如何利用光电编码器测量步进电动机的角位移？

一、任务目标

本任务中主要学习光电编码器的结构和分类，掌握光电编码器的工作原理，掌握用光电编码器测量步进电动机角位移的方法。

二、任务分析

练习

（1）编码器又称码盘，通常将其转轴与被测轴相连，随着被测轴一起旋转，它能将被测轴的角位移转换成二进制编码或者电脉冲，编码器一般分成 和 两大类。

（2）本任务采用增量式光电编码器，光栏板上有两组条纹A、A和B、B，A 组与B 组的条纹彼此错开1／4 节距，两组条纹相对应的光敏元件所产生的脉冲信号彼此相差________相位，用于________。此外，在光电码盘的里圈里还有一条透光条纹C，用以每转产生一个脉冲，脉冲信号称为________，作为测量基准。

（3）编码器是一种旋转式测量元件，通常装在数控机床被测轴上检测被测轴的________，反馈给数控装置，从而________测量工作台移动的直线位移。

（4）若数控机床选用的编码器型号脉冲数为2 000 p／r，滚珠丝杠的导程为10 mm，减速齿轮的减速比为5 ∶1，此数控机床脉冲当量为：__________；若编码器输出脉冲数为1 000 p／r，则工作台移动距离为__________。

思考

增量式光电编_码器通常装在数控机床被测轴上检测被测轴的角位移，输出两组差动脉冲信号A、和B、，一组零脉冲差动信号Z、。请思考零脉冲信号的作用，查阅相关资料总结零脉冲信号在数控机床上的其他特殊功能。

三、任务实施

1.认识增量式光电编码器及其实验模块

如图5-79所示，安装在JCY-4 光栅角位移传感器检测装置上的是型号为SP3806-103G-1024-BZ3／05L 的增量式光电编码器，它是一种外径为38 mm，轴径为6 mm 的编码器。该光电编码器的输出接线定义如表5-18所示。

图5-79　JCY-4 光栅角位移传感器检测装置

表5-18　SP3806-103G-1024-BZ3／05L 编码器的输出接线定义

2.增量式光电编码器测量角位移工作原理

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。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°的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理变为脉冲信号，通过计算每秒钟光电编码器输出脉冲的个数可以得到被测轴的转角或速度信息。

3.任务实验步骤

1）安装光电编码器。SP3806-103G-1024-BZ3／05L 型增量式光电编码器已安装在JCY-4 光栅角位移传感器检测装置上。

2）光电编码器测量步进电动机角位移电路接线。打开主控台电源，将直流稳压电源15 V、5 V 接到JCY-4 光栅角位移检测装置和光栅传感器实验模块。

将采集卡的模拟量和开关量电缆接到采集卡的接口（采集卡的地线要接到直流稳压电源地），采集卡接口DO1～DO4 分别接到JCY-4 光栅角位移传感器检测装置“步进电动机驱动模块” 的A、B、C、D。光栅角位移传感器输出通过一根排线接到光栅传感器实验模块的“光栅传感器输入-角位移”。

3）光电编码器测量步进电动机角位移。通过USB 电缆将USB 数据采集卡接入计算机，并打开虚拟示波器软件，在弹出的窗口中单击“电机控制”，弹出“电机控制” 对话框，在“设置单位步长” 对话框中输入表5-19所示的单位步长时间，控制方式选择“步进电动机”，单击“启动” 按钮，步进电动机开始旋转，带动码盘一起旋转，光电编码器检测后，在光栅传感器实验模块上显示其角位移量。启动后半分钟，单击“停止”，并记录半分钟内码盘的角位移量。

按照表5-19所示改变“设置单位步长” 的时间控制步进电动机转动的速度，并记录半分钟内丝杠螺母的直线位移量。

4）实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

表5-19　不同单位步长时间对应的角位移

4.数据处理(www.xing528.com)

根据表5-19数据绘制单位步长时间与角位移关系曲线（T-α 曲线），如图5-80所示。

5.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表5-20。

图5-80　光电编码器T-α 曲线

表5-20　光电编码器测量步进电动机角位移评分表

四、任务拓展

在JCY-4 光栅角位移传感器检测装置中也有限位开关，把限位开关接入电路，看看其有什么作用。

1.仪器设备及器材

直流稳压电源、JCY-4 光栅线位移传感器检测装置、光栅传感器实验模块、数据采集卡、USB 电缆、计算机、导线、排线。

2.实验步骤

1）安装限位开关。JCY-4 光栅线位移传感器检测装置上已安装好一个限位开关，也是光电隔离器。

2）重复任务五的第2）步。重复任务五的第2）步，将限位传感器输出DO 口接采集卡接口开关量输入端DI1。

3）光电编码器测量步进电动机角位移（带限位开关）。通过USB 电缆将USB 数据采集卡接入计算机，并打开虚拟示波器软件，在弹出的窗口中单击“电机控制”，弹出“电机控制” 对话框，在“设置单位步长” 对话框中输入表5-19所示的单位步长时间。选择控制方式有“步进电动机” 和“限位开关” 两种，根据实验选择“限位开关” 控制方式，单击“启动” 按钮，步进电动机开始旋转，带动码盘一起旋转，码盘转满半圈后自动反转。

3.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表5-21。

表5-21　光电编码器测量步进电动机角位移（带限位开关）评分表

激光位移传感器

激光位移传感器因其较高的测量精度和非接触测量特性，广泛应用于高校和研究机构、汽车工业、机械制造工业、航空与军事工业、冶金和材料工业的准确测量检测。激光位移传感器可准确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于检测物的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量，其如图5-81所示。

激光位移传感器可准确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于检测物体的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。按照测量原理，激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法。激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量，而激光回波分析法则用于远距离测量。

图5-81　激光位移传感器

如图5-82所示，三角测量法激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD 线性相机接收，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见” 这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。另外，模拟量与开关量输出可独立设置检测窗口。采取三角测量法的激光位移传感器线性度可达1 μm，分辨率更是可达到0.1 μm 的水平。比如ZLDS100 类型的传感器，它可以达到百分之0.01 高分辨率，百分之0.1 高线性度，9.4 kHz 高响应，适应恶劣环境。

图5-82　三角测量法激光发射器工作原理

回波分析法激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离以达到一定程度的精度。传感器内部是由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接收器等部分组成。激光位移传感器通过激光发射器每秒发射一百万个激光脉冲到检测物并返回至接收器，处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回至接收器所需的时间，以此计算出距离值，该输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出，即所谓的脉冲时间法测量的。激光回波分析法适合于长距离检测，但测量精度相对于激光三角测量法要低，远的检测距离可达250 m。

智能机器人的发展催热了传感器行业，机器人产业作为逐步崛起的新兴行业，近来已经成为行业发展的焦点之一。而伴随着机器人产业的发展，也为相关产业带来了新的生机，如机器视觉、传感器等。传感器作为机器人的重要组件，其功能不容忽视。智能机器人的外部传感器大致可分为力学传感器、触觉传感器、接近传感器、视觉传感器、滑觉传感器和热觉传感器等，对于智能机器人来说，传感器必不可少。同时，智能机器人对传感器有非常严格的要求。其主要表现为：精度高、可靠性高、稳定性好；在电磁干扰、振动、灰尘和油垢等恶劣环境下抗干扰能力强。激光位移传感器作为一种重要的智能机器人，将随着智能化时代的到来，有更大的发展机会。