大位移傳感器

大位移傳感器第一頁，共六十五頁，2022年，8月28日5.5磁

柵

傳

感

器1磁柵的結(jié)構(gòu)磁柵傳感器由磁柵（簡(jiǎn)稱磁尺）、

磁頭和檢測(cè)電路組成。

磁尺是用非導(dǎo)磁性材料做尺基，

在尺基的上面鍍一層均勻的磁性薄膜，

然后錄上一定波長(zhǎng)的磁信號(hào)而制成的。

磁信號(hào)的波長(zhǎng)（周期）又稱節(jié)距，

用W表示。

磁信號(hào)的極性是首尾相接，

在N、N重疊處為正的最強(qiáng)，

在S、S重疊處為負(fù)的最強(qiáng)。

磁尺的斷面和磁化圖形如圖5-7所示。

第二頁，共六十五頁，2022年，8月28日磁柵傳感器

磁柵價(jià)格低于光柵，且錄磁方便、易于安裝，測(cè)量范圍寬可超過十幾米，抗干擾能力強(qiáng)。磁柵可分為長(zhǎng)磁柵和圓磁柵。長(zhǎng)磁柵主要用于直線位移測(cè)量，圓磁柵主要用于角位移測(cè)量。磁柵傳感器主要由磁尺、磁頭和信號(hào)處理電路組成。第三頁，共六十五頁，2022年，8月28日磁柵的外形及結(jié)構(gòu)磁尺靜態(tài)磁頭去信號(hào)處理電路固定孔第四頁，共六十五頁，2022年，8月28日磁頭與磁尺相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的輸出波形演示第五頁，共六十五頁，2022年，8月28日?qǐng)D5-7磁柵傳感器示意圖

第六頁，共六十五頁，2022年，8月28日5.4.2磁柵的工作原理這里以靜態(tài)磁頭為例，簡(jiǎn)要說明磁柵傳感器的工作原理。

靜態(tài)磁頭的結(jié)構(gòu)如圖5-7所示，它有兩組繞組N1和N2。其中，N1為勵(lì)磁繞組，N2為感應(yīng)輸出繞組。在勵(lì)磁繞組中通入交變的勵(lì)磁電流，一般頻率為5kHz或25kHz，

幅值約為200mA。

勵(lì)磁電流使磁芯的可飽和部分（截面較小）在每周期內(nèi)發(fā)生兩次磁飽和。磁飽和時(shí)磁芯的磁阻很大，磁柵上的漏磁通不能通過鐵芯，輸出繞組不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。只有在勵(lì)磁電流每周兩次過零時(shí)，可飽和磁芯才能導(dǎo)磁，磁柵上的漏磁通使輸出繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e?？梢姼袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率為勵(lì)磁電流頻率的兩倍，而e的包絡(luò)線反映了磁頭與磁尺的位置關(guān)系，其幅值與磁柵到磁芯漏磁通的大小成正比。

第七頁，共六十五頁，2022年，8月28日?qǐng)D9－86磁通響應(yīng)型單拾磁磁頭結(jié)構(gòu)(a)磁場(chǎng)分布；(b)磁頭結(jié)構(gòu)

第八頁，共六十五頁，2022年，8月28日鑒相型磁柵數(shù)顯表的原理框圖

磁尺與磁頭接觸，使用壽命不如光柵，數(shù)年后易退磁。設(shè)置兩個(gè)磁頭的意義何在？第九頁，共六十五頁，2022年，8月28日雙磁頭是為了識(shí)別磁柵的移動(dòng)方向而設(shè)置的，其結(jié)構(gòu)如圖9－87所示。兩磁頭按(m±1／4)λ配置（m為正整數(shù)），它們的輸出電壓分別是

由于單磁頭讀取磁性標(biāo)尺上的磁化信號(hào)輸出電壓很小，而且對(duì)磁尺上磁化信號(hào)的節(jié)距和波形要求高，因此可將多個(gè)磁頭以一定的方式串聯(lián)起來形成多間隙磁頭，如圖9－88所示。第十頁，共六十五頁，2022年，8月28日?qǐng)D9－87雙磁頭結(jié)構(gòu)

第十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日?qǐng)D9－88多間隙磁頭

第十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日磁柵測(cè)量系統(tǒng)壓板磁頭磁尺第十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日磁柵在磨床測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用磁尺磁頭安裝在何處？第十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日第十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日光

柵

傳

感

器1光柵的類型與結(jié)構(gòu)

實(shí)際應(yīng)用的光柵有透射光柵和反射光柵，按其工作原理可分為黑白光柵（幅射光柵）和相位光柵（炫耀光柵）；按其用途可分為直線光柵和圓光柵。如圖5-8所示，黑白透射直線光柵是在鍍有鋁箔的光學(xué)玻璃上，均勻地刻上許多明暗相間，寬度相同的透光線，稱為柵線。設(shè)柵線寬為a，線間縫寬為b，a+b=W稱為光柵節(jié)距(柵距)。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線。使用時(shí)，長(zhǎng)光柵裝在運(yùn)動(dòng)部件上，稱為標(biāo)尺光柵;短光柵裝在固定部件上，稱為指示光柵。第十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日反射式光柵第十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日透射式光柵第十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日透射式圓光柵固定第十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日長(zhǎng)光柵---直線位移；圓光柵---角位移

構(gòu)成：主光柵---標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵---動(dòng)光柵長(zhǎng)度---測(cè)量范圍；刻線密度---測(cè)量精度(10、25、50、100、125線/mm

)第二十頁，共六十五頁，2022年，8月28日

長(zhǎng)光柵圓光柵第二十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日工作原理：（透射光柵）§6-2常用典型位置檢測(cè)裝置標(biāo)尺光柵指示光柵標(biāo)尺光柵固定在機(jī)床活動(dòng)部件上指示光柵安裝在讀數(shù)頭內(nèi)第二十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日2.光柵讀數(shù)頭第二十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日第二十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日b.敞開式光柵尺a.封閉式光柵尺c.長(zhǎng)度計(jì)

（六）光柵產(chǎn)品簡(jiǎn)介第二十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日尺身尺身安裝孔反射式掃描頭（與移動(dòng)部件固定）掃描頭安裝孔可移動(dòng)電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長(zhǎng)磁柵第二十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日掃描頭（與移動(dòng)部件固定）光柵尺可移動(dòng)電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）第二十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日5.5.2莫爾條紋的形成原理與特點(diǎn)1.莫爾條紋的形成原理按照光學(xué)原理，對(duì)于柵距遠(yuǎn)大于光波長(zhǎng)的粗光柵，可以利用幾何光學(xué)的遮光原理來解釋莫爾條紋的形成。如圖5-9所示，

當(dāng)兩個(gè)有相同柵距的光柵合在一起，

其柵線之間傾斜一個(gè)很小的夾角θ，于是在近乎垂直于柵線的方向上出現(xiàn)了明暗相間的條紋。

例如在h-h線上，

兩個(gè)光柵的柵線彼此重合，從縫隙中通過光的一半，

透光面積最大，形成條紋的亮帶；在g-g線上，

兩光柵的柵線彼此錯(cuò)開，

形成條紋的暗帶；

當(dāng)a=b=W/2時(shí)，

g-g線上是全黑的。

第二十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日?qǐng)D5-9莫爾條紋原理（a）

莫爾條紋的形成；

（b）

莫爾條紋的寬度

第二十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日

2.莫爾條紋的寬度橫向莫爾條紋的寬度B與柵距W和傾斜角θ之間的關(guān)系，

可由圖5-9（b）求出（當(dāng)θ角很小時(shí)）：

（5-5）

第三十頁，共六十五頁，2022年，8月28日3.莫爾條紋的特點(diǎn)式（5-5）說明莫爾條紋具有以下特點(diǎn)：（1）對(duì)位移的光學(xué)放大作用：即把極細(xì)微的柵線放大為很寬的條紋，便于測(cè)試。例如θ=10′，則，若W=0.01mm,則B=3.34mm。（2）連續(xù)變倍的作用：其放大倍數(shù)可通過使θ角連續(xù)變化，從而獲得任意粗細(xì)的莫爾條紋。第三十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日（3）對(duì)光柵刻線的誤差均衡作用：光柵的刻線誤差是不可避免的。由于莫爾條紋是由大量柵線共同組成的，光電元件感受的光通量是其視場(chǎng)覆蓋的所有光柵光通量的總和，具有對(duì)光柵的刻線誤差的平均效應(yīng)，從而能消除短周期的誤差。例如對(duì)50線/mm的光柵（W=0.02mm），用5mm×5mm的光電池接收，光電池視場(chǎng)內(nèi)覆蓋250條柵線。若每條刻線誤差為δ0=±0.001mm，則平均誤差。第三十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日

4.莫爾條紋的移動(dòng)方向當(dāng)主光柵沿柵線垂直方向移動(dòng)時(shí)，

莫爾條紋沿著夾角θ平分線（近似平行于柵線）方向移動(dòng)。

莫爾條紋移動(dòng)時(shí)的方向和光柵夾角的關(guān)系見表5-1。

第三十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日表5-1莫爾條紋和光柵移動(dòng)方向與夾角轉(zhuǎn)向之間的關(guān)系

第三十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日

5.莫爾條紋測(cè)量位移的原理光柵每移過一個(gè)柵距W，莫爾條紋就移過一個(gè)間距B。通過測(cè)量莫爾條紋移過的數(shù)目，即可得出光柵的位移量。由于光柵的遮光作用，透過光柵的光強(qiáng)隨莫爾條紋的移動(dòng)而變化，變化規(guī)律接近于一直流信號(hào)和一交流信號(hào)的疊加。固定在指示光柵一側(cè)的光電轉(zhuǎn)換元件的輸出，可以用光柵位移量x的正弦函數(shù)表示，如圖5-10所示。只要測(cè)量波形變化的周期數(shù)N（等于莫爾條紋移動(dòng)數(shù)）就可知道光柵的位移量x，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為x=N·W第三十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日?qǐng)D5-10光電元件輸出與光柵位移的關(guān)系第三十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日光柵尺及數(shù)顯表第三十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日光柵尺在機(jī)床導(dǎo)軌上的安裝第三十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日

2．光柵尺的安裝與調(diào)整

1－床身；2－光柵尺；3－掃描頭；4－滾珠絲杠螺母副；5－床鞍光柵尺在機(jī)床上的安裝示意圖

第三十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日光柵在數(shù)控車床上的安裝位置三、光柵第四十頁，共六十五頁，2022年，8月28日三、光柵光柵在數(shù)控鏜銑床上的安裝位置第四十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日為光柵設(shè)計(jì)的專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器（光柵計(jì)數(shù)卡）內(nèi)部包含以下電路：放大、整形、細(xì)分、辨向、報(bào)警、阻抗變換等。第四十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日為光柵設(shè)計(jì)

的專用信號(hào)

處理單元（光柵插補(bǔ)器）功能同上頁第四十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日光柵在機(jī)床上的安裝位置（2個(gè)自由度）第四十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日光柵在機(jī)床上的安裝位置（3個(gè)自由度）數(shù)顯表第四十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日光柵在機(jī)床上

的安裝位置

（3個(gè)自由度）（續(xù)）第四十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日2自由度光柵數(shù)顯表X位移顯示Z（Y）位移顯示第四十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日3自由度光柵數(shù)顯表第四十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日光柵數(shù)顯表（續(xù)）三座標(biāo)數(shù)顯表第四十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日SDS8-3E光柵數(shù)顯箱功能:公制/英制轉(zhuǎn)換

絕對(duì)/相對(duì)轉(zhuǎn)換

線性誤差補(bǔ)償

正反方向計(jì)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(shí)時(shí)工作位置顯示

掉電記憶第五十頁，共六十五頁，2022年，8月28日光柵數(shù)顯表（續(xù)）設(shè)定按鍵第五十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日安裝有直線光柵的數(shù)控機(jī)床加工實(shí)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五十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日感

應(yīng)

同

步

器

5.3.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和種類1.直線式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)直線式感應(yīng)同步器的定尺和滑尺，

都由圖中的基板、

絕緣層和繞組構(gòu)成，

繞組的外面包有一層與繞組絕緣的接地屏蔽層，

如圖5-4所示。

定尺安裝在靜止的機(jī)械設(shè)備上，與導(dǎo)軌母線平行；

滑尺安裝在活動(dòng)的機(jī)械部件上，與定尺之間保持均勻的狹小氣隙。

滑尺相對(duì)定尺而移動(dòng)。

第五十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日直線式感應(yīng)同步器定尺和滑尺的基板采用鑄鐵或其他鋼材做成。這些鋼材的線膨脹系數(shù)應(yīng)與安裝感應(yīng)同步器的床身的線膨脹系數(shù)相近，以減小溫度誤差。在定尺和滑尺上腐蝕成印制電路繞組，

繞組的材料為銅。

考慮到接長(zhǎng)的要求和安裝的方便，

將定尺繞組做成連續(xù)式，

由一連串線圈串聯(lián)而成；

而將滑尺繞組做成分段式，

并分別為正弦繞組（S繞組）和余弦繞組（C繞組），

它們?cè)诳臻g位置上錯(cuò)開而形成90°相位差，

如圖5-5所示。

第五十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日sincos節(jié)距2τ（2mm）節(jié)距（0.5mm）定尺滑尺第五十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日?qǐng)D9－84感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)示意圖第五十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日2．感應(yīng)同步器的工作原理

1、對(duì)滑尺上的繞組通以交流電，根據(jù)電磁原理，將在定尺繞組上感應(yīng)出電壓，定尺繞組中感應(yīng)電壓是滑尺上正弦繞組和余弦繞組所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的矢量和?；呙恳苿?dòng)一個(gè)節(jié)距，定尺上感應(yīng)電壓按余弦規(guī)律變化一周。2、由于定尺上感應(yīng)電壓變化的周期與滑尺相對(duì)定尺移動(dòng)的節(jié)距2對(duì)應(yīng)，而節(jié)距又與工作臺(tái)的實(shí)際位移x有關(guān)，從而可以間接對(duì)工作臺(tái)的位移進(jìn)行檢測(cè)，這就是感應(yīng)同步器的工作原理。

第五十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日

2.直線式感應(yīng)同步器的種類根據(jù)不同的運(yùn)行方式、精度要求、測(cè)量范圍、安裝條件等，直線式感應(yīng)同步器可設(shè)計(jì)成各種不同的尺寸、形狀和種類。（1）標(biāo)準(zhǔn)型：標(biāo)準(zhǔn)型直線感應(yīng)同步器精度高，應(yīng)用最普遍，每根定尺長(zhǎng)250mm。如果測(cè)量長(zhǎng)度超過175mm時(shí)，可將幾根定尺接起來使用，甚至可連接長(zhǎng)達(dá)十幾米，但必須保持安裝平整，否則極易損壞。（2）

窄型：

窄型直線同步感應(yīng)器中定尺、

滑尺長(zhǎng)度與標(biāo)準(zhǔn)型相同，

僅是定尺寬度為標(biāo)準(zhǔn)型的一半。

用于安裝尺寸受限制的設(shè)備，

精度稍低于標(biāo)準(zhǔn)型。

第五十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日（3）帶型：定尺的基板改用鋼帶，滑尺做成滑標(biāo)式，直接套在定尺上。安裝表面不用加工。使用時(shí)只需將鋼帶兩頭固定即可。（4）

三重型：

在一根定尺上有粗、

中、

精三種繞組，

以便構(gòu)成絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)。

第五十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日5.3.2感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器利用定尺和滑尺的兩個(gè)平面印刷電路繞組的互感隨其相對(duì)位置變化的原理，

將位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

感應(yīng)同步器工作時(shí)，

定尺和滑尺相互平行、

相對(duì)放置，

它們之間保持一定的氣隙（0.25±0.005）mm，

定尺固定，

滑尺可動(dòng)。

當(dāng)滑尺的S和C繞組分別通過一定的正、

余弦電壓激勵(lì)時(shí)，

定尺繞組中就會(huì)有感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生，

其值是定、

滑尺相對(duì)位置的函數(shù)。

第六十頁，共六十五頁，2022年，8月28日幾點(diǎn)說明：感應(yīng)同步器的測(cè)量周期為其繞組的節(jié)距2τ（2mm）感應(yīng)同步器的測(cè)量精度取決于測(cè)量電路對(duì)輸出感應(yīng)電壓的細(xì)分精度?，F(xiàn)在商品化的感應(yīng)同步器的輸出