模塊6數(shù)字傳感器本模塊學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容：1、光柵式傳感器2、光電編碼器3、磁柵式傳感器數(shù)字傳感器在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用防護(hù)罩內(nèi)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單元1光柵式傳感器光柵式傳感器是光電式傳感器的一個(gè)特殊應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)簡單測量精度高易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和數(shù)字化等一、光柵的結(jié)構(gòu)和類型光柵主要由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分構(gòu)成。光柵讀數(shù)頭包括：光源、透鏡、指示光柵、光電接收元件、驅(qū)動(dòng)電路。直線光柵（長光柵）：主光柵為直尺形→直線移動(dòng)旋轉(zhuǎn)光柵（圓光柵）：主光柵為圓盤形→旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)透射光柵：光源與光電元件在兩側(cè)→透射光反射光柵：光源與光電元件同一側(cè)→反射光按運(yùn)動(dòng)形式分類1.光柵的分類按光學(xué)形式分類直線光柵傳感器實(shí)物圖掃描頭（與移動(dòng)部件固定）光柵尺可移動(dòng)電纜旋轉(zhuǎn)光柵實(shí)物圖（a）實(shí)心軸旋轉(zhuǎn)光柵（b）空心軸旋轉(zhuǎn)光柵2．光柵尺（標(biāo)尺光柵和指示光柵）a+b=W稱為光柵的柵距（或光柵常數(shù)），通常情況下，a=b=W/2

常見長光柵的線紋寬度為25、50、100、125、250線／mm。指示光柵標(biāo)尺光柵

三類光柵讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)示意圖

光柵讀數(shù)頭由光源、透鏡、指示光柵、光電元件和驅(qū)動(dòng)電路組成。光柵讀數(shù)頭的光源一般采用白熾燈。光柵讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)形式按光路分，除了垂直入射式外，常見的還有分光讀數(shù)頭、反射讀數(shù)頭等3．光柵讀數(shù)頭透射式光柵結(jié)構(gòu)圖反射式光柵結(jié)構(gòu)圖旋轉(zhuǎn)光柵工作原理示意圖二、光柵的基本工作原理1．莫爾條紋直線型莫爾條紋動(dòng)畫演示旋轉(zhuǎn)型莫爾條紋動(dòng)畫演示橫向莫爾條紋的斜率：莫爾條紋間距：

莫爾條紋的寬度BH由光柵常數(shù)與光柵夾角決定。等柵距形成的莫爾條紋莫爾條紋的主要特性：（1）消除光柵刻線不均勻誤差光電元件對(duì)于光柵刻線的誤差起到了平均作用。即準(zhǔn)確性：大量刻線→誤差平均效應(yīng)→克服個(gè)別/局部誤差→提高精度（2）位移的放大特性放大性：夾角θ很小→B＝W

/θ>>W→光學(xué)放大→提高靈敏度可調(diào)性：夾角θ↓→條紋間距B↑→靈活同步性：光柵移動(dòng)一個(gè)柵距→莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距一方向?qū)?yīng)方向性：垂直于角平分線，當(dāng)夾角很小時(shí)，與光柵移動(dòng)方向垂直（3）移動(dòng)特性－輸出信號(hào)中直流分量（4）光強(qiáng)與位置關(guān)系對(duì)應(yīng)性：莫爾條紋的光強(qiáng)度變化近似正弦變化，便于將電信號(hào)作進(jìn)一步細(xì)分，即采用“倍頻技術(shù)”。注意事項(xiàng)：光柵的光學(xué)放大作用與安裝角度有關(guān)，而與兩光柵的安裝間隙無關(guān)。莫爾條紋的寬度必須大于光敏元件的尺寸，否則光敏元件無法分辨光強(qiáng)的變化。光柵位移與光強(qiáng)及光電元件輸出電壓的關(guān)系圖光柵位移與輸出電壓的關(guān)系動(dòng)畫

為了辨向，需要在相隔1/4條紋間距的位置上安裝兩個(gè)光電元件，得到兩個(gè)相位差π/2的電信號(hào)U01和U02光電元件在莫爾條紋中的位置1、2－光電元件2．辨向原理莫爾條紋中的兩個(gè)光電元件整形電路U01電信號(hào)U02電信號(hào)整形電路微分電路與門電路與門電路

電信號(hào)

電信號(hào)微分電路非門電路可逆計(jì)數(shù)電路加脈沖減脈沖光柵式傳感器辨向原理框圖脈沖數(shù)等于正、反向移動(dòng)后累加所得的脈沖數(shù)，根據(jù)正負(fù)可以辨向。得出：被測物體位移＝柵距×脈沖數(shù)【例】先正向移動(dòng)11個(gè)脈沖，而后反向移動(dòng)5個(gè)脈沖，再正向移動(dòng)2個(gè)脈沖，可算出位移8個(gè)柵距。光柵測量位移的原理示意圖3.細(xì)分技術(shù)問題的提出：

如何在現(xiàn)有儀器條件下提高分辨力？ 在選擇合適的光柵柵距的前提下，對(duì)柵距進(jìn)行測微，電子學(xué)中稱“細(xì)分”，來得到所需最小讀數(shù)值。細(xì)分：在莫爾條紋變化一周期時(shí)，等間距輸出若干個(gè)脈沖，提高了分辨力。也稱為倍頻。通常采同的細(xì)分方法有四倍頻細(xì)分、電橋細(xì)分、復(fù)合細(xì)分等。三、光柵數(shù)顯表簡介光柵數(shù)顯表組成：細(xì)分電路，方向判別電路（辨向電路），計(jì)數(shù)、顯示電路，絕對(duì)零位電路，功能電路。

光柵數(shù)顯表的基本原理框圖方向判別與控制技術(shù)脈沖形成細(xì)分電路計(jì)數(shù)顯示1.光柵數(shù)顯表的構(gòu)成

光柵數(shù)顯表可廣泛使用于車床、銑床、磨床、線切割、搖臂鉆、電火花、鏜床、龍門鏜銑等各類機(jī)加工機(jī)床，有利于提高加工效率和加工精度。（1）通用功能

清零、預(yù)置數(shù)、自動(dòng)分中、公英制轉(zhuǎn)換、絕對(duì)坐標(biāo)/相對(duì)坐標(biāo)/200組用戶坐標(biāo)顯示轉(zhuǎn)換、停電記憶、200點(diǎn)輔助零位功能、尋找機(jī)械原點(diǎn)、線性誤差修正、睡眠開關(guān)。二維光柵數(shù)顯表及光柵尺（2）加工功能

計(jì)算器功能、圓周分孔、斜線分孔、斜度加工、圓弧加工、車床功能、EDM輸出、矩形內(nèi)腔漸進(jìn)加工、數(shù)字過濾、直徑/半徑顯示。2.光柵數(shù)顯表的功能（1）數(shù)顯表不得暴露在烈日或高溫。（2）遠(yuǎn)離高電壓、大電流、強(qiáng)磁場的設(shè)備，光柵尺信號(hào)電纜線盡量遠(yuǎn)離電源線。（3）避免金屬屑、油、水等進(jìn)入數(shù)顯表，注意防塵防潮，不要將數(shù)顯表安裝在震動(dòng)較大或不穩(wěn)固的工作臺(tái)上。（4）環(huán)境溫度在+40℃時(shí)，空氣的相對(duì)濕度不超過50%，較低溫度時(shí)允許有較大相對(duì)濕度，由于溫度變化產(chǎn)生的凝露應(yīng)采取特殊的措施。3.光柵數(shù)顯表的安裝條件四、光柵式傳感器的應(yīng)用案例——光柵數(shù)顯裝置（a）結(jié)構(gòu)示意圖（b）電路原理圖1－讀數(shù)頭；2－殼體；3－發(fā)光接受線路板；4－指示光柵座；5－指示光柵；6－光柵刻線；7－光柵尺；8－主光柵光柵數(shù)顯裝置結(jié)構(gòu)示意及電路原理框圖國產(chǎn)光柵數(shù)顯裝置的LSI芯片組成：

1.光柵信號(hào)處理芯片（HKF710502）主要功能：完成輸入信號(hào)的同步；整形；四細(xì)分；辨向；加減控制；參考零位信號(hào)的處理；記憶功能的實(shí)現(xiàn)和分辨力的選擇等。2．邏輯控制芯片（HKE701314）主要功能：為整機(jī)提供高頻和低頻脈沖；完成BCD譯碼；XJ

校驗(yàn)以及超速報(bào)警。3．可逆計(jì)數(shù)與零位記憶芯片（HKE701201）主要功能：接受計(jì)數(shù)脈沖，完成可逆計(jì)數(shù)；接受參考零位脈沖，使計(jì)數(shù)器確定參考零位的數(shù)值，同時(shí)也完成清零、置數(shù)、記憶等功能。機(jī)床導(dǎo)軌位置檢測動(dòng)畫MQ-系列三坐標(biāo)測量機(jī)單元2光電編碼器編碼器是將直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)變換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測量的一種傳感器。有光電式、電磁式和接觸式等各種類型。信號(hào)航空插頭光電編碼器外形圖拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（參考德國圖爾克傳感與自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)公司）其他光電編碼器外形圖按構(gòu)造類型分轉(zhuǎn)動(dòng)方式直線—線性編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)—轉(zhuǎn)軸編碼器光束形式透射式反射式光電編碼器的分類按信號(hào)性質(zhì)分增量式辨別方向零位信號(hào)絕對(duì)式可辨向的增量式編碼器不可辨向的脈沖發(fā)生器有零位信號(hào)無零位信號(hào)轉(zhuǎn)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(biāo)志ABC一、增量式光電編碼器增量式光電編碼器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖增量式光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖l－均勻分布透光槽的編碼盤2－LED光源3－光欄板上狹縫4－sin信號(hào)接收器5－cos信號(hào)接收器6－零位讀出光電元件7－轉(zhuǎn)軸8－零位標(biāo)記槽增量式編碼器原理動(dòng)畫1．辨向信號(hào)和零標(biāo)志在前圖的碼盤里圈，還有一個(gè)狹縫C，每轉(zhuǎn)能產(chǎn)生一個(gè)脈沖，該脈沖信號(hào)又稱“一轉(zhuǎn)信號(hào)”或零標(biāo)志脈沖，作為測量的起始基準(zhǔn)。光欄板上的兩個(gè)狹縫距離是碼盤上的兩個(gè)狹縫距離的（m+1/4）倍，m為正整數(shù)，并設(shè)置了兩組光敏元件A、B，又稱為sin、cos元件。測量精度取決于它所能分辨的最小角度，這與碼盤圓周上的狹縫條紋數(shù)n

有關(guān)，即最小能分辨的角度及分辨率為：2．增量式光電編碼器的分辨力及分辨率分辨力為分辨率為

增量式光電編碼器除可以測量角位移外，還可以通過測量光電脈沖的頻率，進(jìn)而用來測量轉(zhuǎn)速。如果通過機(jī)械裝置，將直線位移轉(zhuǎn)換成角位移，還可以用來測量直線位移。二、絕對(duì)式光電編碼器絕對(duì)式編碼器按照角度直接進(jìn)行編碼，直接用數(shù)字代碼表示。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式有接觸式、光電式等。絕對(duì)式光電編碼器的編碼盤由透明及不透明區(qū)組成，編碼盤上碼道的條數(shù)就是數(shù)碼的位數(shù)。絕對(duì)式光電編碼器原理動(dòng)畫絕對(duì)式光電編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖1－光源；2－透鏡；3－編碼盤；4－狹縫；5－光電元件光電碼盤的平面結(jié)構(gòu)圖（8碼道）光電碼盤與光源、光敏元件的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖（4碼道）絕對(duì)式光電編碼器測量精度取決于它所能分辨的最小角度，這與碼盤上的碼道數(shù)n

有關(guān)，即最小能分辨的角度及分辨率為：

注意：自然二進(jìn)制編碼由于圖案轉(zhuǎn)換點(diǎn)處位置不分明而引起的粗大誤差。例如，在由7轉(zhuǎn)換到8的位置時(shí)光束要通過編碼盤0111和1000的交界處處時(shí)，有可能出現(xiàn)兩種極端的讀數(shù)值，即1111和0000，從而引起讀數(shù)的粗大誤差，這種誤差是絕對(duì)不能允許的。為了避免位置不分明而引起的粗大誤差，可采用格雷碼（Groycode）（相鄰之間的編碼只有一個(gè)碼道變化）圖案的編碼盤。分辨力分辨率格雷碼和自然二進(jìn)制碼的比較表（n=4）D十進(jìn)制B二進(jìn)制R格雷碼D十進(jìn)制B二進(jìn)制R格雷碼012345670000000100100011010001010110011100000001001100100110011101010100891011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000絕對(duì)式光電編碼器測角儀原理圖1－光源；2－聚光鏡；3－編碼盤；4－狹縫光闌透光區(qū)不透光區(qū)零位標(biāo)志增量式絕對(duì)式增量式、絕對(duì)式有何區(qū)別？哪個(gè)是增量式？哪個(gè)是絕對(duì)式？（1）分辨率分辨率指每轉(zhuǎn)一周所能產(chǎn)生的脈沖數(shù)。一般線寬20～30μm。進(jìn)一步提高分辨率采用電子細(xì)分的方法，現(xiàn)已經(jīng)達(dá)到100倍細(xì)分的水平。（2）輸出信號(hào)的電特性表示輸出信號(hào)的形式（代碼形式，輸出波形）和信號(hào)電平以及電源要求等參數(shù)稱為輸出信號(hào)的電特性。（3）頻率特性頻率特性是對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的響應(yīng)能力，取決于光電元件的響應(yīng)和負(fù)載電阻以及轉(zhuǎn)子的機(jī)械慣量。一般的響應(yīng)頻率為30～80kHz，最高可達(dá)100kHz。（4）使用特性使用特性包括器件的幾何尺寸和環(huán)境溫度。采用光電元件溫度差動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄆ錅囟确秶蛇_(dá)-5℃～＋50℃。外形尺寸由φ30～φ200mm不等，隨分辨率提高而加大。絕對(duì)式光電編碼器的主要技術(shù)指標(biāo)：三、光電編碼器的應(yīng)用案例1．ZBS型軸環(huán)式光電編碼器數(shù)顯表ZBS型軸環(huán)式光電編碼器數(shù)顯表示意圖（a）外形（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)（c）電路原理框圖1-電源線(+5V)；2-軸套；3-數(shù)字顯示器；4-復(fù)位開關(guān)；5-主光柵6-發(fā)光二極管；7-指示光柵；8-sin光電三極管；9-cos光電三極管此編碼器是增量式還是絕對(duì)式？

軸環(huán)式數(shù)顯表外形圖

1－數(shù)顯面板2－軸環(huán)3－穿軸孔4－電源線5－復(fù)位機(jī)構(gòu)軸環(huán)式數(shù)顯表在車床進(jìn)給顯示中的應(yīng)用1-手柄；2-緊固螺母；3-軸環(huán)式數(shù)顯表拖板；4-絲杠軸；5-溜板

光電編碼器軸環(huán)式數(shù)顯表具有體積小、安裝簡便、讀數(shù)直觀、可靠性好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，適用于中小型機(jī)床的進(jìn)給或定位測量，也適用于老機(jī)床的改造。如果把它裝在車床進(jìn)給刻度輪的位置，可以直接讀出進(jìn)給尺寸，減少停機(jī)測量的次數(shù)，從而提高工作效率和加工精度。（1）位置測量2.其他應(yīng)用光電編碼器位置測量動(dòng)畫工位定位示意圖1－絕對(duì)式編碼器；2－電動(dòng)機(jī)；3－轉(zhuǎn)軸；4－轉(zhuǎn)盤；5－工件；6－刀具數(shù)控加工中心在數(shù)控加工中心的刀庫選刀控制中的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)刀庫被加工工件刀具角編碼器的輸出為當(dāng)前刀具號(hào)用不同的刀具加工復(fù)雜的工件（2）轉(zhuǎn)速測量光電編碼器轉(zhuǎn)速測量動(dòng)畫在伺服電機(jī)中的應(yīng)用應(yīng)用方面：轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)子磁極位置測量角位移測量單元3磁柵式傳感器磁柵優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低于光柵、制作簡單、復(fù)制方便；測量范圍寬（從幾十毫米到數(shù)十米）、不需接長；易安裝和調(diào)整、抗干擾能力強(qiáng)。大尺寸磁柵尺外形圖一、磁柵的組成及類型1．磁柵的組成磁柵傳感器是由磁柵（簡稱磁尺）、磁頭和檢測電路組成。磁頭可分為動(dòng)態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭兩大類。磁信號(hào)的波長又稱節(jié)距，我們用W表示。在N與N、S與S重疊部分磁感應(yīng)強(qiáng)度最強(qiáng)，但兩者極性相反。目前常用的磁信號(hào)節(jié)距為0.05mm和0.20mm兩種。磁柵傳感器工作原理示意圖l－磁尺；2－尺基；3－磁性薄膜；4－鐵心；5－磁頭長磁柵的外形及結(jié)構(gòu)圖磁尺靜態(tài)磁頭去信號(hào)處理電路固定孔2．磁柵的類型長磁柵圓磁柵——磁柵式編碼器（測量直線位移）（測量角位移）尺形帶形同軸形長磁柵傳感器的類型1－磁頭2－磁柵3－屏蔽罩4－基座5－軟墊圓磁柵傳感器外形圖（a）外形示意圖（b）外形實(shí)物圖（ERM2900系列）磁尺長磁柵實(shí)物圖磁頭德國SIKO

長磁柵尺實(shí)物圖磁頭與磁尺相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的輸出波形二、磁柵傳感器的工作原理1．基本工作原理磁柵傳感器工作原理動(dòng)畫式中：Em－感應(yīng)電勢的幅值W－磁柵信號(hào)的節(jié)距x－機(jī)械位移量磁頭輸出的電勢信號(hào)經(jīng)檢波，保留其基波成分，可用下式表示：2．信號(hào)處理方式當(dāng)兩只磁頭勵(lì)磁線圈加上同一勵(lì)磁電流時(shí)，兩磁頭輸出繞組的輸出信號(hào)為：

式中：－機(jī)械位移相角，將第二個(gè)磁頭的電壓讀出信號(hào)移相900，兩磁頭的輸出信號(hào)則變?yōu)椋簩陕份敵鱿嗉?，則獲得總輸出：（1）鑒相處理方式鑒相型磁柵傳感器基本原理框圖利用輸出信號(hào)的幅值大小來反映磁頭的位移量或與磁尺的相對(duì)位置的信號(hào)處理方式。

經(jīng)檢波器去掉高頻載波后可得：（2）鑒幅處理方式與光柵的信號(hào)辨向、細(xì)分一致。鑒幅型磁柵傳感器的原理框圖

磁柵數(shù)顯裝置的結(jié)構(gòu)示意圖1－磁性標(biāo)尺2－磁頭3－固定塊4－尺體安裝孔5－泡沫墊6－滑板安裝孔7－磁頭連接板8－滑板三、磁柵數(shù)顯裝置

國產(chǎn)磁柵數(shù)顯裝置的LSI芯片組成：1．磁頭放大器（SF023）2．磁尺檢測專用集成芯片（SF6114）主要功能：兩輸入信號(hào)的放大；通道B信號(hào)移相900；通道A和通道B信號(hào)求和放大；補(bǔ)償兩只磁頭特性所需的調(diào)整和來自數(shù)顯表供給兩只磁頭的勵(lì)磁信號(hào)。主要功能：對(duì)磁尺勵(lì)磁信號(hào)的低通濾波和功率放大；供給磁頭的勵(lì)磁信號(hào)；對(duì)放大器輸出信號(hào)經(jīng)濾波后進(jìn)行放大、限幅、整形為矩形波；接受反饋信號(hào)對(duì)磁尺檢出信號(hào)進(jìn)行相位微