10模块十、数字式位移检测(下).ppt

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1、机、电类传感器与检测技术项目教程模块十、数字式位移检测模块十、数字式位移检测 课件统一书号：统一书号：ISBN 978-7-111-48817-0课程配套网站www.sensor-或或 2015年年2月第月第1版版（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）12/18/20221本模块介绍本模块介绍“数字式位移传感器数字式位移传感器”的基本概的基本概念、念、大位移的测量方法大位移的测量方法、角编码器角编码器、光栅传感、光栅传感器、器、磁栅传感器磁栅传感器、容栅传感器容栅传感器，并讨论了它们并讨论了它们在在直线位移直线位移和和角位移角位移精密测量以及机床位置控精密

2、测量以及机床位置控制中的应用。制中的应用。还介绍还介绍了电梯平层的要求及方法。了电梯平层的要求及方法。内容简介内容简介今天是：今天是：12/18/202212/18/202212/18/20222模块九、小位移检测（下）模块九、小位移检测（下）目录目录进入进入进入进入进入进入进入进入知识链接知识链接 位置检测方式位置检测方式项目一、角编码器项目一、角编码器项目二、光栅传感器项目二、光栅传感器项目三、磁栅传感器项目三、磁栅传感器项目四、容栅传感器项目四、容栅传感器拓展阅读拓展阅读 电梯平层电梯平层現現在在時間時間是：是：21:4121:41进入进入12/18/20223项目二项目二 光栅传感器光

3、栅传感器【项目教学目标项目教学目标】知识目标知识目标1了解计量光栅的类型、结构及工作原理。了解计量光栅的类型、结构及工作原理。2了解莫尔条纹的光学放大原理。了解莫尔条纹的光学放大原理。技能目标技能目标1掌握光栅的分辨率与分辨力计算。掌握光栅的分辨率与分辨力计算。2掌握光栅的辨向与细分方法。掌握光栅的辨向与细分方法。3掌握光栅的应用。掌握光栅的应用。回目录回目录12/18/20224任务一任务一 认识光栅传感器认识光栅传感器一、光栅的类型和结构一、光栅的类型和结构计量光栅可分为计量光栅可分为透射式光栅透射式光栅和和反射式光栅反射式光栅两大类，均两大类，均由由光源光源、光栅副光栅副、光敏元件光敏元

4、件三大部分组成。计量光栅三大部分组成。计量光栅按形状又可分为按形状又可分为长光栅长光栅和和圆光栅圆光栅。光栅副光栅副由由光栅尺光栅尺和和光电扫描头光电扫描头组成。组成。光电扫描头光电扫描头由由细分辨向用细分辨向用光敏元件（光敏元件（2路或路或4路）路）、零位光敏元件零位光敏元件等组成。等组成。12/18/20225图图10-15 光栅的分类光栅的分类（放大图见后页）（放大图见后页）a）透射式光栅光路）透射式光栅光路 b）反射式光栅光路）反射式光栅光路 c）敞开式反射钢带长光栅外形）敞开式反射钢带长光栅外形 d）圆光栅）圆光栅1LED光源光源 2聚光透镜聚光透镜 3扫描光栅（指示光栅扫描光栅（指

5、示光栅）4主光栅（标尺光栅）主光栅（标尺光栅）5栅状光电接收元件栅状光电接收元件 6窗口窗口 7圆光栅圆光栅 8零位标记零位标记12/18/20226图图10-15a、b 光栅的分类放大图（续）光栅的分类放大图（续）1LED光源光源 2聚光透镜聚光透镜 3扫描光栅（指示光栅）扫描光栅（指示光栅）4主光栅（标尺光栅）主光栅（标尺光栅）5栅状光电接收元件栅状光电接收元件 6窗口窗口12/18/20227图图10-15c、d 光栅的分类放大图（续）光栅的分类放大图（续）1LED光源光源 2聚光透镜聚光透镜 3扫描光栅（指示光栅）扫描光栅（指示光栅）4主光栅（标尺光栅）主光栅（标尺光栅）5栅状光电接收

6、元件栅状光电接收元件 6窗口窗口 7圆光栅圆光栅 8零位标记零位标记12/18/20228尺身尺身尺身安装孔尺身安装孔 反射式扫描头反射式扫描头 （与移动部件固定）（与移动部件固定）扫描头安装孔扫描头安装孔可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长光栅防尘保护罩的内部为长光栅12/18/20229扫描头扫描头（与移动部件固定与移动部件固定）光栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构（续）光栅的外形及结构（续）12/18/202210透射式直线光栅结构及组成透射式直线光栅结构及组成图图10-17 直线透射式长光栅测量原理图直线透射式长光栅测量原理图1光源光源

7、2透镜透镜 3指示光栅指示光栅 4主光栅（标尺光栅）主光栅（标尺光栅）5零位光栅零位光栅 6细分辨向用光敏元件（细分辨向用光敏元件（2路或路或4路）路）7零位零位光敏元件光敏元件（放大图见后页放大图见后页）光光源源、透透镜镜、指指示示光光栅栅及及光光敏敏元元件件均均固固定定在在扫扫描描头头内内，随随扫扫描描头头一一起起联动。联动。12/18/2022111光光源源 2透透镜镜 3指指示示光光栅栅 4主主光光栅栅(标标尺尺光光栅栅)5零位光栅零位光栅 6细分辨向用光敏元件（细分辨向用光敏元件（2路或路或4路）路）7零位光敏元件零位光敏元件12/18/202212透射式光栅透射式光栅12/18/2

8、02213透射式圆光栅透射式圆光栅固定固定(只画出其中一小部分只画出其中一小部分)12/18/202214反射式光栅反射式光栅12/18/202215反射式光栅及读出光电信号莫尔条纹演示反射式光栅及读出光电信号莫尔条纹演示12/18/202216莫尔条纹莫尔条纹的光学放大作用的光学放大作用 在透射式直线光栅中，在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起相对叠合在一起，中间留有很小的间隙中间留有很小的间隙，并使两者的栅并使两者的栅线保持很小的夹角线保持很小的夹角。在两条光栅的透光线的重合处，在两条光栅的透光线的重合处，光从缝隙透过，形成亮带光从缝隙透过

9、，形成亮带；在两光栅刻线的不透光处，在两光栅刻线的不透光处，由于相互挡光作用而形成暗带由于相互挡光作用而形成暗带。光栅的刻线宽度光栅的刻线宽度W莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度L L 暗线到暗线的间暗线到暗线的间距距 LW/，（为主为主光栅和指光栅和指示光栅刻线的夹角，示光栅刻线的夹角，弧度弧度）12/18/202217莫尔条纹莫尔条纹的光学放大作用的光学放大作用（暗线到暗线的间距大于刻线的间距）（暗线到暗线的间距大于刻线的间距）暗线到暗线的间距暗线到暗线的间距栅距栅距透射光线透射光线12/18/202218莫尔条纹莫尔条纹演示演示12/18/202219莫尔条纹莫尔条纹光学光学放大作用的计算放大

10、作用的计算 例例:有一直线光栅，每毫米刻线数为有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示，主光栅与指示光栅的夹角光栅的夹角 =1.8=1.8 3.14/180 弧度，求：分辨弧度，求：分辨力力解解：分辨力分辨力 =栅距栅距W=1mm50=0.02mm=20 m （由于栅距很小，因此由于栅距很小，因此无法观察光强的变化无法观察光强的变化）由以下计算可知，由以下计算可知，莫尔条纹的宽度是栅距的莫尔条纹的宽度是栅距的32倍倍：L W/=0.02mm/(1.8 3.14/180 )=0.02mm0.0314=0.02mm32=0.64mm 由于由于莫尔条纹间距莫尔条纹间距有有0.64mm，因此，因

11、此可以用小面积的可以用小面积的光电池光电池，通过，通过“狭缝狭缝”来来“观察观察”莫尔条纹莫尔条纹光强的变光强的变化化。LW12/18/202220光栅输出信号（正弦波，光栅输出信号（正弦波，1V1V）细分点细分点cos信号信号sin信号信号零位零位信号信号12/18/202221光栅输出信号整形后转换为光栅输出信号整形后转换为TTLTTL电平电平整形后的整形后的余弦信号余弦信号（超前）（超前）整形后的整形后的正弦信号正弦信号（滞后滞后90）零位零位信号信号12/18/202222sin和和cos光敏元件的光敏元件的输出电压波形及细分脉冲输出电压波形及细分脉冲（图图10-19）a）光栅位移与光

12、强及输出电压的关系）光栅位移与光强及输出电压的关系 b）整形后方波的）整形后方波的上升沿上升沿和和下降沿下降沿 c）4细分脉冲细分脉冲12/18/202223图图10-19放大图放大图12/18/202224脉冲细分脉冲细分细细分分技技术术能能在在不不增增加加光光栅栅刻刻线线数数及及价价格格的的情情况况下下提提高高光光栅栅的的分辨力分辨力。细细分分前前，光光栅栅的的分分辨辨力力只只有有一一个个栅栅距距的的大小大小。采采用用4 4细细分分技技术术后后，计计数数脉脉冲冲的的频频率率提提高高了了4 4倍倍，相相当当于于原原光光栅栅的的分分辨辨力力提提高高了了3 3倍倍，较较大大地地提提高高了了测测量

13、准确度。量准确度。细分前细分前细分后细分后12/18/202225光栅细分光栅细分举例举例 例例：有一直线光栅，每毫米刻线数为：有一直线光栅，每毫米刻线数为50，采用，采用4细细分分技术，求：技术，求：细分前细分前、后后的的分辨力分辨力 。解解：分辨力：分辨力 =W/4=(1mm/50)4 =0.02mm 4=0.005mm=5 m结论：在结论：在不不增加光栅刻线数（成本）增加光栅刻线数（成本）的情况下，采的情况下，采用细分技术，将用细分技术，将分辨力提高了分辨力提高了3倍倍（数值变小）。（数值变小）。12/18/202226辨向电路及波形辨向电路及波形 如果传感器只安装一套光电元件，则在实际

14、应用中，如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号相同的正弦信号，无法分辨位移的方向。，无法分辨位移的方向。例例：某：某1024p/r 圆光栅，圆光栅，正转正转10圈圈，反转反转 4 圈圈，求：，求：采用辨向电路后的计数值采用辨向电路后的计数值。（若不采取辨向措施，则计（若不采取辨向措施，则计数器将错误地得到数器将错误地得到14336个脉冲）个脉冲）解解：辨向后的计数值为辨向后的计数值为 N=101024-410246144个脉冲个脉冲。12/18/202227正向运动正向运动产生产生

15、加法脉冲加法脉冲 正向运动正向运动时，只有与时，只有与门门IC1有有“加加”计数脉冲计数脉冲输出。而与输出。而与门门IC2无无“减减”计数脉冲计数脉冲输出。输出。反向反向运动时运动时，情，情况相反，况相反，计计算机做减法算机做减法。12/18/202228微机光栅数显表的组成框图微机光栅数显表的组成框图 在微机光栅数显表中，在微机光栅数显表中，放大、整形采用传统的集放大、整形采用传统的集成电路成电路，辨向、辨向、细分由单片机来完成细分由单片机来完成。12/18/202229为光栅设计的专用数据转接器为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）（光栅计数卡）内部包含以下电路：内部包含以下电路：放大、

16、放大、整形、整形、细分、细分、辨向、辨向、报警、报警、阻抗变换阻抗变换等。等。12/18/202230为光栅设计为光栅设计的专用信号的专用信号处理单元处理单元 （光栅插补器）（光栅插补器）功能：功能：放大、整形、放大、整形、细分、辨向、报警、细分、辨向、报警、阻抗变换阻抗变换等。等。12/18/202231光栅在机床上的安装位置光栅在机床上的安装位置（2 2坐标）坐标）XY12/18/202232光栅在机床上的安装位置光栅在机床上的安装位置（3坐标）坐标）数显表数显表XYZ12/18/202233光栅在机床上光栅在机床上的安装位置的安装位置 （3坐标）（续）坐标）（续）XYZ12/18/202

17、2342 2轴光栅数显表轴光栅数显表X 位移位移显示显示Z 或或Y 位移位移显示显示12/18/2022353 3轴光栅数显表轴光栅数显表12/18/202236光栅数显表（续）光栅数显表（续）三轴三轴数显表数显表12/18/202237SDS8-3E SDS8-3E 光栅数显表功能光栅数显表功能 公制公制/英制转换英制转换 绝对绝对/相对转换、相对转换、线性误差补偿、线性误差补偿、正反方向计算、正反方向计算、归零、归零、插值补偿、插值补偿、到达目标值停机、到达目标值停机、PCD圆周分孔圆周分孔、200组零位记忆、组零位记忆、掉电记忆掉电记忆。12/18/202238光栅数显表（续）光栅数显表

18、（续）设定按键设定按键12/18/202239安装有直线光栅的数控机床加工实况安装有直线光栅的数控机床加工实况 防护罩内为防护罩内为直线光栅直线光栅光栅扫描头光栅扫描头被加工工件被加工工件切削刀具切削刀具角编码器角编码器安装在夹安装在夹具的端部具的端部12/18/202240项目三项目三 磁栅传感器磁栅传感器【项目教学目标项目教学目标】知识目标知识目标1了解磁栅传感器的结构及工作原理。了解磁栅传感器的结构及工作原理。2了解磁栅数显表的原理。了解磁栅数显表的原理。技能目标技能目标1掌握磁栅的分辨率与分辨力计算。掌握磁栅的分辨率与分辨力计算。2掌握磁栅的辨向方法。掌握磁栅的辨向方法。3掌握磁栅的应

19、用。掌握磁栅的应用。回目录回目录12/18/202241磁栅传感器简介磁栅传感器简介 磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易于安装，测量磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易于安装，测量范围宽可范围宽可超过十几米超过十几米，抗干扰能力强。，抗干扰能力强。磁栅可分为磁栅可分为长磁栅长磁栅和和圆磁栅圆磁栅。长磁栅主要用于直线。长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成。目前还出现了目前还出现了磁敏电阻磁敏电阻原理的原理的磁头磁头，可，可不必设置励不必设置励磁电路磁电路，检测速

20、度也进一步提高检测速度也进一步提高。还有一种。还有一种“空间静空间静磁栅磁栅”，在失电，在失电上电后，仍能正确地反映失电前的上电后，仍能正确地反映失电前的位置或角度，实现了磁栅的位置或角度，实现了磁栅的“绝对编码绝对编码”。12/18/202242磁栅的外形及结构磁栅的外形及结构磁尺磁尺 磁头磁头到信号处理电路到信号处理电路固定孔固定孔12/18/202243图图10-24 长磁栅结构长磁栅结构1尺身尺身 2滑尺（读数头）滑尺（读数头）3密封唇密封唇 4电缆电缆 5信号调理盒信号调理盒 6接插口接插口12/18/202244一、磁栅结构及工作原理一、磁栅结构及工作原理（1）磁尺）磁尺 磁尺按基

21、体形状有带形磁尺、线形磁尺磁尺按基体形状有带形磁尺、线形磁尺（又称同轴型）和圆形磁尺之分。（又称同轴型）和圆形磁尺之分。图图10-25 磁尺的分类及结构磁尺的分类及结构（放大图见后页放大图见后页）a）带形磁尺）带形磁尺 b）线形磁尺）线形磁尺 c）圆形磁尺）圆形磁尺1带形磁尺带形磁尺 2磁头磁头 3框架框架 4预紧固定螺钉预紧固定螺钉 5同轴形（线形）磁尺同轴形（线形）磁尺 6圆形磁盘圆形磁盘 7圆磁头圆磁头12/18/202245图图10-25 磁尺的分类及结构磁尺的分类及结构12/18/202246图图10-2610-26 静态磁头的静态磁头的结构及输出结构及输出信号与磁尺信号与磁尺的关系

22、的关系1磁尺磁尺 2sin磁头磁头3cos磁头磁头4磁极铁心磁极铁心 5可饱和铁心可饱和铁心 6励磁绕组励磁绕组 7感应输出绕组感应输出绕组 8低通滤波器低通滤波器 9匀速运动时匀速运动时sin磁头的输出波形磁头的输出波形（基波为基波为2倍励磁频率倍励磁频率）10保护膜保护膜 11载波载波 12包络线包络线12/18/202247磁栅测量系统磁栅测量系统数显表数显表1磁头磁头磁尺边缘压紧磁尺边缘压紧在机床上在机床上卷状磁尺卷状磁尺接口电路接口电路数显表数显表2预先用预先用激光干涉激光干涉仪录磁仪录磁图图10-27 磁栅尺、磁头与磁栅尺、磁头与数显表套件数显表套件12/18/202248磁头与磁

23、尺相对运动时的输出波形演示磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示12/18/202249二、鉴相型磁栅数显表二、鉴相型磁栅数显表 磁尺与磁头磁尺与磁头属于接触式测量属于接触式测量，由于摩擦等因数，使用寿命不由于摩擦等因数，使用寿命不如光栅，数年后如光栅，数年后易退磁易退磁。cos、sin磁头相磁头相距整数倍距整数倍W再加再加1/4栅距栅距磁尺磁尺图图10-28ZCB-101原理框图原理框图12/18/202250XCCB磁栅磁栅传感器的传感器的特性参数特性参数 .刻线数刻线数/线线mm_ _120分辨力分辨力/m0.5最大误差最大误差/m(5+5L/1000)全长全长/mmL+143有效长度有效长

24、度L/mm100900最大行程最大行程/mmL+22mm最大响应速度最大响应速度/mmin_ _160激励源激励源10kHz脉冲脉冲/mm(细分前细分前)20(TTL电平）电平）移动寿命移动寿命/km9000电缆最大长度电缆最大长度/m3012/18/202251例：例：某磁栅传感器特性见上页，某磁栅传感器特性见上页，刻线数刻线数为为每每mm20线线，现，现希望分辨力达到希望分辨力达到0.5 m,求求细分细分数数。解解：XCCB磁栅传感器磁栅传感器细分以前细分以前的的分辨力分辨力1W=1mm20=50 m 则：则：细分数细分数m=50 m0.5 m=100细分细分结论：结论：需使用多磁头来组成

25、细分电路，并由需使用多磁头来组成细分电路，并由专用高速专用高速模块模块进行计算，才能达到进行计算，才能达到100细分的要求。细分的要求。除此之外，细分后的除此之外，细分后的绝对误差比绝对误差比50 m大好几倍大好几倍，必须通过激光干涉仪标定必须通过激光干涉仪标定，才能逐段修正绝对误差，才能逐段修正绝对误差。12/18/202252磁栅测量系统磁栅测量系统压板压板磁头磁头磁尺磁尺12/18/202253磁栅在磨床测长系统中的应用磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺磁尺磁头磁头安装在何处？安装在何处？12/18/202254任务二任务二 磁栅传感器的应用磁栅传感器的应用1磁栅尺在龙门铣床进给测控中的应用

26、（磁栅尺在龙门铣床进给测控中的应用（图图10-29）磁栅尺磁栅尺12/18/202255龙门铣床侧面的龙门铣床侧面的18m磁栅尺磁栅尺12/18/2022562 2老机床改造老机床改造改造步骤：改造步骤：深入了解原有机床的工作过程，分析、整理控制深入了解原有机床的工作过程，分析、整理控制的基本方式、完成的动作时序和条件关系，以及相关的基本方式、完成的动作时序和条件关系，以及相关的保护和联锁控制，角位移及直线位移的自由度等；的保护和联锁控制，角位移及直线位移的自由度等；尽可能与实际操作人员充分交流，了解对现有机尽可能与实际操作人员充分交流，了解对现有机床的测量、控制、操作的改进方案；床的测量、控

27、制、操作的改进方案；根据分析、整理的结果，确定所需要的输入根据分析、整理的结果，确定所需要的输入/输出输出设备，包括设备，包括PLC及数字式位移传感器。及数字式位移传感器。PLC所需的所需的I/O点数应留有点数应留有20%左右的裕量，以适应今后的生产工艺左右的裕量，以适应今后的生产工艺变化，为系统改造留有余地；变化，为系统改造留有余地；12/18/202257改造步骤改造步骤（续）（续）设计数字式位移传感器的设计数字式位移传感器的I/O电路，编制电路，编制I/O分配分配表，绘制表，绘制I/O接线图；接线图；将老机床的丝杠和光杠传动改造成滚珠丝杠的步将老机床的丝杠和光杠传动改造成滚珠丝杠的步进电

28、动机传动；进电动机传动；在在x、y、z方向的导轨侧面安装直线磁栅，在方向的导轨侧面安装直线磁栅，在A、B、C旋转轴上方安装角编码器；旋转轴上方安装角编码器；安装人工对话设备，包括数显表和键盘等。安装人工对话设备，包括数显表和键盘等。12/18/20225812/18/20225912/18/202260磁栅在机床上的安装磁栅在机床上的安装磁栅尺磁栅尺磁磁栅栅价价格格低低于于光光栅栅，且且录录磁磁方方便便、易易于于安安装装，测测量量范范围围宽宽可可超超过过十十几几米米，抗抗振振动动和和抗抗冲冲击击能能力力强强。长长磁磁栅栅主主要要用用于于直直线线位位移移测测量量，圆圆磁磁栅栅主主要要用用于于角角

29、位位移移测测量量。磁磁栅栅传传感感器器主主要要由由磁磁尺尺、磁磁头头和和信信号号处处理理电电路路组成组成。数显表数显表12/18/202261图图10-30 改造改造后的数控铣床后的数控铣床x轴磁栅轴磁栅 数显表数显表角编码器角编码器 y轴磁栅轴磁栅 z轴磁栅轴磁栅 进给手轮进给手轮主轴电动机主轴电动机12/18/202262项目四项目四 容栅传感器容栅传感器容栅传感器（以下简称容栅）是一种容栅传感器（以下简称容栅）是一种基于变面积工基于变面积工作原理的电容式传感器作原理的电容式传感器。因为它的。因为它的电极排列如同栅状电极排列如同栅状，故称容栅。与其他大位移传感器（如光栅、磁栅等）故称容栅。

30、与其他大位移传感器（如光栅、磁栅等）相比，虽然相比，虽然准确度稍差准确度稍差，但体积小、，但体积小、造价低造价低、耗电省耗电省，广泛应用于广泛应用于数显高度仪数显高度仪、数显卡尺数显卡尺、数显千分尺数显千分尺、坐坐标仪标仪和和机床行程机床行程的测量的测量，分辨力为，分辨力为10m。根据结构形式，容栅可分为三类，即根据结构形式，容栅可分为三类，即直线容栅直线容栅、圆圆容栅容栅和和圆筒容栅圆筒容栅。其中，。其中，直线容栅用于直线位移的测直线容栅用于直线位移的测量量，圆容栅用于角位移的测量圆容栅用于角位移的测量。回目录回目录12/18/202263项目四项目四 容栅传感器容栅传感器【项目教学目标项目

31、教学目标】知识目标知识目标1了解容栅的结构及工作原理。了解容栅的结构及工作原理。2了解容栅转换电路原理。了解容栅转换电路原理。技能目标技能目标掌握容栅的的应用。掌握容栅的的应用。12/18/202264图图10-31 直线容栅传感器结构简图直线容栅传感器结构简图（放大图见下页放大图见下页）a）动尺和定尺上的电极透视图）动尺和定尺上的电极透视图 b）定尺、动尺的位置关系）定尺、动尺的位置关系 c）发射电极和反射电极的相互关系）发射电极和反射电极的相互关系1发射电极发射电极 2反射电极反射电极 3接收电极接收电极 4屏蔽电极屏蔽电极12/18/202265a）动尺和定尺上的电极透视图）动尺和定尺上

32、的电极透视图 12/18/202266b）定尺、动尺）定尺、动尺的位置关系的位置关系 c）发射电极和）发射电极和反射电极的相互关系反射电极的相互关系12/18/202267容栅传感器的内部结构及容量变化曲线容栅传感器的内部结构及容量变化曲线节距节距5.09mm（线路板上导（线路板上导电极板的间距），分辨力电极板的间距），分辨力0.01mm，采用，采用8组容栅进行细组容栅进行细分。分。随着转子与定子电极的重合或分离，电容量周期变化随着转子与定子电极的重合或分离，电容量周期变化12/18/202268图图10-32 容栅的测量转换电路原理框图容栅的测量转换电路原理框图常见的数显卡尺的常见的数显卡尺

33、的容栅的容栅的节距节距W=0.635mm（25毫英寸毫英寸），），最小分辨力为最小分辨力为0.01mm，非线性误差小于非线性误差小于0.01mm，150mm总测量误差为总测量误差为0.020.03mm12/18/202269容栅数显表内的数据和容栅数显表内的数据和信号处理组合功能块信号处理组合功能块12/18/202270容栅传感器特性指标容栅传感器特性指标量程：量程：025mm；节距节距5.09mm；分辨力分辨力:0.001mm或或0.0000512/18/202271容栅传感器容栅传感器特性指标特性指标(续续)12/18/202272各种容栅各种容栅测量装置测量装置12/18/202273

34、各种容栅数显表各种容栅数显表12/18/202274任务二任务二 容栅传感器的应用容栅传感器的应用一、直线容栅尺一、直线容栅尺数显测高仪数显测高仪图图10-33 容栅数显容栅数显测高仪测高仪12/18/202275容栅数显测高仪容栅数显测高仪1.测力调节测力调节2.测头导轨测头导轨3.测头测头4.坐坐垫垫5.液晶屏显示液晶屏显示6.触摸开关触摸开关7.RS-232 输出输出8.打印机打印机9.驱动开关驱动开关10.气泵开关气泵开关11.电源线电源线 12/18/202276容栅数显测高仪量程量程 750mm分辨率分辨率 0.001mm示值误差示值误差 0.0075mm示值重复性示值重复性 0.

35、002mm(3)测量力测量力 13N 可调可调测量滑架的最大速度测量滑架的最大速度1 m m/s s 底座底座测测头头高高度度12/18/202277二、容栅数显卡尺二、容栅数显卡尺图图10-34 容栅数显卡尺容栅数显卡尺1尺身尺身 2游标游标 3紧固螺钉紧固螺钉 4液晶显示器液晶显示器5串行接口串行接口 6电池盒电池盒 7复位按钮复位按钮 8公公/英制转换按钮英制转换按钮12/18/202278各种容栅数显卡尺各种容栅数显卡尺12/18/202279各种容栅数显卡尺（续）该该卡尺的卡尺的分辨力分辨力为多少微米？为多少微米？12/18/202280各种容栅数显卡尺（续）各种容栅数显卡尺（续）外

36、外卡尺卡尺汽车专用卡尺汽车专用卡尺12/18/202281各种容栅卡尺（续）各种容栅卡尺（续）12/18/202282各种容栅数显卡尺（续）各种容栅数显卡尺（续）内卡尺内卡尺12/18/202283容栅数显卡尺的结构容栅数显卡尺的结构12/18/202284三、容栅数显千分尺三、容栅数显千分尺图图10-35 容栅数显千分尺容栅数显千分尺分辨力为分辨力为0.001mm，重复准确度为重复准确度为0.002mm，累积累积误差为误差为0.002mm。数显千分尺采用圆容栅数显千分尺采用圆容栅。圆容栅由。圆容栅由旋转容栅旋转容栅和和固定容栅固定容栅组成，圆容栅的结构如下页的组成，圆容栅的结构如下页的图图1

37、0-36所示。所示。12/18/202285图图10-36 圆容栅的结构圆容栅的结构a）旋转容栅）旋转容栅 b）固定容栅）固定容栅1屏蔽电极屏蔽电极 2反射电极反射电极 3发射电极发射电极 4接收电极接收电极12/18/202286数显千分尺的分辨力数显千分尺的分辨力该该千分尺的千分尺的分辨力分辨力为多少微米？为多少微米？12/18/202287数显千分尺（续）数显千分尺（续）12/18/202288数显外径测量台数显外径测量台12/18/202289数显内螺孔深度尺数显内螺孔深度尺12/18/202290容栅数显百分表容栅数显百分表红宝石红宝石测头测头12/18/202291其他容栅数显百分

38、表其他容栅数显百分表12/18/202292容栅数显千分表容栅数显千分表 可以显示可以显示1 m位位移量的千分表移量的千分表 “千分表千分表”与与“百分表百分表”的的分辨力区别在哪里？分辨力区别在哪里？12/18/202293拓展阅读拓展阅读 电梯平层电梯平层一、电梯平层基本概念一、电梯平层基本概念电梯在确定的楼层正常停靠时慢速动作的电梯在确定的楼层正常停靠时慢速动作的过程过程。国家有关标准规定：国家有关标准规定：0.63m/sv1.0m/s的交流双速的交流双速载货电梯平层准确度优于载货电梯平层准确度优于30mm，其他电梯平层准确，其他电梯平层准确度优于度优于15mm，目前载客电梯的平层误差多

39、控制在目前载客电梯的平层误差多控制在2mm以内以内。电梯的电梯的“平层区平层区”是是指指轿厢停靠楼层上方或下方的轿厢停靠楼层上方或下方的一段有限距离一段有限距离。轿厢进入此区域后，电轿厢进入此区域后，电梯的平层控制装置动作，使梯的平层控制装置动作，使轿厢准确平层。轿厢准确平层。12/18/202294电梯平层过程分析电梯平层过程分析电梯平层由两种传感器检测：电梯平层由两种传感器检测：在楼层高度范围内，在楼层高度范围内，由角编码器给出脉冲信号由角编码器给出脉冲信号；轿厢地板与楼层门的轿厢地板与楼层门的250mm范围内，由范围内，由“平层感应器平层感应器”给出平层信号给出平层信号。电梯的曳引电动机

40、旋转后，电梯的曳引电动机旋转后，与电动机连轴的增量式与电动机连轴的增量式角编码器即开始输出增量脉冲角编码器即开始输出增量脉冲，脉冲数正比于电梯运脉冲数正比于电梯运行的距离行的距离。例如，。例如，电梯上行到电梯上行到3楼楼，设设3楼层门与底楼楼层门与底楼层门对应的脉冲数值为层门对应的脉冲数值为90 000，减速点设定在减速点设定在85 000。当电梯从地面（设为零点）往上运行时，当电梯从地面（设为零点）往上运行时，PLC开始开始计数。计数。当计数到当计数到85 000个脉冲时个脉冲时，发出减速指令发出减速指令，电梯电梯进入平层区（慢速爬行阶段）进入平层区（慢速爬行阶段）。理论上可以认为：当。理论

41、上可以认为：当计数值接近计数值接近90 000个脉冲时，个脉冲时，PLC发出停转和抱闸指令，发出停转和抱闸指令，电梯的轿厢可以停在电梯的轿厢可以停在3楼层面。但是楼层面。但是12/18/202295电梯平层过程分析（续）电梯平层过程分析（续）但是，在电梯运行过程中，但是，在电梯运行过程中，因钢丝绳（或橡胶绳）因钢丝绳（或橡胶绳）打滑等原因会引起计数误差打滑等原因会引起计数误差，即：电梯实际运行的距，即：电梯实际运行的距离与对应的计数脉冲不符。离与对应的计数脉冲不符。上例中，理论上，上例中，理论上，3楼距地面的距离对应为楼距地面的距离对应为90 000个个脉冲。脉冲。由于打滑，到达由于打滑，到达

42、3楼层面时可能多计了楼层面时可能多计了100个脉个脉冲冲，实际输出实际输出90100个脉冲个脉冲，可能引起轿厢的地板，可能引起轿厢的地板高于高于或低于或低于3楼层面楼层面。因此，必须。因此，必须在轿厢的顶部在轿厢的顶部（上行时起（上行时起作用）以及作用）以及轿厢的底部轿厢的底部（下行时起作用）（下行时起作用）设置设置“楼层楼层位置感应器位置感应器”（也称平层感应器），（也称平层感应器），以以清除角编码器清除角编码器运行时产生的累积误差运行时产生的累积误差。12/18/202296图图10-37 角编码器与曳引电动机的关系角编码器与曳引电动机的关系1角编码器角编码器 2曳引电动机曳引电动机 3蜗

43、轮蜗轮-蜗杆减速箱蜗杆减速箱 4曳引轮曳引轮 5电磁制动器电磁制动器 6底座底座12/18/202297电梯工作电梯工作原理框图原理框图12/18/202298电梯控制原理示意图电梯控制原理示意图12/18/202299电梯控制系统的硬件组成电梯控制系统的硬件组成12/18/2022100二、平层感应器二、平层感应器平层感应器可采用平层感应器可采用干簧管式干簧管式、霍尔式霍尔式、光电式光电式等多等多种传感器。为了防止灰尘干扰，平层感应器普遍采用种传感器。为了防止灰尘干扰，平层感应器普遍采用无源的干簧管式无源的干簧管式，或，或有源的霍尔式有源的霍尔式。其主要构件是。其主要构件是永永久磁铁、久磁铁

44、、干簧管干簧管（或霍尔接近开关或霍尔接近开关）和）和隔磁板隔磁板。12/18/2022101图图10-38 平层感应器在电梯平层中的应用平层感应器在电梯平层中的应用(放大图见后页放大图见后页)a）平层感应器基本原理）平层感应器基本原理 b）平层感应器平层感应器与与隔磁板隔磁板的侧视图的侧视图12/18/20221024安装在电梯巷道安装在电梯巷道壁的隔磁板壁的隔磁板a 6安装在轿厢顶部安装在轿厢顶部的平层感应器的平层感应器a 7隔磁板插槽隔磁板插槽 8安装在轿厢顶部安装在轿厢顶部的平层感应器的平层感应器b 9安装在电梯巷道安装在电梯巷道壁的隔磁板壁的隔磁板b 10安装在轿厢底安装在轿厢底部的平

45、层感应器部的平层感应器 11电梯巷道壁电梯巷道壁c）隔磁板插入平层感）隔磁板插入平层感应器时的状态应器时的状态 d）轿厢）轿厢顶部（底部）的平层感顶部（底部）的平层感应器与隔磁板的关系应器与隔磁板的关系 12/18/2022103平层感应器简介平层感应器简介平层感应器槽的平层感应器槽的右侧封装有矫顽力很大的钕铁硼磁右侧封装有矫顽力很大的钕铁硼磁铁铁，槽的左侧封装有槽的左侧封装有“干簧管干簧管|”。当电梯轿厢顶部（或当电梯轿厢顶部（或底部）的平层感应器运行到隔磁板附近时底部）的平层感应器运行到隔磁板附近时，导磁的隔导磁的隔磁板插入平层感应器的槽中磁板插入平层感应器的槽中，永久磁铁的磁力线被隔永久

46、磁铁的磁力线被隔磁板阻断磁板阻断，干簧管位置的磁场减弱干簧管位置的磁场减弱，干簧管复位（开干簧管复位（开路），路），KA线圈失电（释放），线圈失电（释放），给给PLC提供一个提供一个“爬行爬行开始开始”信号。信号。12/18/2022104干簧管简介干簧管简介干簧管干簧管是一个充有惰性气体（如氦气等）的小型玻是一个充有惰性气体（如氦气等）的小型玻璃管璃管，在管内两端封装两支用导磁材料制成的弹簧片在管内两端封装两支用导磁材料制成的弹簧片，其触点部分镀金其触点部分镀金。当干簧管附近存在大于额定磁感应强度的磁场时当干簧管附近存在大于额定磁感应强度的磁场时，弹簧片被磁化弹簧片被磁化。当两根弹簧片的磁性

47、吸引力足以克服当两根弹簧片的磁性吸引力足以克服弹簧片的弹力时弹簧片的弹力时，两弹簧片相互吸引而吸合两弹簧片相互吸引而吸合，使触点使触点接通接通，当磁场减弱到一定程度时，触点跳开。，当磁场减弱到一定程度时，触点跳开。由于磁由于磁滞的原因滞的原因，干簧管的吸合和断开具有施密特回差特性干簧管的吸合和断开具有施密特回差特性。12/18/2022105干簧管原理干簧管原理施密特施密特回差特性回差特性12/18/2022106干簧管工作原理（续）干簧管工作原理（续）在干簧管外面施加固定在干簧管外面施加固定极性的磁场极性的磁场，干簧管的簧干簧管的簧片受磁场作用片受磁场作用，产生与外产生与外界磁场相反的极性界

48、磁场相反的极性，相互相互吸合吸合。在在干簧管外面绕制励干簧管外面绕制励磁线圈磁线圈，施加直流电压施加直流电压，产生磁场产生磁场，干簧管的簧干簧管的簧片受磁场作用，片受磁场作用，相互吸相互吸合。合。12/18/2022107图图10-39 电梯平层的运行速度曲线电梯平层的运行速度曲线12/18/2022108125mm125mm爬行爬行隔磁板的典型长度为隔磁板的典型长度为250mm。安装时，。安装时，取中点距离取中点距离为为125mm，因此轿厢进入隔磁板后的爬行阶段称为因此轿厢进入隔磁板后的爬行阶段称为“125mm爬行爬行”。以电梯以电梯“上行上行”为例，轿厢向上运行接近乘客要求为例，轿厢向上运

49、行接近乘客要求的楼层时，的楼层时，轿厢顶上的平层感应器进入隔磁板位置轿厢顶上的平层感应器进入隔磁板位置，电梯进入电梯进入“爬行段爬行段”。PLC将角编码器的脉冲数值存将角编码器的脉冲数值存入入“平层计数器平层计数器”。计数器将预设的计数器将预设的“125mm距离所对距离所对应的脉冲数值应的脉冲数值”与与“爬行开始后角编码器所产生的脉爬行开始后角编码器所产生的脉冲数值冲数值”进行比较进行比较。待两数值相等时，爬行段结束，待两数值相等时，爬行段结束，PLC命令电动机停转命令电动机停转，并，并使电磁制动器（抱闸装置）使电磁制动器（抱闸装置）动作动作，轿厢在，轿厢在短暂的惯性运动后停止运行短暂的惯性运动后停止运行，进入开门进入开门状态状态。12/18/2022109电磁制动器（电磁抱闸）电磁制动器（电磁抱闸）12/18/2022110休休 息息 一一 下下拓展阅读网络资料列表网址：拓展阅读网络资料列表网址：http:/回目录回目录12/18/202211112/18/2022現在時間現在時間是：是：21:4121:41 休息一下休息一下！12/18/2022112