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1、4.1 位移检测,位移是向量，是指物体或其某一部分的位置相对参考点在一定方向上产生的位置变化量。 因此位移的度量除要确定其大小外，还要确定其方向。,按被测量，位移的测量分为线位移测量和角位移测量。,按测量参数的特性，位移测量分为静态位移测量和动态位移测量。,一、位移测量的分类：,二、位移测量注意问题：,测量方向与位移方向重合,位移是指物体上某一点在一定方向上的位置变动，是矢量。,如果测量方向与位移方向不重合，则测量结果仅仅反映该 测量方向上的分量，,而不能真实反映需测位移的大小。,位移测量时，应当根据不同的测量对象，选择适当的测量点、测量方向和测量系统。,3,三、 常用的位移传感器,电阻：应变
2、、压阻、变阻。 电感：自感：变气隙、螺线管； 互感：差动变压器； 涡流。 电容：变面积、变极距、变介电常数。 霍尔元件。 光栅、光电编码盘、磁尺、激光干涉仪。 根据环境、动态特性、量程、精度、价格等参数选择。,4.1 常用位移传感器,数字信号检测系统的组成,数字信号检测系统的组成,4.2 光栅式位移检测装置,光栅数字式传感器,光栅是由很多等节距的透光的缝隙或不透光的刻线均匀、相间排列而成的光电器件。,透射式,反射式,为光栅常数，也称光栅栅距。,数字信号检测系统的组成,光栅的分类,按用途分,利用光的衍射现象，主要用于光谱分析、光波长测量。,利用莫尔条纹现象，主要用于长度、角度、速度、加速度、振动
3、等物理量的测量。,计量光栅,用于长度测量,用于角度测量,按光的走向,按栅线的形式,长光栅 - 直线位移 圆光栅 - 角位移,构成： 主光栅 - 标尺光栅，定光栅 指示光栅 - 动光栅,长度 - 测量范围； 刻线密度 - 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm ),光栅传感器的结构和工作原理,光栅传感器的结构,光栅传感器的结构和工作原理,光 路,光栅传感器的结构,按运动形式分： 直线型-主光栅为直尺形直线移动 旋转型-主光栅为圆盘形旋转运动,按光学形式分： 透射式-光源与光电元件在两侧透射光 反射式-光源与光电元件同一侧反射光,光栅传感器的结构和工作原理,光栅传感器的结构,光栅传
4、感器的工作原理,条纹宽度：,W-栅距， a-线宽， b-缝宽,W=a+b ，a=b=W/2,特例：当 =0, w1=w2 B= 光闸莫尔条纹 当 =0, w1w2 纵向莫尔条纹,莫尔条纹（Moire）,方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直 同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距 方向对应 放大性：夹角很小 BW 光学放大 提高灵敏度 可调性：夹角 条纹间距B 灵活 准确性：大量刻线 误差平均效应 克服个别/局部误差 提高精度,莫尔条纹（Moire）的特性,光栅传感器的工作原理,故 被测物体位移栅距脉冲数,光栅传感器的结构和工作原理,光栅传感器的工作原理,光栅传感器特
5、点,精度高： 测长(0.2+210-6L)m， 测角0.1 量程大： 透射式-光栅尺长（米）， 反射式-几十米 响应快： 可用于动态测量 增量式： 增量码测量 计数 断电数据消失 要求高： 对环境要求高温度、 湿度、灰尘、振动、 移动精度 成本高： 电路复杂,光栅传感器的结构和工作原理,光栅传感器的工作原理,光栅传感器的测量电路,信号,数字信号,光栅传感器的测量电路,信号的形成与转换,光栅传感器的测量电路,信号的形成与转换,标尺光栅,指示光栅,假如移动了一个栅距,得到四个信号：,光栅传感器的测量电路,信号的形成与转换,得到一对相位相差 的正交差分信号,光栅传感器的测量电路,信号放大,可得到相位
6、差分别为 ， ， 的正弦信号,光栅传感器的测量电路,位移信号,光栅传感器的测量电路,电阻链细分电路,设 ， 。则,光栅传感器的测量电路,五细分电路,光栅传感器的测量电路,信号整形,正弦信号通过电压比较器，整形为同周期的方波信号。,光栅传感器的测量电路,五细分电路信号处理过程,得到十路方波信号，其相位依次相差,光栅传感器的测量电路,五细分电路信号处理过程,信号相位每变化 就产生一个新的方波，所以得到5倍频（细分）。,光栅传感器的测量电路,五细分电路信号处理过程,得到五细分（倍频）后的 ， 正交方波。,光栅传感器的测量电路,四细分、判向逻辑,小结：,细分后的一个方波信号是原正弦信号按相位等分的五分
7、一，因此，分辨率提高了五倍。 细分后的方波信号仍是一对正交方波信号。,光栅传感器的测量电路,四细分、判向逻辑,关于正交方波信号的讨论：,位移方向信息： 正向移动时，A超前B； 反向移动时，B超前A。,位移大小信息： 相位 。,正交方波信号的状态变化规律：,结论： 正交方波信号的状态变化规律为： 正向时00、10、11、01而反向时相反 一个方波状态改变四次,光栅传感器的测量电路,四细分、判向逻辑,四细分： 一个方波内状态改变四次，记录下状态改变的次数，则一个方波又按相位被细分为四等分。 判向： 根据当前时刻和前一时刻的状态，可以判断出位移的方向。,因此，在整个位移过程中，我们只要记录下信号状态
8、的变化次数，并在正向时做加计数，反向时做减计数。可得,脉冲当量,栅距；,位移长度；,总计数值；,光栅传感器的测量电路,结果显示、打印,光栅栅距,脉冲当量、最小分辨率均为,显示数为,光栅传感器的应用,思考与讨论：,问题：怎样制作一个简易的长度、角度、速度测量系统？,3、两光电管之间的距离是多少？怎么调节？,2、长度的最小分辨率怎么考虑？,1、角度的最小最少分辨率约是多少？,4、怎样得到速度？,思考,1、什么叫正交信号？有什么特点？ 2、光栅产生的莫尔条纹有那些特点？ 3、光栅测量位移（大小、方向）的原理。 4、拟对一位移量进行测量，试给出测量方案，并说明其道理。,4.3 光电盘和编码盘,制造精度
9、较低，只能测增量值，易受环境干扰，多用于简易型和经济型数控设备。,光电盘的工作原理,一、光电盘,二、编码盘 (1)光电式编码盘工作原理,广泛应用的编码式数字传感器； 把被测转角直接转换成相应代码。,四位二进制码盘,(2) 提高分辨率的措施 循环码盘,任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化。 换成循环码R的法则是右移一位后舍去末位，做不进位加法：,循环码盘, 带判位装置的循环码盘,最低位即最外侧码道之外增加一圈信号位，其位置与状态交线互相错开。 信号位有信号才能读数，不会产生非单值性误差。,带判位装置的循环码盘,4.4 激光,激光的特性： 高相干性 相干波是指两个相同振动方向、相同频率和相位差固
10、定的波。受激辐射光, 相干。 高方向性 发散角很小。可以向指定方向集中发射。 高单色性 谱线宽度很窄。氦氖激光器，波长=632.8nm，谱线宽度10-8nm。 高亮度 光能在空间高度集中，有效功率和照度特别高。 广泛应用于长距离，高精度的位移测量。,定尺上绕组连续,滑尺分为正弦和 余弦两相绕组,4.5 感应同步器,一、结构：定尺（固定部件）和滑尺（运行部件）两部分， 其上各有绕组。,直线式感应同步器的结构,绕组是由辐射状的导片组成。转子上的绕组是单相连续绕组，其径向导片数也称为极数。定子绕组是分段绕组，分为正弦和余弦两大组，交替排列，各自串联形成两相绕组。 直径越大，精度越高。,旋转式感应同步
11、器的结构,定子,转子,二、分类：直线式和旋转式,极距是相邻金属片中心 线间的距离。节距L = 2， 也称检测周期。正弦绕组s 和余弦绕组c相距3L / 4 。 定尺绕组通交流电激磁， 产生一个多极的脉振磁场， 磁极之间的距离是，磁场 分布周期是节距L 。脉振磁场 在滑尺绕组上产生感应电势，有 效值随滑尺位移作周期性变化， 周期为节距L 。,三、直线式感应同步器的工作原理,正弦绕组s和余弦绕组c中的感应电势有效值Es和Ec分别是位移x的正弦函数和余弦函数，正、余弦函数的幅值为Em。,因为L=2，所以有,感应同步器的电势有效值示意图,感应电势的瞬时值 设激磁电压为,则正弦绕组s和余弦绕组c中感应电
12、势的瞬时值 和 为,当转子单相绕组激磁时，形成的磁极个数与径向导片数N 相等，而极对数p为,两相邻导片间的夹角称为极距 ：,取正弦绕组输出电压有效值 为零时的转子位置作为电气零位，感应同步器转子从基准电气零位起始的角位移称为转子转角，记为,若激磁电压仍为 ,则正、余弦绕组s和c中感应电势的瞬时值分别为,三、旋转式感应同步器的工作原理,四、关于感应电势的几个结论,当单相连续绕组加激磁电压 时，无论是直线式感应同步器，还是旋转式感应同步器，它们的正弦绕组s和余弦绕组c中的感应电势都是正余弦交变电势，频率与激磁电压相同，相位与激磁电压相差900，它们的有效值瞬时值可以统一表示为,有效值,瞬时值,对于
13、直线式感应同步器,对于旋转式感应同步器,当正弦绕组s和余弦绕组c中分别换上有效值为U的正弦（或余弦）交流激磁电压时，它们在单相连续绕组中感应的电势的有效值分别（下标2表示副端）,无论是单相绕组激磁，感应电势都属于同频率的正弦电势，感应电势与激磁电压的相位差是 。一般取感应电势超前激磁电压。,五、感应同步器的信号处理,需要解决的几个问题： 1）正余弦函数在一个周期的范围内，函数值和角度间并不是单值对应关系。对于感应同步器的输出电压和电角度e之间也同样如此。 2）当电角度超出一个周期的范围，即线位移和角位移大于2个极距，这时必须记录、变化周期的个数才能确定电角度。 3)输出电压的误差大，但要求的测
14、量精度很高。为了解决这些问题，就需要对感应同步器输出绕组的信号进行适当处理。,感应同步器有鉴相型和鉴幅型信号处理方式 1.鉴相型处理方式 鉴相型处理方式又称鉴相工作状态，它是根据输出电势的相位来鉴别电角度。它又分为单相激磁和两相激磁两种方式，但输出信号是相同的。,两相激磁式 ：在感应同步器正弦绕组s、余弦绕组c上施加幅值和频率相同、相位差为900的交流激磁电压us和uc。即,两个激磁绕组在单相绕组上感应的电势分别为,应用迭加原理可知单相绕组总感应电势 为,此时输出电势的幅值是一个不变的常值，而输出电势的相位改变量等于电角度e。因此通过输出的电势信号的相位改变量就可以知道电角度e，从而可以求出对
15、应的线位移或角位移。,单相激磁式 这时感应同步器的单相绕组加激磁电压,将正弦绕组输出电势移相后再与余弦绕组的相加作为输出电势。,移相 后得,2.鉴幅型处理方式 -鉴幅工作状态，根据输出信号的幅值鉴别电角度e。 单相激磁和两相激磁两种方式 两相激磁式 两相激磁电压的幅值要按一定规律变化，具体加至正、余弦绕组的激磁电压为,激磁电压的幅值为某一角度1的余弦和正弦函数，其中1称为指令位移角，是已知的。单相绕组的总感应电势为,当鉴别出输出电势的幅值为零或使其为零时就说明 ,因此有 (k为零或整数)。如能确保k=0,则 ，因1是已知的，所以就可确定e。这种求e的方法称为鉴幅型处理方法或鉴零工作状态。,单相激磁式 在单相绕组中加激磁电压 在正弦绕组s和余弦绕组c中的感应电势分别为,然后将它们送入函数变压器或其它装置中进行变换 ，再送入加法器相加后作为输出信号。,感应同步器有几种信号处理方式？简要说明工作原理,练习题,那么，若求出e，就可求出线位移x或角位移。,1.鉴相型数字编码装置,感应同步器把位移转换成模拟信号，而编码装置的任务就是对模拟信号进行数字编码，编码装置也叫数显表。,测量原理：鉴相工作状态时感应同步器输出的电压信号的表达式为,六、感应同步器编码装置,编码的原理：将被测正弦信号e2与同频率的基准正弦
