自動檢測技術(shù) 教學(xué)課件第7章 數(shù)字式傳感器

第七章數(shù)字式傳感器

本章的主要內(nèi)容：

1數(shù)字式角編碼器：絕對式編碼器、增量式編碼器、編碼器的應(yīng)用；

2光柵傳感器：光柵結(jié)構(gòu)、工作原理、光柵傳感器的應(yīng)用；

3磁柵傳感器：磁柵、磁頭、信號處理、磁柵傳感器應(yīng)用；

4感應(yīng)同步器：感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)、工作原理、信號處理、感應(yīng)同步器應(yīng)用。

需要掌握的知識：

1理解數(shù)字式角編碼器的原理及應(yīng)用；

2了解光柵傳感器的結(jié)構(gòu)，掌握光柵傳感器的原理；

3了解磁柵傳感器的的結(jié)構(gòu)、掌握磁柵傳感器的工作原理、信號處理方式；

4了解感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)、掌握感應(yīng)同步器的工作原理、信號處理方式；

5學(xué)會應(yīng)用數(shù)字式傳感器測量位移、轉(zhuǎn)速等非電量。

7.1數(shù)字式角編碼器數(shù)字式角編碼器1絕對式編碼器2增量式編碼器導(dǎo)軌絲桿—螺母副旋轉(zhuǎn)式位置傳感器運動部件7.1.1絕對式光電編碼器絕對式編碼器是按照角度直接進行編碼的傳感器，可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式有接觸式、光電式和電磁式等形式；具有非接觸、體積小、重量輕、可靠性好、不易受磁場干擾等優(yōu)點；廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人、雷達等領(lǐng)域。下面以光電式傳感器為例介紹絕對式編碼器的原理。

可以根據(jù)二進制編碼確定碼盤轉(zhuǎn)過的角度，也可以測量碼盤的轉(zhuǎn)速。

7.1.2增量式編碼器能分辨的最小角度為分辨率

LED轉(zhuǎn)軸導(dǎo)線連接座光欄板零標(biāo)志位光槽碼盤光敏元件例如，條紋數(shù)為1024，則分辨角度=360o/1024=0.325o。7.1.3角編碼器的應(yīng)用

1．在交流伺服電動機中的應(yīng)用三相電源連接座轉(zhuǎn)子軸電動機光電編碼器編碼器信號輸出連接座光電編碼器在交流伺服電動機控制中起的作用：1）提供電動機定、轉(zhuǎn)子之間相互位置的數(shù)據(jù)；2）通過F／V(頻率／電壓)轉(zhuǎn)換電路提供速度反饋信號；3）提供傳動系統(tǒng)角位移信號，作為位置反饋信號。2．工位編碼

這種編碼方式在加工中心的刀庫選刀控制中得到廣泛應(yīng)用。

絕對式編碼器電動機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)盤工件刀具7.2光柵傳感器

7.2.1光柵的類型和結(jié)構(gòu)物理光柵：利用光的衍射現(xiàn)象，常用于光譜分析和光波波長測定計量光柵：利用光的透射和反射現(xiàn)象，常用于位移測量

按工作原理分類按形狀分類透射式光柵反射式光柵均由光源、光柵副、光敏元件組成圓光柵：用于角位移測量

長光柵：用于直線位移測量

由標(biāo)尺光柵(主光柵)和指示光柵組成（光柵副）光源透鏡1狹縫透鏡2光敏元件主光柵指示光柵光源透鏡1透鏡2光敏元件主光柵指示光柵透射式光柵一般是用光學(xué)玻璃做基體，在其上均勻地刻劃出間距、寬度相等的條紋，形成連續(xù)的透光區(qū)和不透光區(qū)，如圖a）所示；反射式光柵一般使用不銹鋼作基體，在其上用化學(xué)方法制出黑白相間的條紋，形成反光區(qū)和不反光區(qū)，如圖b）所示。b)反射式光柵

a)

光學(xué)玻璃透射式直光柵

計量光柵的種類稱為光柵常數(shù)，或稱柵距。光柵尺掃描頭電纜光源透鏡指示光柵標(biāo)尺光柵零位光柵光敏元件

直線光柵柵線密度一般為10線／mm、25線／mm、50線／mm、100線／mm和200線／mm等幾種。圓光柵，角節(jié)距，每周的柵線數(shù)從100線到21600線不等。7.2.2光柵副的工作原理莫爾條紋：亮帶和暗帶形成明暗相間的條紋等柵距黑白透射光柵形成的莫爾條紋光柵位移與光強及輸出電壓的關(guān)系

莫爾條紋有如下特征：

1)莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，對光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵刻線不均勻引起的誤差。

2）當(dāng)兩光柵沿與柵線垂直的方向作相對移動時，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動；光柵反向移動，莫爾條紋亦反向移動。

3)莫爾條紋的間距是放大了的光柵柵距。

4)莫爾條紋移過的條紋數(shù)與光柵移過的刻線數(shù)相等。7.2.3辨向及細(xì)分

（一）辨向原理在與莫爾條紋相垂直的方向上，在相距(1／4)的距離處設(shè)置sin和cos兩套光敏元件，這樣就可以得到兩個相位相差的電信號和，經(jīng)放大、整形后得到和兩個方波信號、，分別送到圖7-13a所示的辨向電路中。（二）細(xì)分技術(shù)

在不增加光柵刻線數(shù)的情況下提高光柵的分辨力。細(xì)分方法：四倍頻細(xì)分法、十六倍頻細(xì)分法、計算機細(xì)分法等數(shù)種。

辨向邏輯電路原理圖a)辨向電路

b)正向電路波形圖c)反向運動的波形圖例細(xì)分?jǐn)?shù)4，光柵刻線數(shù)100線／mm，求細(xì)分后光柵的分辨力。解柵距1/100mm=0.01mm0.01/4mm=0.0025mm=2.5

圖7-14四倍頻細(xì)分原理a)邏輯電路b)波形(正向運動)(三)零位光柵零位光柵信號與光柵計數(shù)脈沖要同步，如右圖(四)信號波形在增量式光柵中，輸出信號的波形有經(jīng)過數(shù)字化處理后的方波信號，也有正弦波信號。方波輸出信號可以和‘TTI電路相適配，高電平在2.5V以上，低電平低于0.5V。

正弦波輸出信號一般都是六路電流信號。

7.2.4光柵傳感器的應(yīng)用

光柵測量精度高，測量范圍可達數(shù)十米，而且不需要接長，信號抗干擾能力強，因此在國內(nèi)外受到重視和推廣。必須注意防塵、防震問題。

1．微機光柵數(shù)顯表的組成圖7-14微機光柵數(shù)顯表的組成框圖2．在位置控制中的應(yīng)用圖7-15位置控制系統(tǒng)框圖絲桿工作臺光柵3．軸環(huán)式數(shù)顯表外形電源線軸套數(shù)字顯示器復(fù)位開關(guān)主光柵紅外發(fā)光二極管指示光柵光敏三極管指示光柵主光柵外形內(nèi)部結(jié)構(gòu)測量電路框圖

具有體積小、安裝方便、讀數(shù)直觀、工作穩(wěn)定、可靠性好、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。適用于中小型機床。手柄緊固螺母軸環(huán)式數(shù)顯表絲杠軸溜板軸環(huán)式數(shù)顯表在車床的進給顯示中的應(yīng)用7.3磁柵傳感器

磁柵傳感器是由磁柵(又名磁尺)與磁頭組成。制作工藝簡單、復(fù)制方便、易于安裝、調(diào)整方便、測量范圍廣(從0.001mm到幾m)、不需要接長，在大型機床的數(shù)字檢測和自動化機床的自動控制等方面得到廣泛的應(yīng)用。7.3.1磁柵

1．磁柵的結(jié)構(gòu)

磁柵基體磁性薄膜磁柵結(jié)構(gòu)圖磁柵錄磁框圖2．磁柵的類型

長磁柵：測量直線位移圓磁柵：測量角位移

尺形帶形同軸形尺形帶形同軸形3．對磁柵的要求基尺要求不導(dǎo)磁，線膨脹系數(shù)應(yīng)與儀器或機床的相應(yīng)部分相近似，良好的加工和電鍍性能。當(dāng)采用一般鋼材作基尺材料時，必須用鍍銅的方法解決絕磁的問題，銅鍍層厚度約0.15一0.20mm。磁性薄膜要求剩磁感應(yīng)要大，矯頑力要高，電鍍要均勻。目前常用Ni-Co-P合金。磁尺表面要求長磁柵平直度0.005一0.01mm，圓磁柵的不圓度0.005一0.01mm，表面粗糙度要小，所錄磁信號要求幅度均勻，幅度變化小于10%，節(jié)距均勻，滿足一定精度要求。7.3.2磁頭1.動態(tài)磁頭磁芯材料為鐵鎳合金片；每片厚度為0.20mm，疊成需要的厚度(例如3mm窄型或18mm寬型)；前端放入0.01mm厚的銅片，后端磨光靠緊；線圈線徑=0.05mm，匝數(shù)=2×1000～2×1200，電感=4.5H

。動態(tài)磁頭磁柵讀出的正弦信號2．靜態(tài)磁頭

N1=4×15～4×20匝，N2=100～200匝，線徑0.1mm

靜態(tài)磁頭結(jié)構(gòu)靜態(tài)磁頭磁柵磁頭讀出信號靜態(tài)磁頭讀取信號7.3.3信號處理方式

下圖的兩個靜態(tài)磁頭(通常做成一體)，它們的輸出電壓為：經(jīng)檢波器后可得此兩個電壓相位差90°的信號送有關(guān)電路進行細(xì)分和辨向后輸出計數(shù)。

2．鑒相方式將第一個磁頭的勵磁電流移相45°或?qū)⑵渥x出信號輸出移相90°，則

將兩個磁頭的輸出用求和電路相加，則總輸出輸出電壓的相位與位移量有關(guān)，只要鑒別出相移的大小，然后用有關(guān)電路進行細(xì)分與輸出，就能測量出位移量的多少。7.3.4應(yīng)用舉例鑒頻型磁柵數(shù)顯表框圖7.4感應(yīng)同步器

7.4.1類型與結(jié)構(gòu)1．直線形感應(yīng)同步器（1）標(biāo)準(zhǔn)形

定尺和滑尺的基板一般選用磁導(dǎo)率高、矯頑力小、便于加工、不易變形的材料，而且要求其線膨脹系數(shù)與機床相似，如18鋼或20鋼，鑄鐵和非金屬材料。

直線形：測量直線位移圓盤形：測量角位移定尺滑尺圖7-27標(biāo)準(zhǔn)型感應(yīng)同步器外形

繞組的柵距為(又稱為定尺繞組的節(jié)距，=2mm),繞組導(dǎo)片寬度為，間隙為，故節(jié)距=2=2mm定尺繞組滑尺繞組感應(yīng)同步器繞組結(jié)構(gòu)

滑尺繞組結(jié)構(gòu)余弦繞組（2）窄型

（3）帶型

（4）三重型例如：設(shè)

=0.02(1°9′)，則

繞組導(dǎo)線斜置可擴大節(jié)距

2．圓盤形感應(yīng)同步器7.4.2工作原理

繞組通電時磁力線流向圖感應(yīng)電動勢與繞組相對位置關(guān)系7.4.3信號處理及應(yīng)用舉例

1．鑒相處理：根據(jù)輸出感應(yīng)電動勢的相位來鑒別定滑尺間相對位移量的方法。

正弦繞組和余弦上的勵磁電壓分別為、假定：只考慮正弦繞組勵磁，這時定尺繞組上的感應(yīng)電動勢為：

假定：只考慮余弦繞組勵磁，這時定尺繞組上的感應(yīng)電動勢為：感應(yīng)同步器定滑尺相對直線位移與定尺繞組的節(jié)距之比，對應(yīng)于定滑尺之間相對位移角與定尺繞組輸出電動勢周期2之比，

即在定尺繞組上總的感應(yīng)電動勢為：此式表明了感應(yīng)同步器定尺的輸出感應(yīng)電動勢和感應(yīng)同步器定滑尺間相對機械位移的函數(shù)關(guān)系。

鑒相式測量系統(tǒng)的框圖2．鑒幅處理：根據(jù)定尺繞組輸出感應(yīng)電動勢的幅值來鑒別定滑尺間的相對位移量。

正弦繞組和余弦繞組上的勵磁電壓分別為、如果只考慮正弦繞組勵磁，則在定尺繞組上感應(yīng)出來的電動勢為如果只考慮余弦繞組勵磁，則在定尺繞組上感應(yīng)出來的電動勢為

當(dāng)定滑尺間有相對位移時，定尺繞組上的感應(yīng)電動勢應(yīng)為和之和，即

設(shè)