模块十数字式位移检测下

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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：2019年6月21日星期五,模块十、小位移检测（下） 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

2、栅传感器 拓展阅读 电梯平层,現在時間是：09:54,项目二 光栅传感器,【项目教学目标】 知识目标 1了解计量光栅的类型、结构及工作原理。 2了解莫尔条纹的光学放大原理。 技能目标 1掌握光栅的分辨率与分辨力计算。 2掌握光栅的辨向与细分方法。 3掌握光栅的应用。,任务一 认识光栅传感器,一、光栅的类型和结构 计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。 光栅副由光栅尺和光电扫描头组成。 光电扫描头由细分辨向用 光敏元件（2路或4路）、 零位光敏元件等组成。,图10-15 光栅的分类（放大图见后页） a）透射式光栅

3、光路 b）反射式光栅光路 c）敞开式反射钢带长光栅外形 d）圆光栅 1LED光源 2聚光透镜 3扫描光栅（指示光栅） 4主光栅（标尺光栅） 5栅状光电接收元件 6窗口 7圆光栅 8零位标记,图10-15a、b 光栅的分类放大图（续）,1LED光源 2聚光透镜 3扫描光栅（指示光栅） 4主光栅（标尺光栅） 5栅状光电接收元件 6窗口,图10-15c、d 光栅的分类放大图（续）,1LED光源 2聚光透镜 3扫描光栅（指示光栅） 4主光栅（标尺光栅） 5栅状光电接收元件 6窗口 7圆光栅 8零位标记,c）,d）,尺身,尺身安装孔,反射式扫描头 （与移动部件固定）,扫描头安装孔,可移动电缆,光栅的外形

4、及结构,防尘保护罩的内部为长光栅,扫描头（与移动部件固定）,光栅尺,可移动电缆,光栅的外形及结构（续）,2019/6/21,11,图10-16 长光栅的结构及外观,a）内部结构剖面图 b）安装示意图 1铝合金定尺 2读数头（动尺） 3电缆 4带聚光镜的LED 5主光栅（标尺光栅，固定在定尺尺身上） 6指示光栅（随读数头及溜板移动） 7光敏元件 8密封唇 9信号调理电路 10压缩空气入口 11安装槽 12电缆拖链,透射式直线光栅结构及组成,图10-17 直线透射式长光栅测量原理图 1光源 2透镜 3指示光栅 4主光栅（标尺光栅） 5零位光栅 6细分辨向用光敏元件（2路或4路） 7零位光敏元件（放

5、大图见后页）,光源、透镜、指示光栅及光敏元件均固定在扫描头内，随扫描头一起联动。,1光源 2透镜 3指示光栅 4主光栅(标尺光栅) 5零位光栅 6细分辨向用光敏元件（2路或4路） 7零位光敏元件,透射式光栅,透射式圆光栅,固定,(只画出其中一小部分),反射式光栅,二、光栅的工作原理,反射式光栅及 读出光电信号 莫尔条纹演示,图10-18 等栅距黑白透射光栅形成的莫尔条纹,莫尔条纹的光学放大作用,在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角。在两条光栅的透光线的重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的不透光处，由于相互挡光作

6、用而形成暗带。,光栅的刻线宽度W,莫尔条纹的宽度L,暗线到暗线的间距 LW/ ， （为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）,莫尔条纹的光学放大作用 （暗线到暗线的间距大于刻线的间距）,暗线到暗线的间距,栅距,透射光线,莫尔条纹演示,莫尔条纹光学 放大作用的计算,例: 有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角 =1.8= 1.83.14/180 弧度，求：分辨力 解：分辨力 =栅距W =1mm50=0.02mm=20m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） 由以下计算可知，莫尔条纹的宽度是栅距的32倍： L W/= 0.02mm/(1.83.14/180 ) = 0.02mm0

7、.0314 =0.02mm32= 0.64mm 由于莫尔条纹间距有0.64mm ，因此可以用小面积的光电池，通过“狭缝”来“观察”莫尔条纹光强的变化。,L,W,光栅输出信号（正弦波，1V）,细分点,cos信号,sin信号,零位信号,光栅输出信号整形后转换为TTL电平,整形后的 余弦信号 （超前）,整形后的 正弦信号 （滞后90）,零位信号,sin和cos光敏元件的 输出电压波形及细分脉冲（图10-19）,a）光栅位移与光强及输出电压的关系 b）整形后方波的上升沿和下降沿 c）4细分脉冲,图10-19放大图,脉冲细分,细分技术能在不增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅的分辨力。 细分前，光栅的分

8、辨力只有一个栅距的大小。 采用4细分技术后，计数脉冲的频率提高了4倍，相当于原光栅的分辨力提高了3倍，较大地提高了测量准确度。,细分前,细分后,光栅细分举例,例：有一直线光栅，每毫米刻线数为50，采用4细分技术，求：细分前、后的分辨力 。 解：分辨力 =W /4 =(1mm/50)4 =0.02mm 4 =0.005mm=5m 结论：在不增加光栅刻线数（成本）的情况下，采用细分技术，将分辨力提高了3倍（数值变小）。,辨向电路及波形,如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，无法分辨位移的方向。,例：某1024p/r 圆光栅，正转

9、10圈，反转 4 圈，求： 采用辨向电路后的计数值。 （若不采取辨向措施，则计数器将错误地得到14336个脉冲） 解：辨向后的计数值为 N=101024-410246144个脉冲。,正向运动产生 加法脉冲,正向运动时，只有与门IC1有“加”计数脉冲输出。而与门IC2无“减”计数脉冲输出。反向运动时，情况相反，计算机做减法。,微机光栅数显表的组成框图,在微机光栅数显表中，放大、整形采用传统的集成电路，辨向、细分由单片机来完成。,为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）,内部包含以下电路：放大、整形、细分、 辨向、报警、阻抗变换等。,为光栅设计 的专用信号 处理单元 （光栅插补器）,功能：放大、整

10、形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。,2019/6/21,33,图10-20 光栅尺的安装,1床身（安装面） 2长光栅尺 3、4百分表 5安装螺栓,2019/6/21,34,图10-21 微处理器光栅数显表的组成框图,2019/6/21,35,图10-22 光栅数显表在机床进给运动中的应用,1横向进给位置 光栅检测 2纵向进给 位置光栅检测 32维数字显示装置,光栅在机床上的安装位置（2坐标）,X,Y,光栅在机床上的安装位置（3坐标）,数显表,X,Y,Z,光栅在机床上 的安装位置 （3坐标）（续）,X,Y,Z,2轴光栅数显表,X 位移显示,Z 或Y 位移显示,3轴光栅数显表,光栅数显表（续）,三

11、轴数显表,SDS8-3E 光栅数显表功能, 公制/英制转换 绝对/相对转换、 线性误差补偿、 正反方向计算、 归零、 插值补偿、 到达目标值停机、 PCD圆周分孔、 200组零位记忆、 掉电记忆 。,光栅数显表（续）,设定按键,安装有直线光栅的数控机床加工实况,防护罩内为直线光栅,光栅扫描头,被加工工件,切削刀具,角编码器安装在夹具的端部,2019/6/21,45,图10-23 ZBS型轴环式数显表,a）外形 b）内部 结构 c）测量 电路框图,1电源线（AC 220V） 2轴套 3数字显示器 4复位开关 5主光栅6红外发光二极管 7指示光栅 8sin光敏晶体管 9cos光敏晶体管,项目三 磁

12、栅传感器,【项目教学目标】 知识目标 1了解磁栅传感器的结构及工作原理。 2了解磁栅数显表的原理。 技能目标 1掌握磁栅的分辨率与分辨力计算。 2掌握磁栅的辨向方法。 3掌握磁栅的应用。,磁栅传感器简介,磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易于安装，测量范围宽可超过十几米，抗干扰能力强。 磁栅可分为长磁栅和圆磁栅。长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。 磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成。 目前还出现了磁敏电阻原理的磁头，可不必设置励磁电路，检测速度也进一步提高。还有一种“空间静磁栅”，在失电上电后，仍能正确地反映失电前的位置或角度，实现了磁栅的“绝对编码”。,磁栅的外形及

13、结构,磁尺,磁头,到信号处理电路,固定孔,图10-24 长磁栅结构 1尺身 2滑尺（读数头） 3密封唇 4电缆 5信号调理盒 6接插口,一、磁栅结构及工作原理,磁尺：按基体形状有带形磁尺、线形磁尺（又称同轴型）和圆形磁尺之分。,图10-25 磁尺的分类及结构（放大图见后页） a）带形磁尺 b）线形磁尺 c）圆形磁尺 1带形磁尺 2磁头 3框架 4预紧固定螺钉 5同轴形（线形）磁尺 6圆形磁盘 7圆磁头,图10-25 磁尺的分类及结构,图10-26 静态磁头的结构及输出信号与磁尺的关系 1磁尺 2sin磁头 3cos磁头 4磁极铁心,5可饱和铁心 6励磁绕组 7感应输出绕组 8低通滤波器 9匀速

14、运动时sin磁头的输出波形 （基波为2倍励磁频率） 10保护膜 11载波 12包络线,磁栅测量系统,数显表1,磁头,磁尺边缘压紧在机床上,卷状磁尺,接口电路,数显表2,预先用 激光干涉仪录磁,图10-27 磁栅尺、磁头与数显表套件,磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示,二、鉴相型磁栅数显表,磁尺与磁头属于接触式测量，由于摩擦等因数，使用寿命不如光栅，数年后易退磁。,cos、sin磁头相距整数倍W再加1/4栅距,磁尺,图10-28ZCB-101原理框图,XCCB磁栅 传感器的 特性参数,.,例：某磁栅传感器特性见上页，刻线数为 每mm20线，现希望分辨力达到0.5m,求细分数。,解：XCCB磁栅传

15、感器细分以前的分辨力 1W=1mm20=50 m 则：细分数m=50m0.5 m=100细分 结论：需使用多磁头来组成细分电路，并由专用高速模块进行计算，才能达到100细分的要求。 除此之外，细分后的绝对误差比50 m大好几倍，必须通过激光干涉仪标定，才能逐段修正绝对误差。,磁栅测量系统,压板,磁头,磁尺,磁栅在磨床测长系统中的应用,磁尺,磁头安装在何处？,任务二 磁栅传感器的应用,1磁栅尺在龙门铣床进给测控中的应用 （图10-29）,磁栅尺,龙门铣床侧面的18m磁栅尺,2老机床改造,改造步骤： 深入了解原有机床的工作过程，分析、整理控制的基本方式、完成的动作时序和条件关系，以及相关的保护和联锁控制，角位移及直线位移的自由度等； 尽可能与实际操作人员充分交流，了解对现有机床的测量、控制、操作的改进方案； 根据分析、整理的结果，确定所需要的输入/输出设备，包括PLC及数字式位移传感器。PLC所需的I/O点数应留有20%左右的裕量，以适应今后的生产工艺变化，为系统改造留有余地；,改造步骤（续）,设计数字式位移传感器的I/O电路，编制I/O分配表，绘制I/O接线图；