自動檢測技術(shù)及應(yīng)用(其它類型傳感器)

1、數(shù)字式位置傳感器及數(shù)字式位置傳感器及 本章本章學(xué)習(xí)幾種常用數(shù)字式位置學(xué)習(xí)幾種常用數(shù)字式位置傳感器的結(jié)構(gòu)、原理，如角編碼器、傳感器的結(jié)構(gòu)、原理，如角編碼器、光柵傳感器、磁柵傳感器、容柵傳光柵傳感器、磁柵傳感器、容柵傳感器等感器等，并討論他們在直線位移和，并討論他們在直線位移和角位移中測量、控制的應(yīng)用。角位移中測量、控制的應(yīng)用。第八章第八章 數(shù)字式位置傳感器及應(yīng)用數(shù)字式位置傳感器及應(yīng)用第八章第八章 數(shù)字式位置傳感器及應(yīng)用數(shù)字式位置傳感器及應(yīng)用 數(shù)字式位置傳感器與其它位置傳感器不同，它可位置傳感器與其它位置傳感器不同，它可直接給出干擾能力較強(qiáng)的數(shù)字脈沖或編碼信號，直接給出干擾能力較強(qiáng)的數(shù)字脈沖或編碼

2、信號，既有很高的精度，又可測量很大的位移量，測量既有很高的精度，又可測量很大的位移量，測量準(zhǔn)確度與量程無關(guān)準(zhǔn)確度與量程無關(guān)。 數(shù)字式位置傳感器廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床中，進(jìn)行位置傳感器廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床中，進(jìn)行位置伺服控制，還可用于測量工具，使傳統(tǒng)的游位置伺服控制，還可用于測量工具，使傳統(tǒng)的游標(biāo)卡尺、千分尺、高度尺等實(shí)現(xiàn)了數(shù)顯化，讀數(shù)標(biāo)卡尺、千分尺、高度尺等實(shí)現(xiàn)了數(shù)顯化，讀數(shù)過程既方便、又準(zhǔn)確。過程既方便、又準(zhǔn)確。 數(shù)字式位置測量的直線位移分辨率可達(dá)位置測量的直線位移分辨率可達(dá)0.10.1m m，角位移分辨率可達(dá)角位移分辨率可達(dá)0.10.1, ,并正朝著大量程、自動并正朝著大量程、自動補(bǔ)償、測量數(shù)據(jù)

3、處理高速化方向發(fā)展。補(bǔ)償、測量數(shù)據(jù)處理高速化方向發(fā)展。第一節(jié) 位置測量的方式位置測量的方式 一、直接測量和間接測量一、直接測量和間接測量 位置傳感器有直線式和旋轉(zhuǎn)式兩大類。若位置位置傳感器有直線式和旋轉(zhuǎn)式兩大類。若位置傳感器所測量的對象就是被測量本身，即用直線式傳感器所測量的對象就是被測量本身，即用直線式傳感器測直線位移，用旋轉(zhuǎn)式傳感器測角位移，則傳感器測直線位移，用旋轉(zhuǎn)式傳感器測角位移，則該測量方式為直接測量。例如直接用于直線位移測該測量方式為直接測量。例如直接用于直線位移測量的直線光柵和長磁柵等；直接用于角度測量的角量的直線光柵和長磁柵等；直接用于角度測量的角編碼器、圓光柵、圓磁柵等。編碼

4、器、圓光柵、圓磁柵等。 若旋轉(zhuǎn)式位置傳感器測量的回轉(zhuǎn)運(yùn)動只是中間若旋轉(zhuǎn)式位置傳感器測量的回轉(zhuǎn)運(yùn)動只是中間值，再由它推算出與之關(guān)聯(lián)的移動部件的直線位移，值，再由它推算出與之關(guān)聯(lián)的移動部件的直線位移，則該測量方式為間接測量。則該測量方式為間接測量。 1.1.直接測量直接測量 直接測直接測量的誤差較量的誤差較小。小。 圖為利圖為利用光柵傳感用光柵傳感器測量數(shù)控器測量數(shù)控機(jī)床工作臺機(jī)床工作臺位移量的現(xiàn)位移量的現(xiàn)場照片。場照片。 工作臺工作臺光柵光柵工作臺運(yùn)動方向工作臺運(yùn)動方向2.2.間接測量間接測量 在間接測量在間接測量中，多使用旋轉(zhuǎn)式中，多使用旋轉(zhuǎn)式位置傳感器。測量位置傳感器。測量到的回轉(zhuǎn)運(yùn)動參數(shù)到

5、的回轉(zhuǎn)運(yùn)動參數(shù)僅僅是中間值，但僅僅是中間值，但可由這中間值再推可由這中間值再推算出與之關(guān)聯(lián)的移算出與之關(guān)聯(lián)的移動部件的直線位移動部件的直線位移間接測量須使用絲間接測量須使用絲杠杠- -螺母、齒輪螺母、齒輪- -齒齒條等傳動機(jī)構(gòu)。條等傳動機(jī)構(gòu)。 工作臺工作臺絲杠絲杠編碼器編碼器進(jìn)給電機(jī)進(jìn)給電機(jī) x傳動機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu) 滾珠絲杠螺母滾珠絲杠螺母副、齒輪副、齒輪- -齒條副齒條副等傳動機(jī)構(gòu)能夠等傳動機(jī)構(gòu)能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動。但成直線運(yùn)動。但應(yīng)設(shè)法消除傳導(dǎo)應(yīng)設(shè)法消除傳導(dǎo)過程產(chǎn)生的間隙過程產(chǎn)生的間隙誤差。誤差。 齒距齒距齒條齒條齒輪齒輪 x滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠螺母滾珠

6、絲杠螺母副能夠?qū)p小傳副能夠?qū)p小傳動磨檫力，延長動磨檫力，延長使用壽命，減小使用壽命，減小間隙誤差。間隙誤差。 螺母螺母絲杠絲杠x 傳動分析傳動分析 設(shè)：螺距設(shè)：螺距t=4mm，絲杠在，絲杠在4s時間里轉(zhuǎn)動了時間里轉(zhuǎn)動了10圈，圈，求：求：絲杠的平均轉(zhuǎn)速絲杠的平均轉(zhuǎn)速n(r/min)及螺母移動了多少及螺母移動了多少毫米？螺母的平均速度毫米？螺母的平均速度v又為多少？又為多少？ 若測得絲若測得絲桿旋轉(zhuǎn)角度為桿旋轉(zhuǎn)角度為7290，求螺母的直線位移。，求螺母的直線位移。螺母螺母絲杠絲杠螺距螺距x=？N=10圈圈 二、增量式和二、增量式和 絕對式測量絕對式測量 在增量式測量中，在增量式測量中，移動部

7、件每移動一個基移動部件每移動一個基本長度單位，位置傳感本長度單位，位置傳感器便發(fā)出一個測量信號，器便發(fā)出一個測量信號，此信號通常是脈沖形式。此信號通常是脈沖形式。這樣，一個脈沖所代表這樣，一個脈沖所代表的基本長度單位就是分的基本長度單位就是分辨力，對脈沖計(jì)數(shù)，便辨力，對脈沖計(jì)數(shù)，便可得到位移量?？傻玫轿灰屏?。 增量式測量必須有增量式測量必須有一個零位標(biāo)志，作為測一個零位標(biāo)志，作為測量起點(diǎn)的標(biāo)志。若中途量起點(diǎn)的標(biāo)志。若中途斷電將丟失絕對位置數(shù)斷電將丟失絕對位置數(shù)據(jù)。典型的有增量式光據(jù)。典型的有增量式光電編碼器、光柵等。電編碼器、光柵等。增量式測量得到的脈沖波形增量式測量得到的脈沖波形 絕對式絕對

8、式測量的特點(diǎn)是：測量的特點(diǎn)是： 每一被測點(diǎn)都有一個對應(yīng)的每一被測點(diǎn)都有一個對應(yīng)的編碼編碼，常以，常以二進(jìn)制數(shù)據(jù)二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式來表示。絕對式測量即使形式來表示。絕對式測量即使斷電之后再重新上電，也能讀出當(dāng)前位置斷電之后再重新上電，也能讀出當(dāng)前位置的數(shù)據(jù)。典型的絕對式位置傳感器有的數(shù)據(jù)。典型的絕對式位置傳感器有絕對絕對式角編碼器式角編碼器。二、增量式和二、增量式和 絕對式測量絕對式測量第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)字式角編碼器數(shù)字式角編碼器（碼盤式傳感器）（碼盤式傳感器） 信號航空插頭信號航空插頭 碼盤又稱碼盤又稱角編碼器角編碼器，是一種旋轉(zhuǎn)式位置傳，是一種旋轉(zhuǎn)式位置傳感器，通常裝在被測軸一起轉(zhuǎn)動。它能將感器，

9、通常裝在被測軸一起轉(zhuǎn)動。它能將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換成增量脈沖或二進(jìn)制被測軸的角位移轉(zhuǎn)換成增量脈沖或二進(jìn)制編碼。編碼。 其他角編碼器外形其他角編碼器外形其他角編碼器外形（續(xù)）其他角編碼器外形（續(xù)） 拉線式拉線式角編角編碼器利用線輪，碼器利用線輪，能將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)能將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。其他角編碼器外形其他角編碼器外形一、增量式編碼器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸盤碼及盤碼及狹縫狹縫光敏元件光敏元件光欄板及辨向用的光欄板及辨向用的A、B狹縫狹縫LEDABC零位標(biāo)志零位標(biāo)志ABC一、增量式編碼器 光電碼盤可以采用不透明區(qū)和透明區(qū)、反射區(qū)和非反射區(qū)以及干涉條紋。無論在那種情況下，固定計(jì)讀頭都包含一個發(fā)射體（紅

10、外發(fā)光二極管）和一個接收器（光電晶體管或光電二極管）。碼盤隨軸同步轉(zhuǎn)動，從而接收器接收到的光是忽明忽暗的，所以它的輸出信號是一個個脈沖，然后再有編碼器進(jìn)行編碼. 在利用反射區(qū)和非反射區(qū)反射體和探測器必須處于編碼元件的同一側(cè) 利用不透明區(qū)和透明區(qū)發(fā)射體和接收器必須放在移動單元的兩側(cè)。 一、增量式編碼器 光電編碼器的測量精度光電編碼器的測量精度 取決于它所能取決于它所能分辨的最小角度，而這與碼盤圓周上的槽分辨的最小角度，而這與碼盤圓周上的槽縫條紋數(shù)縫條紋數(shù)n有關(guān)，即能分辨的最小角度為有關(guān)，即能分辨的最小角度為 =360/n 分辯率分辯率= 1/n例如，條紋數(shù)為例如，條紋數(shù)為1024，則分辨角度，則

11、分辨角度 =360 o /1024=0.325o。光電編碼器的輸出波形光電編碼器的輸出波形 為了判斷碼盤旋轉(zhuǎn)的方向，在為了判斷碼盤旋轉(zhuǎn)的方向，在上圖的光欄板上的兩個狹縫距離是上圖的光欄板上的兩個狹縫距離是碼盤上的兩個碼盤上的兩個狹縫距離的（狹縫距離的（m +1/4）倍，倍，m 為正整數(shù)，并設(shè)置了兩組光為正整數(shù)，并設(shè)置了兩組光敏元件敏元件A、B，有時又稱為，有時又稱為sin、cos元元件。件。辨向信號和零標(biāo)志辨向信號和零標(biāo)志 光電編碼器的光欄板上有光電編碼器的光欄板上有A組與組與B組兩組狹縫，彼此錯組兩組狹縫，彼此錯開開1/4節(jié)距，兩組狹縫相對應(yīng)節(jié)距，兩組狹縫相對應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生的信號的光敏元

12、件所產(chǎn)生的信號A、 B彼此相差彼此相差90 相位，用于辯向。相位，用于辯向。當(dāng)編碼正轉(zhuǎn)時，當(dāng)編碼正轉(zhuǎn)時，A信號超前信號超前B信號信號90 ；當(dāng)碼盤反轉(zhuǎn)時，；當(dāng)碼盤反轉(zhuǎn)時，B信信號超前號超前A信號信號90 。(請畫出反轉(zhuǎn)時信號請畫出反轉(zhuǎn)時信號B的波形）的波形） 二、絕對式編碼器 絕對式碼盤與增量絕對式碼盤與增量式碼盤有何區(qū)別？式碼盤有何區(qū)別？10碼道光電絕對式碼盤碼道光電絕對式碼盤 絕對式編碼器按照絕對式編碼器按照角度直接進(jìn)行編碼，角度直接進(jìn)行編碼，可直接把被測轉(zhuǎn)角用可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來。數(shù)字代碼表示出來。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式有接觸式、光電方式有接觸式、光電式等

13、形式。式等形式。 透光區(qū)透光區(qū)不透光區(qū)不透光區(qū)零位標(biāo)志零位標(biāo)志絕對式接觸式編碼器絕對式接觸式編碼器演示演示4 4個電刷個電刷 4 4位二進(jìn)制位二進(jìn)制碼盤碼盤 +5V +5V輸入輸入 公共碼道公共碼道 最小分辨角度為最小分辨角度為 =360/2n 碼盤分成四個碼道，在每個碼道上都有一個電刷，電刷經(jīng)電阻接地，信號從電刷上取出。這樣，無論碼盤處在哪個角度上，該角度均有1個碼道是公用的，它和各碼道所有電部分連在一起，經(jīng)電刷和限流保護(hù)電阻接正極。 可根據(jù)電刷的位置得到由：“1”、“0”組成的4位二進(jìn)制碼。能從圖 b、c可看出電刷位置與輸出編碼的對應(yīng)關(guān)系。 2 2絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器 a a）

14、光電碼盤的平面結(jié)構(gòu)（）光電碼盤的平面結(jié)構(gòu)（8 8碼道）碼道） b b）光電碼盤與光源、光敏元件的對應(yīng)關(guān)系（）光電碼盤與光源、光敏元件的對應(yīng)關(guān)系（4 4碼碼道）道） 高位高位低位低位絕對式編碼器的分辨力及分辨率絕對式編碼器的分辨力及分辨率 絕對式光電編碼器的測量精度絕對式光電編碼器的測量精度取決于它所能分辨的最小角度，而取決于它所能分辨的最小角度，而這與碼盤上的碼道數(shù)這與碼盤上的碼道數(shù)n 有關(guān)，即最小有關(guān)，即最小能分辨的角度及分辨率為：能分辨的角度及分辨率為： =360/2n分辨率分辨率=1/2n顯然，位數(shù)越大，所能分辨的角度越小，測量精度就越高。所以，若要提高分辨率，就必須增加碼道數(shù)，即二進(jìn)制

15、位數(shù)。例如，某12碼道的絕對式角編碼器，其每轉(zhuǎn)位置數(shù)為212=4096，分辨角度為=3600/212=5.28；若為13碼道，則每轉(zhuǎn)位置數(shù)為213=9192,分辨角度為=3600/213=2.64。 三、角編碼器的應(yīng)用三、角編碼器的應(yīng)用 角編碼器除了能直接測量角位移或間角編碼器除了能直接測量角位移或間接測量直線位移外，可用于數(shù)字測速、工接測量直線位移外，可用于數(shù)字測速、工位編碼、位編碼、伺服電機(jī)控制伺服電機(jī)控制等。等。 M法測速（適合于高轉(zhuǎn)速場合）法測速（適合于高轉(zhuǎn)速場合）T 編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生 N 個脈沖，在個脈沖，在T 時間段內(nèi)有時間段內(nèi)有 m1 個脈沖產(chǎn)生，則轉(zhuǎn)速個脈沖產(chǎn)生，則

16、轉(zhuǎn)速（r/min)為為 ：n = 60m1/（NT） m1例題例題T 有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r， 在在5s時間內(nèi)測得時間內(nèi)測得65536個脈沖，則個脈沖，則轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速（r/min)為為 ： n = 60 65536 /（1024 5） r/min = 768 r/min m1T法測速（適合于低轉(zhuǎn)速場合）法測速（適合于低轉(zhuǎn)速場合）時鐘脈沖時鐘脈沖fc 編碼器輸出脈沖編碼器輸出脈沖 m2 編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生 N 個脈沖，用已知個脈沖，用已知頻率頻率fc作為時鐘，填充到編碼器輸出的兩作為時鐘，填充到編碼器輸出的兩個相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為個相

17、鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為m2 ，則轉(zhuǎn)速，則轉(zhuǎn)速(r/min)為為 n = 60fc / （Nm2 ） T法測速舉例法測速舉例時鐘脈沖時鐘脈沖fc 編碼器輸出脈沖編碼器輸出脈沖 m2 n = 60fc /（Nm2 ） = 60*1000000/（1024*3000） =19.53 r/min 有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r，測得兩個相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為測得兩個相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為3000，時鐘頻，時鐘頻率率fc為為1MHz ，則轉(zhuǎn)速（，則轉(zhuǎn)速（r/min)為為 ：安裝套安裝套編碼器的安裝方式編碼器的安裝方式 1. 1.編碼器編碼器的套式安裝的套式安裝安

18、裝軸安裝軸2.2.編碼器的軸式安裝編碼器的軸式安裝編碼器在定位編碼器在定位加工中的加工中的應(yīng)用應(yīng)用11絕對式編碼器絕對式編碼器 2電動機(jī)電動機(jī) 3轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 4轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)盤 5工件工件 6刀具刀具 設(shè)該增量式光電編碼器設(shè)該增量式光電編碼器的參數(shù)為的參數(shù)為10241024 p/rp/r，大、小，大、小皮帶輪的傳動比為皮帶輪的傳動比為5 5，若希望，若希望當(dāng)加工好元件當(dāng)加工好元件1 1后緊接著加工后緊接著加工元件元件8 8，則電動機(jī)轉(zhuǎn)動了多少，則電動機(jī)轉(zhuǎn)動了多少分之幾圈？應(yīng)等待編碼器分之幾圈？應(yīng)等待編碼器給給出多少脈沖數(shù)時，出多少脈沖數(shù)時，電動機(jī)停電動機(jī)停轉(zhuǎn)？轉(zhuǎn)？數(shù)控?cái)?shù)控加工中心加工中心 編碼器在數(shù)控編

19、碼器在數(shù)控加工中心的刀庫選刀加工中心的刀庫選刀控制中控制中的應(yīng)用的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)刀庫旋轉(zhuǎn)刀庫被加工工件被加工工件刀具刀具角編碼器的輸出為角編碼器的輸出為當(dāng)前刀具號當(dāng)前刀具號角編碼器與角編碼器與 旋轉(zhuǎn)刀庫連接旋轉(zhuǎn)刀庫連接 用不同的刀具加用不同的刀具加工復(fù)雜的工件工復(fù)雜的工件第三節(jié)第三節(jié) 光柵傳感器光柵傳感器 一、光柵的類型和結(jié)構(gòu)一、光柵的類型和結(jié)構(gòu) 計(jì)量光柵可分為透射式光柵和反射式光計(jì)量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類，均由光源、光柵副、光敏元件三柵兩大類，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。計(jì)量光柵按形狀又可分為長光大部分組成。計(jì)量光柵按形狀又可分為長光柵和圓光柵。柵和圓光柵。 光柵傳感器

20、是根據(jù)光柵傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理莫爾條紋原理制成的一種脈制成的一種脈沖輸出數(shù)字式傳感器；由沖輸出數(shù)字式傳感器；由光柵、光路和光電元件光柵、光路和光電元件以以及及轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路等組成。等組成。 只要能夠轉(zhuǎn)換成位移的物理量，如速度、加速度、只要能夠轉(zhuǎn)換成位移的物理量，如速度、加速度、振動、變形等，均可測量。振動、變形等，均可測量。 尺身尺身尺身安裝孔尺身安裝孔 反射式掃描頭反射式掃描頭 （與移動部件固定）（與移動部件固定）掃描頭安裝孔掃描頭安裝孔可移動電纜可移動電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)光柵的外形及結(jié)構(gòu)防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長磁柵防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長磁柵掃描頭掃描頭（與移動部件固定）（與移動部件固定）光

21、柵尺光柵尺可移動電纜可移動電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）反射式光柵反射式光柵透射式光柵透射式光柵透射式圓光柵透射式圓光柵固定固定莫爾條紋莫爾條紋的光學(xué)放大作用的光學(xué)放大作用 在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角角。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形

22、成暗帶。 光柵的刻線寬度光柵的刻線寬度W莫爾條紋的莫爾條紋的寬度寬度L L LW/ ，（為主為主光柵和光柵和指示光柵刻線的指示光柵刻線的夾角，弧度）夾角，弧度） 莫爾條紋莫爾條紋演示演示莫爾條紋莫爾條紋光學(xué)放大作用舉光學(xué)放大作用舉例例 有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，主光柵與，主光柵與指示光柵的夾角指示光柵的夾角 =1.8 ，則：，則： 分辨力分辨力 =柵距柵距W =1mm/50=0.02mm=20 m （由于柵距很小，因此無法觀察光強(qiáng)的變化）（由于柵距很小，因此無法觀察光強(qiáng)的變化） 莫爾條紋的寬度是柵距的莫爾條紋的寬度是柵距的32倍：倍： L W/ = 0.02

23、mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于較大，因此可以用小面積的光電池由于較大，因此可以用小面積的光電池“觀察觀察”莫爾條紋光強(qiáng)的變化。莫爾條紋光強(qiáng)的變化。莫爾條紋莫爾條紋光學(xué)放大作用光學(xué)放大作用（1） 對位移的光學(xué)放大作用：即把極細(xì)微的柵線放大為很寬的條紋，便于測試。例如=10，則K=334， 若W=0.01 mm,則B=3.34 mm。 （2） 連續(xù)變倍和辨向的作用： 其放大倍數(shù)可通過使角連續(xù)變化， 從而獲得任意粗細(xì)的莫爾條紋。 （3） 對光柵刻線的誤差均衡作用： 光柵的刻線誤差是不可避免的。 由于莫爾條紋是由大量柵線共同組成的， 光

24、電元件感受的光通量是其視場覆蓋的所有光柵光通量的總和， 具有對光柵的刻線誤差的平均效應(yīng)， 從而能消除短周期的誤差。 例如對50線/mm的光柵（W=0.02 mm），用5 mm5 mm的光電池接收， 光電池視場內(nèi)覆蓋250條柵線。 脈沖細(xì)分脈沖細(xì)分 細(xì)分技術(shù)能在不細(xì)分技術(shù)能在不增加光柵刻線數(shù)及價增加光柵刻線數(shù)及價格的情況下提高光柵格的情況下提高光柵的分辨力。細(xì)分前，的分辨力。細(xì)分前，光柵的分辨力只有一光柵的分辨力只有一個柵距的大小。采用個柵距的大小。采用4 4細(xì)分技術(shù)后，計(jì)數(shù)細(xì)分技術(shù)后，計(jì)數(shù)脈沖的頻率提高了脈沖的頻率提高了4 4倍，相當(dāng)于原光柵的倍，相當(dāng)于原光柵的分辨力提高了分辨力提高了3 3倍

25、，倍，測 量 步 距 是 原 來 的測 量 步 距 是 原 來 的1/41/4，較大地提高了，較大地提高了測量精度。測量精度。細(xì)分前細(xì)分前細(xì)分后細(xì)分后光柵細(xì)分光柵細(xì)分舉例舉例 有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，細(xì)，細(xì)分?jǐn)?shù)為分?jǐn)?shù)為4細(xì)分細(xì)分，則：，則： 分辨力分辨力 =W /4 =（1mm/50）/4=0.005mm=5 m 采用細(xì)分技術(shù)，采用細(xì)分技術(shù)，在不增加光柵在不增加光柵刻線數(shù)刻線數(shù)（成本）的情況下，將分辨力提高了（成本）的情況下，將分辨力提高了3倍。倍。光柵在機(jī)床上的安裝位置（光柵在機(jī)床上的安裝位置（2 2個個自由度）自由度）光柵在機(jī)床上的安裝位置（光柵在機(jī)床

26、上的安裝位置（3個自由度）個自由度）數(shù)顯表數(shù)顯表光柵在機(jī)床上光柵在機(jī)床上的安裝位置的安裝位置 （3個自由度）（續(xù)）個自由度）（續(xù)）2 2自由度光柵數(shù)顯表自由度光柵數(shù)顯表X位移位移顯示顯示Z（Y）位移）位移顯示顯示3 3自由度光柵數(shù)顯表自由度光柵數(shù)顯表光柵數(shù)顯表（續(xù)）光柵數(shù)顯表（續(xù)）三座標(biāo)三座標(biāo)數(shù)顯表數(shù)顯表安裝有直線光柵的數(shù)控機(jī)床加工實(shí)況安裝有直線光柵的數(shù)控機(jī)床加工實(shí)況 防護(hù)罩內(nèi)為直線光柵防護(hù)罩內(nèi)為直線光柵光柵掃描頭光柵掃描頭被加工工件被加工工件切削刀具切削刀具角編碼器角編碼器安裝在夾安裝在夾具的端部具的端部第四節(jié)第四節(jié) 磁柵傳感器磁柵傳感器 磁柵價格低于光柵，且錄磁方便、磁柵價格低于光柵，且錄

27、磁方便、易于安裝，測量范圍寬易于安裝，測量范圍寬, ,可超過十幾米，可超過十幾米，抗干擾能力強(qiáng)。磁柵可分為抗干擾能力強(qiáng)。磁柵可分為長磁柵和長磁柵和圓磁柵圓磁柵。長磁柵主要用于直線位移測。長磁柵主要用于直線位移測量，圓磁柵主要用于角位移測量。量，圓磁柵主要用于角位移測量。磁頭與磁尺相對運(yùn)動時的輸出波形演示磁頭與磁尺相對運(yùn)動時的輸出波形演示磁柵傳感器磁柵傳感器1 磁柵結(jié)構(gòu)及工作原理磁柵結(jié)構(gòu)及工作原理 磁柵傳感器主要由磁尺、磁頭和信號處理電路組成。磁柵傳感器主要由磁尺、磁頭和信號處理電路組成。磁尺：滿足一定要求（有較大的剩磁和矯頑力、耐磨、易加磁尺：滿足一定要求（有較大的剩磁和矯頑力、耐磨、易加工、

28、熱脹系數(shù)小工、熱脹系數(shù)小) )的硬磁合金的硬磁合金 制成。制成。按形狀可分為實(shí)體性按形狀可分為實(shí)體性磁尺（尺型）、帶狀磁尺、線狀磁尺（同軸）和圓形磁尺。磁尺（尺型）、帶狀磁尺、線狀磁尺（同軸）和圓形磁尺。磁頭：磁頭可分為磁頭：磁頭可分為動態(tài)磁頭動態(tài)磁頭( (速度響應(yīng)式磁頭速度響應(yīng)式磁頭) )和靜態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭（磁通響應(yīng)式磁頭）兩大類（磁通響應(yīng)式磁頭）兩大類。動態(tài)磁頭只有在磁頭和磁尺動態(tài)磁頭只有在磁頭和磁尺產(chǎn)生相對運(yùn)動時，才有信號輸出，故不適有于速度不均勻、產(chǎn)生相對運(yùn)動時，才有信號輸出，故不適有于速度不均勻、時走時停的場合；靜態(tài)磁頭就是在磁頭與磁尺間沒有相對時走時停的場合；靜態(tài)磁頭就是在磁頭與

29、磁尺間沒有相對運(yùn)動時也有信號輸出。運(yùn)動時也有信號輸出。磁柵測量系統(tǒng)磁柵測量系統(tǒng)壓板壓板磁頭磁頭磁尺磁尺磁柵傳感器磁柵傳感器 圖所示為磁尺的磁化波形，圖所示為磁尺的磁化波形，在在N N與與N N、S S與與S S重疊部分磁感重疊部分磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，但兩者的極性相應(yīng)強(qiáng)度最大，但兩者的極性相反，從反，從N N到到S S磁感應(yīng)強(qiáng)度呈正磁感應(yīng)強(qiáng)度呈正弦波變化。弦波變化。 e的包絡(luò)線反映了磁頭與磁的包絡(luò)線反映了磁頭與磁尺的相對位置，其幅值與磁柵尺的相對位置，其幅值與磁柵進(jìn)入磁芯漏磁通的大小成正比；進(jìn)入磁芯漏磁通的大小成正比；而與磁頭、磁尺間的相對運(yùn)動而與磁頭、磁尺間的相對運(yùn)動速度及勵磁電流的大小無關(guān)，速度

30、及勵磁電流的大小無關(guān)，故稱為靜態(tài)磁頭。故稱為靜態(tài)磁頭。靜態(tài)磁頭的結(jié)構(gòu)及其磁化波形 2 2 信號處理方式信號處理方式 磁柵傳感器磁柵傳感器信號處理方式有信號處理方式有鑒相式、鑒幅式之分。鑒相式、鑒幅式之分。 所謂鑒相處理方式就是利用輸出信號的相位來反映磁頭的位移所謂鑒相處理方式就是利用輸出信號的相位來反映磁頭的位移的位移量或磁頭與磁尺的相對位置的信號處理方式。的位移量或磁頭與磁尺的相對位置的信號處理方式。 為了辨別磁頭運(yùn)動的方向，采用兩只磁頭（為了辨別磁頭運(yùn)動的方向，采用兩只磁頭（sin、cos磁頭）來磁頭）來檢取信號。它們相互距離為檢取信號。它們相互距離為(m )W , m為整數(shù)。為整數(shù)。 為

31、了保證距為了保證距離的準(zhǔn)確性，通常將兩個磁頭做成一體。當(dāng)兩只磁頭勵磁線圈加離的準(zhǔn)確性，通常將兩個磁頭做成一體。當(dāng)兩只磁頭勵磁線圈加上同一勵磁電流時，兩磁頭輸出信號分別為：上同一勵磁電流時，兩磁頭輸出信號分別為： 將將e1移相移相 90度后求和得度后求和得: e= Emsin( t+ x) 該信號經(jīng)整形、鑒相內(nèi)插、細(xì)分電路后，產(chǎn)生脈沖信號，該信號經(jīng)整形、鑒相內(nèi)插、細(xì)分電路后，產(chǎn)生脈沖信號，由可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，由顯示器顯示相位的位移量。由可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，由顯示器顯示相位的位移量。 tEexmsinsin1tEexmsincos2鑒相型磁柵數(shù)顯表的原理框圖鑒相型磁柵數(shù)顯表的原理框圖 磁尺與磁頭接觸，使

32、用壽命磁尺與磁頭接觸，使用壽命不如光柵，數(shù)年后易退磁。不如光柵，數(shù)年后易退磁。設(shè)置兩個磁頭的設(shè)置兩個磁頭的意義何在？意義何在？磁柵在磨床測長系統(tǒng)中的應(yīng)用磁柵在磨床測長系統(tǒng)中的應(yīng)用磁尺磁尺磁頭安裝在何處？磁頭安裝在何處？8.3.3 磁柵傳感器的應(yīng)用磁柵傳感器的應(yīng)用 磁頭、磁尺與專用的磁柵數(shù)顯表配合，可用來檢測磁頭、磁尺與專用的磁柵數(shù)顯表配合，可用來檢測機(jī)械位移量，這是以往人們所經(jīng)常采用的方法。機(jī)械位移量，這是以往人們所經(jīng)常采用的方法。實(shí)踐證實(shí)踐證明，當(dāng)數(shù)顯表坐標(biāo)軸數(shù)大于明，當(dāng)數(shù)顯表坐標(biāo)軸數(shù)大于1（同時測量多方向位移）時，（同時測量多方向位移）時，無論是技術(shù)指標(biāo)，還是經(jīng)濟(jì)效益、耗能、體積等指標(biāo)，無

33、論是技術(shù)指標(biāo)，還是經(jīng)濟(jì)效益、耗能、體積等指標(biāo)，帶微機(jī)的數(shù)顯表都優(yōu)于普通型數(shù)顯表。帶微機(jī)的數(shù)顯表都優(yōu)于普通型數(shù)顯表。2. 鑒相內(nèi)插細(xì)分電路 它由限幅整形、相位微調(diào)、同步電路、信號分頻器、位置脈沖形成、鑒相分頻器、鑒相觸發(fā)器和相位脈沖門等組成。 8.48.4 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是利用兩個平面繞組的電磁感應(yīng)原理來檢測位移的精密傳感器，目前已被廣泛應(yīng)用于自動化測量和控制系統(tǒng)中。按其用途不同可分為直線式和圓盤式感應(yīng)同步器兩大類。前者用于測量直線位移，后者用于測量角位移。 8.4.1 種類和結(jié)構(gòu) （一）直線式感應(yīng)同步器 直線式感應(yīng)同步器主要部件包括定尺和滑尺定尺和滑尺， 分為 標(biāo)準(zhǔn)型、窄型、帶

34、型、三重型 8.4 感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器是利用兩個平面繞組的電磁感感應(yīng)同步器是利用兩個平面繞組的電磁感應(yīng)原理將線位移和角位移轉(zhuǎn)換成電信號的應(yīng)原理將線位移和角位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。一種裝置。 對環(huán)境要求低、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)、對環(huán)境要求低、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、維護(hù)方便。精度高、維護(hù)方便。 根據(jù)用途，可將感應(yīng)同步器分為直線式和根據(jù)用途，可將感應(yīng)同步器分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種，分別用于測量線位移和角位旋轉(zhuǎn)式兩種，分別用于測量線位移和角位 移。1 直線式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)直線式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)直線式感應(yīng)同步器的定尺和滑尺，直線式感應(yīng)同步器的定尺和滑尺， 都由圖中的基板、都由圖中的基

35、板、 絕緣層和繞組構(gòu)成，絕緣層和繞組構(gòu)成， 繞組的外面包有一層與繞組絕緣的接繞組的外面包有一層與繞組絕緣的接地屏蔽層，地屏蔽層， 如下圖所示。如下圖所示。 定尺安裝在靜止的機(jī)械設(shè)備上，定尺安裝在靜止的機(jī)械設(shè)備上，與導(dǎo)軌母線平行；與導(dǎo)軌母線平行； 滑尺安裝在活動的機(jī)械部件上，與定尺滑尺安裝在活動的機(jī)械部件上，與定尺之間保持均勻的狹小氣隙。之間保持均勻的狹小氣隙。 滑尺相對定尺而移動?；呦鄬Χǔ叨苿?。 直線式感應(yīng)同步器定尺和滑尺的基板采用鑄鐵或其直線式感應(yīng)同步器定尺和滑尺的基板采用鑄鐵或其他鋼材做成。他鋼材做成。 這些鋼材的線膨脹系數(shù)應(yīng)與安裝感應(yīng)同這些鋼材的線膨脹系數(shù)應(yīng)與安裝感應(yīng)同步器的床身的

36、線膨脹系數(shù)相近，步器的床身的線膨脹系數(shù)相近， 以減小溫度誤差。以減小溫度誤差。 在定尺和滑尺上腐蝕成印制電路繞組，在定尺和滑尺上腐蝕成印制電路繞組， 繞組的材繞組的材料為銅。料為銅。 考慮到接長的要求和安裝的方便，考慮到接長的要求和安裝的方便， 將定尺將定尺繞組做成連續(xù)式，繞組做成連續(xù)式， 由一連串線圈串聯(lián)而成；由一連串線圈串聯(lián)而成； 而將滑而將滑尺繞組做成分段式，尺繞組做成分段式， 并分別為正弦繞組（并分別為正弦繞組（S繞組）和繞組）和余弦繞組（余弦繞組（C繞組），繞組）， 它們在空間位置上錯開而形成它們在空間位置上錯開而形成90相位差，相位差， 如下圖所示。如下圖所示。 直線式感應(yīng)同步器直

37、線式感應(yīng)同步器定尺和滑尺繞組結(jié)構(gòu)（a） 定尺繞組； （b） 滑尺繞組直線式感應(yīng)同步器的種類直線式感應(yīng)同步器的種類 根據(jù)不同的運(yùn)行方式、精度要求、測量范圍、安裝條件等，根據(jù)不同的運(yùn)行方式、精度要求、測量范圍、安裝條件等， 直線式感應(yīng)同步器可設(shè)計(jì)成各種不同的尺寸、形狀和種類。直線式感應(yīng)同步器可設(shè)計(jì)成各種不同的尺寸、形狀和種類。 （1） 標(biāo)準(zhǔn)型：標(biāo)準(zhǔn)型直線感應(yīng)同步器精度高，應(yīng)用最普標(biāo)準(zhǔn)型：標(biāo)準(zhǔn)型直線感應(yīng)同步器精度高，應(yīng)用最普遍，遍， 每根定尺長每根定尺長250 mm。如果測量長度超過。如果測量長度超過175 mm時，時，可將幾根定尺接起來使用，甚至可連接長達(dá)十幾米，但必可將幾根定尺接起來使用，甚至可

38、連接長達(dá)十幾米，但必須保持安裝平整，否則極易損壞。須保持安裝平整，否則極易損壞。 （2） 窄型： 窄型直線同步感應(yīng)器中定尺、 滑尺長度與標(biāo)準(zhǔn)型相同， 僅是定尺寬度為標(biāo)準(zhǔn)型的一半。 用于安裝尺寸受限制的設(shè)備， 精度稍低于標(biāo)準(zhǔn)型。 (3) 帶型： 定尺的基板改用鋼帶， 滑尺做成滑標(biāo)式， 直接套在定尺上。 安裝表面不用加工。 使用時只需將鋼帶兩頭固定即可。 （4） 三重型： 在一根定尺上有粗、 中、 精三種繞組， 以便構(gòu)成絕對坐標(biāo)系統(tǒng)。 直線式感應(yīng)同步器的種類直線式感應(yīng)同步器的種類感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器的工作原理 感應(yīng)同步器利用定尺和滑尺的兩個平面印刷電路繞組感應(yīng)同步器利用定尺和滑尺的兩個平

39、面印刷電路繞組的互感隨其相對位置變化的原理，的互感隨其相對位置變化的原理， 將位移轉(zhuǎn)換為電信號。將位移轉(zhuǎn)換為電信號。 感應(yīng)同步器工作時，感應(yīng)同步器工作時， 定尺和滑尺相互平行、定尺和滑尺相互平行、 相對放置，相對放置， 它們之間保持一定的氣隙（它們之間保持一定的氣隙（0.250.005）mm， 定尺固定尺固定，定， 滑尺可動?；呖蓜?。 當(dāng)滑尺的當(dāng)滑尺的S和和C繞組分別通過一定的正、繞組分別通過一定的正、 余弦電壓激勵時，余弦電壓激勵時， 定尺繞組中就會有感應(yīng)電勢產(chǎn)生，定尺繞組中就會有感應(yīng)電勢產(chǎn)生， 其其值是定、值是定、 滑尺相對位置的函數(shù)。滑尺相對位置的函數(shù)。 如下圖所示， 先考慮對S繞組單

40、獨(dú)勵磁， 滑尺處在A點(diǎn)的位置時， 滑尺S繞組與定尺某一繞組重合， 定尺感應(yīng)電動勢值最大； 當(dāng)滑尺向右移動W/4距離到達(dá)B點(diǎn)的位置時， 定尺感應(yīng)電動勢為零； 當(dāng)滑尺移過W/2至C點(diǎn)位置時， 定尺感應(yīng)電動勢為負(fù)的最大值； 當(dāng)移過3W/4至D點(diǎn)的位置時， 定尺感應(yīng)電動勢又為零， 其感應(yīng)電動勢如圖5-6中曲線1所示。 同理， 余弦繞組單獨(dú)勵磁時， 定尺感應(yīng)電動勢變化如曲線2所示。 定尺上產(chǎn)生的總的感應(yīng)電動勢是正弦、 余弦繞組分別勵磁時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢之和。 感應(yīng)電動勢與兩相繞組相對位置的關(guān)系5.3.3 感應(yīng)同步器的信號處理方式感應(yīng)同步器的信號處理方式1. 鑒相型鑒相型給滑尺的S和C繞組以等頻、 等幅、

41、 相位差為90的電壓分別激磁，就可根據(jù)感應(yīng)電勢的相位來鑒別位移量。 若定尺節(jié)距為W（標(biāo)準(zhǔn)為2 mm）， 機(jī)械位移x引起的電相角變化為， 其總感應(yīng)電動勢e與兩尺的相對位移x關(guān)系為 xW2)2sin()sin(mmxWtUktUke2. 鑒幅型鑒幅型如果給滑尺的正、余弦繞組以同頻、 同相但不等幅的電壓激磁時， 則可根據(jù)感應(yīng)電勢的幅值來鑒別位移量，稱為鑒幅型。 正、余弦同時激磁時的總感應(yīng)電勢為 ：)cos(sinmtUke式中， 為給定電角度；位移; 感應(yīng)電勢的幅值為kUmcos(-)，即幅值與x有關(guān)。 2x 除了以上介紹的鑒相型、鑒幅型外，除了以上介紹的鑒相型、鑒幅型外，現(xiàn)在較為常用的還有脈沖調(diào)寬

42、型，它現(xiàn)在較為常用的還有脈沖調(diào)寬型，它的優(yōu)點(diǎn)在于克服了鑒幅型中函數(shù)變壓的優(yōu)點(diǎn)在于克服了鑒幅型中函數(shù)變壓器繞制工藝和開關(guān)電路的分散性所帶器繞制工藝和開關(guān)電路的分散性所帶來的誤差，但她的處理方式實(shí)質(zhì)上就來的誤差，但她的處理方式實(shí)質(zhì)上就是鑒幅型處理方式。是鑒幅型處理方式。 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器與數(shù)字位移顯示裝置(簡稱感應(yīng)同步器數(shù)顯表）配合，能快速地進(jìn)行各種位移的精密測量，并進(jìn)行數(shù)字顯示。感應(yīng)同步器數(shù)顯表及其應(yīng)用感應(yīng)同步器數(shù)顯表及其應(yīng)用 感應(yīng)同步器數(shù)顯表及其應(yīng)用感應(yīng)同步器數(shù)顯表及其應(yīng)用 鑒幅型感應(yīng)同步器數(shù)顯表鑒幅型感應(yīng)同步器數(shù)顯表 若滑尺移動后，,此時，在定尺上就有誤差電動勢輸出。此誤差信號經(jīng)放大、濾波、再放大后與門檻電路的基準(zhǔn)電平比較，若超過門檻基準(zhǔn)電平，則說明機(jī)械位移量所對應(yīng)的大于儀器所設(shè)定的數(shù)值（