模块数字式位移检测下课件.ppt
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1、机、电类传感器与检测技术项目教程模块十、数字式位移检测模块十、数字式位移检测 课件统一书号:统一书号:ISBN 978-7-111-48817-0课程配套网站sensor-measurement或或liangsen 2019年年2月第月第1版版(作者:梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫)(作者:梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫)本模块介绍本模块介绍“数字式位移传感器数字式位移传感器”的基本概的基本概念、念、大位移的测量方法大位移的测量方法、角编码器角编码器、光栅传感、光栅传感器、器、磁栅传感器磁栅传感器、容栅传感器容栅传感器,并讨论了它们并讨论了它们在在直线位移直线位移和和角位移角位移精密测量以及机床位
2、置控精密测量以及机床位置控制中的应用。制中的应用。还介绍还介绍了电梯平层的要求及方法。了电梯平层的要求及方法。内容简介内容简介今天是:今天是:2022-7-222022-7-22模块九、小位移检测(下)模块九、小位移检测(下)目录目录进入进入进入进入进入进入进入进入知识链接知识链接 位置检测方式位置检测方式项目一、角编码器项目一、角编码器项目二、光栅传感器项目二、光栅传感器项目三、磁栅传感器项目三、磁栅传感器项目四、容栅传感器项目四、容栅传感器拓展阅读拓展阅读 电梯平层电梯平层現現在在時間時間是:是:15:0515:05进入进入项目二项目二 光栅传感器光栅传感器【项目教学目标】【项目教学目标】
3、知识目标知识目标1了解计量光栅的类型、结构及工作原理。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。了解莫尔条纹的光学放大原理。技能目标技能目标1掌握光栅的分辨率与分辨力计算。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。掌握光栅的辨向与细分方法。3掌握光栅的应用。掌握光栅的应用。回目录回目录任务一任务一 认识光栅传感器认识光栅传感器一、光栅的类型和结构一、光栅的类型和结构计量光栅可分为计量光栅可分为透射式光栅透射式光栅和和反射式光栅反射式光栅两大类,均两大类,均由由光源光源、光栅副光栅副、光敏元件光敏元件三大部分组成。计量光栅三大部分组成。计量光栅按形状又可分
4、为按形状又可分为长光栅长光栅和和圆光栅圆光栅。光栅副光栅副由由光栅尺光栅尺和和光电扫描头光电扫描头组成。组成。光电扫描头光电扫描头由由细分辨向用细分辨向用光敏元件(光敏元件(2路或路或4路)路)、零位光敏元件零位光敏元件等组成。等组成。图图10-15 光栅的分类光栅的分类(放大图见后页)(放大图见后页)a)透射式光栅光路)透射式光栅光路 b)反射式光栅光路)反射式光栅光路 c)敞开式反射钢带长光栅外形)敞开式反射钢带长光栅外形 d)圆光栅)圆光栅1LED光源光源 2聚光透镜聚光透镜 3扫描光栅(指示光栅扫描光栅(指示光栅)4主光栅(标尺光栅)主光栅(标尺光栅)5栅状光电接收元件栅状光电接收元件
5、 6窗口窗口 7圆光栅圆光栅 8零位标记零位标记图图10-15a、b 光栅的分类放大图(续)光栅的分类放大图(续)1LED光源光源 2聚光透镜聚光透镜 3扫描光栅(指示光栅)扫描光栅(指示光栅)4主光栅(标尺光栅)主光栅(标尺光栅)5栅状光电接收元件栅状光电接收元件 6窗口窗口图图10-15c、d 光栅的分类放大图(续)光栅的分类放大图(续)1LED光源光源 2聚光透镜聚光透镜 3扫描光栅(指示光栅)扫描光栅(指示光栅)4主光栅(标尺光栅)主光栅(标尺光栅)5栅状光电接收元件栅状光电接收元件 6窗口窗口 7圆光栅圆光栅 8零位标记零位标记尺身尺身尺身安装孔尺身安装孔 反射式扫描头反射式扫描头
6、(与移动部件固定)(与移动部件固定)扫描头安装孔扫描头安装孔可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长光栅防尘保护罩的内部为长光栅扫描头扫描头(与移动部件固定与移动部件固定)光栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构(续)光栅的外形及结构(续)透射式直线光栅结构及组成透射式直线光栅结构及组成图图10-17 直线透射式长光栅测量原理图直线透射式长光栅测量原理图1光源光源 2透镜透镜 3指示光栅指示光栅 4主光栅(标尺光栅)主光栅(标尺光栅)5零位光栅零位光栅 6细分辨向用光敏元件(细分辨向用光敏元件(2路或路或4路)路)7零位光敏元件零位光敏元件(放大图见后页
7、放大图见后页)光源、透镜、光源、透镜、指示光栅及光指示光栅及光敏元件均固定敏元件均固定在扫描头内,在扫描头内,随扫描头一起随扫描头一起联动。联动。1光源光源 2透镜透镜 3指示光栅指示光栅 4主光栅主光栅(标尺光栅标尺光栅)5零位光栅零位光栅 6细分辨向用光敏元件(细分辨向用光敏元件(2路或路或4路)路)7零位光敏元件零位光敏元件透射式光栅透射式光栅透射式圆光栅透射式圆光栅固定固定(只画出其中一小部分只画出其中一小部分)反射式光栅反射式光栅反射式光栅及读出光电信号莫尔条纹演示反射式光栅及读出光电信号莫尔条纹演示莫尔条纹莫尔条纹的光学放大作用的光学放大作用 在透射式直线光栅中,在透射式直线光栅中
8、,把主光栅与指示光栅的刻线面把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起相对叠合在一起,中间留有很小的间隙中间留有很小的间隙,并使两者的栅并使两者的栅线保持很小的夹角线保持很小的夹角。在两条光栅的透光线的重合处,在两条光栅的透光线的重合处,光从缝隙透过,形成亮带光从缝隙透过,形成亮带;在两光栅刻线的不透光处,在两光栅刻线的不透光处,由于相互挡光作用而形成暗带由于相互挡光作用而形成暗带。光栅的刻线宽度光栅的刻线宽度W莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度L L 暗线到暗线的间暗线到暗线的间距距 LW/,(为主为主光栅和指光栅和指示光栅刻线的夹角,示光栅刻线的夹角,弧度弧度)莫尔条纹莫尔条纹的光学放大作用的光学
9、放大作用(暗线到暗线的间距大于刻线的间距)(暗线到暗线的间距大于刻线的间距)暗线到暗线的间距暗线到暗线的间距栅距栅距透射光线透射光线莫尔条纹莫尔条纹演示演示莫尔条纹莫尔条纹光学光学放大作用的计算放大作用的计算 例例:有一直线光栅,每毫米刻线数为有一直线光栅,每毫米刻线数为50,主光栅与指示,主光栅与指示光栅的夹角光栅的夹角 =1.8=1.8 3.14/180 弧度,求:分辨力弧度,求:分辨力解解:分辨力分辨力 =栅距栅距W=1mm50=0.02mm=20 m (由于栅距很小,因此(由于栅距很小,因此无法观察光强的变化无法观察光强的变化)由以下计算可知,由以下计算可知,莫尔条纹的宽度是栅距的莫尔
10、条纹的宽度是栅距的32倍倍:L W/=0.02mm/(1.8 3.14/180 )=0.02mm0.0314=0.02mm32=0.64mm 由于由于莫尔条纹间距莫尔条纹间距有有0.64mm,因此,因此可以用小面积的可以用小面积的光电池光电池,通过,通过“狭缝狭缝”来来“观察观察”莫尔条纹莫尔条纹光强的变光强的变化化。LW光栅输出信号(正弦波,光栅输出信号(正弦波,1V1V)细分点细分点cos信号信号sin信号信号零位信号零位信号光栅输出信号整形后转换为光栅输出信号整形后转换为TTLTTL电平电平整形后的整形后的余弦信号余弦信号(超前)(超前)整形后的整形后的正弦信号正弦信号(滞后滞后90)零
11、位信号零位信号sin和和cos光敏元件的光敏元件的输出电压波形及细分脉冲输出电压波形及细分脉冲(图图10-19)a)光栅位移与光强及输出电压的关系)光栅位移与光强及输出电压的关系 b)整形后方波的)整形后方波的上升沿上升沿和和下降沿下降沿 c)4细分脉冲细分脉冲图图10-19放大图放大图脉冲细分脉冲细分细分技术能在细分技术能在不增不增加光栅刻线数及价格加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅的的情况下提高光栅的分辨力分辨力。细分前,光栅的分细分前,光栅的分辨力只有一个栅距的辨力只有一个栅距的大小大小。采用采用4 4细分技术后,细分技术后,计数脉冲的频率提高计数脉冲的频率提高了了4 4倍,相当于原光倍
12、,相当于原光栅的分辨力提高了栅的分辨力提高了3 3倍,倍,较大地提高了测较大地提高了测量准确度。量准确度。细分前细分前细分后细分后光栅细分光栅细分举例举例 例例:有一直线光栅,每毫米刻线数为:有一直线光栅,每毫米刻线数为50,采用,采用4细细分分技术,求:技术,求:细分前细分前、后后的的分辨力分辨力 。解解:分辨力:分辨力 =W/4=(1mm/50)4 =0.02mm 4=0.005mm=5 m结论:在结论:在不增加光栅刻线数(成本)不增加光栅刻线数(成本)的情况下,采的情况下,采用细分技术,将用细分技术,将分辨力提高了分辨力提高了3倍倍(数值变小)。(数值变小)。辨向电路及波形辨向电路及波形
13、 如果传感器只安装一套光电元件,则在实际应用中,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相同的正弦信号,无法分辨位移的方向。,无法分辨位移的方向。例例:某:某1024p/r 圆光栅,圆光栅,正转正转10圈圈,反转反转 4 圈圈,求:,求:采用辨向电路后的计数值采用辨向电路后的计数值。(若不采取辨向措施,则(若不采取辨向措施,则计数器将错误地得到计数器将错误地得到14336个脉冲)个脉冲)解解:辨向后的计数值为辨向后的计数值为 N=101024-410246144个脉冲个脉冲。正向运动
14、正向运动产生产生加法脉冲加法脉冲 正向运动正向运动时,只有与时,只有与门门IC1有有“加加”计数脉冲输计数脉冲输出。而与出。而与门门IC2无无“减减”计数脉冲输计数脉冲输出。出。反向运反向运动时动时,情况,情况相反,相反,计算计算机做减法机做减法。微机光栅数显表的组成框图微机光栅数显表的组成框图 在微机光栅数显表中,在微机光栅数显表中,放大、整形采用传统的集放大、整形采用传统的集成电路成电路,辨向、细分由单片机来完成辨向、细分由单片机来完成。为光栅设计的专用数据转接器为光栅设计的专用数据转接器(光栅计数卡)(光栅计数卡)内部包含以下电路:内部包含以下电路:放大、放大、整形、整形、细分、细分、辨
15、向、辨向、报警、报警、阻抗变换阻抗变换等。等。为光栅设计为光栅设计的专用信号的专用信号处理单元处理单元 (光栅插补器)(光栅插补器)功能:功能:放大、整形、放大、整形、细分、辨向、报警、细分、辨向、报警、阻抗变换阻抗变换等。等。光栅在机床上的安装位置光栅在机床上的安装位置(2 2坐标)坐标)XY光栅在机床上的安装位置光栅在机床上的安装位置(3坐标)坐标)数显表数显表XYZ光栅在机床上光栅在机床上的安装位置的安装位置 (3坐标)(续)坐标)(续)XYZ2 2轴光栅数显表轴光栅数显表X 位移位移显示显示Z 或或Y 位移位移显示显示3 3轴光栅数显表轴光栅数显表光栅数显表(续)光栅数显表(续)三轴三
16、轴数显表数显表SDS8-3E SDS8-3E 光栅数显表功能光栅数显表功能 公制公制/英制转换英制转换 绝对绝对/相对转换、相对转换、线性误差补偿、线性误差补偿、正反方向计算、正反方向计算、归零、归零、插值补偿、插值补偿、到达目标值停机、到达目标值停机、PCD圆周分孔圆周分孔、200组零位记忆、组零位记忆、掉电记忆掉电记忆。光栅数显表(续)光栅数显表(续)设定按键设定按键安装有直线光栅的数控机床加工实况安装有直线光栅的数控机床加工实况 防护罩内为防护罩内为直线光栅直线光栅光栅扫描头光栅扫描头被加工工件被加工工件切削刀具切削刀具角编码器角编码器安装在夹安装在夹具的端部具的端部项目三项目三 磁栅传
17、感器磁栅传感器【项目教学目标】【项目教学目标】知识目标知识目标1了解磁栅传感器的结构及工作原理。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。了解磁栅数显表的原理。技能目标技能目标1掌握磁栅的分辨率与分辨力计算。掌握磁栅的分辨率与分辨力计算。2掌握磁栅的辨向方法。掌握磁栅的辨向方法。3掌握磁栅的应用。掌握磁栅的应用。回目录回目录磁栅传感器简介磁栅传感器简介 磁栅价格低于光栅,且录磁方便、易于安装,测量磁栅价格低于光栅,且录磁方便、易于安装,测量范围宽可范围宽可超过十几米超过十几米,抗干扰能力强。,抗干扰能力强。磁栅可分为磁栅可分为长磁栅长磁栅和和圆磁栅圆磁栅。长磁栅主要用于直线。长磁
18、栅主要用于直线位移测量,圆磁栅主要用于角位移测量。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。目前还出现了目前还出现了磁敏电阻磁敏电阻原理的原理的磁头磁头,可,可不必设置励不必设置励磁电路磁电路,检测速度也进一步提高检测速度也进一步提高。还有一种。还有一种“空间静空间静磁栅磁栅”,在失电,在失电上电后,仍能正确地反映失电前的上电后,仍能正确地反映失电前的位置或角度,实现了磁栅的位置或角度,实现了磁栅的“绝对编码绝对编码”。磁栅的外形及结构磁栅的外形及结构磁尺磁尺 磁头磁头到信号处理电路到信号处理电路固定孔固定孔图
19、图10-24 长磁栅结构长磁栅结构1尺身尺身 2滑尺(读数头)滑尺(读数头)3密封唇密封唇 4电缆电缆 5信号调理盒信号调理盒 6接插口接插口一、磁栅结构及工作原理一、磁栅结构及工作原理(1)磁尺)磁尺 磁尺按基体形状有带形磁尺、线形磁尺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。(又称同轴型)和圆形磁尺之分。图图10-25 磁尺的分类及结构磁尺的分类及结构(放大图见后页放大图见后页)a)带形磁尺)带形磁尺 b)线形磁尺)线形磁尺 c)圆形磁尺)圆形磁尺1带形磁尺带形磁尺 2磁头磁头 3框架框架 4预紧固定螺钉预紧固定螺钉 5同轴形(线形)磁尺同轴形(线形)磁尺 6圆形磁盘
20、圆形磁盘 7圆磁头圆磁头图图10-25 磁尺的分类及结构磁尺的分类及结构图图10-2610-26 静态磁头的静态磁头的结构及输出结构及输出信号与磁尺信号与磁尺的关系的关系1磁尺磁尺 2sin磁头磁头3cos磁头磁头4磁极铁心磁极铁心 5可饱和铁心可饱和铁心 6励磁绕组励磁绕组 7感应输出绕组感应输出绕组 8低通滤波器低通滤波器 9匀速运动时匀速运动时sin磁头的输出波形磁头的输出波形(基波为基波为2倍励磁频率倍励磁频率)10保护膜保护膜 11载波载波 12包络线包络线磁栅测量系统磁栅测量系统数显表数显表1磁头磁头磁尺边缘压紧磁尺边缘压紧在机床上在机床上卷状磁尺卷状磁尺接口电路接口电路数显表数显
21、表2预先用预先用激光干涉激光干涉仪录磁仪录磁图图10-27 磁栅尺、磁头与磁栅尺、磁头与数显表套件数显表套件磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示二、鉴相型磁栅数显表二、鉴相型磁栅数显表 磁尺与磁头磁尺与磁头属于接触式测量属于接触式测量,由于摩擦等因数,使用寿命不由于摩擦等因数,使用寿命不如光栅,数年后如光栅,数年后易退磁易退磁。cos、sin磁头相磁头相距整数倍距整数倍W再加再加1/4栅距栅距磁尺磁尺图图10-28ZCB-101原理框图原理框图XCCB磁栅磁栅传感器的传感器的特性参数特性参数 .刻线数刻线数/线线mm_ _120分辨力分辨力/m0.5最大误差最大
22、误差/m(5+5L/1000)全长全长/mmL+143有效长度有效长度L/mm100900最大行程最大行程/mmL+22mm最大响应速度最大响应速度/mmin_ _160激励源激励源10kHz脉冲脉冲/mm(细分前细分前)20(TTL电平)电平)移动寿命移动寿命/km9000电缆最大长度电缆最大长度/m30例:例:某磁栅传感器特性见上页,某磁栅传感器特性见上页,刻线数为刻线数为每每mm20线线,现,现希望分辨力达到希望分辨力达到0.5 m,求求细分数细分数。解解:XCCB磁栅传感器磁栅传感器细分以前的分辨力细分以前的分辨力1W=1mm20=50 m 则:则:细分数细分数m=50 m0.5 m=
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