数字式位移传感器

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1、8.2 8.2 数字式位移检测方法数字式位移检测方法 数字式传感器是测试技术、微电子技术与计算机技术相结合数字式传感器是测试技术、微电子技术与计算机技术相结合的产物，是传感器技术发展的重要方向之一。的产物，是传感器技术发展的重要方向之一。 数字式位移传感器的优点数字式位移传感器的优点 测量精密度高、准确度高；测量精密度高、准确度高； 抗干扰能力强，稳定可靠抗干扰能力强，稳定可靠, ,易于远传；易于远传； 测量行程范围大；测量行程范围大； 可与微处理器直接相连，易于实现测量的自动化和数字化。可与微处理器直接相连，易于实现测量的自动化和数字化。光栅在机床上的安装位置（光栅在机床上的安装位置（3 3

2、个自由度）个自由度）数显表数显表8.2.1 8.2.1 光栅数字式线位移检测光栅数字式线位移检测一、有关光学的基本原理一、有关光学的基本原理1 1、光栅的构造、光栅的构造 透射直线光栅是在镀有铝箔的光学玻璃上，均匀地刻上许多透射直线光栅是在镀有铝箔的光学玻璃上，均匀地刻上许多明暗相间、宽度相等、间距相等的透光线，称为栅线，设栅线宽明暗相间、宽度相等、间距相等的透光线，称为栅线，设栅线宽为为a a，线间缝宽为，线间缝宽为b b，a+b=Wa+b=W称为栅距。通常称为栅距。通常a=b=W/2a=b=W/2。长光栅莫尔条纹长光栅莫尔条纹播放动画播放动画2 2、莫尔条纹原理、莫尔条纹原理长光栅光闸莫尔

3、条纹长光栅光闸莫尔条纹播放动画播放动画播放中播放中圆弧莫尔条纹圆弧莫尔条纹单击准备演示单击准备演示播放动画播放动画光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹播放动画播放动画播放中播放中环形莫尔条纹环形莫尔条纹播放动画播放动画播放中播放中单击准备演示单击准备演示单击准备演示单击准备演示辐射形莫尔条纹辐射形莫尔条纹播放动画播放动画11标尺光栅标尺光栅 22指示光栅指示光栅 33光电器件光电器件 44光源光源均匀刻线均匀刻线标尺标尺光栅光栅指示指示光栅光栅夹角夹角明暗相间明暗相间条纹条纹莫尔条纹莫尔条纹移动移动莫尔条纹莫尔条纹演示演示二、利用光栅测量线位移的原理二、利用光栅测量线位移的原理1 1、光栅传感器输出信号波

4、形、光栅传感器输出信号波形 为光电元件输出为光电元件输出 的电压信号的电压信号; ; 为输出信号中的为输出信号中的 平均直流分量平均直流分量; ; 为输出信号中正为输出信号中正 弦交流分量的幅值。弦交流分量的幅值。u0UmU2、利用光栅传感器测量线位移的原理利用光栅传感器测量线位移的原理莫尔条纹莫尔条纹演示演示三、辨向原理及辨向电路三、辨向原理及辨向电路 标尺光栅固定，指示光栅向前或向后移动时，莫尔条纹都是标尺光栅固定，指示光栅向前或向后移动时，莫尔条纹都是作明暗交替的变化作明暗交替的变化, , 从而无法判别光栅移动的方向从而无法判别光栅移动的方向, , 也不能正确也不能正确测量出有往复移动时

5、位移的大小。因此必须在测量电路中加入辨测量出有往复移动时位移的大小。因此必须在测量电路中加入辨向电路。向电路。 在相距在相距1/41/4栅距处，安放两个光电元件，它们的输出信号将产栅距处，安放两个光电元件，它们的输出信号将产生生? ?度的相位差。度的相位差。9090辨向电路辨向电路 若以移过的莫尔条纹数来确定位移量，其分辨力为光栅栅距。若以移过的莫尔条纹数来确定位移量，其分辨力为光栅栅距。 为了提高分辨力以测得更小的位移量，可采用细分技术：它是为了提高分辨力以测得更小的位移量，可采用细分技术：它是在莫尔条纹信号变化的一个周期内，给出若干个计数脉冲来减小在莫尔条纹信号变化的一个周期内，给出若干个

6、计数脉冲来减小脉冲当量的方法。脉冲当量的方法。 四、细分技术四、细分技术8.2.2 8.2.2 数字式角位移检测方法数字式角位移检测方法 将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、高分辨率和高信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。可靠性被广泛用于各种位移的测量。一、接触式码盘一、接触式码盘 1 1、二进制码盘、二进制码盘(2) (2) 每组同心圆称每组同心圆称为一个码道为一个码道; ;(3) (3) 内码道为高位内码道为高位 外码道

7、为低位外码道为低位(1) (1) 黑色黑色: :导电区导电区 白色白色: :不导电区不导电区(4)(4)有有n n条码道，则条码道，则角度分辨率为：角度分辨率为：360 /2nQ 绝对式接触式编码器绝对式接触式编码器演示演示4 4个电刷个电刷 4 4码道码道 +5V +5V输入输入 公共码道公共码道 最小分辨角度为最小分辨角度为 =360/24 =22.52 2、格雷码盘、格雷码盘( (循环码循环码) ) 任意相邻的两个代码间任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即由只有一位代码有变化，即由“0”0”变为变为“1”1”或或“1”1”变变为为“0”0”。 因此，读数误差最多不因此，读数误差最多

8、不超过超过“1”1”，只可能读成相，只可能读成相邻两个数中的一个数邻两个数中的一个数有有效消除非单值性误差。效消除非单值性误差。12310111112211112310.nnnnnnnnniiiiiinnnBBBB BGBGBBBB BGBBBGBGGGGG 格雷码盘的译码电路格雷码盘的译码电路二、光电码盘二、光电码盘1 1、绝对式光电码盘、绝对式光电码盘分辨率取决于码道数。分辨率取决于码道数。优点：精度高、绝对码输出、断电无影响优点：精度高、绝对码输出、断电无影响缺点：测量范围小，结构复杂缺点：测量范围小，结构复杂2 2、增量式光电码盘、增量式光电码盘 在圆盘上等角距地开有能透光的两圈缝隙，

9、内缝隙在圆盘上等角距地开有能透光的两圈缝隙，内缝隙A A和外和外缝隙缝隙B B相错半条缝，最外圈开有一个透光狭缝表示码盘零位。相错半条缝，最外圈开有一个透光狭缝表示码盘零位。两透光缝相差为两透光缝相差为9090电气角。电气角。 分辨率取决于狭缝数。分辨率取决于狭缝数。 优点：轨道少，结构简单，可靠性强，成本低。优点：轨道少，结构简单，可靠性强，成本低。 缺点：电源出现故障时，数据丢失。缺点：电源出现故障时，数据丢失。编码器在数控加工中编码器在数控加工中心的刀库选刀控制中心的刀库选刀控制中的应用的应用旋转刀库旋转刀库被加工工件被加工工件刀具刀具角编码器的输出角编码器的输出为当前刀具号为当前刀具号角编码器与旋角编码器与旋转刀库连接转刀库连接 用不同的刀具加工复杂的工件用不同的刀具加工复杂的工件作业：作业：一、画出光栅标尺检测线位移的两路一、画出光栅标尺检测线位移的两路输出信号的波形，设计辨向电路并简输出信号的波形，设计辨向电路并简要分析辨向原理。要分析辨向原理。二、绝对式编码器与增量式编码器各二、绝对式编码器与增量式编码器各自优缺点是什么？说明二进制码盘与自优缺点是什么？说明二进制码盘与格雷码盘的优缺点。说明二进制码盘格雷码盘的优缺点。说明二进制码盘误码产生的原因。设计格雷码盘测量误码产生的原因。设计格雷码盘测量角位移时的输出转换电路。角位移时的输出转换电路。