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自动控制元件及线路测量元件自动控制元件及线路测量元件编码器与光栅哈尔滨工业大学空间控制与惯性技术研究中心伊国兴本章要学习的传感器本章要学习的传感器光栅位移测量元件光电转换原理结构型数字型码盘本章主要内容本章主要内容1.编码器的定义和分类2.增量式编码器3.绝对式编码器4.混合式编码器5.光栅重点掌握原理，了解其特点和应用注意事项11.1编码器概述11.1编码器概述功能：编码器俗称码盘，用来测量转角并把它转换成脉冲或数字形式的输出信号。分类：1.根据输出信号的基本形式：增量式和绝对式2.根据结构和原理：接触式、光电式、电磁式11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器信号处理装置信号处理装置abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板AABBZZ节距L(K+1/4)/L光源一、结构大圆盘上刻有均匀分布的辐射状窄缝，分布的周期称为节距。两组检测窄缝节距和圆盘上的相同，窄缝的位置相隔1/4节距，两个输出信号在相位上相差90°。光阑板上检测窄缝数量？提高灵敏度，均化误差11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器二、工作原理信号处理装置信号处理装置abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板节距L(K+1/4）L光源ab11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器工作原理动画演示V2abx11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器微分装置，信号由低向高跳变时输出一个脉冲。正转时输出正转脉冲,反转时输出反转脉冲。每输出1个脉冲，表示转过了1个节距。为了判别转动方向，信号b是不可缺少的，这是用两个检测窄缝的原因。三、信号处理11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器三、信号处理如何获得角度信息？11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器将正、反转脉冲分别送入可逆计数器就能正确计算出脉冲数N，再乘以一个脉冲对应的角度增量Δ，就得到相对初始位置的角度—角位移增量NΔ。如何获得绝对位置信息?计算轴的转角要有基准。增量码盘事先规定一个基准零点，称为零位。相对这个零位的转角位置称为绝对位置。如何找到基准?增量码盘有3个输出端，分别称为A、B和Z。Z相送出的脉冲就是零位脉冲。11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器转角不受限时，一个方向转，一圈之内就可找到零位脉冲转角受限时，一个方向转，转到头还找不到就反转四、寻零（只作速度控制，是否需要寻零？）零位透光窄缝12.34500.000连续旋转情况11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器零位透光窄缝正向限位开关负向限位开关12.34500.000转角受限情况11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器有没有更快的寻零方法？四、寻零（只作速度控制，则不要求）11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器四、寻零多条零位刻线（不等间距分配）可有效缩短寻零时间寻零时，读取零位信号的同时，记录两个零位信号之间的脉冲数，结合旋转方向，即可得到绝对零位零位透光窄缝12.345-95.000多条刻线寻零方法11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器θ1=40.000θ2=80.000∆θ=40404550657090零位刻线刻线2刻线3刻线4刻线6刻线5∆θ0第二条刻线为3五、分辨率与倍频电路一个脉冲对应的转角表示码盘的分辨率和静态误差。所以分辨率为11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器如何提高码盘的分辨率？11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器细分技术能在不增加码盘刻线数及价格的情况下提高码盘的分辨率。细分前，码盘的分辨率对应一个节距。采用4细分技术后，测量步距是原来的1/4，较大地提高了测量精度。在脉冲传输过程中，若由于干扰而丢失脉冲或窜入脉冲时将会产生累计误差。11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器七、增量码盘的优缺点缺点•开机后先要寻零。•在脉冲传输过程中，干扰产生累计误差。•需要计数器、速度受到一定限制。优点精度高（可用倍频电路进一步提高精度）构造简单，成本较低既适合测角也适合测速无接触测量，可靠性高，寿命长11.1.1增量式编码器11.1.1增量式编码器八、使用注意事项2考虑可能出现因干扰引起的累计误差3考虑最大转速和分辨率矛盾4考虑计数器溢出问题1考虑寻零问题11.1.2绝对式码盘11.1.2绝对式码盘一、概述绝对式脉冲编码盘绝对式脉冲编码盘是一种绝对角度位置检测装置，它的位置输出信号是某种制式的数码信号，它表示位移后所达到的绝对位置，要用起点和终点的绝对位置的数码信号，经运算后才能得到位移量的大小。11.1.2绝对式码盘11.1.2绝对式码盘一、结构三大部分，旋转的码盘、光源和光电敏感元件。光学码道，每个码道上按一定规律分布着透明和不透明区。11.1.2绝对式码盘11.1.2绝对式码盘光源的光通过光学系统，穿过码盘的透光区被窄缝后面的光敏元件接收，输出为“1”；若被不透明区遮挡，光敏元件输出为“0”。各个码道的输出编码组合就表示码盘的转角位置。二、原理11.1.2绝对式码盘11.1.2绝对式码盘注意观察角位与输出编码之间的关系动画演示码道布局：二进制编码盘，每一个码道代表二进制的一位，最外层的码道为二进制的最低位.分辨率：用N表示码盘的码道数目，即二进制位数，则角度分辨率为oNΔθ=360/211.1.2绝对式码盘11.1.2绝对式码盘23222120三、编码方式11.1.2绝对式码盘11.1.2绝对式码盘22位位9090°°33位位4545°°66位位5.65.6°°99位位0.70.7°°最高最高2929位位0.000000670.00000067°°问题：两个位置交换处可能产生很大的误差如何解决这一问题？11.1.2绝对式码盘11.1.2绝对式码盘23222120循环码（格雷码）的码盘相邻两个代码间只有一位数变化。二进制数有一个最小位数的增量时，只有一位改变状态，误差不超过最小的“1”个单位。但是转换成自然二进制码需要一个附加的逻辑处理转换装置。11.1.2绝对式码盘11.1.2绝对式码盘2322212011.1.2绝对式编码器11.1.2绝对式编码器4、绝对码盘的优缺点缺点：结构复杂，体积大价格贵优点：精度高,无接触，寿命长开机不需要寻零没有累计误差不需要计数器、允许转速高。11.1.2绝对式编码器11.1.2绝对式编码器五、使用注意事项1供电电源要可靠，注意长线传输时压降3考虑过零点的处理2考虑对于误码的处理11.1.3混合式码盘11.1.3混合式码盘新型绝对值码盘，内部具有增量码盘的结构。基本结构是绝对值码盘，但码道较少，精度较低，起“粗测”作用。而增量码盘部分起到“精测”作用。从码盘输出到信号处理装置是模拟信号，抗干扰能力优于纯光电增量码盘的脉冲信号。一通电就知道绝对位置，不必“寻零”。采用增量码盘结构，可对输出信号进行倍频处理提高精度。体积要比同精度的纯绝对值码盘小。11.1.4码盘参数11.1.4码盘参数11.1.5码盘常用配件11.1.5码盘常用配件细分盒11.1.5码盘常用配件11.1.5码盘常用配件11.1.5码盘常用配件11.1.5码盘常用配件11.2光栅11.2光栅一、概述检测线位移和角位移，精度很高。检测线位移的直线光栅，测量角度的回转光栅（俗称圆光栅）。11.2.2直线光栅的工作原理11.2.2直线光栅的工作原理透射光栅和反射光栅两大类。透射光栅是用光学玻璃作成的，透光与不透光线条。金属反射光栅是在长条形金属镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的密集线纹。11.2.2直线光栅的工作原理11.2.2直线光栅的工作原理一、结构透射式直线光栅由光源，长光栅，短光栅，光电元件等组成。长光栅安装在活动部件上，短光栅固定长光栅和短光栅的刻线密度相同。刻痕的宽度加上刻痕之间的距离称为光栅常数或栅距，记为a。11.2.2直线光栅的工作原理11.2.2直线光栅的工作原理二、莫尔条纹光栅左右移动，莫尔条纹上下移动，光栅移过一个栅距a时，莫尔条纹也移过一个莫尔条纹间距W。短光栅平行地放在长光栅平面上面，并使刻线倾斜很小角度，这时在短光栅上就会出现较宽的明暗相间的条纹。莫尔条纹间距sinaWθ=aWθ=11.2.2直线光栅的工作原理11.2.2直线光栅的工作原理θ特别小，莫尔条纹间距W较宽，等于将两个光线条纹之间的距离由栅距a放大到莫尔条纹间距W，大大地减轻了光学系统和电子线路的负担。11.2.2直线光栅的工作原理11.2.2直线光栅的工作原理莫尔条纹原理动画演示11.2.2直线光栅的工作原理11.2.2直线光栅的工作原理莫尔条纹光学放大作用举例莫尔条纹的宽度是栅距的32倍有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角θ=1.8°，则：分辨率Δ=栅距W=1mm/50=0.02mm=20μm（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）L≈W/θ=0.02mm/（1.8°*3.14/180°）=0.02mm/0.0314=0.637mm由于L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。11.2.2直线光栅的工作原理11.2.2直线光栅的工作原理光栅信号处理及动画演示P1P2P3P4指示光栅标尺光栅硅光电池聚光镜光源P1P2P3P4指示光栅标尺光栅硅光电池聚光镜光源11.2.2直线光栅的工作原理11.2.2直线光栅的工作原理光栅信号处理及动画演示11.2.2直线光栅的工作原理11.2.2直线光栅的工作原理莫尔条纹的特性准确性：大量刻线→误差平均效应→克服局部误差→提高精度方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时→与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距→莫尔条纹移动一个间距→方向对应放大性：夹角θ很小，高灵敏度11.2.2直线光栅的工作原理11.2.2直线光栅的工作原理11.2.2光栅尺11.2.2光栅尺光栅尺的优缺点缺点•开机后先要寻零•丢失或窜入脉冲时将会产生累计误差•需要计数器、速度受到一定限制•对使用环境要求苛刻，避免震动油污优点精度高（可用倍频电路进一步提高精度）构造简单，成本较低既适合位移也适合测速11.2.2光栅尺11.2.2光栅尺1.考虑寻零问题应用注意事项3.考虑最大速度和分辨率矛盾4.考虑安装精度和使用环境，加防护罩2.考虑可能出现因干扰引起的累计误差磁栅编码器磁栅编码器磁阻感应原理：由于磁场变化，阻值也随之变化。典型刻线周期400μm磁阻效应扫描用于准确度要求比较低的场合。HEIDENHAIN编码器HEIDENHAIN编码器雷尼绍产品雷尼绍产品应用应用圆光栅及应用应用应用应用应用应用实例应用实例①和②由控制计算机来实现；③接收控制板输出的模拟控制量，并经过功率放大后输出给电机；④由光电编码器组成的测角系统完成角度测量，并反馈给控制计算机。光电编码器测角系统输入速度环控制器数字差分位置环控制器功放和电机111234应用实例应用实例位置精度检测位置精度检测位置精度检测位置精度检测伊国兴ygx@hit.edu.cn