典型參量的測量及常用傳感器的選擇

典型參量的測量及常用傳感器的選擇第一頁，共二十九頁，2022年，8月28日10.1位移的測量位移是機械量中最基本的參數(shù),也是機械量檢測的重點。位移測量分為線位移和角位移測量。常用的小位移測量傳感器有電阻式、電感式、電容式、磁電式、霍爾式等。測量從幾十納米到幾個毫米的位移。常用的較大位移傳感器有感應同步器、光柵、磁柵、編碼器等，其特點是易實現(xiàn)數(shù)字化，精度高，抗干擾能力強，沒有人為讀數(shù)誤差，安裝方便，使用可靠等。本章介紹利用數(shù)字式傳感器——光柵傳感器和編碼器來測量線位移和角位移。第二頁，共二十九頁，2022年，8月28日1.1光柵傳感器一、光柵（計量光柵的黑白透射光柵）的結構及工作原理1.光柵結構在鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明暗相間、等間距分布的細小條紋（又稱為刻線），這就是光柵。圖中a為柵線的寬度（不透光），b為柵線間寬（透光），a+b=W稱為光柵的柵距（也稱光柵常數(shù)）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9。目前常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條線條。第三頁，共二十九頁，2022年，8月28日透射光柵示意圖第四頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.光柵測量原理把兩塊柵距相等的光柵（光柵1、光柵2）面向?qū)ΟB合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個很小的夾角θ，這樣就可以看到在近于垂直柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋叫莫爾條紋。由圖可見，在d-d線上，兩塊光柵的柵線重合，透光面積最大，形成條紋的亮帶，它是由一系列四棱形圖案構成的；在f-f線上，兩塊光柵的柵線錯開，形成條紋的暗帶，它是由一些黑色叉線圖案組成的。因此莫爾條紋的形成是由兩塊光柵的遮光和透光效應形成的。第五頁，共二十九頁，2022年，8月28日莫爾條紋的光學放大作用

光柵的刻線寬度W莫爾條紋的間距L第六頁，共二十九頁，2022年，8月28日莫爾條紋演示第七頁，共二十九頁，2022年，8月28日莫爾條紋光學放大作用舉例

例：有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，主光柵與指示光柵的夾角=1.8。柵距：柵距W=1mm/50=0.02mm=20m莫爾條紋的寬度：L≈W/θ=0.02mm/（1.8*3.14/180）=0.02mm/0.0314=0.637mm所以，莫爾條紋的寬度是柵距的32倍。第八頁，共二十九頁，2022年，8月28日莫爾條紋測位移具有以下三個方面的特點：（1）位移的放大作用：θ越小，L越大，這相當于把柵距W放大了1/θ倍。說明光柵具有位移放大作用，從而提高了測量的靈敏度。（2）莫爾條紋移動方向：如指示光柵沿著刻線垂直方向向右移動時，莫爾條紋將沿著主光柵的柵線向下移動；反之，當指示光柵向左移動時，莫爾條紋沿著主光柵的柵線向上移動。因此根據(jù)莫爾條紋移動方向就可以對指示光柵的運動進行辨向。（3）誤差的平均效應：莫爾條紋由光柵的大量刻線形成，對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。第九頁，共二十九頁，2022年，8月28日二、光柵傳感器的組成光柵傳感器作為一個完整的測量裝置包括光柵讀數(shù)頭、光柵數(shù)顯表兩大部分。光柵讀數(shù)頭利用光柵原理把輸入量（位移量）轉(zhuǎn)換成響應的電信號；光柵數(shù)顯表是實現(xiàn)細分、辨向和顯示功能的電子系統(tǒng)。第十頁，共二十九頁，2022年，8月28日1.光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭主要由標尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。標尺光柵一般固定在被測物體上，且隨被測物體一起移動，其長度取決于測量范圍，標尺光柵的有效長度即為測量范圍。指示光柵比標尺光柵短得多，但兩者一般刻有同樣的柵距，使用時兩光柵互相重疊，兩者之間有微小的空隙。指示光柵相對于光電元件（光信號轉(zhuǎn)換為電信號）固定。第十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日光柵讀數(shù)頭結構示意圖第十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.光柵數(shù)顯表光柵讀數(shù)頭實現(xiàn)了位移量由非電量轉(zhuǎn)換為電量，位移是向量，因而對位移量的測量除了確定大小之外，還應確定其方向。為了辨別位移的方向，進一步提高測量的精度，以及實現(xiàn)數(shù)字顯示的目的，必須把光柵讀數(shù)頭的輸出信號送入數(shù)顯表作進一步的處理。光柵數(shù)顯表由整形放大電路、細分電路、辨向電路及數(shù)字顯示電路等組成。第十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日光柵在機床上的安裝位置（2個自由度）第十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日光柵在機床上的安裝位置（3個自由度）數(shù)顯表第十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日光柵在機床上

的安裝位置

（3個自由度）第十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日2自由度光柵數(shù)顯表X位移顯示Z（Y）位移顯示第十七頁，共二十九頁，2022年，8月28日3自由度光柵數(shù)顯表第十八頁，共二十九頁，2022年，8月28日安裝有直線光柵的數(shù)控機床加工實況

防護罩內(nèi)為直線光柵光柵掃描頭被加工工件切削刀具角編碼器安裝在夾具的端部第十九頁，共二十九頁，2022年，8月28日1.2編碼器

將機械轉(zhuǎn)動的模擬量（位移）轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號，這類傳感器稱為編碼器。編碼器的種類很多，主要分為脈沖盤式（增量編碼器）和碼盤式（絕對編碼器），其關系如下所示：編碼器脈沖盤式編碼器(增量編碼器)碼盤式編碼器(絕對編碼器)接觸式編碼器電磁式編碼器光電式編碼器第二十頁，共二十九頁，2022年，8月28日

脈沖盤式編碼器的輸出是一系列脈沖，需要一個計數(shù)系統(tǒng)對脈沖進行加減(正向或反向旋轉(zhuǎn)時)累計計數(shù)，一般還需要一個基準數(shù)據(jù)即零位基準，才能完成角位移測量。

碼盤式編碼器不需要基準數(shù)據(jù)及計數(shù)系統(tǒng)，它在任意位置都可給出與位置相對應的固定數(shù)字碼輸出，能方便地與數(shù)字系統(tǒng)（如微機）連接。

第二十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日光電式編碼器（絕對編碼器）：光電式編碼器組成：編碼圓盤（碼盤）、窄縫以及安裝在圓盤兩邊的光源和光敏元件等組成。碼盤由光學玻璃制成，其上刻有許多同心碼道，每位碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。第二十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日光電式編碼器示意圖第二十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日

圖所示的6位二進制碼盤，最內(nèi)圈碼盤一半透光，一半不透光，最外圈一共分成26=64個黑白間隔。每一個角度方位對應于不同的編碼。例如零位對應于000000（全黑）；第23個方位對應于010111。這樣在測量時，只要根據(jù)碼盤的起始和終止位置，就可以確定角位移，而與轉(zhuǎn)動的中間過程無關。一個n位二進制碼盤的最小分辨率，即能分辨的角度為α=360°/2n，一個6位二進制碼盤，其最小分辨的角度α≈5.6°。第二十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日碼盤構造第二十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日絕對式編碼器演示4個電刷4位二進制碼盤

最小分辨角度為α=360°/2n

第二十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日10碼道光電絕對