現(xiàn)代檢測技術(shù)導(dǎo)論-5數(shù)字檢測裝置

1、現(xiàn)代檢測技術(shù)導(dǎo)論現(xiàn)代檢測技術(shù)導(dǎo)論第五章數(shù)字檢測裝置5.1角度數(shù)字編碼器5.2光柵傳感器5.3感應(yīng)同步器數(shù)字傳感器l將被測量直接或間接地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的將被測量直接或間接地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的傳感器叫數(shù)字檢測裝置或數(shù)字傳感器傳感器叫數(shù)字檢測裝置或數(shù)字傳感器l體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強、工作可靠、分辨率高力強、工作可靠、分辨率高l適用于要求高穩(wěn)定性、高精確度的檢測適用于要求高穩(wěn)定性、高精確度的檢測系統(tǒng)系統(tǒng)l角度數(shù)字編碼器是測量角位移的最直接角度數(shù)字編碼器是測量角位移的最直接有效的方法有效的方法l主要分為：碼盤式（絕對編碼器）和脈主要分為：碼盤式（絕對編碼器）和

2、脈沖盤式（相對編碼器）兩大類沖盤式（相對編碼器）兩大類l脈沖盤式編碼器不能直接輸出數(shù)字編碼，脈沖盤式編碼器不能直接輸出數(shù)字編碼，需要增加有關(guān)數(shù)字電路才能得到數(shù)字編需要增加有關(guān)數(shù)字電路才能得到數(shù)字編碼碼l碼盤式編碼器能直接輸出某種碼制的數(shù)碼盤式編碼器能直接輸出某種碼制的數(shù)碼碼5.1角度數(shù)字編碼器l增量式角度數(shù)字編碼器結(jié)構(gòu)最為簡單，廣泛應(yīng)增量式角度數(shù)字編碼器結(jié)構(gòu)最為簡單，廣泛應(yīng)用于機器人、數(shù)控機床等系統(tǒng)中用于機器人、數(shù)控機床等系統(tǒng)中l(wèi)結(jié)構(gòu)：在一個碼盤的邊緣上開有相等角度的縫結(jié)構(gòu)：在一個碼盤的邊緣上開有相等角度的縫隙隙 (分為透明部分和不透明部分分為透明部分和不透明部分)，在開縫碼盤，在開縫碼盤兩邊

3、分別安裝光源及光敏元件兩邊分別安裝光源及光敏元件5.1.1增量式角度數(shù)字編碼器l工作原理：當碼盤隨工工作原理：當碼盤隨工作軸一起轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)作軸一起轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙產(chǎn)生一次光過一個縫隙產(chǎn)生一次光線的明暗變化，經(jīng)光敏線的明暗變化，經(jīng)光敏元件得到電信號輸出，元件得到電信號輸出，輸出的脈沖數(shù)即等于轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)即等于轉(zhuǎn)過的縫隙數(shù)過的縫隙數(shù)l辨向電路：為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，通常采用兩套辨向電路：為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，通常采用兩套光電轉(zhuǎn)換裝置光電轉(zhuǎn)換裝置令兩套光電轉(zhuǎn)換裝置在空間產(chǎn)生的信號在相位令兩套光電轉(zhuǎn)換裝置在空間產(chǎn)生的信號在相位上相差上相差1/4周期周期u1、u2 是是u1、u2的整形輸出，的整形輸出

4、， u1”是是u1的反向的反向輸出，輸出， u1w和和u1w”是是u1 u1”的微分輸出的微分輸出當工作軸正轉(zhuǎn)時，當工作軸正轉(zhuǎn)時，u1比比u2超前超前1/4周期周期u1w為高時，為高時，u2 總為低，總為低，所以與門所以與門Y1輸出為低輸出為低u1w”為高時，為高時，u2 總為高，總為高，因此與門因此與門Y2輸出為高輸出為高Y2輸出為高使觸發(fā)器置輸出為高使觸發(fā)器置1，可逆計數(shù)器做加法計數(shù)可逆計數(shù)器做加法計數(shù)當工作軸反轉(zhuǎn)時，當工作軸反轉(zhuǎn)時，u1比比u2超超前前3/4周期，即周期，即u2比比u1超前超前1/4周期周期u1w為高時，為高時，u2 總為高，所總為高，所以與門以與門Y1輸出為高輸出為高u

5、1w”為高時，為高時，u2 總為低，總為低，因此與門因此與門Y2輸出為低輸出為低Y1輸出為高，使觸發(fā)器置輸出為高，使觸發(fā)器置0，可逆計數(shù)器做減法計數(shù)可逆計數(shù)器做減法計數(shù)從而實現(xiàn)辨向的目的從而實現(xiàn)辨向的目的l絕對式角度數(shù)字編碼器是將被測角度轉(zhuǎn)換成相絕對式角度數(shù)字編碼器是將被測角度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼，代碼是通過碼盤上的圖案來表示數(shù)值應(yīng)代碼，代碼是通過碼盤上的圖案來表示數(shù)值的的l可分為：接觸式、光電式和電磁式可分為：接觸式、光電式和電磁式l接觸式角度數(shù)字編碼器接觸式角度數(shù)字編碼器(四位二進制四位二進制)5.1.2絕對式角度數(shù)字編碼器結(jié)構(gòu)：涂黑部分為導(dǎo)電區(qū)，結(jié)構(gòu)：涂黑部分為導(dǎo)電區(qū)，所有導(dǎo)電區(qū)連在一起接高電

6、所有導(dǎo)電區(qū)連在一起接高電平平空白部分為絕緣區(qū)空白部分為絕緣區(qū)在每個碼道上有一個電刷，在每個碼道上有一個電刷，電刷經(jīng)限流電阻接地電刷經(jīng)限流電阻接地實際應(yīng)用中對二進制碼盤的制作和電刷的安裝要實際應(yīng)用中對二進制碼盤的制作和電刷的安裝要求十分嚴格，任何微小的制作和安裝誤差，都可求十分嚴格，任何微小的制作和安裝誤差，都可能帶來粗大誤差能帶來粗大誤差最內(nèi)圈為最高位碼道，一半導(dǎo)電，一半不導(dǎo)電最內(nèi)圈為最高位碼道，一半導(dǎo)電，一半不導(dǎo)電最外圈為最低位碼道，均勻地分為最外圈為最低位碼道，均勻地分為24=16個黑白個黑白間隔間隔這是因為當二進制編碼的相鄰數(shù)字之間變換時往這是因為當二進制編碼的相鄰數(shù)字之間變換時往往會有

7、多個二進制位同時發(fā)生變化往會有多個二進制位同時發(fā)生變化如當電刷從如當電刷從0111向向1000過渡時，制作和安裝誤差過渡時，制作和安裝誤差會在過渡期間出現(xiàn)任何可能的數(shù)會在過渡期間出現(xiàn)任何可能的數(shù)解決方法：采用循環(huán)碼，相鄰數(shù)字之間只有一位代碼改變解決方法：采用循環(huán)碼，相鄰數(shù)字之間只有一位代碼改變，不會產(chǎn)生粗大誤差，不會產(chǎn)生粗大誤差循環(huán)碼和二進制碼的轉(zhuǎn)換循環(huán)碼和二進制碼的轉(zhuǎn)換接觸式數(shù)字編碼器的缺點：分辨率低、易磨損、壽命短接觸式數(shù)字編碼器的缺點：分辨率低、易磨損、壽命短l光電式角度數(shù)字編碼器光電式角度數(shù)字編碼器結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的碼盤、窄縫以及安裝在碼由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的碼盤、窄縫以及安裝

8、在碼盤兩邊的光源和光敏元件等組成盤兩邊的光源和光敏元件等組成碼盤由玻璃制成，刻有很多同心圓碼道碼盤由玻璃制成，刻有很多同心圓碼道碼盤上有代表數(shù)碼的按一定規(guī)律排列的透光和碼盤上有代表數(shù)碼的按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分（亮區(qū)和暗區(qū)），相當于接觸式角不透光部分（亮區(qū)和暗區(qū)），相當于接觸式角度數(shù)字編碼器上的導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)度數(shù)字編碼器上的導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)原理：原理：光源通過大孔徑透鏡形成均勻狹長的光束照到光源通過大孔徑透鏡形成均勻狹長的光束照到碼盤上碼盤上位于狹縫后的一排光電元件輸出與碼盤所處角位于狹縫后的一排光電元件輸出與碼盤所處角度位置對應(yīng)的編碼信息度位置對應(yīng)的編碼信息l光柵傳感器是根據(jù)莫爾條紋原

9、理制成的光柵傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理制成的一種計量光柵一種計量光柵l優(yōu)點：精度高、量程大、分辨率高、抗優(yōu)點：精度高、量程大、分辨率高、抗干擾能力強，可實現(xiàn)動態(tài)測量干擾能力強，可實現(xiàn)動態(tài)測量l主要用于長度和角度的精密測量，在數(shù)主要用于長度和角度的精密測量，在數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用控機床的伺服系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用5.2光柵傳感器l光柵是在透明的玻璃上刻有大量平行、等寬、光柵是在透明的玻璃上刻有大量平行、等寬、等間距的刻線等間距的刻線l刻線有透明和不透明的或反光和不反光的刻線有透明和不透明的或反光和不反光的l光柵參數(shù)：光柵參數(shù)：柵距柵距(光柵常數(shù)光柵常數(shù))=柵線寬度柵線寬度a+縫隙寬度縫

10、隙寬度b通常通常ab柵距越小，精度越高柵距越小，精度越高刻線密度通常有刻線密度通常有25、50、 100、250條條/mm柵距柵距=1/刻線密度刻線密度5.2.1光柵的結(jié)構(gòu)和類型l光柵的種類光柵的種類l根據(jù)工作原理，光柵可分為物理光柵和計量光柵根據(jù)工作原理，光柵可分為物理光柵和計量光柵物理光柵刻線細密，工作原理是基于光的衍射現(xiàn)象，物理光柵刻線細密，工作原理是基于光的衍射現(xiàn)象，用于光譜分析和光波長的測定用于光譜分析和光波長的測定計量光柵刻線比物理光柵粗，主要利用光柵的莫爾條計量光柵刻線比物理光柵粗，主要利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進行位移的精密測量紋現(xiàn)象進行位移的精密測量l根據(jù)光線的走向，光柵可分為透

11、射光柵和反射光柵根據(jù)光線的走向，光柵可分為透射光柵和反射光柵在透明的玻璃上均勻刻畫間距、寬度相等的條紋形成在透明的玻璃上均勻刻畫間距、寬度相等的條紋形成的光柵叫做透射光柵的光柵叫做透射光柵光源光源1發(fā)出的光線經(jīng)透鏡發(fā)出的光線經(jīng)透鏡2形成平行光垂直投射到光柵形成平行光垂直投射到光柵付上，形成莫爾條紋，由光電元件付上，形成莫爾條紋，由光電元件5轉(zhuǎn)換成電信號輸出轉(zhuǎn)換成電信號輸出在具有強反射能力的基體上（通常是不銹鋼或玻璃鍍在具有強反射能力的基體上（通常是不銹鋼或玻璃鍍金屬膜）均勻的刻畫間距、寬度相等的條紋形成的光金屬膜）均勻的刻畫間距、寬度相等的條紋形成的光柵叫做反射光柵柵叫做反射光柵光源光源6發(fā)出

12、的光經(jīng)聚光鏡發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡5和場鏡和場鏡3形成平行光，以一定形成平行光，以一定角度射向指示光柵角度射向指示光柵2，經(jīng)主光柵，經(jīng)主光柵1反射形成莫爾條紋，反射形成莫爾條紋，再經(jīng)反射鏡再經(jīng)反射鏡4和物鏡和物鏡7在光敏元件上成像，形成電信號在光敏元件上成像，形成電信號輸出輸出l按結(jié)構(gòu)，光柵可分為長光柵按結(jié)構(gòu)，光柵可分為長光柵和圓光柵和圓光柵l光柵傳感器測量位移的原理主要是利用光柵莫爾條紋光柵傳感器測量位移的原理主要是利用光柵莫爾條紋現(xiàn)象，將被測幾何量轉(zhuǎn)換為莫爾條紋的變化，再將莫現(xiàn)象，將被測幾何量轉(zhuǎn)換為莫爾條紋的變化，再將莫爾條紋的變化經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成電信號，從而爾條紋的變化經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)

13、換成電信號，從而實現(xiàn)對幾何量的精密測量實現(xiàn)對幾何量的精密測量l莫爾條紋的形成原理莫爾條紋的形成原理5.2.2光柵傳感器的工作原理形成莫爾條紋必須有兩塊光柵形成莫爾條紋必須有兩塊光柵：主光柵（作標準器）和指示：主光柵（作標準器）和指示光柵（取信號用）光柵（取信號用）將兩塊光柵相疊合，并使兩者將兩塊光柵相疊合，并使兩者之間保持一個很小的夾角之間保持一個很小的夾角這樣就可以在看到在近似垂直這樣就可以在看到在近似垂直柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋紋莫爾條紋莫爾條紋l莫爾條紋的特性莫爾條紋的特性運動對應(yīng)關(guān)系運動對應(yīng)關(guān)系當夾角很小時，光柵付中當夾角很小時，光柵付中任一光柵沿垂直于刻

14、線方任一光柵沿垂直于刻線方向移動時，莫爾條紋就會向移動時，莫爾條紋就會沿近似垂直于光柵移動的沿近似垂直于光柵移動的方向運動方向運動位移放大作用位移放大作用因因B=W/，光柵每移動一個柵距莫爾條紋移動，光柵每移動一個柵距莫爾條紋移動1/個柵距。而個柵距。而很小，所以移動被放大，提高很小，所以移動被放大，提高了測量靈敏度了測量靈敏度減小誤差減小誤差莫爾條紋由大量柵線（常為數(shù)百條）共同形成莫爾條紋由大量柵線（常為數(shù)百條）共同形成，對光柵刻線，對光柵刻線 誤差有平均作誤差有平均作 用，個別柵線用，個別柵線 瑕疵和柵距誤瑕疵和柵距誤 差對莫爾條紋差對莫爾條紋 影響很微小影響很微小l光柵傳感器的組成和工作

15、原理光柵傳感器的組成和工作原理組成：主要由光源、透鏡、節(jié)距相等的光柵付及光電組成：主要由光源、透鏡、節(jié)距相等的光柵付及光電元件組成元件組成工作原理：工作原理：當主光柵相對于指示光柵移動時，透過光柵付的光產(chǎn)當主光柵相對于指示光柵移動時，透過光柵付的光產(chǎn)生明暗相間的變化，光電元件輸出相應(yīng)的電脈沖信號生明暗相間的變化，光電元件輸出相應(yīng)的電脈沖信號每一個明暗明或暗每一個明暗明或暗 明暗的變化，對應(yīng)于光明暗的變化，對應(yīng)于光 柵移動了一個柵距柵移動了一個柵距只要記錄移動過的莫爾條只要記錄移動過的莫爾條 紋數(shù)，就可得到光柵的位紋數(shù)，就可得到光柵的位 移量移量l辨向原理辨向原理使用單個光電元件接收一個固定點的

16、莫爾條紋信號，使用單個光電元件接收一個固定點的莫爾條紋信號，只能判別明暗變化，不能辨別莫爾條紋的移動方向只能判別明暗變化，不能辨別莫爾條紋的移動方向為了解決這個問題，需要有兩個具有相差的莫爾條紋為了解決這個問題，需要有兩個具有相差的莫爾條紋信號同時輸入才能辨別移動方向信號同時輸入才能辨別移動方向通常在通常在1/4條紋間距（條紋間距（ B=W/）處放置兩個光電元件）處放置兩個光電元件5.2.3辨向原理與細分技術(shù)當光柵沿當光柵沿x方向運動，莫爾方向運動，莫爾條紋沿條紋沿y方向運動方向運動當條紋移動時兩個狹縫的當條紋移動時兩個狹縫的亮度變化規(guī)律完全相同，亮度變化規(guī)律完全相同，相位相差相位相差1/4周

17、期周期利用兩個狹縫的相位差區(qū)利用兩個狹縫的相位差區(qū)分移動方向分移動方向位置辨向位置辨向光敏元件光敏元件AC產(chǎn)生計數(shù)信號，光敏元件產(chǎn)生計數(shù)信號，光敏元件DC產(chǎn)生產(chǎn)生門控信號門控信號主光柵正向移動，光敏元件主光柵正向移動，光敏元件DE的輸出比光敏的輸出比光敏元件元件AC的輸出提前的輸出提前1/4周期周期l細分技術(shù)：細分技術(shù)：光柵傳感器的測量分辨率等于一個柵距光柵傳感器的測量分辨率等于一個柵距W為了提高分辨率可以采用細分技術(shù)，即為了提高分辨率可以采用細分技術(shù)，即在莫爾條紋變化的一個周期內(nèi)插入在莫爾條紋變化的一個周期內(nèi)插入n個脈個脈沖，每個脈沖代表沖，每個脈沖代表W/n位移量，從而提位移量，從而提高分

18、辨率高分辨率常用的細分方法有：直接細分法、電阻常用的細分方法有：直接細分法、電阻電橋細分法和電阻鏈細分法電橋細分法和電阻鏈細分法l直接細分法直接細分法也稱位置細分法，常用的也稱位置細分法，常用的細分數(shù)為細分數(shù)為4根據(jù)辨向原理，在莫爾條根據(jù)辨向原理，在莫爾條紋間距紋間距1/4處放兩個光電元處放兩個光電元件件AC、DE，可獲得兩個相，可獲得兩個相差差1/4周期的信號周期的信號1、3將將1、3倒向可獲得兩個反倒向可獲得兩個反向的信號向的信號2、4，這樣就得，這樣就得到到4個相差個相差1/4周期的信號周期的信號經(jīng)微分后得到經(jīng)微分后得到5、6、7、8這這4個點的正脈沖，送到與個點的正脈沖，送到與非門在非

19、門在9點得到點得到4倍頻信號，倍頻信號，實現(xiàn)實現(xiàn)4倍細分倍細分由于光電元件安放困難，由于光電元件安放困難，因此細分不能過高因此細分不能過高l電阻電橋細分法，也稱矢量和法電阻電橋細分法，也稱矢量和法原理是將兩個相位不同的交變信號施加在兩個相鄰的電原理是將兩個相位不同的交變信號施加在兩個相鄰的電橋橋臂上橋橋臂上e1、e2為從光電元件得到的兩個相差為從光電元件得到的兩個相差1/4周期的莫爾條紋周期的莫爾條紋信號，信號，R1、R2為細分橋臂電阻，為細分橋臂電阻，Rz為負載為負載由于電壓合成的移相作用，通過調(diào)節(jié)由于電壓合成的移相作用，通過調(diào)節(jié)R1、R2 ，可在電橋，可在電橋的輸出端得到幅值和相位各不相同

20、的一系列移相信號的輸出端得到幅值和相位各不相同的一系列移相信號再用鑒零器進行鑒幅再用鑒零器進行鑒幅 、整形，便可在莫爾、整形，便可在莫爾 條紋一個周期內(nèi)得到條紋一個周期內(nèi)得到 多個脈沖信號，從而多個脈沖信號，從而 得到細分的目的得到細分的目的l電阻電橋十細分電路電阻電橋十細分電路l電壓合成的移相作用電壓合成的移相作用 圖中，圖中， 灰色和黑色為電阻灰色和黑色為電阻 兩端的輸入電壓，兩端的輸入電壓， 紅色為合成電壓紅色為合成電壓l電阻鏈細分法電阻鏈細分法也稱電阻分割法，原理是使用電阻衰減器進行細也稱電阻分割法，原理是使用電阻衰減器進行細分分來自光電元件的信號通過來自光電元件的信號通過R1-R10

21、的等值電阻進行的等值電阻進行分壓分壓分壓后的電壓合成信號分壓后的電壓合成信號 分別觸發(fā)過零觸發(fā)電路分別觸發(fā)過零觸發(fā)電路 SM1-SM10在在SM1-SM10的輸出端得的輸出端得 到相位相差到相位相差18的的10倍頻倍頻 輸出信號輸出信號l感應(yīng)同步器是利用兩個平面形印刷電路繞組的感應(yīng)同步器是利用兩個平面形印刷電路繞組的互感隨二者相對位置變化而變化測量位移的傳互感隨二者相對位置變化而變化測量位移的傳感器感器l根據(jù)用途可分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種，前者用根據(jù)用途可分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種，前者用來檢測旋轉(zhuǎn)角度，后者用來檢測直線位移來檢測旋轉(zhuǎn)角度，后者用來檢測直線位移l測量精度高、受環(huán)境影響小、使用壽命長、

22、維測量精度高、受環(huán)境影響小、使用壽命長、維護簡單，可拼接成各種測量長度并能保持單元護簡單，可拼接成各種測量長度并能保持單元精度精度l廣泛應(yīng)用于大中型機床廣泛應(yīng)用于大中型機床5.3感應(yīng)同步器l結(jié)構(gòu)：包括固定和運動兩部分，定子、轉(zhuǎn)子，定尺、結(jié)構(gòu)：包括固定和運動兩部分，定子、轉(zhuǎn)子，定尺、滑尺滑尺定尺、滑尺均由基板、平面繞組和屏蔽層等組成定尺、滑尺均由基板、平面繞組和屏蔽層等組成定尺、滑尺上的繞組均為周期性的矩形繞組定尺、滑尺上的繞組均為周期性的矩形繞組繞組的周期稱為節(jié)距，通常定尺、滑尺的節(jié)距相等繞組的周期稱為節(jié)距，通常定尺、滑尺的節(jié)距相等5.3.1感應(yīng)同步器的工作原理l工作原理工作原理兩個平面矩形繞

23、組相當于變壓器的初級和次級兩個平面矩形繞組相當于變壓器的初級和次級繞組。其中，定尺是平面連續(xù)繞組；滑尺為正繞組。其中，定尺是平面連續(xù)繞組；滑尺為正弦和余弦兩相繞組弦和余弦兩相繞組l正弦余弦兩部分相正弦余弦兩部分相距距(n/2+1/4)Wl感應(yīng)同步器通過初感應(yīng)同步器通過初級和次級繞組的互級和次級繞組的互感變化來檢測位移感變化來檢測位移當滑尺由當滑尺由B右移右移W/4到達到達C時，時，定尺的感應(yīng)電動勢和定尺的感應(yīng)電動勢和A點的大小點的大小相等，極性相反，達到負峰值相等，極性相反，達到負峰值滑尺由滑尺由C右移右移W/4到達到達D時，定時，定尺的感應(yīng)電動勢從負峰值回到零尺的感應(yīng)電動勢從負峰值回到零滑尺由滑尺由D右移右移W/4到達到達E時，定時，定尺的感應(yīng)電動勢和尺的感應(yīng)電動勢和A相同相同l正弦繞組加激勵時，定尺