第七章運動參量的測量

第七章運動參量的測量

本章所述運動參量的測量是指描述物體運動狀態(tài)的三個基本參量，即位移、速度、加速度的測量。在研究機(jī)器零部件的運動規(guī)律、力能關(guān)系從工藝參數(shù)等情況時，都要涉及到運動參量的測量。此外，其它物理如力參量、物位、溫度、流量等的測量，也是不同程度地以運動參量的測量為基礎(chǔ)的。因而運動參量的測量廣泛應(yīng)用于工藝參數(shù)的自動檢測、控制和生產(chǎn)設(shè)備的自動化方面。

第一節(jié)位移的測量位移測量是線位移和角位移測量的統(tǒng)稱，測量時應(yīng)根據(jù)具體的測量對象，選擇或設(shè)計測量系統(tǒng)。一、滑線電阻式位移傳感器

測量原理同電位計式傳感器工作原理。二、應(yīng)變片式位移傳感器測量原理同電阻應(yīng)變片傳感器工作原理。適用于：δ<250μm的場合——微小位移三、差動變壓器式位移傳感器測量原理同差動變壓器式傳感器工作原理。四、光電脈沖式位移傳感器（光電編碼器）一、光電編碼器的工作原理光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的原板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機(jī)同軸，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測，并輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如下：光源透鏡碼盤轉(zhuǎn)軸透鏡光敏元件放大整形脈沖輸出通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤可以提供相位相差900的兩路脈沖信號。

編碼器包括碼盤和碼尺。碼盤用于測量角度。碼尺用于測量長度，測量長度的實際應(yīng)用比較少。所以在這里只討論碼盤。光源透鏡碼盤轉(zhuǎn)軸透鏡光敏元件放大整形脈沖輸出數(shù)字式角編碼器

信號航空插頭其他角編碼器外形其他角編碼器外形（續(xù)）拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動。光電編碼器包括增量編碼器和絕對碼編碼器兩大類。二、增量編碼器增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和C相；A、B兩組脈沖相位差900，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而C相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準(zhǔn)點定位。

增量式編碼器轉(zhuǎn)軸盤碼及狹縫光敏元件光欄板及辨向用的A、B狹縫LEDABC零位標(biāo)志ABC增量式編碼器增量式碼盤10碼道光電絕對式碼盤它的優(yōu)點是原理構(gòu)造簡單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。透光區(qū)不透光區(qū)零位標(biāo)志增量式光電編碼器的分辨力及分辨率增量式光電編碼器的測量精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與碼盤圓周上的狹縫條紋數(shù)n有關(guān)，即最小能分辨的角度及分辨率為：有多少條碼道，就有多長的二進(jìn)制數(shù)，工業(yè)上常用的是21碼道。從里向外讀數(shù)亮：定義為高電平1暗：定義為低電平0零位（全黑）：000000110000缺點：碼道多，要求制造精度高，否則，會產(chǎn)生很大的誤差。三、絕對式編碼器顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。目前國內(nèi)已有16位的絕對編碼器產(chǎn)品。絕對式編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制（葛萊碼）方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。編碼的設(shè)計可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。它的特點是：1.2.1可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值；1.2.2沒有累積誤差；1.2.3電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，目前有10位、14位等多種。絕對式接觸式編碼器演示4個電刷4位二進(jìn)制碼盤

+5V輸入公共碼道最小分辨角度為α=360°/2n

絕對式光電編碼器的分辨力及分辨率絕對式光電編碼器的測量精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與碼盤上的碼道數(shù)n有關(guān)，即最小能分辨的角度及分辨率為：

α=360°/2n分辨率=1/2n光電編碼器是一種角度（角速度）檢測裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，具有體積小，精度高，工作可靠,接口數(shù)字化等優(yōu)點。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺、伺服傳動、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測定等需要檢測角度的裝置和設(shè)備中。編碼器在伺服電機(jī)中的應(yīng)用利用編碼器測量伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角，并通過伺服控制系統(tǒng)控制其各種運行參數(shù)。轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)子磁極位置測量角位移測量編碼器在定位加工中的應(yīng)用1—絕對式編碼器

2—電動機(jī)

3—轉(zhuǎn)軸

4—轉(zhuǎn)盤

5—工件

6—刀具

五、光柵傳感器

光柵的類型和結(jié)構(gòu)

光柵傳感器由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。光柵副是光柵傳感器的主要部分。在長度計量中應(yīng)用的光柵通常稱為計量光柵，它主要由主光柵（也稱標(biāo)尺光柵）和指示光柵組成。計量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類。當(dāng)標(biāo)尺光柵相對于指示光柵移動時，形成的莫爾條紋產(chǎn)生亮暗交替變化，利用光電接受元件，將莫爾條紋亮暗變化的光信號，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，并與數(shù)字顯示，從而測量出標(biāo)尺光柵的移動距離。透射光柵是在一塊長方形的光學(xué)玻璃上均勻地刻上許多條紋，形成規(guī)則排列的明暗線條。圖6－10中a為刻線寬度，b為刻線間的縫隙寬度，a+b=w稱為光柵的柵距（或光柵常數(shù)）指示光柵一般比主光柵短得多，通?？逃信c主光柵同樣密度的線紋。光源一般用鎢絲燈泡。光電元件包括光電池和光敏三極管等部分。abW刻線密度：（10，25，50，100線）/mm1000線/mma：刻線寬度b:刻線間的縫隙寬度W：柵距，光柵常數(shù)透射光柵是在一塊長方形的光學(xué)玻璃上均勻地刻上許多條紋，形成規(guī)則排列的明暗線條。圖6－10中a為刻線寬度，b為刻線間的縫隙寬度，a+b=w稱為光柵的柵距（或光柵常數(shù)）指示光柵一般比主光柵短得多，通?？逃信c主光柵同樣密度的線紋。光源一般用鎢絲燈泡。光電元件包括光電池和光敏三極管等部分。尺身尺身安裝孔反射式掃描頭（與移動部件固定）掃描頭安裝孔可移動電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長磁柵掃描頭（與移動部件固定）光柵尺可移動電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）透射式直光柵反射式光柵透射式圓光柵固定莫爾條紋演示莫爾條紋形成的原理及特點兩光柵平行-----豎條紋標(biāo)尺光柵移動一個W，光電管接受光線亮暗一次缺點：無法辨向兩光柵成微小角度θ-----橫條紋（莫爾條紋）形成黑白相間的條紋光柵左右移動，條紋上下移動-----可辨向每移動一個柵距W，條紋移動一個間距BH莫爾條紋的重要特性運動對應(yīng)關(guān)系莫爾條紋近似與刻線垂直，當(dāng)夾角θ固定后，兩光柵相對左右移動一個柵距W時，莫爾條紋上下或下上移動一個節(jié)距B，因此，可以通過檢測莫爾條紋的移動條數(shù)和方向來判斷兩光柵相對位移的大小和方向。位移放大關(guān)系誤差平均效應(yīng)莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成，對光柵的刻線誤差有平均作用。光強(qiáng)近似于正弦變化莫爾條紋的光學(xué)放大作用

在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角θ。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。

光柵的刻線寬度W莫爾條紋的寬度L

L≈W/θ

，（θ為主光柵和指示光柵刻線的夾角，弧度）

莫爾條紋光學(xué)放大作用舉例

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，則：分辨力=柵距W=1mm/50=0.02mm=20m（由于柵距很小，因此無法觀察光強(qiáng)的變化）

莫爾條紋的寬度是柵距的32倍：

L≈W/θ=0.02mm/（1.8*3.14/180

）

=0.02mm/0.0314=0.637mm

由于較大，因此可以用小面積的光電池“觀察”莫爾條紋光強(qiáng)的變化。辨向電路及波形細(xì)分技術(shù)脈沖細(xì)分

細(xì)分技術(shù)能在不增加光柵刻線數(shù)及價格的情況下提高光柵的分辨力。細(xì)分前，光柵的分辨力只有一個柵距的大小。采用4細(xì)分技術(shù)后，計數(shù)脈沖的頻率提高了4倍，相當(dāng)于原光柵的分辨力提高了3倍，測量步距是原來的1/4，較大地提高了測量精度。細(xì)分前細(xì)分后光柵細(xì)分舉例

有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，細(xì)分?jǐn)?shù)為4細(xì)分，則：分辨力=（1mm/50）/4=0.005mm=5m

采用細(xì)分技術(shù)，在不增加光柵刻線數(shù)（成本）的情況下，將分辨力提高了3倍。為光柵設(shè)計的專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器（光柵計數(shù)卡）內(nèi)部包含以下電路：放大、整形、細(xì)分、辨向、報警、阻抗變換等。光柵在機(jī)床上的安裝位置（2個自由度）光柵在機(jī)床上的安裝位置（3個自由度）數(shù)顯表2自由度光柵數(shù)顯表X位移顯示Z（Y）位移顯示3自由度光柵數(shù)顯表光柵數(shù)顯表（續(xù)）三座標(biāo)數(shù)顯表SDS8-3E光柵數(shù)顯箱功能:公制/英制轉(zhuǎn)換

絕對/相對轉(zhuǎn)換

線性誤差補(bǔ)償

正反方向計算

歸零

插值補(bǔ)償

到達(dá)目標(biāo)值停機(jī)

PCD圓周分孔

200組零位記憶

電蝕深度目標(biāo)值顯示

實時工作位置顯示

掉電記憶安裝有直線光柵的數(shù)控機(jī)床加工實況

防護(hù)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二節(jié)速度的測量一、用測速發(fā)電機(jī)測量速度

測速發(fā)電機(jī)是一種微型電機(jī)，有直流和交流兩類。直流測速電機(jī)的勵磁有永磁和電磁(它激)兩種。圖7—18是它激測速電機(jī)的測試電路。當(dāng)它的電樞隨被測軸轉(zhuǎn)動時，電樞電路有電壓輸出，其值與被測軸轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)成正比，因而可根據(jù)其輸出電壓的大小來測定轉(zhuǎn)速。二、用定距測時法測量速度定距測時法是通過測量被測件經(jīng)過一已知距離△S所需的時間t，然后計算出其速度。該方法的關(guān)鍵是如何給定已知距離和測出被測件經(jīng)過此給定距離所需的時間。最簡單的是用示波器同時記錄位移、時間脈沖信號的方法，見圖7—1，其中圖a是它的測試系統(tǒng)框圖，圖b為光線示波器在記錄紙上的記錄結(jié)果。曲線1是位移脈沖信號，每個脈沖等價于線位移△S或角位移△α，相當(dāng)于給定距離。曲線2是時間脈沖信號(即時標(biāo))。若與位移△S或△α，相對應(yīng)的時標(biāo)脈沖數(shù)為n，時標(biāo)周期為t0，則其時間為nt0而其速度(平均速度)可由下式算出圖7—20是用計數(shù)器記錄時間的方法，圖a是其測試框圖，圖b是控制門輸入、輸出端的脈沖信號波形。其工作原理是：定距位移△S或△α經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和放大整形后變成方脈沖，此方脈沖的上升沿與下降沿分別作為控制門的開門與關(guān)門的控制信號，則計數(shù)器所計的時標(biāo)脈沖數(shù)n就與定距位移△S此所經(jīng)歷的時間t成正比，即t＝nt0。其中t0為時標(biāo)的周期。那么在定距△S或△α內(nèi)的平均速度可按上式求得。圖7—21是用定距測時法測量錘頭打擊速度的例子。三、用磁電式速度傳感器測量速度磁電式線速度傳感器主要用于振動測試中振動速度的測量，有相對式和絕對式兩種。相對式傳感器既可用于兩振動物體間的相對振動速度測量，也可用于絕對振動速度的測量，但需要—個靜止的基座作為參考基準(zhǔn)。絕對式也稱慣性式速度傳感器，由于個需要參考基準(zhǔn)，使用時可直接安裝在振動體上進(jìn)行測量，因而在地面振動測量、機(jī)械振動的測試及振動監(jiān)測與研究等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。圖7—22為這種絕對式速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖。四、用微分法求速度1、用圖解微分法求速度2、用微分電路的方法