第7章 位移数字传感器精选文档.ppt

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1、第7章 位移数字传感器本讲稿第一页，共二十七页 概述概述一、位移一、位移-数字传感器的特点：数字传感器的特点：大量程，高精度，高分辨率，抗干扰能大量程，高精度，高分辨率，抗干扰能力强，稳定性好，易于与计算机接口。力强，稳定性好，易于与计算机接口。二、分类二、分类 角度数字编码器角度数字编码器 光栅传感器光栅传感器 感应同步器感应同步器本讲稿第二页，共二十七页第一节第一节 角度数字编码器角度数字编码器一、分类一、分类 脉冲盘式编码器（增量编码器）脉冲盘式编码器（增量编码器）接触式编码器接触式编码器编码器编码器 码盘式编码器码盘式编码器 电磁式编码器电磁式编码器 （绝对编码器）光电编码器（绝对编码

2、器）光电编码器本讲稿第三页，共二十七页二、码盘式编码器（绝对编码器）二、码盘式编码器（绝对编码器）1 1、接触式码盘、接触式码盘1 1）四位二进制码盘）四位二进制码盘电刷=360=3600 0/2/2n n循环码盘循环码盘本讲稿第四页，共二十七页2 2）循环码盘）循环码盘 相邻的两个数码间只有一个是变化的。可相邻的两个数码间只有一个是变化的。可降低对对码盘的制作与电刷的安装要求。降低对对码盘的制作与电刷的安装要求。本讲稿第五页，共二十七页2 2、光电式编码器（非接触式）、光电式编码器（非接触式）结构：采用照相腐蚀工艺，刻出透光、不透光的结构：采用照相腐蚀工艺，刻出透光、不透光的码形。装有与码道

3、相同个数的光电转换元件替代码形。装有与码道相同个数的光电转换元件替代电刷。电刷。提高分辨率提高分辨率的方法：插的方法：插值法值法本讲稿第六页，共二十七页 特点：非接触式，分辨率高，精度高特点：非接触式，分辨率高，精度高 （1010-8-8），），n n可达可达1616，体积小，体积小，易于集成，允许高速旋转。但易于集成，允许高速旋转。但 复杂，光源寿命较短。复杂，光源寿命较短。本讲稿第七页，共二十七页 三、脉冲盘式编码器（增量编码器）三、脉冲盘式编码器（增量编码器）1 1、结构与工作原理、结构与工作原理光电转换器光电转换器光栅盘缝隙光栅盘缝隙(1(1度度1 1个个)光电管光电管本讲稿第八页，共

4、二十七页 三、脉冲盘式编码器（增量编码器）三、脉冲盘式编码器（增量编码器）实际码盘实际码盘零位零位零位零位外圈外圈外圈外圈内圈内圈内圈内圈零位脉冲零位脉冲零位脉冲零位脉冲A A相脉冲相脉冲相脉冲相脉冲B B相脉冲相脉冲相脉冲相脉冲光电光电光电光电转换转换转换转换本讲稿第九页，共二十七页 n n决定了码盘的精度，受电刷数量的限制决定了码盘的精度，受电刷数量的限制 特点：简单特点：简单 对码盘的制作与电刷的安装要求严对码盘的制作与电刷的安装要求严 辩向电路：辩向电路：本讲稿第十页，共二十七页 本讲稿第十一页，共二十七页2 2、输出、输出例：国产例：国产SZGH-01SZGH-01 600P/r A

5、 600P/r A、B B相脉冲，相差相脉冲，相差9090度度 1P/r C 1P/r C脉冲，作零位标记脉冲，作零位标记 30KHZ 30KHZ 最高可达最高可达25000P/r 25000P/r 3 3、精度取决于码盘本身的精度、精度取决于码盘本身的精度 分辨率取决于每转的脉冲数分辨率取决于每转的脉冲数4 4、利用、利用C C相脉冲，每转一圈复位一次，相脉冲，每转一圈复位一次，因而无论正、反转，计数器每次反映的因而无论正、反转，计数器每次反映的都是相对于上次角度的增量，故称为增都是相对于上次角度的增量，故称为增量法。量法。本讲稿第十二页，共二十七页第二节第二节 栅式数字传感器栅式数字传感器

6、一、分类一、分类1 1、光栅：、光栅：物理光栅：利用光的衍射原理，主要用于物理光栅：利用光的衍射原理，主要用于 光谱分析，波长等的测定。光谱分析，波长等的测定。计量光栅：利用莫尔（计量光栅：利用莫尔（MoireMoire）现象，主）现象，主 要用于测量长度、角度、要用于测量长度、角度、v、a 、震动等。、震动等。2 2、磁栅：一种磁电转换器，工作原理类似录、磁栅：一种磁电转换器，工作原理类似录 音带。音带。本节主要介绍计量光栅本节主要介绍计量光栅本讲稿第十三页，共二十七页二、计量光栅二、计量光栅1 1、分类、分类 透射光栅透射光栅 长光栅长光栅 幅值光栅（黑白光栅）幅值光栅（黑白光栅）反射光栅

7、反射光栅 圆光栅圆光栅 相位光栅（闪耀光栅）相位光栅（闪耀光栅）新型：激光全息光栅，偏振光栅新型：激光全息光栅，偏振光栅 此处主要讲此处主要讲透射光栅透射光栅2 2、工作原理、工作原理本讲稿第十四页，共二十七页 光栅：光栅：栅尺，尺面刻有排列规则、形状规则、平行栅尺，尺面刻有排列规则、形状规则、平行的刻线，透明（白）、不透明（黑）。的刻线，透明（白）、不透明（黑）。a=b 光栅距：光栅距：d=a+ba a b bd d本讲稿第十五页，共二十七页w莫尔条纹两个亮条莫尔条纹两个亮条纹之间的宽度既为纹之间的宽度既为其间距。其间距。莫尔条纹：莫尔条纹：两块栅尺面对面相迭合，并使两块栅线形两块栅尺面对面

8、相迭合，并使两块栅线形成很小的夹角成很小的夹角，由此出现的明暗相间的条纹。，由此出现的明暗相间的条纹。ww本讲稿第十六页，共二十七页1 1）栅尺：）栅尺：标尺光栅：主光栅，长度由测量范围定，不移动标尺光栅：主光栅，长度由测量范围定，不移动指示光栅：移动，需有足够长以获得足够的莫尔指示光栅：移动，需有足够长以获得足够的莫尔 条纹区。条纹区。2 2）莫尔条纹：）莫尔条纹：w=d/当当很小时很小时w对对d有几百倍的放大作用有几百倍的放大作用 例：令例：令d=0.02mm,=0.00174532rad 则则 w=d/=11.4592mm K=w/d=573 本讲稿第十七页，共二十七页栅尺移动一个栅尺移

9、动一个d ，莫尔条纹移动一个，莫尔条纹移动一个w ；栅尺移动的方向与莫尔条纹移动的方向相对应栅尺移动的方向与莫尔条纹移动的方向相对应误差平均效应：误差平均效应：栅线标准均方差栅线标准均方差莫尔条纹均方差：莫尔条纹均方差：=n3）光能分布：）光能分布：理想：三角波理想：三角波 实际：正弦波实际：正弦波本讲稿第十八页，共二十七页四、光栅测量系统四、光栅测量系统组成：组成：光栅光学系统光栅光学系统 电子系统（细分、辩向、显示）电子系统（细分、辩向、显示）机械部分机械部分1、光栅光学系统（简称光栅系统）、光栅光学系统（简称光栅系统）1）组成与功能）组成与功能a 照明系统照明系统；b 光栅副：光栅副：标

10、尺光栅与指示光栅，在平行标尺光栅与指示光栅，在平行 光照光照射下形成射下形成莫尔条纹。莫尔条纹。测量装置的精度主要由标尺光栅决定。测量装置的精度主要由标尺光栅决定。本讲稿第十九页，共二十七页c 光电接收系统：光电接收系统：光电接收元件，把由光栅副形光电接收元件，把由光栅副形成的莫尔条纹的明暗强弱转换为电量输出。成的莫尔条纹的明暗强弱转换为电量输出。光电元件输出信号的周期数与移过的栅距数光电元件输出信号的周期数与移过的栅距数相等。相等。本讲稿第二十页，共二十七页 光栅读数头：光栅读数头：照明系统，指示光栅，光电接收系照明系统，指示光栅，光电接收系统（除标尺光栅外）组合在一起。在它与标尺光栅作统（

11、除标尺光栅外）组合在一起。在它与标尺光栅作相对位移的过程中，根据标尺光栅读出移动部件的位相对位移的过程中，根据标尺光栅读出移动部件的位移量。移量。辩向：辩向：本讲稿第二十一页，共二十七页2、电子系统、电子系统1）电子细分）电子细分目的：提高分辨率目的：提高分辨率措施：倍频、插补，在信号的一个周期内措施：倍频、插补，在信号的一个周期内 插入许多计数脉冲，以提高信号的插入许多计数脉冲，以提高信号的 重复频率和分辨率。重复频率和分辨率。分类：直接细分、矢量细分、电桥细分等分类：直接细分、矢量细分、电桥细分等本讲稿第二十二页，共二十七页向向 a 四倍频直接细分电路：四倍频直接细分电路：在一个在一个w内

12、依次放四个光电接收元件，相差内依次放四个光电接收元件，相差 90度，移动一个度，移动一个d，可获得四相信号。，可获得四相信号。整形、辩向。整形、辩向。本讲稿第二十三页，共二十七页 本讲稿第二十四页，共二十七页 10 倍倍 频频 矢矢 量量 图图b 矢量细分矢量细分(P201)本讲稿第二十五页，共二十七页2 2、光栅测量的特点、光栅测量的特点 高精度：高精度：0.2-0.40.2-0.4m/m，仅次于激光仅次于激光 高分辨率：高分辨率：0.10.1m 大量程：可大于大量程：可大于1米米 抗干扰能力强，可实现动态测量。抗干扰能力强，可实现动态测量。3 3、应用范围、应用范围 长度与角度的精密测量（

13、如数控机床，测长度与角度的精密测量（如数控机床，测量机等），以及能变为位移的物理量（如震动、量机等），以及能变为位移的物理量（如震动、应力、应变等）。应力、应变等）。本讲稿第二十六页，共二十七页 作作 业业1 1、试述光栅传感器的基本原理及特点。、试述光栅传感器的基本原理及特点。2 2、电子细分电路的目的是什麽？、电子细分电路的目的是什麽？3 3、用四只光敏二极管接受莫尔条纹信号。如果、用四只光敏二极管接受莫尔条纹信号。如果光敏二极管的响应时间为光敏二极管的响应时间为1010-6-6S S，栅线密度为，栅线密度为5050线线/mm/mm，计算光栅所允许的移动速度。，计算光栅所允许的移动速度。本讲稿第二十七页，共二十七页