条副 等传动机构能够 将旋转运动转换 成直线运动。但 应设法消除传导 过程产生的间隙 误差。
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x θ
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滚珠丝杠螺母副
螺母 滚珠丝杠螺母 副能够将减小传 动磨檫力，延长 使用寿命，减小 间隙误差。
丝杠
θ x
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第十一章 数字式位置传感器
本章学习几种常用数字式位置传
感器的结构、原理，如角编码器、光
栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器
等，并讨论他们在直线位移和角位移 中测量、控制的应用。
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第一节
位置测量的方式
位置测量：指(直线)线位移和(旋转)角位移的精密 测量。位置传感器有直线式和旋转式两大类。
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，即用 直线式传感器测直线位移，用旋转式传感器测角位移， 则该测量方式为直接测量。直接用于直线位移测量的直 线光栅和长磁栅等；直接用于角度测量的角编码器、圆 光栅、圆磁栅等。 若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值， 再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移，则该测 量方式为间接测量。
第十一章
数字式位置传感器
本章学习几种常用数字式位置传感器 的结构、原理，旋转编码器、光栅传感器、 磁栅传感器、感应同步器、容栅传感器等。 讨论他们在线位移和角位移中测量、控制 的应用。
数字式传感器的特点：数字式位置传感器与前面介绍的位置 传感器(电感式、电涡流式、电容式等)不同，它可以直接给出抗 干扰能力较强的数字脉冲信号或编码信号。既有很高的精度，又 可以测量很大的位移量，而且测量的准确度与量程基本无关。
1、直接测量
工作台
2、间接测量
丝杠
工作台
编码器
进给电机
x
θ
光栅
直接测量的误差较小
间接测量须使用丝杠-螺母、 齿轮-齿条等传动机构。
传动机构
齿距 齿轮 齿条 螺母 丝杠 θ
θ
x
x
齿轮-齿条副能够将旋转运 动转换成直线运动。应设法 消除传导过程的间隙误差。
滚珠丝杠螺母副能够将减 小传动磨檫力，延长使用 寿命，减小间隙误差。
也可刻成a∶b=1.1∶0.9。目前常用的光栅每毫米刻成10、
透射光栅示意图
光栅的外形及结构
尺身 尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长磁栅