格雷码
二进制码
编码器分类
增量式编码器
数字编码器 绝对值编码器
混合式编码器
旋转编码器： 通过测量被测物体的旋转角度并将
测量到的旋转角度转化为脉冲电信号 输出
直尺编码器： 通过测量被测物体的直线行程长度
并将测量到的行程长度转化为脉冲电 信号输出
绝对式旋转编码器
• 用光信号扫描分度盘（分度盘与传动 轴相联）上的格雷码刻度盘以确定被 测物的绝对位置值，然后将检测到的 格雷码数据转换为电信号以脉冲的形 式输出测量的位移量
螺距 螺母
N=10圈
丝杠
x=？
在增量式测量中，
增量式和 绝对式测量
移动部件每移动一个基
本长度单位，位置传感 增量式测量得到的脉冲波形
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。
绝对式测量的特点是：
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。绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前 位置的数据。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。
编码器安装方式
编码器在扩展轴上
绝对编码器
通用编码器安装在扩展轴上
编码器在实体轴上
分解器
临近传感器
第六章 数字式传感器
数字式传感器具有以下优点： *精确度和分辨力高； *抗干扰能力强，便于远距离传输； *信号易于处理和存储； *可以减少读数误差。
一、光电编码器的工作原理
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机 械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编 码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一 定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光 电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动 机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装 置检测，并输出若干脉冲信号，其原理示意图如下：
- 断电后丢失位置信号 - 技术专有，兼容性较差
混合式旋转编码器
• 用光信号扫描分度盘（分度盘与转动 轴相联），通过检测、统计光信号的 通断数量来计算旋转角度
• 同时输出绝对旋转角度编码与相对旋 转角度编码
混合式旋转编码器的特点：
• 具备绝对编码器的旋转角度编码的唯 一性与增量编码器的应用灵活性
BH
光栅的刻线宽度W 莫尔条纹的宽度BH
莫尔条纹光学放大作用举例
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 =1.8，则： 分辨力 =栅距W =1mm/50=0.02mm=20m
（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） 莫尔条纹的宽度是栅距的32倍： BH ≈W/θ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ）
• 莫尔条纹的重要特性
– 运动对应关系
• 莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角θ固定后，两光栅 相对左右移动一个栅距W时，莫尔条纹上下或下上移 动一个节距B，因此，可以通过检测莫尔条纹的移动 条数和方向来判断两光栅相对位移的大小和方向。
– 位移放大关系
– 误差平均效应
• 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻 线误差有平均作用。
– 光强近似于正弦变化
莫尔条纹的位移放大作用
在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠 合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹 角θ。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两 光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。
BH≈W/θ ， （θ为主光栅和
指示光栅刻线的 夹角，弧度）
数字编码, 根据旋转角度输出脉冲信号 根据旋转脉冲数量可以转换为速度
- 旋转一周对应的脉冲数 (256, 512, 1024, 2048) - 输出信号类型 (TTL, HTL, push-pull mode) - 电压类型 (5V, 24V) - 最大分辨速度
- 分辨能力强 - 测量范围大 (100-10.000 inc./rotational motion) - 适应大多数情况
增量式光电编码器的分辨力及分辨率
增量式光电编码器的测量精度取决于它
所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的
狭缝条纹数n 有关，即最小能分辨的角度及
分辨率为：


360
0
n
分辨率＝1 n
四、绝对式编码器
10码道光电绝对式码盘
绝对式编码器按照 角度直接进行编码， 可直接把被测转角用 数字代码表示出来。 根据内部结构和检测 方式有接触式、光电 式等形式。
格雷码的绝对编码器的分度盘
代码盘用格雷码编码
绝对式旋转编码器的特点：
• 在一个检测周期内对不同的角度有不 同的格雷码编码，因此编码器输出的 位置数据是唯一的
• 因使用机械连接的方式，在掉电时编 码器的位置不会改变，上电后立即可 以取得当前位置数据
• 检测到的数据为格雷码，因此不存在 模拟量信号的检测误差
光源
透镜
码盘
透镜
光敏元件
放大整形 脉冲输出
转轴
通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个
数就能反映当前电动机的转速。此外为判断
旋转方向，码盘可以提供相位相差900的两路
脉冲信号。
光源
透镜
码盘
透镜
光敏元件
放大整形 脉冲输出
转轴
编码器包括码盘和码尺。码盘用于测量 角度。码尺用于测量长度，测量长度的实际 应用比较少。所以在这里只讨论码盘。
指示光栅一般比主光栅短得多，通常刻有与 主光栅同样密度的 线纹。
光源一般用钨丝灯泡。 光电元件包括光电池
和光敏三极管等部分。
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
反射式扫描头 （与移动部件固定） 扫描头安装孔
可移动电缆
光栅的外形及结构（续）
可移动电缆 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺
刻线密度： •（ 10，25，50，100线）/mm1000线/mm
a：刻线宽度 b:刻线见的缝隙宽度 W：栅距，光栅常数
W
a
b
透射光栅是在一块长方形的光学玻璃上均匀 地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条。
图6－10中a为刻线宽度，b为刻线间的缝隙宽 度，a+b=w称为光栅的栅距（或光栅常数）
特点: 选型: 优点: 缺点:
绝对式编码器综述
数字编码, 根据旋转角度输出脉冲信号 根据输出的脉冲信号可以转化为速度.
- 单编码盘 / 多编码盘 (测量一个或二个旋转变量) - 代码 (格雷码, BCD码, 二进制码) - 信号传输方式 (并口, 串口) - 分辨率 - 最大旋转速度
- 结构简单 - 角行程编码 (通过旋转轴获得) - 线性编码 (激光远距离测量) - 掉电不影响编码数据的获得 - 最大24位编码
= 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以 “观察”莫尔条纹光强的变化。
一、直接测量和间接测量
位置传感器有直线式和旋转式两大类。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。例如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。
- 比较贵
增量式旋转编码器
• 用光信号扫描分度盘（分度盘与转动 轴相联），通过检测、统计信号的通 断数量来计算旋转角度
用TTL 与 HTL 信号的 增量编码器
TTL 信号有零点与取消信号 HTL 信号只有零点没有取消信号
用正弦或余弦信号分辨的 增量编码器
用正弦或余弦信号表示零点与角度
增量式旋转编码器的特点：
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。
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
2.间接测量
工作台 丝杠 进给电机
x
θ
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、 转轴 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝
AB
A
C
B
C
光敏元件
盘码及 狭缝
零位标志
增量式编码器 10码道光电绝对式码盘
它的优点是原理 构造简单，机械平均 寿命可在几万小时以 上，抗干扰能力强， 可靠性高，适合于长 距离传输。其缺点是 无法输出轴转动的绝 对位置信息。
增量式码盘
零位标志
绝对式码盘与增量 式码盘有何区别
位置唯一 绝对
脉冲数
增量
零位标志
绝对式接触式编码器演示
4个电刷
4位二进制 码盘
+5V输入 公共码道
最小分辨角度为 α=360°/2n
光电编码器是一种角度（角速度）检测 装置，它将输入给轴的角度量，利用光 电转换原理，转换成相应的电脉冲或数 字量，具有体积小，精度高，工作可靠, 接口数字化等优点。它广泛应用于数控 机床、回转台、伺服传动、机器人、雷 达、军事目标测定等需要检测角度的装 置和设备中。
透射式直光栅
反射式光栅
透射式圆光栅 固定
二、莫尔条纹形成的原理及特点 莫尔条纹演示
• 两光栅平行-----竖条纹
– 标尺光栅移动一个W，光电管接受光线亮暗一次 – 缺点：无法辨向
• 两光栅成微小角度θ-----横条纹 （莫尔条纹）
– 形成黑白相间的条纹 – 光栅左右移动，条纹上下移动-----可辨向 – 每移动一个栅距W，条纹移动一个间距BH
传动机构 齿距