本章學習幾種常用數字式位置傳感器的結構、原理，如角編碼器、光柵傳感器、磁柵傳感器、容柵傳感器等，并討論他們在直線位移和角位移中測量、控制的應用。第十一章數字式位置傳感器7/24/20231第一節位置測量的方式

一、直接測量和間接測量

位置傳感器有直線式和旋轉式兩大類。若位置傳感器所測量的對象就是被測量本身，即用直線式傳感器測直線位移，用旋轉式傳感器測角位移，則該測量方式為直接測量。例如直接用于直線位移測量的直線光柵和長磁柵等；直接用于角度測量的角編碼器、圓光柵、圓磁柵等。

若旋轉式位置傳感器測量的回轉運動只是中間值，再由它推算出與之關聯的移動部件的直線位移，則該測量方式為間接測量。

7/24/202321.直接測量

直接測量的誤差較小。圖為利用光柵傳感器測量數控機床工作臺位移量的現場照片。

工作臺光柵工作臺運動方向7/24/202332.間接測量

在間接測量中，多使用旋轉式位置傳感器。測量到的回轉運動參數僅僅是中間值，但可由這中間值再推算出與之關聯的移動部件的直線位移間接測量須使用絲杠-螺母、齒輪-齒條等傳動機構。工作臺絲杠編碼器進給電機θ

x7/24/20234傳動機構滾珠絲杠螺母副、齒輪-齒條副等傳動機構能夠將旋轉運動轉換成直線運動。但應設法消除傳導過程產生的間隙誤差。齒距齒條齒輪θ

x7/24/20235滾珠絲杠螺母副

滾珠絲杠螺母副能夠將減小傳動磨檫力，延長使用壽命，減小間隙誤差。螺母絲杠xθ

7/24/20236傳動分析設：螺距t=4mm，絲杠在4s時間里轉動了10圈，求：絲杠的平均轉速n(r/min)及螺母移動了多少毫米？螺母的平均速度v又為多少？螺母絲杠螺距x=？N=10圈7/24/20237

二、增量式和絕對式測量

在增量式測量中，移動部件每移動一個基本長度單位，位置傳感器便發出一個測量信號，此信號通常是脈沖形式。這樣，一個脈沖所代表的基本長度單位就是分辨力，對脈沖計數，便可得到位移量。絕對式測量的特點是：

每一被測點都有一個對應的編碼，常以二進制數據形式來表示。絕對式測量即使斷電之后再重新上電，也能讀出當前位置的數據。典型的絕對式位置傳感器有絕對式角編碼器。增量式測量得到的脈沖波形7/24/20238作業

p201:3、57/24/20239休息一下7/24/202310第二節

數字式角編碼器

信號航空插頭（參考德國沃申道夫公司資料）7/24/202311其他角編碼器外形7/24/202312其他角編碼器外形（續）拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運動轉換成旋轉運動。7/24/202313其他角編碼器外形

（參考德國圖爾克傳感與自動化技術專業公司）7/24/202314一、絕對式編碼器絕對式碼盤與增量式碼盤有何區別？10碼道光電絕對式碼盤絕對式編碼器按照角度直接進行編碼，可直接把被測轉角用數字代碼表示出來。根據內部結構和檢測方式有接觸式、光電式等形式。透光區不透光區零位標志7/24/202315絕對式接觸式編碼器演示4個電刷4位二進制碼盤

+5V輸入公共碼道最小分辨角度為α=360°/2n

7/24/2023162．絕對式光電編碼器

a）光電碼盤的平面結構（8碼道）b）光電碼盤與光源、光敏元件的對應關系（4碼道）

高位低位7/24/202317絕對式光電編碼器的分辨力及分辨率絕對式光電編碼器的測量精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與碼盤上的碼道數n有關，即最小能分辨的角度及分辨率為：

α=360°/2n分辨率=1/2n7/24/202318增量式光電編碼器的分辨力及分辨率增量式光電編碼器的測量精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與碼盤圓周上的狹縫條紋數n有關，即最小能分辨的角度及分辨率為：7/24/202319二、增量式編碼器轉軸盤碼及狹縫光敏元件光欄板及辨向用的A、B狹縫LEDABC零位標志ABC7/24/202320光電編碼器的輸出波形

為了判斷碼盤旋轉的方向，在上圖的光欄板上的兩個狹縫距離是碼盤上的兩個狹縫距離的（m+1/4）倍，m為正整數，并設置了兩組光敏元件A、B，有時又稱為sin、cos元件。7/24/202321辨向信號和零標志

光電編碼器的光欄板上有A組與B組兩組狹縫，彼此錯開1/4節距，兩組狹縫相對應的光敏元件所產生的信號A、B彼此相差90相位，用于辯向。當編碼正轉時，A信號超前B信號90；當碼盤反轉時，B信號超前A信號90。(請畫出反轉時信號B的波形）

在上一頁圖的碼盤里圈，還有一根狹縫C，每轉能產生一個脈沖，該脈沖信號又稱“一轉信號”或零標志脈沖，作為測量的起始基準。7/24/202322三、角編碼器的應用角編碼器除了能直接測量角位移或間接測量直線位移外，可用于數字測速、工位編碼、伺服電機控制等。7/24/202323M法測速（適合于高轉速場合）T

編碼器每轉產生N個脈沖，在T時間段內有m1

個脈沖產生，則轉速（r/min)為：n=60m1/（NT）

m17/24/202324例題T

有一增量式光電編碼器，其參數為1024p/r，在5s時間內測得65536個脈沖，則轉速（r/min)為：

n=60×65536/（1024×5）r/min

=768r/min

m17/24/202325T法測速（適合于低轉速場合）時鐘脈沖fc

編碼器輸出脈沖

m2

···編碼器每轉產生N個脈沖，用已知頻率fc作為時鐘，填充到編碼器輸出的兩個相鄰脈沖之間的脈沖數為m2

，則轉速(r/min)為n=60fc/（Nm2）

7/24/202326T法測速舉例時鐘脈沖fc

編碼器輸出脈沖

m2

···

n=60fc

/（Nm2

）

=60*1000000/（1024*3000）

=19.53r/min

有一增量式光電編碼器，其參數為1024p/r，測得兩個相鄰脈沖之間的脈沖數為3000，時鐘頻率fc為1MHz，則轉速（r/min)為：7/24/202327安裝套編碼器的安裝方式

1.編碼器的套式安裝7/24/202328安裝軸2.編碼器的軸式安裝7/24/202329編碼器在定位加工中的應用1—絕對式編碼器

2—電動機

3—轉軸

4—轉盤

5—工件

6—刀具

設該增量式光電編碼器的參數為1024p/r，大、小皮帶輪的傳動比為5，若希望當加工好元件1后緊接著加工元件8，則電動機轉動了多少分之幾圈？應等待編碼器給出多少脈沖數時，電動機停轉？7/24/202330數控加工中心7/24/202331編碼器在數控加工中心的刀庫選刀控制中的應用旋轉刀庫被加工工件刀具角編碼器的輸出為當前刀具號角編碼器與旋轉刀庫連接7/24/202332用不同的刀具加工復雜的工件7/24/202333編碼器在伺服電機中的應用利用編碼器測量伺服電機的轉速、轉角，并通過伺服控制系統控制其各種運行參數。轉速測量轉子磁極位置測量角位移測量7/24/202334作業

p201:3、57/24/202335休息一下7/24/202336第三節

光柵傳感器

一、光柵的類型和結構

計量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。計量光柵按形狀又可分為長光柵和圓光柵。

7/24/202337尺身尺身安裝孔反射式掃描頭（與移動部件固定）掃描頭安裝孔可移動電纜光柵的外形及結構防塵保護罩的內部為長磁柵7/24/202338掃描頭（與移動部件固定）光柵尺可移動電纜光柵的外形及結構（續）7/24/202339反射式光柵7/24/202340透射式光柵7/24/202341透射式圓光柵固定7/24/202342莫爾條紋的光學放大作用

在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角θ。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。

光柵的刻線寬度W莫爾條紋的寬度L

L≈W/θ

，（θ為主光柵和指示光柵刻線的夾角，弧度）

7/24/202343莫爾條紋演示7/24/202344莫爾條紋光學放大作用舉例

有一直線光柵，每毫米刻線數為50，主光柵與指示光柵的夾角=1.8，則：分辨力=柵距W=1mm/50=0.02mm=20m（由于柵距很小，因此無法觀察光強的變化）

莫爾條紋的寬度是柵距的32倍：

L≈W/θ=0.02mm/（1.8*3.14/180

）

=0.02mm/0.0314=0.637mm

由于較大，因此可以用小面積的光電池“觀察”莫爾條紋光強的變化。7/24/202345光柵的輸出信號（TTL）余弦信號（超前）正弦信號零位信號7/24/202346光柵輸出信號（電壓正弦波）細分點余弦信號正弦信號零位信號7/24/202347脈沖細分

細分技術能在不增加光柵刻線數及價格的情況下提高光柵的分辨力。細分前，光柵的分辨力只有一個柵距的大小。采用4細分技術后，計數脈沖的頻率提高了4倍，相當于原光柵的分辨力提高了3倍，測量步距是原來的1/4，較大地提高了測量精度。細分前細分后7/24/202348光柵細分舉例

有一直線光柵，每毫米刻線數為50，細分數為4細分，則：分辨力=W/4

=（1mm/50）/4=0.005mm=5m

采用細分技術，在不增加光柵刻線數（成本）的情況下，將分辨力提高了3倍。7/24/202349辨向電路及波形如果傳感器只安裝一套光電元件，則在實際應用中，無論光柵作正向移動還是反向移動，光敏元件都產生相同的正弦信號，無法分辨位移的方向。例：某1024p/r圓光柵，正轉10圈，反轉4圈，若不采取辨向措施，則計數器將錯誤地得到14336個脈沖，而正確值為：(10－4)×1024＝6144個脈沖。7/24/202350正向運動產生

加法脈沖正向運動時，與門IC2無“減”計數脈沖輸出。7/24/202351為光柵設計的專用數據轉接器（光柵計數卡）內部包含以下電路：放大、整形、細分、辨向、報警、阻抗變換等。7/24/202352為光柵設計

的專用信號

處理單元（光柵插補器）功能同上頁7/24/202353光柵在機床上的安裝位置（2個自由度）7/24/202354光柵在機床上的安裝位置（3個自由度）數顯表7/24/202355光柵在機床上

的安裝位置

（3個自由度）（續）7/24/2023562自由度光柵數顯表X位移顯示Z（Y）位移顯示7/24/2023573自由度光柵數顯表7/24/202358光柵數顯表（續）三座標數顯表7/24/202359SDS8-3E光柵數顯箱功能:公制/英制轉換

絕對/相對轉換

線性誤差補償

正反方向計算

歸零

插值補償

到達目標值停機

PCD圓周分孔

200組零位記憶

電蝕深度目標值顯示

實時工作位置顯示

掉電記憶7/24/202360光柵數顯表（續）設定按鍵7/24/202361安裝有直線光柵的數控機床加工實況

防護罩內為直線光柵光柵掃描頭被加工工件切削刀具角編碼器安裝在夾具的端部7/24/202362作業

p201:3、57/24/202363休息一下7/24/202364第四節

磁柵傳感器

磁柵價格低于光柵，且錄磁方便、易于安裝，測量范圍寬可超過十幾米，抗干擾能力強。磁柵可分為長磁柵和圓磁柵。長磁柵主要用于直線位移測量，圓磁柵主要用于角位移測量。磁柵傳感器主要由磁尺、磁頭和信號處理電路組成。7/24/202365磁柵的外形及結構磁尺靜態磁頭去信號處理電路固定孔7/24/202366磁頭與磁尺相對運動時的輸出波形演示7/24/202367鑒相型磁柵數顯表的原理框圖

磁尺與磁頭接觸，使用壽命不如光柵，數年后易退磁。設置兩個磁頭的意義何在？7/24/202368磁柵測量系統壓板磁頭磁尺7/24/202369磁柵在磨床測長系統中的應用磁尺磁頭安裝在何處？7/24/202370第五節容柵傳感器

容柵傳感器是基于變面積工作原理的電容傳感器，它的電極排列如同柵狀。與其他大位移傳感器，如光柵、磁柵等相比，雖然精度稍差，但體積小、造價低、耗電省，廣泛應用于電子數顯卡尺、千分尺、高度儀、坐標儀等幾百毫米以下行程的測量中。

7/24/202371結構及工作原理

容柵傳感器可分為三類：直線型容柵、圓容柵和圓筒形容柵。其中，直線型和圓筒形容柵傳感器用于直線位移的測量，圓形容柵傳感器用于角位移的測量。7/24/202372各種容柵測量裝置7/24/202373各種容柵數顯表7/24/202374各種容柵數顯卡尺7/24