上海交通大学：《检测技术基础 Fundamentals of Test & Measurement Technology》课程教学资源_检测技术B_4.1.3角度检测技术

4.1.3角度检测技术 角度的自然基准和圆周封闭原则 1.自然基准：360圆周角 2.圆周封闭原则：整圆周上所有角间隔的误差之和为零 (圆周内误差封闭的原理) 实现角度和角位移测量的传感器主要有： 圆光栅传感器、光电编码器、圆磁栅传感器、回转感应同步器、激 光测角仪和多齿分度盘等 一、圆光栅传感器 圆光栅-径向光栅、切向光栅、环形光栅 莫尔条纹--圆弧形、环形、辐射形

4.1.3 角度检测技术 实现 角度和角位移测量的传感器主要有： 圆光栅传感器、光电编码器、圆磁栅传感器、回转感应同步器、激 光测角仪和多齿分度盘等 一、圆光栅传感器 圆光栅 --- 径向光栅、切向光栅、环形光栅 莫尔条纹 --- 圆弧形、 环形、辐射形 角度的自然基准和圆周封闭原则 1.自然基准：360o圆周角 2.圆周封闭原则：整圆周上所有角间隔的误差之和为零 （圆周内误差封 闭的原理 ）

栅距角 刻线区 刻线区 径向圆光栅 切向圆光栅

径向圆光栅 切向圆光栅 栅距角

栅距角 28 径向圆光栅

径向圆光栅 栅距角 γ

R 切向圆光栅

切向圆光栅

e 环形光栅

环形光栅

()径向光栅的圆弧形莫尔条纹 两块径向光栅-栅距角相同，以不大的偏心叠合 光栅不同区域，栅线交角不同 →不同曲率半径圆的弧形莫尔条纹 条纹宽度--随条纹位置变化 横向 偏心垂直位置上-横向莫尔条纹 -条纹近似垂直于栅线 (实际应用) 转动时，径向移动 于纵向 偏心方向上-纵向莫尔条纹 条纹近似平行于栅线 斜向 其他位置斜向莫尔条纹 特例-光闸莫尔条纹（同心、栅距角相同) 主光栅转过一个栅距角→透光量变化一个周期

⑴ 径向光栅的圆弧形莫尔条纹 两块径向光栅 --- 栅距角相同，以不大的偏心叠合 光栅不同区域，栅线交角不同 条纹宽度 --- 随条纹位置变化 偏心垂直位置上 --- 条纹近似垂直于栅线 偏心方向上 --- 条纹近似平行于栅线 --- 纵向莫尔条纹 其他位置 --- 斜向莫尔条纹 （实际应用） 特例 --- 光闸莫尔条纹（同心、栅距角相同） 主光栅转过一个栅距角→ 透光量变化一个周期 →不同曲率半径圆的弧形莫尔条纹 --- 横向莫尔条纹 转动时，径向移动

(2)· 切向光栅的环形莫尔条纹 两块切向光栅--栅距角相同/切线圆半 径不同/同心叠合 环形莫尔条纹 -以光栅中心为圆心的同心圆簇 条纹宽度--随条纹位置变化 优点：全光栅平均效应 应用：高精度角度测量和分度 (3)环形光栅的辐射形莫尔条纹 两块环形光栅（相同）-栅线相对/ 不大的偏心量 辐射形莫尔条纹 -条纹近似直线/呈辐射状 特点：条纹数目/位置--偏心量大小/ 圆心连线方向 偏心量（一个栅距）--莫尔条纹数目 增加一条（一个象限内） 光栅旋转-条纹数目/位置（不变） 应用：主轴偏移、晃动

⑵ 切向光栅的环形莫尔条纹 两块切向光栅 ---栅距角相同/切线圆半 径不同/同心叠合 环形莫尔条纹 --- 以光栅中心为圆心的同心圆簇 条纹宽度 --- 随条纹位置变化 应用：高精度角度测量和分度 优点：--- 全光栅平均效应 ⑶ 环形光栅的辐射形莫尔条纹 两块环形光栅（相同）--- 栅线相对/ 不大的偏心量 辐射形莫尔条纹 --- 条纹近似直线 /呈辐射状 特点：条纹数目 /位置 --- 偏心量大小/ 圆心连线方向 光栅旋转 --- 条纹数目 /位置（不变） 偏心量（一个栅距）--- 莫尔条纹数目 增加一条（一个象限内） 应用：主轴偏移、晃动

二、光电式编码器 1光电式绝对编码器-数字式传感器（直接) 光学码盘式传感器--用光电方法将被测角位移转化成数字电信号 特点：高精度、高分辨力、可靠性好 图6-1光学码盘式传感器工作原理 1--光源；2--柱面镜；3--码盘；4-狭缝；5-光电元件 ①原理：平行光源→码盘→光电元件→电信号输出

1 光电式绝对编码器 --- 数字式传感器（直接） 1 --- 光源；2 --- 柱面镜；3 --- 码盘；4 --- 狭缝；5 --- 光电元件 ① 原理：平行光源→码盘→ 光电元件→电信号输出 光学码盘式传感器 --- 用光电方法将被测角位移转化成数字电信号 二、 光电式编码器 特点：高精度、高分辨力、可靠性好

码盘：光学玻璃，透光和不透光的图形（同心码道）→照相腐蚀 要求：分度准确（工艺) 、 明暗交替边缘陡峭（工艺、材质） 光源：LED→光学系统→平行光→投影精确→径向排列光电元件 光电元件：硅光电池，光电晶体管光电元件输出： 亮区-1”；暗区-“0 码道数对应数码位数→每个码道对应一个光电元件（数码的一位）→分辨力 角度分辨力： 狭缝 a=360°2"n-码道数（位数) 光电元件 码道数目决定了分辨力 码盘 1”分辨力：20-21个码道(1M① 光源 对码盘的精度要求高 信号组合-编码数字量 转角大小 绝对测量-固定的数字码 图3-25 光电式绝对编码器 (不需要基准)

码盘：光学玻璃，透光和不透光的图形（同心码道）→ 照相腐蚀 要求：分度准确（工艺）、 明暗交替边缘陡峭（工艺、材质） 光源：LED → 光学系统 → 平行光 → 投影精确 →径向排列光电元件 光电元件：硅光电池，光电晶体管 码道数对应数码位数→每个码道对应一个光电元件（数码的一位）→分辨力 角度分辨力： α=360º/2 n n -码道数（位数） 光电元件输出： 亮区 --“1” ;暗区-- “0” 信号组合 --- 编码数字量 --- 转角大小 绝对测量 --- 固定的数字码 （不需要基准） 1”分辨力：20-21个码道(1M) 码道数目决定了分辨力 对码盘的精度要求高

② 编码码制： 二进制码 有权码 格雷码（循环码)对称性，无权码 R 图6-26位二进制码盘 图6-46位循环码码盘 相邻两数只有一位不同→ 直观，易与后续电路和计算机处理。 多位码同时动作→同步误差→错码 每次只有一位变化（不会产生错码) →转换为二进制码

② 编码码制： 直观，易与后续电路和计算机处理。 多位码同时动作→同步误差→错码 二进制码 有权码 格雷码（循环码）对称性，无权码 相邻两数只有一位不同→ 每次只有一位变化（不会产生错码） →转换 为二进制码