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1、机、电类传感器与检测技术项目教程模块十、数字式位移检测 课件统一书号：ISBN 978-7-111-48817-0课程配套网站www.sensor-或 2015年2月第1版,（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）,本模块介绍“数字式位移传感器” 的基本概念、大位移的测量方法、角编码器、光栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器，并讨论了它们在直线位移和角位移精密测量以及机床位置控制中的应用。还介绍了电梯平层的要求及方法。,内容简介,今天是：2017年12月30日星期六,模块九、小位移检测（上） 目录,知识链接 位置检测方式项目一、角编码器项目二、光栅传感器项目三、磁栅传感器项目四、容栅传感器拓展阅读
2、电梯平层,現在時間是：05:57,知识链接 位置检测方式,位置测量主要是指直线位移和角位移的精密测量。数字式位置传感器按测量方式有直接测量和间接测量之分；按测量原理分，有增量式测量和绝对式测量之分。,一、直接测量和间接测量,若位置传感器所测量的对象就是被测量本身，即：直线式传感器直接测量直线位移，旋转式传感器直接测量角位移，则该测量方式为直接测量。例如用长光栅和长磁栅测量直线位移等。,若旋转式位置传感器测量的回转运动只是被测量的中间值，再由测量结果推算出与之关联的运动部件的直线位移，则该测量方式属于间接测量。例如用角编码器测量出机械丝杠的旋转角度，再计算丝杠上的螺母的直线位移。,图10-1 直
3、接测量和间接测量示意图a）直接测量 b）间接测量1导轨 2运动部件 3直线式位置传感器的随动部件 4直线式位置传感器的固定部件5旋转式位置传感器 6丝杠-螺母副 7电动机,7,直接测量示意图,光栅读数头,光栅尺,随动刀具,8,间接测量示意图,随动刀具,直接测量,回转工作台旋转运动,利用角位移传感器直接测量工作台的角位移,直接利用数字式直线位移传感器测量直线加工机床的直线位移量,直接测量不会产生转换误差,+x,工作台运动方向,光栅,间接测量,在间接测量中，多使用旋转式位置传感器。测量到的回转运动参数仅仅是中间值，但可由这中间值再推算出与之关联的移动部件的直线位移。 间接测量须使用丝杠-螺母副、齿
4、轮-齿条副等传动机构，将旋转运动转换为直线运动。,工作台,丝杠,编码器,进给电动机(伺服或步进),x,齿轮-齿条副的位移转换演示,.,例：设齿轮的分度圆直径为200mm ,齿数z=100,传感器测得齿轮转过了 =180度。求：1）所转过的齿数N；2）齿条的齿距t；3)齿条所移动的距离 x。,齿轮,齿条,-x,齿条为直线运动，齿轮作旋转运动,+x,解： 1）所转过的齿数N=(z360) =(100/360)180 =50 2）齿条的齿距 t=D/z=6.28mm；,3）齿条所移动的距离x=N t=506.28=314mm.测出齿轮的角位移,就可测得齿条的直线位移,D,传动机构,滚珠丝杠-螺母副、
5、齿轮-齿条副等传动机构能够将旋转运动转换成直线运动。但应设法消除传导过程产生的间隙误差。,齿距t,齿条,齿轮,x,滚珠丝杠螺母副,滚珠丝杠-螺母副能够减小传动磨檫力，延长使用寿命，减小间隙误差。,螺母,丝杠,x,平均螺距误差大于10m,传动分析,设：螺距t=4mm，丝杠在4s时间里转动了10圈，求：丝杠的平均转速n(r/min)及螺母移动了多少毫米？螺母的平均速度v又为多少？,滚珠螺母,丝杠,螺距t=4mm,x,N=10圈时， =？度,x=？mm,齿轮-齿条副、螺母丝杆副等直线-旋转转换设备均存在间隙误差,特别是从正转切换到反转时,间隙将导致测量死区,必须予以补偿。,例10-1 若丝杠的螺距t
6、 =6.00mm（当丝杠转一圈360时，“单线螺母”或“单头螺母”移动的直线距离为6.00mm），旋转式位置传感器测得丝杠的旋转角度为7290，求螺母的直线位移x。,解 螺母的直线位移x=(7290/360)6mm =121.50mm,1导轨 2运动部件 5旋转式位置传感器 6丝杠-螺母副 7电动机,【丝杠-螺母副位移转换填表训练】,丝杠-螺母副（单线）在10s时间里运动的数据如下，请分析、填空（最少保留三位有效数字）,表10-1 数字式位置检测传感器的分类及特点,表10-1 数字式位置检测传感器的分类及特点（续）,二、增量式测量与绝对式测量,（1）增量式测量：运动部件每移动一个基本长度单位，
7、位置传感器便发出一个输出脉冲。一个脉冲所代表的基本长度单位就是分辨力。计数器对脉冲进行计数，便可得到位移量。,光源,（1）增量式测量（续）,例10-2 在图10-1a中，若增量式测量系统的每个脉冲代表0.01mm，在10s时间里，长光栅传感器发出2000个脉冲，求：1）工作台的直线位移x（机床行业习惯使用的单位为：mm）。2）运动速度v（机床行业习惯使用的单位为：m/min）。解 1）根据题意，工作台每移动0.01mm，长光栅传感器便发出1个脉冲，计数器就加1或减1。当计数值为2000时，工作台移动了x =20000.01mm =20.0mm。2）v=x/t=20.0mm/(10s)=2.00
8、mm/s=0.12m/min。增量式位置传感器必须有一个零位标志，作为测量起点的零位标志。典型的增量式位置传感器有增量式光电角编码器、增量式光栅等,增量式传感器工作原理分析,在增量式测量中，移动部件每移动一个基本长度单位，位置传感器便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式。这样，一个脉冲所代表的基本长度单位就是分辨力，对脉冲计数，便可得到位移量。,增量式测量得到的脉冲波形,（2）绝对式测量,每一被测点都有一个对应的编码,常以二进制数据形式来表示（例如:10 1011 0010）。即使断电之后再重新上电,也能读出绝对式测量传感器当前位置的数据。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。,项目一 角
9、编码器,项目教学目标】 知识目标1了解接触式角编码器的原理与编码方法。2了解绝对式和增量式光电角编码器的工作原理。 技能目标1掌握绝对式角编码器的分辨率与分辨力的计算。2掌握增量式角编码器的分辨率与分辨力的计算。3掌握增量式角编码器的M法测速计算。,任务一 认识角编码器,角编码器是一种旋转式位置传感器，它的转轴通常与被测旋转轴连接，随被测轴一起转动。角编码器能将被测轴的角位移转换成二进制编码（绝对式角编码器）或一串脉冲（增量式角编码器）。,混合式角编码器（不仅输出格雷码，同时还输出增量式脉冲信号），可以同时测量转子的空间位置与转速。,光栅板,一、绝对式角编码器（将被测角度直接进行编码）,根据内
10、部结构和检测方式的不同，有接触式、光电式、磁阻式等形式。常用的角编码器是光电式。1接触式角编码器的结构在一个不导电基体上，制造出许多有规律的导电金属区，图中的涂黑部分为导电区，用电平“1”表示，其他部分为绝缘区，用电平“0”表示。图中的码盘分成4个输出码道，在每个码道上都有一个电刷，电刷经取样电阻R0R3接地，信号从电阻的“热端”（非接地端）取出。,图10-2 4位二进制接触式码盘a）电刷在自然二进制码盘上的位置 b）4位自然二进制码盘 c）4位格雷码码盘1码盘 2转轴 3导电体 4绝缘体 5电刷 6激励公用轨道（接电源正极）,表10-2 4位十进制数与自然二进制码以及格雷码的对照表,绝对式编
11、码器（接触式）演示,4个电刷,4位二进制码盘,+5V输入 公共码道,最小分辨角度为=360/2n =36016=22.5,2角编码器的分辨力与分辨率,二进制的位数等于码道的圈数（不包括最里面的公用轨道）。高位在内，低位在外。M位二进制码盘就有M圈码道，且圆周被均分为2M个区域，分别表示不同的角度位置，所能分辨的角度（即分辨力）为=360/2M （10-1）分辨率=1/2M （10-2）例10-3 求12码道绝对式角编码器的分辨力。解 12码道的绝对式角编码器的圆周被均分为212=4096个位置数，所以能分辨的角度：=360/212=5.27,3绝对式光电角编码器的结构,图10-3 绝对式光电角
12、编码器a）12码道光电码盘的平面结构 b）4码道光电码盘与光源、光敏元件的对应关系 c）外形,绝对式光电编码器结构,a）光电码盘的平面结构（8码道） b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道）,高位,低位,光电式角编码器的特点,码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，在玻璃上沉积很薄的刻线，按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。当光源将光投射在码盘上时，通过亮区的光线由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区的光敏元件输出为“1”，暗区的输出为“0”。当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出格雷码，代表码盘轴的角位移的大小。不锈钢光电码盘要玻璃码盘抗振性好。现在也采用
13、透明树脂片镀膜刻蚀，强度比玻璃码盘高。光电码盘没有接触磨损，寿命长，允许转速高。角编码器信号输出有并行输出、串行输出、总线型输出等。由于并行信号连接线较多。高位数及多圈角编码器多数采用串行或总线型输出。,光电脉冲角编码器示意图,34,放大、整形,绝对式角编码器,绝对式码盘与增量式码盘有何区别？,10码道光电绝对式码盘,绝对式角编码器按照角度直接进行编码。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式、磁阻式等。,透光区,不透光区,零位标志,绝对式测量角编码器,每一个微小的角位移都有一个对应的编码，常以二进制数据形式来表示。在绝对式测量中，即使中途断电，重新上电之后，当前位置的二进制编码数据仍然不变。,
14、1,0,绝对式角编码器,自然二进制码或格雷码,0,1,其他角编码器外形,其他角编码器外形（续）,其他角编码器外形（续）,拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。,E1050-14绝对式角编码器的特性参数,.,4多圈角编码器,当图10-3所示的绝对式光电码盘转动超过360时，编码又回到原点，称为单圈绝对式角编码器。如果测量旋转超过360，在断电时，可以用锂电池来保持对旋转圈数的记忆（但不允许在断电后再旋转一圈以上）。,也可以采用类似于钟表的齿轮结构来记忆圈数，称为多圈绝对式角编码器。还可以在图10-3所示的码盘的内圈，增加粗码刻度，可以做到在4096圈之内不重复输出。,5绝对式角编码
15、器的RS485接线,图10-4 绝对式角编码器与用户端的RS485通信电路表10-4 10码道角编码器的接线颜色,屏蔽线的屏蔽层接到设备的外壳,二、增量式角编码器,1增量式光电角编码器的结构,图10-5 增量式光电角编码器结构示意图(放大图见下页),a）外形 b）内部结构 c）扫描孔板与码盘、光电接收器之间的对应关系 1转轴 2发光二极管 3扫描孔板（光栏板） 4零位标志光槽（Z）5零位光敏元件 6码盘 7电源及信号线连接座 8聚光透镜,图10-5 增量式光电角编码器结构示意图,增量式光电角编码器的结构（续）,b）内部结构1转轴 2发光二极管 3扫描孔板（光栏板） 4零位标志光槽（Z）5零位光敏元件 6码盘 7电源及信号线连接座 8聚光透镜,增量式编码器结构,转轴,盘码及狭缝,光敏元件,光栏板及辨向用的A、B狭缝,LED,A,B,C,零位标志,
