數(shù)字量位移傳感器與位移的測試ppt課件

1、1.1.了解常用數(shù)字式位移傳感器的性能、特點(diǎn)及了解常用數(shù)字式位移傳感器的性能、特點(diǎn)及適用范圍適用范圍2.2.掌握光柵數(shù)字傳感器任務(wù)原理、丈量電路掌握光柵數(shù)字傳感器任務(wù)原理、丈量電路3.3.了解數(shù)字式傳感器的運(yùn)用了解數(shù)字式傳感器的運(yùn)用數(shù)字位移傳感器與位移的測試傳感器的特點(diǎn)：數(shù)字位移傳感器與位移的測試傳感器的特點(diǎn)： 具有高的丈量精度和分辨力，讀數(shù)直觀準(zhǔn)確。具有高的丈量精度和分辨力，讀數(shù)直觀準(zhǔn)確。 丈量行程范圍大，直線位移可達(dá)數(shù)米至幾十米。丈量行程范圍大，直線位移可達(dá)數(shù)米至幾十米。 易于實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)態(tài)丈量、處置和自動(dòng)化。易于實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)態(tài)丈量、處置和自動(dòng)化。 采用高電平數(shù)字信號(hào)時(shí)，對外部干擾噪采用高電平

2、數(shù)字信號(hào)時(shí)，對外部干擾噪音的抑制才干強(qiáng)。音的抑制才干強(qiáng)。 安裝方便，運(yùn)用維護(hù)簡單，任務(wù)可靠安裝方便，運(yùn)用維護(hù)簡單，任務(wù)可靠性強(qiáng)。性強(qiáng)。5.1 5.1 光柵數(shù)字傳感光柵數(shù)字傳感器器1 1、光柵的類型、光柵的類型n光柵是在基體玻璃或金屬上刻有均勻分布光柵是在基體玻璃或金屬上刻有均勻分布條紋的光學(xué)元件。用于位移丈量的光柵稱為計(jì)量條紋的光學(xué)元件。用于位移丈量的光柵稱為計(jì)量光柵。光柵。n計(jì)量光柵分為透射式及反射式兩種。前者使光計(jì)量光柵分為透射式及反射式兩種。前者使光線經(jīng)過光柵后產(chǎn)生明暗條紋，后者反射光線并使線經(jīng)過光柵后產(chǎn)生明暗條紋，后者反射光線并使之產(chǎn)生明暗條紋。之產(chǎn)生明暗條紋。n丈量直線位移的光柵為直

3、光柵長光柵，丈丈量直線位移的光柵為直光柵長光柵，丈量角位移的光柵為圓光柵。量角位移的光柵為圓光柵。5.1.1 5.1.1 光柵傳感器的構(gòu)成及原理光柵傳感器的構(gòu)成及原理u在直光柵中，假設(shè)在直光柵中，假設(shè)a a為刻線寬度，為刻線寬度，b b為縫隙寬度，為縫隙寬度，那么那么W Wa+ba+b稱為光柵的柵距稱為光柵的柵距( (也稱光柵常數(shù)也稱光柵常數(shù)) )。通。通常常a ab b，或，或a a：b b1.11.1：0.90.9。2. 2. 柵距柵距3.3.莫爾條紋的構(gòu)成及特點(diǎn)莫爾條紋的構(gòu)成及特點(diǎn) 當(dāng)兩塊光柵相互接當(dāng)兩塊光柵相互接近且沿刻線方向堅(jiān)持近且沿刻線方向堅(jiān)持有一個(gè)夾角時(shí)，由于有一個(gè)夾角時(shí)，由于擋

4、光效應(yīng)擋光效應(yīng)( (當(dāng)線紋密度當(dāng)線紋密度5050條條/mm/mm時(shí)時(shí)) )或光的或光的衍射作用衍射作用( (當(dāng)線紋密度當(dāng)線紋密度100100條條/mm/mm時(shí)時(shí)) )，在與，在與光柵線紋大致垂直的光柵線紋大致垂直的方向上方向上( (兩線紋夾角的兩線紋夾角的等分線上等分線上) )產(chǎn)生出亮、產(chǎn)生出亮、暗相間的條紋暗相間的條紋稱稱為為“莫爾條紋。莫爾條紋。莫爾條紋的間距莫爾條紋的間距B B與兩與兩光柵線紋夾角光柵線紋夾角之間的之間的關(guān)系為：關(guān)系為：K K為放大倍數(shù)為放大倍數(shù)u莫爾條紋的重要特征莫爾條紋的重要特征: :1)1)莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)與光柵的運(yùn)動(dòng)一一對應(yīng)莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)與光柵的運(yùn)動(dòng)一一對應(yīng) 光柵柵

5、距光柵柵距WW莫爾條紋間距莫爾條紋間距B B。2 2莫爾條紋具有位移放大作用莫爾條紋具有位移放大作用 K=1/ K=1/3)3)莫爾條紋具有誤差平均效應(yīng)消除短周期誤差莫爾條紋具有誤差平均效應(yīng)消除短周期誤差4 4莫爾條紋的間距莫爾條紋的間距B B隨光柵刻線夾角隨光柵刻線夾角變化變化4 4、光柵數(shù)字傳感器的構(gòu)造、光柵數(shù)字傳感器的構(gòu)造u光柵數(shù)字傳感器主要由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光柵數(shù)字傳感器主要由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。標(biāo)尺光柵的有效長光路系統(tǒng)和光電元件等組成。標(biāo)尺光柵的有效長度即為丈量范圍。必要時(shí)，標(biāo)尺光柵還可接長。度即為丈量范圍。必要時(shí)，標(biāo)尺光柵還可接長。對于線位移丈量，兩塊

6、光柵對于線位移丈量，兩塊光柵長短不等，指示固定，標(biāo)尺長短不等，指示固定，標(biāo)尺光柵隨著被測物體挪動(dòng)，即光柵隨著被測物體挪動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)位移丈量。而丈量角可實(shí)現(xiàn)位移丈量。而丈量角位移時(shí)，一塊圓光柵固定，位移時(shí)，一塊圓光柵固定，另一塊隨轉(zhuǎn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)。另一塊隨轉(zhuǎn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)。 光柵傳感器構(gòu)造為：光源光柵傳感器構(gòu)造為：光源標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵指示光柵指示光柵光電元件光電元件5.1.2 5.1.2 光柵位移數(shù)字轉(zhuǎn)換的根本原理光柵位移數(shù)字轉(zhuǎn)換的根本原理1. 1. 光柵傳感器輸出信號(hào)波形光柵傳感器輸出信號(hào)波形 當(dāng)光柵相對位移一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋挪動(dòng)當(dāng)光柵相對位移一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋挪動(dòng)一個(gè)條紋寬度，相應(yīng)照射在光電池上

7、的光強(qiáng)度發(fā)一個(gè)條紋寬度，相應(yīng)照射在光電池上的光強(qiáng)度發(fā)生一個(gè)周期的變化，使輸出電信號(hào)周期變化，其生一個(gè)周期的變化，使輸出電信號(hào)周期變化，其輸出波形如圖：輸出波形如圖： 輸出表達(dá)式：輸出表達(dá)式： UU0UmCOS(2/w)X式中，式中，2/W為空間角頻率，為空間角頻率，W為柵距信號(hào)周期，為柵距信號(hào)周期， X為位為位移。移。 由此可知，只需計(jì)算輸出電壓的周期數(shù)，便可測出位移量。由此可知，只需計(jì)算輸出電壓的周期數(shù)，便可測出位移量。從而實(shí)現(xiàn)了位移量向電量的轉(zhuǎn)換。在一個(gè)周期內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了位移量向電量的轉(zhuǎn)換。在一個(gè)周期內(nèi)，V的變化是的變化是位移在一個(gè)柵距內(nèi)變化的余弦函數(shù)，每一周期對應(yīng)一個(gè)柵距。位移在一個(gè)柵距

8、內(nèi)變化的余弦函數(shù)，每一周期對應(yīng)一個(gè)柵距。 但是假設(shè)只用一個(gè)光電元件，其輸出信號(hào)還存在兩個(gè)問題：但是假設(shè)只用一個(gè)光電元件，其輸出信號(hào)還存在兩個(gè)問題： 辨向問題：用一個(gè)光電元件無法區(qū)分運(yùn)動(dòng)方向；辨向問題：用一個(gè)光電元件無法區(qū)分運(yùn)動(dòng)方向； 精度低；分辨力只為一個(gè)柵距精度低；分辨力只為一個(gè)柵距W。怎樣處理這兩個(gè)問題呢？怎樣處理這兩個(gè)問題呢？2 2、辨向與細(xì)分電路、辨向與細(xì)分電路辨向電路辨向電路 在相隔在相隔1/4B1/4B莫爾條紋間距的位置上安放兩個(gè)光電莫爾條紋間距的位置上安放兩個(gè)光電元件，獲得相位差為元件，獲得相位差為9090的兩個(gè)信號(hào)的兩個(gè)信號(hào)辨向。辨向。 當(dāng)條紋上移時(shí)，當(dāng)條紋上移時(shí)，V2落后于落

9、后于V1 90。 當(dāng)條紋下移時(shí)，當(dāng)條紋下移時(shí)，V2超前于超前于V1 90。 因此，由因此，由V1、V2之間的相位關(guān)系可以之間的相位關(guān)系可以 判別運(yùn)動(dòng)方向。判別運(yùn)動(dòng)方向。xAxBxDxExF2xF1x/A 將該電壓信號(hào)放大、整形使其變?yōu)榉讲?，?jīng)微將該電壓信號(hào)放大、整形使其變?yōu)榉讲?，?jīng)微分電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，再經(jīng)過辨向電路和可逆計(jì)分電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，再經(jīng)過辨向電路和可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，那么可在顯示器上以數(shù)字方式實(shí)時(shí)地顯數(shù)器計(jì)數(shù)，那么可在顯示器上以數(shù)字方式實(shí)時(shí)地顯示出位移量的大小。示出位移量的大小。 位移量為脈沖數(shù)與柵距的乘積。位移量為脈沖數(shù)與柵距的乘積。3.3.細(xì)分電路細(xì)分電路n假設(shè)以移過的莫爾條紋

10、的數(shù)來確定位移量，其分辨假設(shè)以移過的莫爾條紋的數(shù)來確定位移量，其分辨力為光柵柵距。力為光柵柵距。n為了提高分辨力和測得比柵距更小的位移量，可采為了提高分辨力和測得比柵距更小的位移量，可采用細(xì)分技術(shù)：它是在莫爾條紋信號(hào)變化的一個(gè)周期用細(xì)分技術(shù)：它是在莫爾條紋信號(hào)變化的一個(gè)周期內(nèi)，給出假設(shè)干個(gè)計(jì)數(shù)脈沖來減小脈沖當(dāng)量的方法。內(nèi)，給出假設(shè)干個(gè)計(jì)數(shù)脈沖來減小脈沖當(dāng)量的方法。n細(xì)分方法有機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分兩類。細(xì)分方法有機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分兩類。n機(jī)械細(xì)分：添加刻線密度，制造、安裝及調(diào)試?yán)щy；機(jī)械細(xì)分：添加刻線密度，制造、安裝及調(diào)試?yán)щy；n電子細(xì)分：在一個(gè)莫爾條紋的間隔內(nèi)，放置假設(shè)干電子細(xì)分：在一個(gè)莫爾條紋

11、的間隔內(nèi)，放置假設(shè)干個(gè)光電元件，可得到多個(gè)不同相位的信號(hào)，提高計(jì)個(gè)光電元件，可得到多個(gè)不同相位的信號(hào)，提高計(jì)數(shù)脈沖數(shù)。數(shù)脈沖數(shù)。四倍頻細(xì)分法四倍頻細(xì)分法在辨向原理中知，在相差BH/4位置上安裝兩個(gè)光電元件，得到兩個(gè)相位相差/2的電信號(hào)。 假設(shè)將這兩個(gè)信號(hào)反相就可以得到四個(gè)依次相差/2的信號(hào)，從而可以在挪動(dòng)一個(gè)柵距的周期內(nèi)得到四個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)四倍頻細(xì)分。5.1.3 5.1.3 光柵數(shù)字傳感器的運(yùn)用光柵數(shù)字傳感器的運(yùn)用5.2 5.2 光電盤式角位移傳感器光電盤式角位移傳感器5.2.1 光電盤光電盤 光電盤是一種最簡單的光電式轉(zhuǎn)角丈量元件。光電盤是一種最簡單的光電式轉(zhuǎn)角丈量元件。它由光源、聚光鏡、

12、光電盤、光欄板、光電管、整它由光源、聚光鏡、光電盤、光欄板、光電管、整形放大電路和數(shù)字顯示安裝組成。形放大電路和數(shù)字顯示安裝組成。l光電盤和光欄板可用玻璃研磨拋光制成，經(jīng)真空光電盤和光欄板可用玻璃研磨拋光制成，經(jīng)真空鍍鉻后用照相腐蝕法在鍍鉻層上制成透光的狹縫，鍍鉻后用照相腐蝕法在鍍鉻層上制成透光的狹縫，狹縫的數(shù)量可為幾百條或幾千條。狹縫的數(shù)量可為幾百條或幾千條。l也可用精制的金屬圓盤在其圓周上開出一定數(shù)量也可用精制的金屬圓盤在其圓周上開出一定數(shù)量的等分槽縫，或在一定半徑的圓周上鉆出一定數(shù)的等分槽縫，或在一定半徑的圓周上鉆出一定數(shù)量的小孔，使圓盤構(gòu)成相等數(shù)量的透明和不透明量的小孔，使圓盤構(gòu)成相等

13、數(shù)量的透明和不透明區(qū)域。區(qū)域。l光欄板上有兩條透光的狹縫，縫距等于光電盤槽光欄板上有兩條透光的狹縫，縫距等于光電盤槽距或孔距的距或孔距的1/41/4，每條縫后面放一只光電管。，每條縫后面放一只光電管。l光電盤裝在回轉(zhuǎn)軸上，軸的另一端裝有齒輪，該齒輪與驅(qū)光電盤裝在回轉(zhuǎn)軸上，軸的另一端裝有齒輪，該齒輪與驅(qū)動(dòng)齒輪或齒條嚙合時(shí)，可帶動(dòng)光電盤旋轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)軸也可以直動(dòng)齒輪或齒條嚙合時(shí)，可帶動(dòng)光電盤旋轉(zhuǎn)。回轉(zhuǎn)軸也可以直接被主軸或絲杠驅(qū)動(dòng)。光電盤置于光源和光電管之間，當(dāng)光接被主軸或絲杠驅(qū)動(dòng)。光電盤置于光源和光電管之間，當(dāng)光電盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電管把經(jīng)過光電盤和光欄板射來的忽明忽暗電盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電管把經(jīng)過光電盤和光欄板

14、射來的忽明忽暗的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，經(jīng)整形、放大、分頻、計(jì)數(shù)和的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，經(jīng)整形、放大、分頻、計(jì)數(shù)和譯碼后輸出或顯示。由于光電盤每轉(zhuǎn)發(fā)生的脈沖數(shù)不變，故譯碼后輸出或顯示。由于光電盤每轉(zhuǎn)發(fā)生的脈沖數(shù)不變，故由脈沖數(shù)即可測出被測軸的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速。也可根據(jù)傳動(dòng)安裝由脈沖數(shù)即可測出被測軸的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速。也可根據(jù)傳動(dòng)安裝的速比換算出直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的直線位移。的速比換算出直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的直線位移。l根據(jù)光欄板上兩條狹縫中信號(hào)的先后順序，可以判別光電根據(jù)光欄板上兩條狹縫中信號(hào)的先后順序，可以判別光電盤的旋轉(zhuǎn)方向。盤的旋轉(zhuǎn)方向。l由于光電盤制造精度較低，只能測增量值，易受環(huán)境干擾，由于光電盤制造精度

15、較低，只能測增量值，易受環(huán)境干擾，所以多用在簡易型和經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上。所以多用在簡易型和經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上。5.2.2 5.2.2 光電編碼器光電編碼器 編碼器可把角位移直接轉(zhuǎn)換成脈沖或二進(jìn)制編碼編碼器可把角位移直接轉(zhuǎn)換成脈沖或二進(jìn)制編碼的檢測器件增量編碼器、絕對編碼器。的檢測器件增量編碼器、絕對編碼器。 按編碼器的構(gòu)造分為光電式、接觸式和電磁式三按編碼器的構(gòu)造分為光電式、接觸式和電磁式三種。種。 光電式編碼器是目前運(yùn)用較多的一種，它是在透光電式編碼器是目前運(yùn)用較多的一種，它是在透明資料的圓盤上準(zhǔn)確地印制上二進(jìn)制編碼明資料的圓盤上準(zhǔn)確地印制上二進(jìn)制編碼“0 0或或1 1不透光或透光區(qū)域。不透光或

16、透光區(qū)域。1 1、絕對編碼器、絕對編碼器四位光電碼盤上，有四圈數(shù)四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，在圓周范圍內(nèi)編碼字碼道，在圓周范圍內(nèi)編碼數(shù)為數(shù)為24=1624=16個(gè)。個(gè)。每個(gè)數(shù)位都對應(yīng)有一個(gè)光電每個(gè)數(shù)位都對應(yīng)有一個(gè)光電器件及放大、整形電路。碼器件及放大、整形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接受光信號(hào)，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的接受光信號(hào)，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)放大整形后，成電信號(hào)，經(jīng)放大整形后，成為相應(yīng)數(shù)字信號(hào)。為相應(yīng)數(shù)字信號(hào)。規(guī)范二進(jìn)制編碼器規(guī)范二進(jìn)制編碼器(8421(8421碼盤碼盤) ) 由于光電器件安裝誤差的影響，當(dāng)碼盤回轉(zhuǎn)在兩碼段邊緣交替位置時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生讀數(shù)誤差。例如，當(dāng)

17、碼盤由位置“0111變?yōu)椤?000時(shí)四位數(shù)要同時(shí)變化，能夠?qū)?shù)碼誤讀成1111、1011、1101、0001等，產(chǎn)生無法估計(jì)的數(shù)值誤差，這種誤差稱為非單值性誤差。 規(guī)范二進(jìn)制編碼器實(shí)踐運(yùn)用少，而采用二進(jìn)制循環(huán)碼盤格雷碼盤。 恣意相鄰的兩個(gè)代恣意相鄰的兩個(gè)代碼間只需一位代碼有碼間只需一位代碼有變化，即由變化，即由“0 0變?yōu)樽優(yōu)椤? 1或或“1 1變?yōu)樽優(yōu)椤? 0。 因此，讀數(shù)誤差最因此，讀數(shù)誤差最多不超越多不超越“1 1，只能，只能夠讀成相鄰兩個(gè)數(shù)中夠讀成相鄰兩個(gè)數(shù)中的一個(gè)數(shù)的一個(gè)數(shù)有效消有效消除非單值性誤差。除非單值性誤差。 碼盤最外圈上的碼盤最外圈上的信號(hào)位的位置正好信號(hào)位的位置正好與形狀

18、交線錯(cuò)開，與形狀交線錯(cuò)開，只需信號(hào)位處的光只需信號(hào)位處的光電元件有信號(hào)才干電元件有信號(hào)才干讀數(shù)，這樣就不會(huì)讀數(shù)，這樣就不會(huì)產(chǎn)生非單值性誤差。產(chǎn)生非單值性誤差。2 2、增量編碼器、增量編碼器只需三個(gè)碼道，不直接輸只需三個(gè)碼道，不直接輸出編碼。出編碼。外碼道外碼道產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖的增量碼道；的增量碼道；內(nèi)碼道內(nèi)碼道辨向碼道，其辨向碼道，其辨向方法與光柵的辨向原辨向方法與光柵的辨向原理一樣。理一樣。另一碼道另一碼道用于產(chǎn)生定用于產(chǎn)生定位或零位信號(hào)。位或零位信號(hào)。輸出光電脈沖，經(jīng)過整形、放大、辨向后輸出脈沖信號(hào)輸出光電脈沖，經(jīng)過整形、放大、辨向后輸出脈沖信號(hào)3 3、光電編碼器的運(yùn)用、光電編碼器

19、的運(yùn)用數(shù)字測速數(shù)字測速5.3 5.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器是利用兩個(gè)平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理組成的。分為直線型感應(yīng)同步器和圓盤型感應(yīng)同步器兩大類。感應(yīng)同步器的優(yōu)點(diǎn)是：感應(yīng)同步器的優(yōu)點(diǎn)是：具有較高的精度與分辨力；具有較高的精度與分辨力；抗干擾才干強(qiáng)；抗干擾才干強(qiáng)；運(yùn)用壽命長，維護(hù)簡單；運(yùn)用壽命長，維護(hù)簡單；可以作長間隔位移丈量；可以作長間隔位移丈量；工藝性好，本錢較低，便于復(fù)制和成批消費(fèi)。工藝性好，本錢較低，便于復(fù)制和成批消費(fèi)。 廣泛用于三坐標(biāo)丈量機(jī)、程控?cái)?shù)控機(jī)床及高精度重型機(jī)床及加工中丈量安裝等。1 1、感應(yīng)同步器的根本構(gòu)造、感應(yīng)同步器的根本構(gòu)造 由定尺和滑尺組成，其繞組分布不同定尺是延續(xù)繞組，滑尺那么是分段繞組。分段繞組分為兩組，布置成在空間相差90相角，又稱為正、余弦繞組。 感應(yīng)同步器的分段繞組和延續(xù)繞組相當(dāng)于變壓器的一次和二次線圈，利用交變電磁場和互感原理任務(wù)。圓盤式感應(yīng)同步器由定子和轉(zhuǎn)子組成，外形呈圓片形，圓盤式感應(yīng)同步器由定子和轉(zhuǎn)子組成，外形呈圓片形，定子相當(dāng)于直線式感應(yīng)同步器的滑尺，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于定定子相當(dāng)于直線式感應(yīng)同步器的滑尺，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于定尺。尺。2 2、感應(yīng)同步器的任務(wù)原理、感應(yīng)同步器的任