12-1数字式传感器

2020 4 6 1 第十二章数字式传感器 本章学习几种常用数字式传感器的结构 原理 如计量光栅 感应同步器 编码器 并讨论他们在直线位移和角位移中测量 控制的应用 2020 4 6 2 第一节计量光栅 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 2020 4 6 3 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 2020 4 6 4 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 2020 4 6 5 图12 0光栅及光栅传感器1 光源2 聚光镜3 主光栅4 指示光栅5 光电元件 2020 4 6 6 反射式光栅 2020 4 6 7 透射式光栅 2020 4 6 8 透射式圆光栅 固定 2020 4 6 9 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 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L L W 为主光栅和指示光栅刻线的夹角 弧度 2020 4 6 10 图12 1莫尔条纹的形成 2020 4 6 11 图光强变化信号 2020 4 6 12 莫尔条纹演示 2020 4 6 13 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 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 2020 4 6 14 光栅输出信号 电压正弦波 细分点 余弦信号 正弦信号 零位信号 二 细分技术 2020 4 6 15 一 直接细分 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 测量步距是原来的1 4 较大地提高了测量精度 细分前 细分后 2020 4 6 16 光栅细分举例 有一直线光栅 每毫米刻线数为50 细分数为4细分 则 分辨力 W 4 1mm 50 4 0 005mm 5 m采用细分技术 在不增加光栅刻线数 成本 的情况下 将分辨力提高了3倍 2020 4 6 17 图12 6电位器移相原理 二 电位器桥细分 若 则 2020 4 6 18 图12 548点电位器桥细分电路 48点电位器桥细分电路图12 5图中第i个电位器电刷两边电阻比值为 2020 4 6 19 2020 4 6 20 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 若不采取辨向措施 则计数器将错误地得到14336个脉冲 而正确值为 10 4 1024 6144个脉冲 2020 4 6 21 正向运动产生加法脉冲 正向运动时 与门IC2无 减 计数脉冲输出 2020 4 6 22 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 2020 4 6 23 为光栅设计的专用信号处理单元 光栅插补器 功能同上页 2020 4 6 24 光栅在机床上的安装位置 2个自由度 2020 4 6 25 光栅在机床上的安装位置 3个自由度 数显表 2020 4 6 26 光栅在机床上的安装位置 3个自由度 续 2020 4 6 27 2自由度光栅数显表 X位移显示 Z Y 位移显示 2020 4 6 28 3自由度光栅数显表 2020 4 6 29 光栅数显表 续 三座标数显表 2020 4 6 30 SDS8 3E光栅数显箱功能 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组零位记忆电蚀深度目标值显示实时工作位置显示掉电记忆 2020 4 6 31 光栅数显表 续 设定按键 2020 4 6 32 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 2020 4 6 33 第二节感应同步器 12 2 1感应同步器的类型和结构 图12 10长感应同步器示意图 2020 4 6 34 图12 11直线感应同步器绕组形式 a 定尺绕组 b W型滑尺绕组 c U型滑尺绕组 2020 4 6 35 12 2感应同步器的工作原理 图12 12感应同步器工作原理示意图 2020 4 6 36 图12 13感应同步器中的电磁感应 1 滑尺上断续绕组与定尺连续绕组间的互感 2 定子上断续绕组与转子连续绕组间的互感 1 正弦绕组 2 余弦绕组 1 正弦绕组 2 余弦绕组 2020 4 6 37 12 2 3感应同步器的信号处理方式 频率和幅值相同 相位差 2 频率和相位相同 但幅值不等 其中 2020 4 6 38 信号航空插头 参考德国沃申道夫公司资料 第三节编码器 2020 4 6 39 其他角编码器外形 2020 4 6 40 其他角编码器外形 续 拉线式角编码器利用线轮 能将直线运动转换成旋转运动 2020 4 6 41 其他角编码器外形 参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司 2020 4 6 42 一 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 2020 4 6 43 转轴 盘码及狭缝 光敏元件 光栏板及辨向用的A B狭缝 LED A B C 零位标志 A B C 2020 4 6 44 二 绝对式编码器 绝对式码盘与增量式码盘有何区别 10码道光电绝对式码盘 绝对式编码器按照角度直接进行编码 可直接把被测转角用数字代码表示出来 根据内部结构和检测方式有接触式 光电式等形式 透光区 不透光区 零位标志 2020 4 6 45 绝对式接触式编码器演示 4个电刷 4位二进制码盘 5V输入公共码道 最小分辨角度为 360 2n 2020 4 6 46 2 绝对式光电编码器 a 光电码盘的平面结构 8码道 b 光电码盘与光源 光敏元件的对应关系 4码道 高位 低位 2020 4 6 47 绝对式光电编码器的分辨力及分辨率 绝对式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度 而这与码盘上的码道数n有关 即最小能分辨的角度及分辨率为 360 2n分辨率 1 2n 2020 4 6 48 图12 8接触式四位二进制码盘 图12 9四位循环码盘 2020 4 6 49 码制与码盘 2020 4 6 50 三 角编码器的应用 角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外 可用于数字测速 工位编码 伺服电机控制等 2020 4 6 51 M法测速 适合于高转速场合 T 编码器每转产生N个脉冲 在T时间段内有m1个脉冲产生 则转速 r min 为 n 60m1 NT 2020 4 6 52 例题 T 有一增量式光电编码器 其参数为1024p r 在5s时间内测得65536个脉冲 则转速 r min 为 n 60 65536 1024 5 r min 768r min 2020 4 6 53 安装套 编码器的安装方式 1 编码器的套式安装 2020 4 6 54 安装轴 2 编码器的轴式安装 2020 4 6 55 编码器在数控加工中心的刀库选刀