《自动检测技术及应用 教学课件 ppt 作者 梁森 1_ 11-1检测课件（第十一章,第1~5节）2013-3-19》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动检测技术及应用 教学课件 ppt 作者 梁森 1_ 11-1检测课件（第十一章,第1~5节）2013-3-19（125页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/5/21,1,机电类 自动检测技术 第十一章（15节） 多媒体课件 统一书号：ISBN 978-7-111-40710-2 课程配套网站 www.sensor- 或 2013年1月版,介绍几种常用数字式位置传感器的结构、原理，如角编码器、M法测速、光栅传感器、莫尔条纹、磁栅传感器、容栅传感器等，并讨论他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。,第十一章 数字式位置传感器,11.1 位置测量方式 11.2 角编码器 11.3 光栅传感器 11.4 磁栅传感器 11.5 容栅传感器,第十一章 数字式位置传感器 目录,第一节 位置测量的方式,一、直接测量和间接测量,位置传感器
2、有直线式和旋转式两大类。若位置传感器所测量的对象就是被测量本身，即用直线式传感器测直线位移，用旋转式传感器测角位移，则该测量方式为直接测量。例如直接用于直线位移测量的直线光栅和长磁栅等；直接用于角度测量的角编码器、圆光栅、圆磁栅等。 若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值，再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移，则该测量方式为间接测量。,5,直接测量 示意图,光栅读数头,光栅尺,随动刀具,6,间接测量 示意图,随动刀具,7,2019/5/21,8,1.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 测量直线机床的位移量,直接测量没有转换
3、误差,光栅,工作台运动方向,2.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、齿轮-齿条副等传动机构。,工作台,丝杠,编码器,进给电机,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
4、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、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，
5、=？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。,二、增量式和 绝对式测量,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。,绝对式测量的特点是： 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。,增量式测量得到的脉冲波形,第二节 角编
6、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或一连串脉冲。角编码器有两种基本类型：绝对式角编码器和增量式角编码器。,光电脉冲角编码器示意图,17,一、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。,1,0,绝
7、对式角编码器,自然二进制码 或格雷码,0,1,绝对式编码器（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,其他角编码器外形 （参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司光盘资料）,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。,2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,绝对式光电码盘与增量式码盘的区别,绝对式光电码盘（12码道） 增量式光电码盘（1024位）,高位,低位,绝对式光电编码器的分辨力及分
8、辨率,绝对式光电编码器的测量分辨力取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道数n 有关，即最小能分辨的角度为： =360/2n 分辨率=1/2n,增量式光电编码器的分辨力及分辨率,增量式光电编码器的测量分辨力取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n 有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：,2019/5/21,28,E1050-14 绝对式 角编码器的 特性参数,.,二、增量式编码器,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,A,B,C,分辨力360/条纹数 例：条纹数1024,360/10240.352,增量式光电编码器 的内部结
9、构,1转轴 2LED 3光栏板 4零标志 5光敏元件 6码盘 7印制电路板 8电源及信号线连接座,增量式编码器（INC）,辨向原理,光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90相位。当码盘正转时，A信号超前B信号90；当码盘反转时，B信号超前A信号90。,LED,光栏板及 A、B狭缝,cos,sin,C：零位检测,光电编码器的两个“辨向元件”,光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个狭缝距离W的(m +1/4)倍,m 为正整数,并设置了两组光敏元件A、B,有时又称为cos 、 sin元件。,W,(m +1/4)W,A相位超前B :90 （1/4周期）,例:W=1mm,cos与sin元件的距离可以是6.2
10、5或8.25mm等,两路光电信号判断旋转方向,A超前于B，判断为正向旋转， A也称为cos信号； B也称为sin信号。,A滞后于B，判断为反向旋转,辨向信号和零标志,光电编码器的光栏板上有A与B两组狭缝，彼此错开1/4节距，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号A、 B彼此相差90相位，用于辩向（辨别旋转方向）。当码盘正转时，A信号超前B信号90；当码盘反转时，B信号超前A信号90。 (请画出反转时信号B的波形）,在码盘里圈，还有一根狭缝C，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。,零标志（一转脉冲）波形及作用,一转（360）,C,C,在码盘里圈，有一条狭
11、缝C，码盘每转一圈，产生一个脉冲。该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准（0） 。,A,B,C,90,三、角编码器的应用,角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外，还可用于数字测速（转速、直线位移速度）、工位编码、伺服电机控制等。,M法测速和T法测速,a）M法测速 b）T法测速,M法测速（适合于高转速场合）,m1,编码器每转产生 N 个脉冲，在ts时间段内有 m1 个脉冲产生，则转速（r/min)为 ： n = 60m1/(NT)1,ts,M法门控测速电路,先利用施密特触发器将角编码器的输出脉冲三角波转换为矩形波。当与门的C端为高电平时，b端的信号可以通过与门，到达
12、d端，然后单片机进行计数，得到m1个计数结果。,M法测速的计算,在一定的时间间隔ts内（ ts =t 闸门= t门控，如10s、1s、0.1s等），用编码器所产生的脉冲数来确定速度的方法称为法测速。 若编码器每转产生N个脉冲，在ts的闸门时间间隔内得到m1个脉，则编码器所产生的脉冲频率为,则转速n（单位为r/min）为,1误差简述,M法测速的本质是测频。误差主要由两个因素决定： 一是闸门时间ts的误差，可以使用晶振来提高闸门时间的准确性； 二是量化误差，又称为1误差，见下图，原理见后述。,ts,2）产生1误差的原因：测频时，计数脉冲通过闸门进入计数器。由于闸门开启时刻（秒信号的上升沿）和被测计
13、数脉冲上升沿到来的时刻之间的关系是随机的,有可能在第二个t闸门时间里，比在第一个t闸门时间多计数了一个脉冲，或少计数了一个脉冲,就造成了误差。,ts,例 某角编码器的技术指标为1024个脉冲/r（即N1024P/r =1K），在0.2s时间内，测得100个脉冲，即ts=0.2s，m=100，求：,1）转速n；2）1误差引起的转速测量误差为多少r/min。3）如果将ts延长到1s，求1误差引起的转速测量误差为多少r/min。 解 1）角编码器轴的转速n为,3）如果将ts延长到1s，m必然增加到500，则,结论：采样时间为1s时计算得到的转速，与在0.2s时间内测得的转速相同，但1个脉冲引起的误差
14、显然缩小。,2）由于1误差，在ts时间段里，计数得到的脉冲数m=1001个脉冲，则,M法测速计算,T,例：有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r， 在5s时间内测得65536个单向脉冲，求：转速n（r/min) 解：n = 6065536 1024 5= 768 r/min,T法测速（适合于低转速场合）,时钟脉冲fc,编码器输出脉冲,m2,编码器每转产生 N 个脉冲，用已知频率fc作为时钟，填充到角编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为m2个，则转速(r/min)为 n = 60fc / (Nm2 ),T法测速举例,时钟脉冲fc,编码器输出脉冲,m2,解：n = 60fc /(Nm2 )
15、 = 60106(10243000) =19.53 r/min,例：有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r ，插入时钟频率fc为1MHz。测得输出两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，求转速n（r/min),安装套,编码器的安装方式,1.编码器的套式安装,安装轴,2.编码器的轴式安装,编码器在伺服电机中的应用,利用编码器测量伺服电机的转速、转角，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数。,转速测量 转子磁极位置测量 角位移测量,编码器在伺服电机中的应用,a）外形 b）控制系统框图 1 电动机转子轴 2电动机本体 3光电编码器4三相电源连接座 5光电角编码器输出（航空插头）,增量式编码器在定位加工中的 应用（例1，增量式）,1绝对式编码器 2电动机 3转轴 4转盘 5工件 6刀具,设该增量式光电编码器的参数为1024 p/r，大、小皮带轮的传动比为5，若希望当加工好元件3后紧接着加工元件4，则电动机应转动多少分之几圈？应等待角编码器给出多少脉冲数时，电动机停转？,绝对式编码器在定位加工中的应用 （例 2，绝对式计算）,1绝对式编码器 2电动机 3转轴 4转盘 5工件 6刀具,设工位1刚已完成加工，要使处于工位2上的工件转到加工点等待
