10模块十、数字式位移检测(下)

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：ISBN978-7-111-48817-0课程配套网站版（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：2020年1月21日星期二模块九、小位移检测（下）目录进入进入进入进入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、容栅传感器拓展阅读电梯平层現在時間是：20:07进入项目二光栅传感器【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。回目录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1－LED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）1－LED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）1－LED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）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)反射式光栅反射式光栅及读出光电信号莫尔条纹演示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L≈W/θ，（θ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=1.8×3.14/180弧度，求：分辨力解：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）由以下计算可知，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=0.02mm×32=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。LW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90º）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=5m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=10×1024-4×1024＝6144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、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。光栅在机床上的安装位置（2坐标）XY光栅在机床上的安装位置（3坐标）数显表XYZ光栅在机床上的安装位置（3坐标）（续）XYZ2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项目三磁栅传感器【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。回目录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（1）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。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2－sin磁头3－cos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.刻线数/线·mm_120分辨力/μm0.5最大误差/μm±(5+5L/1000)全长/mmL+143有效长度L/mm100～900最大行程/mmL+22mm最大响应速度/m·min_160激励源10kHz脉冲/mm(细分前)20(TTL电平）移动寿命/km9000电缆最大长度/m30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0.5m,求细分数。解：XCCB磁栅传感器细分以前的分辨力1W=1mm÷20=50m则：细分数m=50m÷0.5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）龙门铣床侧面的18m磁栅尺2．老机床改造改造步骤：①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；②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；③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）④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；⑤将老机床的丝杠和光杠传动改造成滚珠丝杠的步进电动机传动；⑥在x、y、z方向的导轨侧面安装直线磁栅，在A、B、C……旋转轴上方安装角编码器；⑦安装人工对话设备，包括数显表和键盘等。磁栅在机床上的安装磁栅尺磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易于安装，测量范围宽可超过十几米，抗振动和抗冲击能力强。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。数显表图10-30改造后的数控铣床x轴磁栅数显表角编码器y轴磁栅z轴磁栅进给手轮主轴电动机项目四容栅传感器容栅传感器（以下简称容栅）是一种基于变面积工作原理的电容式传感器。因为它的电极排列如同栅状，故称容栅。与其他大位移传感器（如光栅、磁栅等）相比，虽然准确度稍差，但体积小、造价低、耗电省，广泛应用于数显高度仪、数显卡尺、数显千分尺、坐标仪和机床行程的测量，分辨力为10μm。根据结构形式，容栅可分为三类，即直线容栅、圆容栅和圆筒容栅。其中，直线容栅用于直线位移的测量，圆容栅用于角位移的测量。回目录项目四容栅传感器【项目教学目标】☞知识目标1．了解容栅的结构及工作原理。2．了解容栅转换电路原理。☞技能目标掌握容栅的的应用。图10-31直线容栅传感器结构简图（放大图见下页）a）动尺和定尺上的电极透视图b）定尺、动尺的位置关系c）发射电极和反射电极的相互关系1－发射电极2－反射电极3－接收电极4－屏蔽电极a）动尺和定尺上的电极透视图b）定尺、动尺的位置关系c）发射电极和反射电极的相互关系容栅传感器的内部结构及容量变化曲线节距5.09mm（线路板上导电极板的间距），分辨力0.01mm，采用8组容栅进行细分。随着转子与定子电极的重合或分离，电容量周期变化图10-32容栅的测量转换电路原理框图常见的数显卡尺的容栅的节距W=0.635mm（25毫英寸），最小分辨力为0.01mm，非线性误差小于0.01mm，150mm总测量误差为0.02~0.03mm容栅数显表内的数据和信号处理组合功能块