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1、传感器及应用 第3章,要点： 1.角编码器的类型、结构、特性、应用方法及注意事项 2.感应同步器的结构、类型及应用方法 3.光栅传感器的原理及安装与调整 4.磁栅传感器的类型、原理及组装 5.光栅传感器的细分与辨向 6.接近传感器的类型、选择与应用,第3章 位移传感器在制造业中的应用,精密的位移传感器又常称为位置传感器。数字式位置传感器广泛地用来改造旧机床、装备新机床。普通机床配装数显装置后，可以满足绝大多数零件的加工精度要求；并且特别适于加工复杂形状零件、腔体类异形零件、大型零件和有分度要求的零件等。,3.1 角编码器及应用 3.2 感应同步器及应用 3.3 光栅传感器及应用 3.4 磁栅传
2、感器 3.5 容栅传感器,3.6 球同步器 3.7 数显表与数显量具 3.8 接近传感器及应用 3.9 传感器在MPS系统中的应用 3.10 无损探伤,主要内容,主要内容 1.角编码器的类型、原理、结构、应用 2.感应同步器的类型、原理、结构、应用, 3.1 角编码器及应用 3.2 感应同步器及应用,3.1 角编码器及应用 数字式编码器包括码尺和码盘。码尺用于测量直线位移。码盘即角编码器，它不仅可直接测量角位移，而且可间接测量直线位移，因此应用广泛。按照编码器的输出形式，可分为绝对码编码器和增量码编码器。,式中n为码道数。,3.1.1 角编码器的原理与结构 1.绝对式角编码器,绝对式编码器将被
3、测点的绝对位置转换为二进制（或BCD码、格雷码）的数字编码输出。其结构和原理可分为,接触式、光电式和电磁式几种。,光电式绝对角编码器原理示意图如图3-1所示。其角分辨力为,2.增量式角编码器 如图3-2所示，增量式光电码盘是在玻璃、金属或塑料圆盘的整周刻上放射状的透光栅线，并按一定模式刻上确定零位标志的光栅线或制成绝对位置定位码。它是以脉冲数字形式输出当前状态与前一状态的差值，即增量值，然后用计数器计取脉冲数。因此它需要规定一个脉冲当量，即一个脉冲所代表的被测物理量的值。,例如，用增量式光电编码器或光栅测量直线位移，若当量值为0.01mm，计数值为200，则位移为2.00mm，分辨力为0.01
4、mm。,若码盘每周的刻线数为n，则增量式角编码器的角分辨力仍可以表示为：,被测量就等于当量值乘以自零位标志开始的计数值，其分辨力即为脉冲当量值。,3.角编码器的结构 如图3-3所示为USR型增量式光电角编码器的结构示意图。其外径为160mm，包括输入轴的总长度为85mm。,图3-3 光电式角编码器 结构示意图 1-刻度盘 2-光源部分 3-输入轴 4-轴底部 5-支柱 6-脉冲圆盘 7-前置放大器 8-引线 9-光敏元件,3.2.2 角编码器的应用与注意事项 1.用光电旋转编码器控制机床的纵向进给速度 如图3-4所示，将光电旋转编码器安装在机床的主轴上来控制机床的纵向进给速度。,图3-4 机床
5、纵向进给速度控制原理图 1光电旋转编码器 2纵向进给丝杆 3丝杆进给电动机,2.角编码器的使用注意事项 旋转编码器由精密器件构成，当受到较大的冲击时，可能会被损坏，使用时应充分注意。 （1）安装 安装时不要给轴施加直接的冲击，编码器轴与机器的连接，应使用柔性连接器。在轴上装连接器时，不要硬压入。 轴承寿命与使用条件有关，受轴承荷重的影响特别大。如轴承负荷比规定荷重小，可大大延长轴承寿命。 不要将旋转编码器进行拆解，这样做将有损防油和防滴性能。另外，防滴型产品不适宜长期浸在水、油中，表面有水、油时应擦拭干净。,（2）避免振动 加在旋转编码器上的振动，往往会成为脉冲误发生的原因。分辨力越高的旋转编
6、码器，越易受到振动的影响。在低速旋转或停止时，因振动可能会发生误脉冲。使用单型时，若在信号的上升、下降附近静止，则会因振动产生错误脉冲，造成错误计数。此时，若组合可逆型和加减法计数器使用，可防止累积错误脉冲计数。 （3）正确配线和连接 误配线可能会损坏内部回路。 配线应在电源OFF状态下进行。 配线时应充分注意电源的极性等。 和高压线、动力线分开另行配线。 延长电线时，应在10m以下。延长电线应用电阻小、线间电容低的电线(双绞钱、屏蔽线)。 要尽量用最短距离配线以避免感应噪声等。,（4）忌用兆欧表测试。 （5）噪声抑制 电缆配线不要与动力线平行及同在一个管道内配线。控制盘内的继电器、开关等发生
7、的火花，应尽量用电容及浪涌吸收器件将其除去。应避免放在电焊接机、电炉等附近使用，或者采用屏蔽电磁的对策。电缆延长时，务必使用屏蔽电缆。编码器外壳与控制盘箱体之间存在电位差时，可能会由于噪声引起误动作，在此情况下，需在两者间用35.5mm2的电线连接。因旋转编码器与外围机器关系的不同，噪声影响的不同，接地要求各不相同。一般的接也方法如表3-1所示。,表3-1 旋转编码器接地方法,3.2 感应同步器及应用 感应同步器是应用电磁感应原理来测量直线位移和角位移的一种精密传感器。由于感应同步器是一种多极感应元件，对误差起补偿作用，所以具有很高的精度。 感应同步器的优点是：对环境温度、湿度变化要求低，测量
8、精度高，抗干扰能力强，使用寿命长和便于成批生产和包装运输等。目前，感应同步器广泛应用于程序数据控制机床和加工测量装置中。,3.3.1 感应同步器的结构和种类 感应同步器分旋转式和直线式两种，前者用来检测旋转角度，后者用来检测直线位移。感应同步器的结构都包括固定和运动两部分，对于旋转式分别称为定子和转子；对于直线式，则分别称为定尺和滑尺。,1.直线式感应同步器的结构 直线式感应同步器的定尺和滑尺，都由基板、绝缘层和绕组构成，绕组的外面包有一层与绕组绝缘的接地屏蔽层。如图3-5所示，定尺安装在静止的机械设备上，与导轨母线平行；滑尺安装在活动的机械部件上，与定尺之间保持均匀的狭小气隙，可相对于定尺移
9、动。,直线式感应同步器定尺和滑尺的基板采用铸铁或其他钢材做成。这些钢材的线膨胀系数应与安装感应同步器的床身的线膨胀系数相近，以减小温度误差。,定尺和滑尺印制电路绕组,图3-6 定尺和滑尺绕组结构 a)定尺绕组 b)滑尺绕组,2.直线式感应同步器的种类 （1）标准型：标准型直线感应同步器精度高，应用最普遍，每根定尺长250mm。如果测量长度超过175mm时，可将几根定尺接起来使用，甚至可连接长达十几米，但必须保持安装平整，否则极易损坏。 （2）窄型：窄形直线同步感应器中定尺、滑尺长度与标准型相同，仅是定尺宽度为标准型的一半。用于安装尺寸受限制的设备，精度稍低于标准型。 （3）带型：定尺的基板改用
10、钢带，滑尺做成滑标式，直接套在定尺上。安装表面不用加工。使用时只需将钢带两头固定即可。 （4）三通道型：在一根定尺上有粗、中、精三种绕组，以便构成绝对坐标系统。,3.2.2 感应同步器数显表及其应用 如图3-7所示，感应同步器鉴幅位移测量装置由感应同步器和数显表两部分组成，前置放大器、匹配变压器与感应同步器一起安装在机床上。,图3-7 直线感应同步器数显装置系统联接示意图,感应同步器鉴幅测量系统工作原理,图3-8 感应同步器鉴幅测量系统方框图,3.2.3 感应同步器在镗床上的应用,图3-9 数显卧式镗床外形图 1纵向座标滑尺 2纵向座标定尺 3垂直座标滑尺 4垂直座标定尺 5数显表 6弯管,小
11、结： 1.角编码器 （1）绝对式角编码器的原理与特点 （2）增量式角编码器的原理与特点 （3）角编码器结构尺寸 （4）角编码器控制机床纵向进给速度的方法 2.感应同步器的类型、原理、结构、应用 （1）感应同步器结构 （2）感应同步器的类型 （3）感应同步器测量位移的原理 （4）感应同步器在机床上的应用 作业：3-1、3-2、3-3,主要内容 1.光栅传感器 （1）光栅的类型与结构 （2）莫尔条纹的形成原理和特点 （3）光栅的安装与调整 2.磁栅传感器 （1）磁栅传感器的类型 （2）磁栅传感器的原理 （3）磁栅传感器的结构 （4）磁栅传感器的组装, 3.3 光栅传感器及应用 3.4 磁栅传感器及
12、应用,3.3 光栅传感器及应用 光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种脉冲输出数字式传感器，它广泛应用于数控机床等闭环系统的线位移和角位移的自动检测以及精密测量，测量精度可达几微米。只要能够转换成位移的物理量，如速度、加速度、振动、变形等，均可用光栅传感器测量。,3.3.1 光栅的类型与结构 实际应用的光栅有透射光栅和反射光栅，按其工作原理可分为黑白光栅（辐射光栅）和相位光栅（炫耀光栅）；按其用途可分为直线光栅和圆光栅。,主要内容： 1.光栅的类型与结构 2.莫尔条纹的形成原理和特点 3.光栅的安装与调整,黑白透射直线光栅是在镀有铝箔的光学玻璃上，均匀地刻上许多明暗相间，宽度相同的透光线，称为
13、栅线。栅线宽和线间缝宽总称为光栅节距(栅距)W。目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250线。使用时，长光栅装在运动部件上，称为标尺光栅;短光栅装在固定部件上，称为指示光栅。,直线黑白透射光栅副,a） b） 图3-10 直线黑白透射光栅副及光学系统图 1光源（LED） 2标尺光栅 3指示光栅 4光敏三极管 5零位光栅（ABS标记）,图3-11 莫尔条纹原理 a）莫尔条纹的形成,3.3.2 莫尔条纹的形成原理和特点,1.莫尔条纹的形成原理,如图3-11所示，当两个有相同栅距的光栅合在一起，其栅线之间倾斜一个很小的夹角，于是在近乎垂直于栅线的方向上出现了明暗相间的条纹。像这样近似垂直
14、于栅线方向（只差/2角）的莫尔条纹称为横向莫尔条纹。,2.莫尔条纹的宽度,图3-11 莫尔条纹原理 b）莫尔条纹的宽度,3.莫尔条纹的特点 对位移的光学放大作用。 连续变倍的作用。 对光栅的刻线的误差均衡作用。例如对50线/mm的光栅（W=0.02mm），用5mm5mm的光电池接收，光电池视场内覆盖250条栅线。若每条刻线误差为0=0.001mm，则平均误差=0/=0.06m。,4.莫尔条纹的移动方向 莫尔条纹移动时的方向和光栅夹角的关系见表3-2。,5.莫尔条纹测量位移的原理 光栅每移过一个栅距W，莫尔条纹就移过一个间距B。通过测量莫尔条纹移过的数目，即可得出光栅的位移量。,X=NW,只要测
15、量固定在指示光栅一侧的光电转换元件的输出波形变化的周期数N（等于莫尔条纹移动数）就可知道光栅的位移量X，其数学表达式为,3.3.3 直线光栅在机床上的安装与调整 1.直线光栅在机床上的安装,（1）光栅组件的尺寸和安装数据,如图3-14所示，1为读数头外壳铸件，2为标尺架，3为将标尺壳固定到燕尾板上的安装螺丝，4为对准托架，5为燕尾板。,（2）光栅组件的安装要素,图3-14 AR5光栅组件安装要素,（3）光栅组件在机床的纵向坐标上安装的两种方法,图3-15 纵向坐标上安装的两种方法 a)读数头加垫 b)燕尾板加垫,在读数头和滑板之间加垫和在燕尾板和滑板之间的每一安装孔下加垫，以使燕尾板远离工作台
16、。,（4）光栅组件在机床毛面上的安装,图3-16 在毛面上安装的方法 1顶起螺丝 2安装压紧螺丝 3基板,采用如图3-16所示的顶压螺丝方法。,（5）在机床上安装组件的两种方法 图a为在滑块上有足够的安装面，直接用垫块支撑并经螺钉顶起读数头。图b为在滑块上没有足够的安装面，在滑块上安装一个支架支撑并经螺钉顶起读数头。,图3-17 在机床上安装组件的两种方法 1一垫块 2一滑座 3一工作台 4支架,2.光栅信号的调整 光栅信号的调整包括光量调整、直流偏移调整和相位调整等，其中最重要的是相位调整。,图3-18 读数头电路原理图,（1）光栅尺的安装调整 标尺光栅和指示光栅面要平行地安装，之间的间隙变化不要超过0.2mm，并在全行程上不接触。 （2）光量调整 读数头上有4个光量调整螺钉a、b、c、d，分别遮挡4相光敏三极管V1、V2、V3、V4的光量。如图3-18所示，V1、V3和V2、V4分别经差分放大输出正交的两相信号（相差90）。因此，调整
