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 课件 统一书号：ISBN 978-7-111-48817-0 课程配套网站 www.sensor-measurement.net 或www.liangsen.net 2015年2月第1版 提示：如果发现本PPT或教材有错误，可以来信与作者讨论。作者的邮箱是：liangsen2@126.com，谢谢。作者，2015年2月 （作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）

内容简介 本模块介绍“数字式位移传感器” 的基本概念、大位移的测量方法、角编码器、光栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器，并讨论了它们在直线位移和角位移精密测量以及机床位置控制中的应用。还介绍了电梯平层的要求及方法。 提示：光栅的“辨向”比较难哦。 今天是：2018年11月12日星期一

模块九、小位移检测（上） 目录 現在時間是：04:49 知识链接 位置检测方式 项目一、角编码器 项目二、光栅传感器 进入 模块九、小位移检测（上） 目录 知识链接 位置检测方式 项目一、角编码器 项目二、光栅传感器 项目三、磁栅传感器 项目四、容栅传感器 拓展阅读 电梯平层 进入 进入 进入 提示：1.本课件，基本上每一页面都有“提问”，主要是用于教师思考与提高，也可以用于提问学生。 2.本PPT的页数较多，主要是为了拓展学生的知识面。各校可以根据自己的专业方向作加减法。 进入 进入 現在時間是：04:49

知识链接 位置检测方式 位置测量主要是指直线位移和角位移的精密测量。数字式位置传感器按测量方式有直接测量和间接测量之分；按测量原理分，有增量式测量和绝对式测量之分。 提问：如果使用光电转速计测量旋转物体的旋转圈数，属于直接测量还是间接测量？

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：直线式传感器直接测量直线位移，旋转式传感器直接测量角位移，则该测量方式为直接测量。例如用长光栅和长磁栅测量直线位移等。 若旋转式位置传感器测量的回转运动只是被测量的中间值，再由测量结果推算出与之关联的运动部件的直线位移，则该测量方式属于间接测量。例如用角编码器测量出机械丝杠的旋转角度，再计算丝杠上的螺母的直线位移。 提问：如果使用光电转速计测量旋转物体的旋转圈数，属于直接测量还是间接测量？

图10-1 直接测量和间接测量示意图 a）直接测量 b）间接测量 1－导轨 2－运动部件 3－直线式位置传感器的随动部件 图10-1 直接测量和间接测量示意图 a）直接测量 b）间接测量 1－导轨 2－运动部件 3－直线式位置传感器的随动部件 4－直线式位置传感器的固定部件 5－旋转式位置传感器 6－丝杠-螺母副 7－电动机 提问：如果将5旋转式位置传感器 直接安装在电动机的后部有什么好处？

直接测量 示意图 随动刀具 提问：电动机（进给驱动）与丝杆的转速比为什么不一定严格等于皮带传动中的大小皮带轮的直径之比呢？如果使用“同步带”呢？ 光栅读数头 光栅尺 7

间接测量示意图 随动刀具 提问：为什么上图属于间接测量呢？与上一页有什么全区别呢？ 8

直接测量 回转工作台旋转运动θ 利用角位移传感器直接测量工作台的角位移 提问：上图中，角位移传感器安装在哪儿呢？

直接利用数字式直线位移传感器 测量直线加工机床的直线位移量 直接测量不会产生转换误差 工作台 运动方向 提示：光栅在机床的侧面，导轨的下面。 +x 光栅

间接测量 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-螺母副、齿轮-齿条副等传动机构，将旋转运动转换为直线运动。 进给电动机 (伺服或步进) 工作台 丝杠 x θ 提示：1.编码器安装、在进给电动机的后端，直接同轴连接。 2.进给电动机多数是伺服电动机，要求较低的场合也可以是或步进电动机。

齿轮-齿条副的位移转换演示 +x -x θ 齿条 齿轮 D =(100/360º)×180º =50 齿条为直线运动， 齿轮作旋转运动 例：设齿轮的分度圆直径为200mm ,齿数z=100, 传感器测得齿轮转过了 θ=180度。求： 1）所转过的齿数N； 2）齿条的齿距t； 3)齿条所移动的距离 x。 齿条 齿轮 -x θ 解： 1）所转过的齿数 N=(z÷360º) ×θ =(100/360º)×180º =50 2）齿条的齿距 t=πD/z=6.28mm； D 提问：齿轮的齿数N等于齿条的齿距吗？ 齿条为直线运动， 齿轮作旋转运动 3）齿条所移动的距离x=N t= 50×6.28=314mm.测出齿轮的角位移,就可测得齿条的直线位移 .

x θ 传动机构 齿条 齿距t 齿轮 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。 x θ 提问：当齿轮逆时针旋转时，齿条是向左还是向右移动？

θ 滚珠丝杠螺母副 丝杠 螺母 滚珠丝杠-螺母副能够减小传动磨檫力，延长使用寿命，减小间隙误差。 x 平均螺距误差大于10μm 提问：请上网查阅有关“滚珠丝杠-螺母副”的资料。滚珠丝杠-螺母副的最大特点是什么？ 平均螺距误差大于10μm

传动分析 设：螺距t=4mm，丝杠在4s时间里转动了10圈，求：丝杠的平均转速n(r/min)及螺母移动了多少毫米？螺母的平均速度v又为多少？ N=10圈时，θ =？度 螺距t=4mm x=？mm 齿轮-齿条副、螺母丝杆副等直线-旋转转换设备均存在间隙误差,特别是从正转切换到反转时,间隙将导致测量死区,必须予以补偿。 θ 滚珠螺母 提问：1.“滚珠丝杠-螺母副”中的“螺母”强行向右移动，什么情况下可以带动丝杆旋转？ 2.普通的“丝杠-螺母副”中的“螺母”强行向右移动，为什么不能带动丝杆旋转？ 丝杠 x

例10-1 若丝杠的螺距t =6. 00mm（当丝杠转一圈360°时，“单线螺母”或“单头螺母”移动的直线距离为6 例10-1 若丝杠的螺距t =6.00mm（当丝杠转一圈360°时，“单线螺母”或“单头螺母”移动的直线距离为6.00mm），旋转式位置传感器测得丝杠的旋转角度θ为7290°，求螺母的直线位移x。 解 螺母的直线位移 x=(7290º/360º)×6mm =121.50mm 1－导轨 2－运动部件 5－旋转式位置传感器 6－丝杠-螺母副 7－电动机 提问：在上例中，为什么工作平台可以按照控制器的要求而向左或向右运动？

【丝杠-螺母副位移转换填表训练】 丝杠-螺母副（单线）在10s时间里运动的数据如下，请分析、填空（最少保留三位有效数字） 螺母的螺距t /mm 2（细牙） 6（粗牙） 丝杠的旋转角度θ/° 180 360 -90① -100 3600 丝杠转速/r·min-1 6.00 -1.67 螺母的位移x/mm -1.00 螺母的线速度 v/m·min-1 0.060 -0.030 0.360 提问：1.什么是“丝杠-螺母副”？ 2.什么是丝杆的“牙”？什么是“细牙”？什么是“粗牙”？

表10-1 数字式位置检测传感器的 分类及特点 种 类 工作原理 测量范围 最高 分辨力 特 点 球栅尺 线圈与钢球感应 10m 5μm 表10-1 数字式位置检测传感器的 分类及特点 种 类 工作原理 测量范围 最高 分辨力 特 点 球栅尺 线圈与钢球感应 10m 5μm 价廉，全密封；模拟输出信号易受干扰；可用于直线位移测量 接触编码器 接触电位 360º 5.6º 价廉；码道数小于6；易磨损，适合于静态测量 光电编码器 光电效应 360º×4096 0.3' 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 长光栅 3m 1μm 准确度和分辨力高；易折断；用于直线位移的精密测量 圆光栅 0.1' 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 长磁栅 磁电感应 30m 磁栅尺可以按需要剪裁，安装简便，可用于大量程位移测量 提问：请上网查阅有关“球删尺”的资料。

表10-1 数字式位置检测传感器的 分类及特点（续） 表10-1 数字式位置检测传感器的 分类及特点（续） 种 类 工作原理 测量范围 最高 分辨力 特 点 圆磁栅 磁电感应 360º 1' 适合于普通机床等的角位移测量或转速测量 直线 容栅 静电感应 200 10μm 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 圆容栅 0.6º 价廉；分辨力较高，响应频率慢；可用于百分表、千分表等 磁阻式角编码器 磁阻效应 360º×4096 0.35º 价廉；码道数小于10；适用于要求不高的角位移测量 提问：提问：请上网查阅有关“磁阻式传感器”的资料。

二、增量式测量与绝对式测量 （1）增量式测量：运动部件每移动一个基本长度单位，位置传感器便发出一个输出脉冲。一个脉冲所代表的基本长度单位就是分辨力。计数器对脉冲进行计数，便可得到位移量。 光源 提问：为什么上述测量方法称为“增量式”？

（1）增量式测量（续） 例10-2 在图10-1a中，若增量式测量系统的每个脉冲代表0.01mm，在10s时间里，长光栅传感器发出2000个脉冲，求： 1）工作台的直线位移x（机床行业习惯使用的单位为：mm）。 2）运动速度v（机床行业习惯使用的单位为：m/min）。 解 1）根据题意，工作台每移动0.01mm，长光栅传感器便发出1个脉冲，计数器就加1或减1。当计数值为2000时，工作台移动了x =2000×0.01mm =20.0mm。 2）v=x/t=20.0mm/(10s)=2.00mm/s=0.12m/min。 增量式位置传感器必须有一个零位标志，作为测量起点的零位标志。典型的增量式位置传感器有增量式光电角编码器、增量式光栅等 提问：如果测量中途断电，增量式位置传感器会不会丢失运动部件的绝对位置数据？要怎样防止这个问题呢？

增量式传感器工作原理分析 增量式测量得到的脉冲波形 在增量式测量中，移动部件每移动一个基本长度单位，位置传感器便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式。这样，一个脉冲所代表的基本长度单位就是分辨力，对脉冲计数，便可得到位移量。 提问：1.如果测得增量式传感器输出了1000个脉冲，每个脉冲代表10μm，则该增量式传感器移动了多少毫米？ 2.能够判断是左移还是右移？

（2）绝对式测量 每一被测点都有一个对应的编码,常以二进制数据形式来表示（例如:10 1011 0010）。即使断电之后再重新上电,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绝对式角编码器。 提问：1.“10 1011 0010”的输出属于几位编码器？是绝对式？还是增量式？ 2.下图的输出属于几位编码器？

项目一 角编码器 项目教学目标】 ☞ 知识目标 1．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。 项目一 角编码器 项目教学目标】 ☞ 知识目标 1．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。 ☞ 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。 2．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M法测速计算。

任务一 认识角编码器 角编码器是一种旋转式位置传感器，它的转轴通常与被测旋转轴连接，随被测轴一起转动。角编码器能将被测轴的角位移转换成二进制编码（绝对式角编码器）或一串脉冲（增量式角编码器）。 混合式角编码器（不仅输出格雷码，同时还输出增量式脉冲信号），可以同时测量转子的空间位置与转速。 光栅板 提问：请上网查阅“混合式角编码器”的资料。

一、绝对式角编码器 （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，有接触式、光电式、磁阻式等形式。常用的角编码器是光电式。 1．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属区，图中的涂黑部分为导电区，用电平“1”表示，其他部分为绝缘区，用电平“0”表示。图中的码盘分成4个输出码道，在每个码道上都有一个电刷，电刷经取样电阻R0~R3接地，信号从电阻的“热端”（非接地端）取出。 提问：请上网查阅有关“磁阻”的资料。

1－码盘 2－转轴 3－导电体 4－绝缘体 5－电刷 6－激励公用轨道（接电源正极） 图10-2 4位二进制接触式码盘 a）电刷在自然二进制码盘上的位置 b）4位自然二进制码盘 c）4位格雷码码盘 1－码盘 2－转轴 3－导电体 4－绝缘体 5－电刷 6－激励公用轨道（接电源正极） 提问：请仔细观察图b、c，为什么说“所有灰色的导电铜片都与激励公用轨道相连”？

表10-2 4位十进制数与 自然二进制码以及格雷码的对照表 表10-2 4位十进制数与 自然二进制码以及格雷码的对照表 十进 制数 自然 二进制码 格雷码 十进制数 0000 8 1000 1100 1 0001 9 1001 1101 2 0010 0011 10 1010 1111 3 11 1011 1110 4 0100 0110 12 5 0101 0111 13 6 14 7 15 提问：1.请仔细观察自然二进制码与格雷码的编码的不同点， 2.格雷码有什么规律？

绝对式编码器（接触式）演示 最小分辨角度为α=360º/2n 4个电刷 4位二进制码盘 +5V输入 公共码道 =360÷16=22.5º 提问：码盘的最里面一圈轨道是干什么的？各输出码道的导电部分连在一起，接到哪儿？（地线/激励电源Ei的正极） 最小分辨角度为α=360º/2n =360÷16=22.5º

2．角编码器的分辨力与分辨率 二进制的位数等于码道的圈数（不包括最里面的公用轨道）。高位在内，低位在外。 M位二进制码盘就有M圈码道，且圆周被均分为2M个区域，分别表示不同的角度位置，所能分辨的角度α（即分辨力）为 α=360º/2M （10-1） 分辨率=1/2M （10-2） 例10-3 求12码道绝对式角编码器的分辨力α。 解 12码道的绝对式角编码器的圆周被均分为 212=4096个位置数，所以能分辨的角度： α=360º/212=5.27 提问：1.分辨力与分辨率分别是指什么？它们的单位有什么不同？ 2.为什么角编码器的高位在内，低位在外？反过来有什么问题？

3．绝对式光电角编码器的结构 图10-3 绝对式光电角编码器 a）12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 提问：亮区的光敏元件输出为什么？暗区的输出为什么？（1/0） 图10-3 绝对式光电角编码器 a）12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 c）外形

绝对式光电编码器结构 低位 高位 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） 提问：1.假设绝对式角编码器处于静止状态，遭受断电再上电后，还可以读得断电前的码盘的位置吗？ （码盘的位置即：码盘输出的数据） 2.低位在外圈有什么好处？ 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）

光电式角编码器的特点 码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，在玻璃上沉积很薄的刻线，按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。当光源将光投射在码盘上时，通过亮区的光线由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区的光敏元件输出为“1”，暗区的输出为“0”。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。 不锈钢光电码盘要玻璃码盘抗振性好。现在也采用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，寿命长，允许转速高。 角编码器信号输出有并行输出、串行输出、总线型输出等。由于并行信号连接线较多。高位数及多圈角编码器多数采用串行或总线型输出。 提问：1.并行输出、串行输出、总线型输出的三种不同的输出方式中，哪一种的输出占用的时间最少？为什么？ 2.哪一种的接线最复杂？

光电脉冲角编码器示意图 放大、整形 提问：光源是电灯泡吗？ 34

绝对式角编码器 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。 零位标志 10码道光电绝对式码盘 透光区 提问：能否一眼就看出哪一个是绝对式角编码器？ 不透光区 绝对式码盘与增量式码盘有何区别？ 零位标志

绝对式测量角编码器 每一个微小的角位移都有一个对应的编码，常以二进制数据形式来表示。在绝对式测量中，即使中途断电，重新上电之后，当前位置的二进制编码数据仍然不变。 绝对式角编码器 θ 提问：并行式10码道绝对式测量角编码器最少需要几根引线？（不包括屏蔽线） 自然二进制码 或格雷码 1 1

其他角编码器外形 提问：上图中的角编码器的轴的连接分别有什么特点？

提问：为什么有的角编码器的轴有一个大洞？ 其他角编码器外形（续）

其他角编码器外形（续） 拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。 提问：拉线式角编码器的被测直线位移与轴角位移之间的关系是线性的吗？为什么？

E1050-14 绝对式 角编码器的 特性参数 位数 14 分辨力 80" 最大误差 ±100" 外尺寸/mm Φ 50×40 Φ 6×12 重量/g 250 允许转速/r·min-1 200 电源电压/V DC12(±5%)，5(±5%) 光源 红外LED 输出信号 格雷码，TTL电平 使用温度 －40～+55℃ 工作环境 相对湿度/（%） 相对湿度95 （35℃时） 振动/g 6 冲击/g 50 E1050-14 绝对式 角编码器的 特性参数 . 提问：分辨力80“是什么意思？ 2.“振动=6g”是什么意思？

4．多圈角编码器 当图10-3所示的绝对式光电码盘转动超过360º时，编码又回到原点，称为单圈绝对式角编码器。 如果测量旋转超过360º，在断电时，可以用锂电池来保持对旋转圈数的记忆（但不允许在断电后再旋转一圈以上）。 也可以采用类似于钟表的齿轮结构来记忆圈数，称为多圈绝对式角编码器。还可以在图10-3所示的码盘的内圈，增加粗码刻度，可以做到在4096圈之内不重复输出。 提问：1.多圈角编码器为什么需要齿轮之类的扩展机构？ 2.请上网查阅什么是“粗码刻度”？

5．绝对式角编码器的RS485接线 图10-4 绝对式角编码器与用户端的RS485通信电路 表10-4 10码道角编码器的接线颜色 20 表10-4 10码道角编码器的接线颜色 提问：什么是“RS485”？ 接线 DC12 ~24V 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 颜色 正:白 地:黑 棕色 红色 橙色 黄色 蓝色 紫色 灰色 白夹

屏蔽线的屏蔽层接到设备的外壳 提问：前面说了，屏蔽线的屏蔽层接地吗？

二、增量式角编码器 1．增量式光电角编码器的结构 图10-5 增量式光电角编码器结构示意图(放大图见下页) a）外形 b）内部结构 图10-5 增量式光电角编码器结构示意图(放大图见下页) a）外形 b）内部结构 c）扫描孔板与码盘、光电接收器之间的对应关系 1－转轴 2－发光二极管 3－扫描孔板（光栏板） 4－零位标志光槽（Z） 5－零位光敏元件 6－码盘 7－电源及信号线连接座 8－聚光透镜 提问：“增量式”是什么意思？

图10-5 增量式光电角编码器结构示意图 提问：“增量式”是什么意思？

增量式光电角编码器的结构（续） b）内部结构 1－转轴 2－发光二极管 3－扫描孔板（光栏板） 4－零位标志光槽（Z） 2－发光二极管 3－扫描孔板（光栏板） 4－零位标志光槽（Z） 5－零位光敏元件 6－码盘 7－电源及信号线连接座 8－聚光透镜 提问：零位光敏元件何时才能输出 一个脉冲？

增量式编码器结构 A C B LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝 转轴 A B 光敏元件 C 盘码及狭缝 零位标志 提问：1.为什么需要设置一个“狭缝”？ 2.“零位标志”是干什么用的？ 零位标志

增量式光电角编码器的结构（续） 提问：请上网查阅什么是“扩束”？

4－零位标志光槽（Z）5－零位光敏元件 6－码盘 增量式光电角编码器的结构（续） 提问：零位标志光槽（Z）的宽度是怎样确定的？ 图10-5 b）内部结构 1－转轴 2－发光二极管 3－扫描孔板（光栏板） 4－零位标志光槽（Z）5－零位光敏元件 6－码盘 7－电源及信号线连接座 8－聚光透镜

绝对式光电码盘与增量式码盘的区别 低位 高位 绝对式光电码盘（12码道） 增量式光电码盘（1024位） 提问：12码道与1024位的分辨力相等吗？ 绝对式光电码盘（12码道） 增量式光电码盘（1024位）

增量式编码器（INC）（ 续）  增量式光电编码器 的分辨力与分辨率 例：条纹数＝1024 ＝360/1024 ＝0.352 分辨力＝360/条纹数 例：条纹数＝1024  ＝360/1024 ＝0.352  一个脉冲对应一个分辨角 提问：上例中，若增量式编码器的条纹数＝1024，测得10240个脉冲，求：  为多少度？ 1－转轴 2－LED 3－光栏板 4－零标志 5－光敏元件 6－码盘 7－印制电路板 8－电源及信号线连接座

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。 cos 光栏板及 A、B狭缝 sin 辨向原理 LED C：零位检测 提问：怎么看出“当码盘正转时，A信号超前B信号90”？ 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。

光电编码器的两个“辨向元件” (m +1/4)W 光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个狭缝距离W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cos 、 sin元件。 W A相位超前B :90° （1/4周期） 提问：为什么说“W=1mm,cos与sin元件的距离可以是6.25或8.25mm等”？这个距离是怎么计算出来的？ 例:W=1mm,cos与sin元件的距离可以是6.25或8.25mm等

两路光电信号判断旋转方向 A超前于B，判断为正向旋转， A也称为cos信号； B也称为sin信号。 A滞后于B，判断为反向旋转 提问：怎么看出来cos信号与sin信号之间的超前与滞后的关系？

辨向信号和零标志 光电编码器的光栏板上有A与B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（辨别旋转方向）。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。 (请画出反转时信号B的波形） 提问：请画出反转时信号B的波形！ 在码盘里圈，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。

零标志（一转脉冲）波形及作用 在码盘里圈，有一条狭缝C，码盘每转一圈，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（0） 。 C 90° A 提问：“一转信号”的含义是什么？ B 一转（360） C C

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测量准确度与码盘圆周上的狭缝条纹数（分度数）M有关，最小分辨的角度α： 例10-4 某增量式角编码器的技术指标为 1024个脉冲/r（即分度数M＝1024P/r）， 求：分辨力α。 解 按题意，码盘边缘的透光槽数为1024个，则能分辨的最小角度为 α=360º/M=360º/1024=0.352° 提问：“分辨力”与“分辨率”有什么区别？

图10-6 绝对式角编码器的输出信号(放大图见后页) 判断码盘旋转方向的方法 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件，如图10-5b、c中的A、B光敏元件，有时也称为cos、sin元件。 提问：1.什么是“TTL电平”？ 2. A图与b有什么区别？ 图10-6 绝对式角编码器的输出信号(放大图见后页) a）TTL电平信号 b）正弦波信号

图10-6 绝对式角编码器的输出信号 a）TTL电平信号 b）正弦波信号 2. A图与b有什么区别？ 图10-6 绝对式角编码器的输出信号 a）TTL电平信号 b）正弦波信号

n=60×r/s=60×[(405º/360º)/10s]=6.75r/min 3．增量式光电角编码器的旋转角度计算 设增量式角编码器的码盘每转输出的脉冲数（分度数）为M，在静止时码盘的初始位置角为零，开始旋转后给出脉冲数目为m，则码盘旋转的角度 θ=360º×(m/M) （10-5） 例10-5 某增量式角编码器的分度数M＝1024，从零位信号Z之后的10s内，计数器对角编码器的一路信号（图10-6中的A信号）计数，得到m=1024+128个脉冲。求：码盘旋转的角度θ和转速n（r/min）。 解 按题意，码盘边缘的透光槽数为1024个，码盘旋转的角度 θ=360º×(m/M)=360°×(1152/1024)=360°×1.125=405º n=60×r/s=60×[(405º/360º)/10s]=6.75r/min 提问：为什么计算旋转角度时，必须“360º×(m/M)”？

4．响应频率 增量式角编码器的响应频率取决于光电检测器件、电子处理线路的响应速度。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会很高，光电检测器件和电子线路元器件的输出波形滞后和严重畸变，甚至产生丢失脉冲的现象。 提问：什么叫做“响应频率”？

5．增量式光电角编码器的接线 提示：请上网查阅什么是“推拉式输出”？ 图10-8 增量式角编码器的差分输出的接线

6．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需要采用弹性软连接，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。安装时应保证角编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。 3）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1.5mm2，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进行设置。 需要设置的参数有：旋转的正方向、每转的脉冲数和转数、总分辨率、预置值、记忆功能、诊断模式等 提问：1.请上网查阅什么是“弹性软连接”？ 2.为什么“安装时应保证角编码器轴与用户输出轴的偏角小于1.5°”？

表10-5 WLF系列角编码器的主要技术指标 参数名称 指 标 电源电压/V DC 5或8 ~30 消耗电流/mA ＜60mA 分辨率 指 标 电源电压/V DC 5或8 ~30 消耗电流/mA ＜60mA 分辨率 1/1024 输出形态 推拉型或集电极开路NPN型 上升、下降时间/ns ≤100 最高响应频率/kHz 150 允许最高机械转速/r·min-1 6000 25℃时的起动力矩/N·m 5×10-2 使用环境温度/℃ -10~70 使用环境湿度（%） 35~85RH（不结露） 防护等级 IP54，IP65 提问：“起动力矩”？是什么意思？

任务二 角编码器的应用 1．M法测速 一、角编码器在数字测速中的应用 任务二 角编码器的应用 一、角编码器在数字测速中的应用 由于增量式角编码器的输出是脉冲信号，因此，可以通过测量脉冲频率或周期的方法来测量转速。 数字测速方法有M法测速、T法测速和M/T法测速等。 1．M法测速 在一定的时间间隔ts内（ts=t闸门，见图10-9a，如10s、1s、0.1s等），用角编码器所产生的脉冲数来确定速度的方法称为M法测速。 提问：本页的“M法”含义是什么？

ts M法测速（适合于高转速场合） m1 图10-9a M法测速原理 编码器每转产生M个脉冲，在ts时间段内有 m1 个脉冲产生，则转速（r/min)为 ： n = 60m1/(ts M)±1 提问：为什么说“M法测速适合于高转速场合”？

M法门控测速电路（基本原理） 提问：1.什么是“门控电路”？ 2.为什么单片机的输入端都具有施密特特性？ 先利用施密特触发器将角编码器的输出脉冲三角波转换为矩形波。当与门的C端为高电平时，b端的信号可以通过与门，到达d端，然后单片机进行计数，得到m1个计数结果。

M法测速的计算 若编码器每转产生N个脉冲，在ts的闸门时间间隔内得到m1个脉，则编码器所产生的脉冲频率为 （10-6） 则转速n（单位为r/min）为 （10-7） 提问：由公式（10-6）怎样推导出公式（10-7）？

±1误差简述 ts M法测速的本质是测频。误差主要由两个因素决定： 1）闸门时间ts的误差：可以使用晶振来提高闸门时间的准确性； 2）量化误差：又称为±1误差，见下图(原理见后页) ts 提问：什么是“晶振”？有什么特点？

2）产生±1误差的原因：测频时，计数脉冲通过闸门进入计数器。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随机的,有可能在第二个t闸门时间里，比在第一个t闸门时间多计数了一个脉冲，或少计数了一个脉冲，就造成了±误差。 ts 提问：能否使闸门开启时刻无法与被测计数脉冲上升沿到来的时刻相同？

例 某角编码器的技术指标为1024个脉冲/r（即M＝1024P/r =1K），在0. 2s时间内，测得100个脉冲，即ts=0 例 某角编码器的技术指标为1024个脉冲/r（即M＝1024P/r =1K），在0.2s时间内，测得100个脉冲，即ts=0.2s，m１=100，求： 1）转速n；2）±1误差引起的转速测量误差为多少r/min。3）如果将ts延长到1s，求±1误差引起的转速测量误差为多少r/min。 解 1）角编码器轴的转速为 提问：为什么要设置“在0.2s时间内”？难道设置在在2s时间内不好吗？

3）如果将ts延长到1s，m１’的数值必然增加到500，则 提问：1.“±1个脉冲”是怎么来的？ 2.为什么“采样时间为1s时计算得到的转速，与在0.2s时间内测得的转速相同”？ 采样的时间越长，得到的脉冲的个数不是越多吗？ 结论：采样时间为1s时计算得到的转速，与在0.2s时间内测得的转速相同，但±1个脉冲引起的误差缩小为原来的1/5。

M法测速计算（续） T 例：有一增量式光电编码器，其参数为M=1024p/r， 在5s时间内测得65536个单向脉冲，求： 转速n（r/min) 解：n = 60×65536 ÷1024 ÷ 5= 768 r/min 提问：“5s时间内测得65536个单向脉冲”，那么，测量得到的转速的数值是1s里面的瞬时值？ 还是5s里面的平均值？

2．T法测速（适应于缓慢转速的测量） T法测速原理如图10-9b所示。用角编码器所产生的相邻两个脉冲之间的时间T来确定“传感器在一个周期里面的被测转速”的方法称为T法测速。在T法测速中，必须使用标准时钟脉冲f0（其周期为T0）作为测量角编码器输出信号周期Ｔ的“时钟”。（不展开讲解） 提问：1.什么叫做“传感器在一个周期里面的被测转速”？ 2.为什么说“T法测速（适应于缓慢转速的测量）”？

二、绝对式角编码器在工位编码及 刀库选刀控制中的应用 1．绝对式角编码器在 工位编码中的应用 图10-10 转盘加工工位 的编码 1－绝对式角编码器 2－电动机 3－同步带 4－转轴 5－转盘 6－工件 7－刀具 提问：如果绝对式角编码器是8个码道，则可以将一个圆周分成几个区？

解 由于工位的编码是从0000开始到1110，所以每个工位的变化为0010。工位2上的编码为0010，工位3上的编码为0100，以此类推。 例10-7 设图10-10中的角编码器为4码道绝对式码盘（假设采用自然二进制码），工件1~8的编码从0000到1110。图10-10中的工位1（0000）已完成加工，要使处于工位2上的工件转到加工点等待钻加工，计算机应如何控制电动机和转盘？ 解 由于工位的编码是从0000开始到1110，所以每个工位的变化为0010。工位2上的编码为0010，工位3上的编码为0100，以此类推。 当工件1完成加工后，电动机通过“同步带”驱动转盘顺时针旋转。当角编码器的输出从0001跳变到0010时，计算机命令步进电动机停转并自锁，开始加工工件2……直到第8个工位（1110）加工完成后，转盘上的工件全部卸下，重新开始新的8个工件的加工。 提问：为什么工位的编码是从0000开始到1110？而不是工位的编码是从0000开始到1111？ 2.什么是“同步带”？ 3.什么是“步进电动机的自锁”？

2．编码器在数控车床转塔刀架 选刀控制中 的应用 图10-11 角编码器在数控车床转塔刀架选刀控制中的应用 a）数控车床的转塔刀架外形 b）选刀控制装置 提问：请上网查阅什么是“转塔刀架”？ 1－电动机 2－传动机构 3－转塔 4－刀座 5－刀具 6－被加工工件 7－转塔主轴 8－角编码器

编码器在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用（续） 角编码器与 旋转刀库连接 刀具 角编码器的输出为 当前刀具号 提问：怎样使得刀具按设定的程序旋转？并转动设定的角度？ 被加工 工件

用不同的刀具 完成不同的加工 提问：1.数控机床怎样按设定的动作顺序换刀？ 2.请上网观看数控机床自动化加工的视频。 链式刀库

三、角编码器在卷扬机钢缆 提升高度测量中的应用 图10-12 角编码器在卷扬机钢缆长度测量中的应用 1－电动机 2－联轴器 3－超越离合器 4－减速箱 5－卷筒齿轮传动机构 6－卷筒 7－断电抱闸器 8－高速端角编码器 9－低速端角编码器（推荐） 10－同步带 提问：1.钢缆在卷筒上越卷越厚，钢缆的长度与卷筒的转速是线性的比例关系吗？ 2.我说我查阅什么是“断电抱闸器”？ 3，为什么推荐“低速端角编码器”？

四、增量式角编码器 在交流异步 电动机 矢量变频控制 中的应用 图10-13 增量式角编码器在矢量变频控制中的应用 电动机转子同轴连接一个增量式编码器。编码器检测电动机转子的转速和角度，并将信号反馈给变频器，变频器进行矢量运算及功率放大后，输出频率可变的三相电源给电动机，实现电动机的调速。 提问：请上网查阅什么是“矢量变频控制”？

角编码器安装在 交流异步电动机的端部 提问：请上网查阅什么是“矢量变频控制”？

五、角编码器编码器在 交流伺服电动机中的应用 图10-14 机床中的 角编码器与工作台 的关系 1－进给电动机 （伺服电动机） 2－角编码器 3－丝杠 4－工作台 5－导轨 6－机床壳体 提问：1.请上网查阅什么是“伺服电动机”？ 2.电动机每旋转一圈，丝杠旋转了多少圈？螺母带动工作台前进或后退一个什么距离？ 交流伺服电动机后端与转子同轴连接一个编码器，通过丝杠-螺母带动工作台作直线运动。伺服电动机的转轴转过的圈数（角度）决定了工作台的运动距离。

编码器在伺服电机中的应用（续） a）外形 b）控制系统框图 1 －电动机转子轴 2－电动机本体 3－光电编码器 4－三相电源连接座 提问：请上网查阅什么是“航空插头”？ a）外形 b）控制系统框图 1 －电动机转子轴 2－电动机本体 3－光电编码器 4－三相电源连接座 5－光电角编码器输出（航空插头）

休 息 一 下 拓展阅读网络资料列表网址：http://www.liangsen.net 回目录

現在時間是： 04:49 休息一下！ 2018年11月12日星期一