第七章运动参量的测量.

内蒙古工业大学机械学院第七章运动参量的测量本章所述运动参量的测量是指描述物体运动状态的三个基本参量，即位移、速度、加速度的测量。在研究机器零部件的运动规律、力能关系及工艺参数等情况时，都要涉及到运动参量的测量。此外，其它物理如力参量、物位、温度、流量等的测量，也是不同程度地以运动参量的测量为基础的。因而运动参量的测量广泛应用于工艺参数的自动检测、控制和生产设备的自动化方面。内蒙古工业大学机械学院表7-1位移传感器一览表类型测量范围精确度性能特点滑线电阻式线位移1～300mm*±0.1%结构简单,使用方便,输出大,性能稳定。角位移0～360°±0.1%分辨率较低,输出信号的噪声大,不宜用于频率较高时的动态测量。电阻应变式直线式摆角式±250μm±12°±2%结构牢固,性能稳定,动态特性好。电感式变气隙型±0.2mm结构简单、可靠。仅用于小位移测量的场合。差动变压器型0.08～300mm*±3%分辨力较好,输出大。但动态特性不是很好。电涡流型0～5000μm±3%非接触式,使用简便,灵敏度高,动态特性好。电容式变面积型10ˉ3～100mm*±0.005%结构非常简单,动特性好。易受温、湿度等因素的影响。变间隙型0.01～200μm±0.1%分辨力很好,但线性范围小。其它特点同变面积型。霍尔元件型±1.5mm0.5%结构简单,动特性好。温度稳定性较差。感应同步器型(1μm～几米)2.5μm/250mm数字式,结构简单,接长方便,适合大位移静、动态测量,用于自动检测和数控机床。计量光栅长光栅圆光栅(1μm～几米)0～360°3μm/1m±0.5″数字式,测量精度高,适合大位移静、动态测量,用于自动检测和数控机床。内蒙古工业大学机械学院第一节位移的测量位移测量是线位移和角位移测量的统称，测量时应根据具体的测量对象，选择或设计测量系统。一、滑线电阻式位移传感器测量原理同电位计式传感器工作原理。内蒙古工业大学机械学院二、应变片式位移传感器测量原理同电阻应变片传感器工作原理。hxl332等截面梁内蒙古工业大学机械学院内蒙古工业大学机械学院三、差动变压器式位移传感器1、工作原理•把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。•这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。•结构：变隙式、变面积式和螺管（变磁阻）式。•其中螺线管式最为常用，可测量1～100mm的机械位移。内蒙古工业大学机械学院dtdiMe112互感现象：线圈L1（初级线圈）中输入交流电i1时，线圈L2（次级线圈）中产生感应电动势e12，其大小和电流的变化率成正比。M：比例系数，称为互感。反映两线圈的耦合程度。L1L2内蒙古工业大学机械学院原理：当初级线圈加上某一频率的正弦交流电压后，次级线圈产生感应电压e1,e2，它们的大小与铁芯在线圈内的位置有关，e1和e2反极性连接就得到输出电压e0内蒙古工业大学机械学院2、等效电路～～e0R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1I1～在理想情况下(忽略线圈寄生电容及衔铁损耗)，差动变压器的等效电路如图。初级线圈的电流值为：111eIRjLω—激励电压的角频率；e—激励电压；e1初级线圈激励电压L1,R1初级线圈电感和电阻M1,M1分别为初级与次级线圈1,2间的互感L21,L22两个次级线圈的电感R21,R22两个次级线圈的电阻内蒙古工业大学机械学院111221ejMIejMI在次级线圈中感应出电压e1和e2，其值分别为M1和M2为初级线圈对两次级线圈的互感系数，与铁芯在线圈中的伸长量l成正比。222111elKeelKe1212,KKll由差动变压器结构的对称性有：1222(2)oeeeKelKlEsinft内蒙古工业大学机械学院差动输出特性•传感器输出如图中实线所示，不能区别位移的方向，因此需要通过测量电路使得仪表的输出在虚时按虚线变化，实按实线变化。实现这一功能的电路有：–典型测量电路─相敏检波电路,目的是即能检测位移的大小又能分辨位移的方向。–与差动变压器配用的测量电路─差动整流电路。差动连接的3个特点：1、提高了灵敏度2、降低了非线性误差3、抑制了温漂，降低了误差内蒙古工业大学机械学院四、光电脉冲式位移传感器（光电编码器）1、光电编码器的工作原理光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测，并输出若干脉冲信号。光源透镜码盘转轴透镜光敏元件放大整形脉冲输出内蒙古工业大学机械学院通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外为判断旋转方向，码盘可以提供相位相差900的两路脉冲信号。编码器包括码盘和码尺。码盘用于测量角度。码尺用于测量长度，测量长度的实际应用比较少。所以在这里只讨论码盘。光源透镜码盘转轴透镜光敏元件放大整形脉冲输出内蒙古工业大学机械学院其他角编码器外形内蒙古工业大学机械学院角编码器外形拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。内蒙古工业大学机械学院光电编码器包括增量编码器和绝对码编码器两大类。2、增量编码器增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和C相；A、B两组脉冲相位差900，从而可方便地判断出旋转方向，而C相为每转一个脉冲，用于基准点定位。内蒙古工业大学机械学院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LEDABC零位标志ABC内蒙古工业大学机械学院增量式编码器增量式码盘10码道光电绝对式码盘它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。透光区不透光区零位标志内蒙古工业大学机械学院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精度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：n0360n1分辨率＝内蒙古工业大学机械学院•有多少条码道，就有多长的二进制数，工业上常用的是14码道。•从里向外读数•亮：定义为高电平1•暗：定义为低电平0•零位（全黑）：000000110000缺点：码道多，要求制造精度高，否则，会产生很大的误差。3、绝对式编码器内蒙古工业大学机械学院•优点：–可以直接读出角度坐标的绝对值；–没有累积误差；–电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。•缺点：-码道多，要求制造精度高。•码道数n越大分辩能力越强，其中，最小分辨角度为：•请问：一个12个码道的绝对编码器能够分辩的最小角度是多少？n1=2分辨率2n360分辨力=内蒙古工业大学机械学院绝对式接触式编码器演示4位二进制码盘+5V输入公共码道最小分辨角度为α=360°/2n内蒙古工业大学机械学院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•角位移测量内蒙古工业大学机械学院编码器在定位加工中的应用1—绝对式编码器2—电动机3—转轴4—转盘5—工件6—刀具内蒙古工业大学机械学院五、光栅传感器光栅的类型和结构光栅传感器由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。光栅副是光栅传感器的主要部分。在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅，它主要由主光栅（也称标尺光栅）和指示光栅组成。计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类。当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化，利用光电接受元件，将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并与数字显示，从而测量出标尺光栅的移动距离。内蒙古工业大学机械学院baW刻线密度：•（10，25，50，100线）/mm•1000线/mma：刻线宽度b:刻线间的缝隙宽度W：栅距，光栅常数内蒙古工业大学机械学院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及结构防尘保护罩的内部为长磁栅内蒙古工业大学机械学院透射式直光栅内蒙古工业大学机械学院反射式光栅内蒙古工业大学机械学院莫尔条纹演示莫尔条纹形成的原理及特点内蒙古工业大学机械学院•两光栅平行-----竖条纹–标尺光栅移动一个W，光电管接受光线亮暗一次–缺点：无法辨向•两光栅成微小角度θ-----横条纹（莫尔条纹）–形成黑白相间的条纹–光栅左右移动，条纹上下移动-----可辨向–每移动一个栅距W，条纹移动一个间距BH内蒙古工业大学机械学院•莫尔条纹的重要特性:–运动对应关系•莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角θ固定后，两光栅相对左右移动一个栅距W时，莫尔条纹上下或下上移动一个节距B，因此，可以通过检测莫尔条纹的移动条数和方向来判断两光栅相对位移的大小和方向。–位移放大关系–误差平均效应•莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻线误差有平均作用。–光强近似于正弦变化内蒙古工业大学机械学院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θ。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。光栅的刻线宽度W莫尔条纹的宽度LL≈W/θ，（θ为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）内蒙古工业大学机械学院莫尔条纹光学放大作用举例有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角=1.8，则：分辨力=栅距W=1mm/50=0.02mm=20m（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）莫尔条纹的宽度是栅距的32倍：L≈W/θ=0.02mm/（1.8*3.14/180）=0.02mm/0.0314=0.637mm由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。内蒙古工业大学机械学院辨向电路及波形:在实际应用中，大部分被测物体的移动往往不是单向的，既有正向运动，也可能有反向运动。单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移。放大整形微分Y1触发器可逆计数器放大整形反相微分Y2≥1延时u1u2u'1u'2u1u'1Wu1W12Q-+HQ内蒙古工业大学机械学院辨向电路及波形内蒙古工业大学机械学院细分技术内蒙古工业大学机械学院光栅在机床上的安装位置（2个自由度）内蒙古工业大学机械学院光栅在机床上的安装位置（3个自由度）数显表内蒙古工业大学机械学院•补充:电容式位移传感器•工作原理：电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置。它实质上是一个具有可变参数的电容器。从物理学可知，由两个平行极板组成的电容器其电容量为：式中εr——极板间介质的相对介电常数，在空气中εr=1；εo——真空中介电常数，εo＝8.85×10-12F／m；d——极板间距离；S——极板间相互覆盖面积。dSCr0内蒙古工业大学机械学院•当被测量使d、S或ε发生变化时，都会引起电容C的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为电容量的变化。根据电容器变化的参数，可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三类。在实际中，极距变化型与面积变化型在位移测量中应用较为广泛。dSCr0内蒙古工业大学机械学院(一)面积变化型在变换极板面积的电容传感器中，一般常用的有角位移型和线位移型两种。内蒙古工业大学机械学院角位移型：当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖面积就改变，从而改变电容的输出。常数drddCKr220当=0时，当≠0时，传感器的电容量C与角位移呈线性关系。100000106.3dSdSCrr)1(106.3)1(0