ceshi1-12-数字量位移传感器与位移的测试-精品文档资料系列.ppt

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1、2022-7-211.1.了解常用数字式位移传感器的性能、特点及了解常用数字式位移传感器的性能、特点及适用范围适用范围2.2.掌握掌握光栅数字传感器工作原理、测量电路光栅数字传感器工作原理、测量电路3.3.了解数字式传感器的应用了解数字式传感器的应用2022-7-21光栅传感器光栅传感器感应同步器感应同步器数字量位移传感器就是输出为数字或脉冲信号数字量位移传感器就是输出为数字或脉冲信号的位移传感器的位移传感器 2022-7-21数字位移传感器与位移的测试传感器的特点：数字位移传感器与位移的测试传感器的特点： 具有高的测量精度和分辨力，读数直观精确。具有高的测量精度和分辨力，读数直观精确。 测量

2、行程范围大，直线位移可达数米至几十米。测量行程范围大，直线位移可达数米至几十米。 易于实现高速动态测量、处理和自动化。易于实现高速动态测量、处理和自动化。 采用高电平数字信号时，对外部干扰（噪采用高电平数字信号时，对外部干扰（噪音）的抑制能力强。音）的抑制能力强。 安装方便，使用维护简单，工作可靠安装方便，使用维护简单，工作可靠性强。性强。2022-7-21光电盘和光栏板可用玻璃研磨抛光制成，经真空镀铬后用照相腐蚀法在镀铬层上制成光电盘和光栏板可用玻璃研磨抛光制成，经真空镀铬后用照相腐蚀法在镀铬层上制成透光的狭缝，狭缝的数量可为几百条或几千条。也可用精制的金属圆盘在其圆周上开透光的狭缝，狭缝的

3、数量可为几百条或几千条。也可用精制的金属圆盘在其圆周上开出一定数量的等分槽缝，使圆盘形成相等数量的透明和不透明区域。光栏板上有两条出一定数量的等分槽缝，使圆盘形成相等数量的透明和不透明区域。光栏板上有两条透光的狭缝，缝距等于光电盘槽距或孔距的透光的狭缝，缝距等于光电盘槽距或孔距的1/4，每条缝后面放一只光电管。，每条缝后面放一只光电管。5.1 5.1 光电盘式角位移传感器光电盘式角位移传感器5.1.2 光电盘光电盘2022-7-212022-7-21l光电管把通过光电盘和光栏板射来的忽明忽暗的光电管把通过光电盘和光栏板射来的忽明忽暗的光信号转换为电脉冲信号，经整形、放大、分频、光信号转换为电脉

4、冲信号，经整形、放大、分频、计数和译码后输出或显示。由于光电盘每转发生的计数和译码后输出或显示。由于光电盘每转发生的脉冲数不变，故由脉冲数即可测出被测轴的转角或脉冲数不变，故由脉冲数即可测出被测轴的转角或转速。也可根据传动装置的速比换算出直线运动机转速。也可根据传动装置的速比换算出直线运动机构的直线位移。构的直线位移。l根据光栏板上两条狭缝中信号的先后顺序，可以根据光栏板上两条狭缝中信号的先后顺序，可以判别光电盘的旋转方向。判别光电盘的旋转方向。l由于光电盘制造精度较低，只能测增量值，易受由于光电盘制造精度较低，只能测增量值，易受环境干扰，所以多用在简易型和经济型数控机床上。环境干扰，所以多用

5、在简易型和经济型数控机床上。2022-7-215.1.2 5.1.2 光电编码器光电编码器 编码器可把角位移直接转换成脉冲或二进制编码的编码器可把角位移直接转换成脉冲或二进制编码的检测器件（增量编码器、绝对编码器）。检测器件（增量编码器、绝对编码器）。 按编码器的结构分为按编码器的结构分为光电式光电式、接触式和电磁式三种。、接触式和电磁式三种。 光电式编码器是目前应用较多的一种，它是在透明光电式编码器是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码材料的圆盘上精确地印制上二进制编码“0 0或或1”1”不不透光或透光区域。透光或透光区域。2022-7-211 1、绝对编码器、绝

6、对编码器四位光电码盘上，有四圈数四位光电码盘上，有四圈数字码道，在圆周范围内编码字码道，在圆周范围内编码数为数为2 24 4=16=16个。个。每个数位都对应有一个光电每个数位都对应有一个光电器件及放大、整形电路。码器件及放大、整形电路。码盘转到不同位置，光电元件盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成电信号，经放大整形后，成为相应数字信号。为相应数字信号。标准二进制编码器标准二进制编码器(8421(8421码盘码盘) )2022-7-21 由于光电器件安装误差的影响，当码盘回转在由于光电器件安装误差的影响，当码盘回转在两码段边缘交替位置

7、时，就会产生两码段边缘交替位置时，就会产生读数误差读数误差。例如，当码盘由位置例如，当码盘由位置“0111”0111”变为变为“1000”1000”时时四位数要同时变化，可能将数码误读成四位数要同时变化，可能将数码误读成11111111、10111011、11011101、00010001等，产生无法估计的数值误差，等，产生无法估计的数值误差，这种误差称为这种误差称为非单值性误差非单值性误差。 标准二进制编码器实际应用少，而采用标准二进制编码器实际应用少，而采用二进制二进制循环码盘（格雷码盘）。循环码盘（格雷码盘）。2022-7-21 任意相邻的两个代任意相邻的两个代码间只有一位代码有码间只有

8、一位代码有变化，即由变化，即由“0”0”变为变为“ 1 ”1 ” 或或 “ 1 ”1 ” 变 为变 为“0”0”。 因此，读数误差最因此，读数误差最多不超过多不超过“1”1”，只可，只可能读成相邻两个数中能读成相邻两个数中的一个数的一个数有效消有效消除非单值性误差除非单值性误差。2022-7-21 码盘最外圈上的码盘最外圈上的信号位的位置正好信号位的位置正好与状态交线错开，与状态交线错开，只有信号位处的光只有信号位处的光电元件有信号才能电元件有信号才能读数，这样就不会读数，这样就不会产生非单值性误差。产生非单值性误差。2022-7-215.2 5.2 光栅数字传感光栅数字传感器器1 1、光栅的

9、类型、光栅的类型n光栅光栅是在基体（玻璃或金属）上刻有均匀分布是在基体（玻璃或金属）上刻有均匀分布条纹的光学元件。用于位移测量的光栅称为计量条纹的光学元件。用于位移测量的光栅称为计量光栅。光栅。n计量光栅分为计量光栅分为透射式透射式及及反射式反射式两种。前者使光两种。前者使光线通过光栅后产生明暗条纹，后者反射光线并使线通过光栅后产生明暗条纹，后者反射光线并使之产生明暗条纹。之产生明暗条纹。n测量直线位移的光栅为测量直线位移的光栅为直光栅直光栅（长光栅），测（长光栅），测量角位移的光栅为量角位移的光栅为圆光栅圆光栅。5.2.1 5.2.1 光栅传感器的构成及原理光栅传感器的构成及原理2022-7

10、-212022-7-21u在直光栅中，若在直光栅中，若a a为刻线宽度，为刻线宽度，b b为缝隙宽度，为缝隙宽度，则则W Wa+ba+b称为称为光栅的栅距光栅的栅距( (也称也称光栅常数光栅常数) )。通常。通常a ab b，或，或a a：b b1.11.1：0.90.9。2. 2. 栅距栅距2022-7-213.3.莫尔条纹的形成及特点莫尔条纹的形成及特点 当两块光栅互相靠当两块光栅互相靠近且沿刻线方向保持近且沿刻线方向保持有一个夹角时，由于有一个夹角时，由于挡光效应挡光效应( (当线纹密度当线纹密度5050条条/mm/mm时时) )或光的或光的衍射作用衍射作用( (当线纹密度当线纹密度10

11、0100条条/mm/mm时时) )，在与，在与光栅线纹大致垂直的光栅线纹大致垂直的方向上方向上( (两线纹夹角的两线纹夹角的等分线上等分线上) )产生出亮、产生出亮、暗相间的条纹暗相间的条纹称称为为“莫尔条纹莫尔条纹”。2022-7-21W/2BH/22022-7-21u莫尔条纹的重要特征莫尔条纹的重要特征: :1)1)莫尔条纹的运动与光栅的运动一一对应莫尔条纹的运动与光栅的运动一一对应 光栅栅距W莫尔条纹间距B。2 2）莫尔条纹具有）莫尔条纹具有位移放大作用位移放大作用 K=1/3)3)莫尔条纹具有误差平均效应（莫尔条纹具有误差平均效应（消除短周期误差）消除短周期误差）4 4）莫尔条纹的间距

12、）莫尔条纹的间距B B随光栅刻线夹角随光栅刻线夹角变化变化2022-7-214 4、光栅数字传感器的结构、光栅数字传感器的结构u光栅数字传感器主要由标尺光栅、指示光栅、光栅数字传感器主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长标尺光栅的有效长度即为度即为测量范围测量范围。必要时，标尺光栅还可接长。必要时，标尺光栅还可接长。对于线位移测量，两块光栅对于线位移测量，两块光栅长短不等，指示固定，标尺长短不等，指示固定，标尺光栅光栅随着被测物体移动随着被测物体移动，即，即可实现位移测量。而测量角可实现位移测量。而测量角位移时，一块圆光栅固定，位移时，一

13、块圆光栅固定，另一块随转动部件转动。另一块随转动部件转动。2022-7-21 光栅传感器结构为：光源光栅传感器结构为：光源标尺光栅标尺光栅指示光栅指示光栅光电元件光电元件2022-7-215.2.2 5.2.2 光栅位移数字转换的基本原理光栅位移数字转换的基本原理1. 1. 光栅传感器输出信号波形光栅传感器输出信号波形 当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期变化，其生一个周期的变化，使输出电信号周期变化，其输出波形如图：输出波形如图：202

14、2-7-21 输出表达式：输出表达式： U UU Uo oU Um mCOS(2/W)XCOS(2/W)X式中，式中，2/W2/W为空间角频率，为空间角频率，W W为栅距（信号周期），为栅距（信号周期）， X X为位移。为位移。 由此可知，只要计算输出电压的周期数，便可测出位移量。由此可知，只要计算输出电压的周期数，便可测出位移量。从而实现了位移量向电量的转换。在一个周期内，从而实现了位移量向电量的转换。在一个周期内，U U的变化是的变化是位移在一个栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。位移在一个栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。 但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个

15、问题：但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题： 辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向；辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向； 精度低；分辨力只为一个栅距精度低；分辨力只为一个栅距W W。怎么解决这两个问题呢？怎么解决这两个问题呢？2022-7-212 2、辨向与细分电路、辨向与细分电路辨向电路辨向电路 在相隔在相隔1/4B1/4B莫尔条纹间距的位置上安放莫尔条纹间距的位置上安放两个光电两个光电元件元件，获得相位差为，获得相位差为9090的两个信号的两个信号辨向辨向。 当条纹上移时，当条纹上移时，V V2 2落后于落后于V V1 1 90 90。 当条纹下移时，当条纹下移时，

16、V V2 2超前于超前于V V1 1 9090。 因此，由因此，由V V1 1、V V2 2之间的相位关系可以之间的相位关系可以 判别运动方向。判别运动方向。2022-7-21xAxBxDxExF2xF1x/A2022-7-21 将该电压信号将该电压信号放大、整形放大、整形使其变为方波，经使其变为方波，经微微分电路分电路转换成脉冲信号，再经过转换成脉冲信号，再经过辨向电路辨向电路和可逆计和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。出位移量的大小。 位移量为位移量为脉冲数脉冲数与栅距的乘积。与栅距的乘积。2022-7-21202

17、2-7-213.3.细分电路细分电路n若以移过的莫尔条纹的数来确定位移量，其若以移过的莫尔条纹的数来确定位移量，其分辨力分辨力为光栅栅距。为光栅栅距。n为了提高分辨力和测得比栅距更小的位移量，可采为了提高分辨力和测得比栅距更小的位移量，可采用用细分技术细分技术：它是在莫尔条纹信号变化的一个周期：它是在莫尔条纹信号变化的一个周期内，给出若干个计数脉冲来减小脉冲当量的方法。内，给出若干个计数脉冲来减小脉冲当量的方法。n细分方法有细分方法有机械细分机械细分和和电子细分电子细分两类。两类。n机械细分机械细分：增加刻线密度，制造、安装及调试困难；：增加刻线密度，制造、安装及调试困难；n电子细分电子细分：

18、在一个莫尔条纹的间隔内，放置若干个：在一个莫尔条纹的间隔内，放置若干个光电元件，可得到多个不同相位的信号，提高计数光电元件，可得到多个不同相位的信号，提高计数脉冲数。脉冲数。2022-7-21四倍频细分法四倍频细分法在在辨向原理辨向原理中已知，在相差中已知，在相差B BH H/4/4位置上安装位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差两个光电元件，得到两个相位相差/2/2的电信的电信号。号。 若将这两个信号反相就可以得到若将这两个信号反相就可以得到四个依次相四个依次相差差/2/2的信号，从而可以在移动一个栅距的周的信号，从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。期内得到四个

19、计数脉冲，实现四倍频细分。2022-7-212022-7-215.2.3 5.2.3 光栅数字传感器的应用光栅数字传感器的应用2022-7-215.3 5.3 感应同步器感应同步器 感应同步器是利用感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理同而变化的原理组成的。分为直线型感应同步器和圆组成的。分为直线型感应同步器和圆盘型感应同步器两大类。盘型感应同步器两大类。感应同步器的优点是：感应同步器的优点是：具有较高的精度与分辨力；具有较高的精度与分辨力；抗干扰能力强；抗干扰能力强；使用寿命长，维护简单；使用寿命长，维护简单；可以作长距离位移测量；可以作长距离

20、位移测量；工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。 广泛用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度广泛用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中测量装置等。重型机床及加工中测量装置等。2022-7-211 1、感应同步器的基本结构、感应同步器的基本结构 由定尺和滑尺组成，其绕组分布不同由定尺和滑尺组成，其绕组分布不同定尺是定尺是连续绕组，滑尺则是分段绕组。分段绕组分为两组，连续绕组，滑尺则是分段绕组。分段绕组分为两组，布置成在空间相差布置成在空间相差9090相角，又称为正、余弦绕组。相角，又称为正、余弦绕组。2022-7-21 感应同步器的分段绕

21、组和连续绕组相当于变压器的感应同步器的分段绕组和连续绕组相当于变压器的一次和二次线圈，利用一次和二次线圈，利用交变电磁场和互感原理交变电磁场和互感原理工作。工作。圆盘式感应同步器圆盘式感应同步器由定子和转子组成，形状呈圆片形，由定子和转子组成，形状呈圆片形，定子相当于直线式感应同步器的滑尺，转子相当于定定子相当于直线式感应同步器的滑尺，转子相当于定尺。尺。2022-7-212 2、感应同步器的工作原理、感应同步器的工作原理当定尺和滑尺产生相当定尺和滑尺产生相对线位移时，或定子对线位移时，或定子与转子产生相对角位与转子产生相对角位移时，两绕组间的耦移时，两绕组间的耦合状态发生变化，这合状态发生变化，这时，在时，在定尺和转子绕定尺和转子绕组组上感应出一个与位上感应出一个与位移有关的电压信号，移有关的电压信号，由此可以测定位移量由此可以测定位移量的大小。的大小。2022-7-21etxWkUetxWkUemcmscos2sincos2cos2022-7-212022-7-212022-7-212022-7-21