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模块四：位置检测装置连接与调试. 教学目的与要求 1 、常见位置检测装置的工作原理； 2 、掌握常见位置检测装置的使用。. 常用位置检测装置. (1) 检测装置概述 直接测量和间接测量 直接测量；光栅尺、感应同步器、角度编码器（测回转运动） 间接测量；旋转编码盘、旋转变压器 增量式测量和绝对式测量 增量式测量：增量式光栅尺、增量式编码器 绝对式测量：绝对式光栅尺、绝对式编码器 数字式测量和模拟式测量 数字式测量：光栅尺、编码器 模拟式测量旋转变压器、感应同步器、磁栅. （ 2 ）常用检测装置.
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模块四：位置检测装置连接与调试 教学目的与要求 1、常见位置检测装置的工作原理； 2、掌握常见位置检测装置的使用。
常用位置检测装置 (1)检测装置概述 直接测量和间接测量 直接测量；光栅尺、感应同步器、角度编码器（测回转运动） 间接测量；旋转编码盘、旋转变压器 增量式测量和绝对式测量 增量式测量：增量式光栅尺、增量式编码器 绝对式测量：绝对式光栅尺、绝对式编码器 数字式测量和模拟式测量 数字式测量：光栅尺、编码器 模拟式测量旋转变压器、感应同步器、磁栅
（2）常用检测装置 旋转变压器
磁栅尺 磁栅又叫磁尺，是一种直线位移检测装置，它由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路组成，用拾磁原理进行工作的 。 • 激光尺 • RENISHAW 最新开发的激光尺RLE由RLU激光发生器、RID测头组成，是专门为工厂单轴或双轴开发的高精度、高直线性位置反馈元件。同样利用激光干涉的原理
一、 旋转变压器的结构 旋转变压器的结构和两相绕线式异步电机的结构相似，可分为定子和转子两大部分。定子和转子的铁心由铁镍软磁合金或硅钢薄板冲成的槽状心片叠成。它们的绕组分别嵌入各自的槽状铁心内。定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。转子绕组有两种不同的引出方式
二、 旋转变压器的工作原理 由于旋转变压器在结构上保证了其定子和转子(旋转一周)之间空气间隙内磁通分布符合正弦规律，因此，当激磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组便产生感应电势。下图为两极旋转变压器电气工作原理图。
当转子的磁轴与定子绕组的磁轴位置为任意角度时，绕组中产生的感应电动势为当转子的磁轴与定子绕组的磁轴位置为任意角度时，绕组中产生的感应电动势为 式中K——旋转变压器的变化； ——转子的转角
三、 旋转变压器的工作原理在实际应用中，考虑到使用的方便性和检测精度等因素，常采用四极绕组式旋转变压器。这种结构形式的旋转变压器可分为鉴相式和鉴幅式两种工作方式。
1．鉴相式工作方式 鉴相式工作方式是一种根据旋转变压器转子绕组中感应电势的相位来确定被测位移大小的检测方式。。
2．鉴幅式工作方式 鉴幅式工作方式是通过对旋转变压器转子绕组中感应电势幅值的检测来实现位移检测的。
三、感应同步器 感应同步器是一种电磁式位置检测元件，按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成；旋转式感应同步器由转子和定子组成。前者用于直线位移测量，后者用于角位移测量。它们的工作原理都与旋转变压器相似。感应同步器具有检测精度比较高、抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点，广泛应用于数控机床及各类机床数显改造。
设 是加在滑尺任一绕组上的激磁交变电压 由上述及电磁学原理，定尺绕组上的感应电势为 式中K——耦合系数； ——反映的是定尺和滑尺的相对移动的距离x
2感应同步器的应用 在感应同步器的应用过程中，除同样会遇到旋转变压器在应用过程中所遇到的角须限定在［-π,π］内的问题或要求之外，直线式感应同步器还常常会遇到有关接长的问题。例如，当感应同步器用于检测机床工作台的位移时，一般地，由于行程较长，一块感应同步器常常难以满足检测长度的要求，需要将两块或多块感应同步器的定尺拼接起来，即感应同步器接长。接长的原理是：滑尺沿着定尺由一块向另一块移动经过接缝时，由感应同步器定尺绕组输出的感应电势信号，它所表示的位移应与用更高精度的位移检测器(如激光干涉仪)所检测出的位移相互之间要满足一定的误差要求，否则，应重新调整接缝，直到满足这种误差要求时止。
增量式光电编码器原理及其结构 增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成 。
码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有A、B 两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4 节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90°电度角。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90°电度角的近似于正弦波的电信号，经放大、整形电路变成方波见下图。电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。
若 A 相超前于 B 相，对应电动机作正向旋转；若 B 相超前于1／4 相，对应电动机作反相旋转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表正向位移和反向位移的脉冲序列。
图 (a) 为光电脉冲编码器的信号处理线路图。其中施密特触发器作为放大整形用。它将相差 90的二组正弦波电流信号 A 与 B，放大整形为方波。若 A 相超前方相 90图 (b) 右，则输出正转脉冲列 G；若 A 相落后 B 相 90，如图 (b) 左，则输出反转脉冲列 F 。
增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说，增量式光电编码器输出A、B 两相互差90°电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。同时还有用作参考零位的Z 相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。
增量式光电编码器的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息。
基本技术规格 （1）分辨率光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数来表示的，即脉冲数/（PPR）。码盘上的透光缝隙的数目就等于编码器的分辨率，码盘上刻的缝隙越多，编码器的分辨率就越高。在工业电气传动中，根据不同的应用对象，可选择分辨率通常在500~6000PPR 的增量式光电编码器，最高可以达到几万PPR。交流伺服电机控制系统中通常选用分辨率为2500PPR 的编码器。此外对光电转换信号进行逻辑处理，可以得到2 倍频或4 倍频的脉冲信号，从而进一步提高分辨率。
（2）精度增量式光电编码器的精度与分辨率完全无关，这是两个不同的概念。精度是一种度量在所选定的分辨率范围内，确定任一脉冲相对另一脉冲位置的能力。精度通常用角度、角分或角秒来表示。编码器的精度与码盘透光缝隙的加工质量、码盘的机械旋转情况的制造精度因素有关，也与安装技术有关。（2）精度增量式光电编码器的精度与分辨率完全无关，这是两个不同的概念。精度是一种度量在所选定的分辨率范围内，确定任一脉冲相对另一脉冲位置的能力。精度通常用角度、角分或角秒来表示。编码器的精度与码盘透光缝隙的加工质量、码盘的机械旋转情况的制造精度因素有关，也与安装技术有关。
（3）输出信号的稳定性编码器输出信号的稳定性是指在实际运行条件下，保持规定精度的能力。影响编码器输出信号稳定性的主要因素是温度对电子器件造成的漂移、外界加于编码器的变形力以及光源特性的变化。由于受到温度和电源变化的影响，编码器的电子电路不能保持规定的输出特性，在设计和使用中都要给予充分考虑。（3）输出信号的稳定性编码器输出信号的稳定性是指在实际运行条件下，保持规定精度的能力。影响编码器输出信号稳定性的主要因素是温度对电子器件造成的漂移、外界加于编码器的变形力以及光源特性的变化。由于受到温度和电源变化的影响，编码器的电子电路不能保持规定的输出特性，在设计和使用中都要给予充分考虑。
绝对式编码盘 编码盘或编码尺是一种通过直接编码进行测量的元件，它直接把被测转角或直线位移转换成相应的代码，指示其绝对位置。这种测量方式没有积累误差，电源切除后位置信息也不丢失。编码盘或编码尺是一种按一定的编码形式，如二进制编码，二—十进制编码、格莱码或余三码等，将一个圆盘或直尺分成若干等分，并利用电子、光电或电磁器件，把代表被测位移量大小的各等分上的编码转换成便于应用的其他二进制表达方式的测量装置。
工作原理 图 1 编码盘
光栅 光栅与前面讲的旋转变压器、感应同步器不同，它不是依靠电磁学原理进行工作的，不需要激磁电压，而是利用光学原理进行工作，因而不需要复杂的电子系统。常见的光栅从形状上可分为圆光栅和长光栅。圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位移的检测。光栅的检测精度较高，可达 以上。
一、 光栅的构造 光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。对于长光栅，这些线纹相互平行，各线纹之间距离相等，我们称此距离为栅距。对于圆光栅，这些线纹是等栅距角的向心条纹。栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。
图 光栅读镜头结构原理图 （a）分光读镜头 （b）反射读镜头（c） 镜像读镜头
常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。 二、工作原理 光栅工作原理
1．位移大小的检测 由于莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动是相对应的，故通过检测 这4个电压信号的变化情况，便可相应地检测出两光栅尺之间的相对移动。 每变化一个周期，即莫尔条纹每变化一个周期，表明两光栅尺相对移动了一个栅距的距离；若两光栅尺之间的相对移动不到一个栅距，因 是余弦函数，故根据之值也可以计算出其相对移动的距离。
2位移方向的检测 光栅的位移检测原理图
3速度的检测 两光栅尺的相对移动速度决定着莫尔条纹的移动速度，即决定着透过观察窗口的光强度的频率，因此，通过检测 的 变化频率就可以推断出两光栅尺的相对移动速度。
磁栅 磁栅是一种利用电磁特性和录磁原理对位移进行检测的装置。它一般分为磁性标尺、拾磁磁头以及检测电路三部分。在磁性标尺上，有用录磁磁头录制的具有一定波长的方波或正弦波信号。检测时，拾磁磁头读取磁性标尺上的方波或正弦波电磁信号，并将其转化为电信号，根据此电信号，实现对位移的检测。磁栅按其结构特点可分为直线式和角位移式，分别用于长度和角度的检测。磁栅具有精度高、复制简单以及安装调整方便等优点，而且在油污、灰尘较多的工作环境使用时，仍具有较高的稳定性。磁栅作为检测元件可用在数控机床和其他测量机上。
一、磁性标尺和拾磁磁头 1、磁性标尺 一般由非导磁材磁性标尺(简称磁尺)可分为两部分，即磁性标尺基体和磁性膜。磁性标尺的基体料(如玻璃、铜、铝或其他合金材料)制成。 按磁性标尺基体的形状，磁栅可分为实体式磁栅、带状磁栅、线状磁栅和回转形磁栅。前三种磁栅用于直线位移测量，后一种用于角位移测量。
图1 各种磁尺结构示意图 （a）实体式磁尺（b）带状磁尺（c）现状磁尺（d）回转形磁尺
2、拾磁磁头 拾磁磁头是进行磁电转换的器件，它将磁性标尺上的磁信号检测出来，并转换成电信号。磁栅的拾磁磁头与一般录音机上使用的单间隙速度响应式磁头不同，它不仅能在磁头与磁性标尺之间有一定相对速度时拾取信号，而且也能在它们相对静止时拾取信号。
1鉴相式工作状态 对图所示的两组磁头A和B的激磁绕组分别通以同频率、同相位、同幅值的激磁电流 取磁尺上的某N点为起点，若A磁头离开起点的距离为x，则A和B磁头上拾磁绕组输出的感应电势二次谐波为
2、振幅式工作方式 同鉴相式工作状态一样，对两组拾磁磁头A，B的激磁绕组通以同频率、同相位、同幅值的激磁电流，即从两磁头绕组输出感应电势，感应电势的二次谐波为
如用检波器将 和 中的高频载波 滤掉，便可得到相位差为 ／2的两路交变电压信号，即
