项目二位移传感器幻灯片

1、项目二 位移检测传感器 位移是指物体的某个表面或某点相对于参考表面或参考点位置的变化。 位移有线位移和角位移两种。线位移是指物体沿着某一条直线移动的距离；角位移是指物体绕着某一定点旋转的角度。 在机械工程中经常要精确测量零部件的位移或位置，并且力、压力、扭矩、速度、加速度、温度、流量等参数也可经转换为位移进行测量。位移测量时，首先要根据不同的测量对象，选择适当的测量点、测量方向和测量仪器。 位移传感器的分类位移传感器的分类线线绕绕 式式薄薄膜膜 电电 位位 器器导导电电 塑塑 料料 电电 位位 器器光光电电 电电 位位 器器非非线线 绕绕 式式电电位位 器器 式式 传传 感感 器器线线 绕绕

2、式式 电电 阻阻 传传 感感 器器非非 线线 绕绕 式式 电电 阻阻 传传 感感 器器电电 位位 器器 式式 传传 感感 器器电位器是人们常用到的一种电子元件， 它作为传感器可以将机械位移或其他能变换成位移的非电量变换为电阻值的变化， 并容易转换成电压的变化。 电位器式传感器具有结构简单， 价格低廉， 性能稳定， 对环境条件要求不高， 输出信号大， 易于转换， 便于维修的优点。 其缺点是存在摩擦， 分辨力有限， 精度不够高， 动态响应较差，仅适于测量变化较缓慢的量， 常用作位置信号发生器。 图3-1(a)和(b)分别为直线位移和角位移传感器的外形图。 结构和工作原理结构和工作原理 线圈绕于绝缘

3、骨架上，滑动触点线圈绕于绝缘骨架上，滑动触点( (电刷电刷) )在移动过程中在移动过程中, , 从一匝滑到另一匝时，电阻值随位移发生变化。从一匝滑到另一匝时，电阻值随位移发生变化。lra r b c a b x 电阻体是由电阻系数很高的极细均匀导线，按照一定的规律整齐地绕在一个绝缘的骨架上制成的。在它与电刷相接触的部分，将导线表面的绝缘去掉，然后加以抛光，形成一个电刷可在其上滑动的接触道。电刷通常是由具有弹性的金属薄片或金属丝制成，其末端弯曲成弧形，利用电刷与电阻本身的弹性变形产生的弹性力，使电刷与电阻元件有一定的接触压力，以使两者在相对滑动过程中保持可靠的接触和导电。电位器常用的电阻丝材料为

4、铜镍合金（铜60、镍40），电刷为磷青铜，骨架为陶瓷酚醛树脂等。电位器式传感器的转换原理电位器式传感器的转换原理根据电工知识，我们很容易理解电位器的电压转换原理。 电位器的位移电压转换原理如图3-1（c）所示。 设电阻体的长度为l，电阻值为r，两端所加（输入）电压为ui，则滑动端输出电压为 xluuoi(3-1)式中，x为位移量。 电位器式传感器的结构与类型电位器式传感器的结构与类型如图3-2所示，电位器由电阻元件、 电刷、 骨架等组成。 其形式有直滑式和旋转式， 旋转式有单圈和多圈两种。 电刷由触头、 臂、 导向及轴承等装置组成； 触头常用银、 铂铱、 铂铑等金属； 电刷臂用磷青铜等弹性较好

5、的材料； 骨架常用陶瓷、 酚醛树脂及工程塑料等绝缘材料。 电阻元件有线绕电阻、 薄膜电阻、 导电塑料电阻、 导电玻璃釉电阻等。 图3-2 电位器的原理图（a） 直滑式； (b) 单圈旋转式； (c) 多圈旋转式 1. 1. 线绕电位器线绕电位器线绕电位器电阻元件由康铜丝、铂铱合金及卡玛丝等电阻丝绕制， 因而能承受较高的温度， 常被制成功率型电位器， 其额定功率范围一般为0.2550 w， 阻值范围为100 100 k。 线绕电位器的突出优点是结构简单， 使用方便； 缺点是分辨率低， 这是由于电阻丝是一匝一匝地绕在骨架上的， 当接触电刷从这一匝移到另一匝时， 阻值的变化呈阶梯式。 rruusc0

6、0lluusc0000lrlrkr00lulukscv0200urrrrrrrullx000kuurrusc)1 (10kkkuuxxuu0 xllurrrrrr)(00rrk lrr0lurukuscscsc,scxuu 0rrk lrr0)1 (10kkkuux0kuuscxscuuu%1000uu时，32k15.0max0rrk lrr0kkrrrl150%1 . 0115. 015. 0max00 kr10maxlrnuu0mnumnuun001)111(0nnmu15. 0max%10021%1002100nunuei%1001%10000nunurv%1001%100nlnlrlu

7、numaxmaxuumaxmaxuxx感应同步器感应同步器圆感应同步器与角度数显表外形图圆感应同步器与角度数显表外形图优点：具有精度高、抗干扰能力强、工作可靠、优点：具有精度高、抗干扰能力强、工作可靠、对工作环境要求低、维护方便、寿命长、制造对工作环境要求低、维护方便、寿命长、制造工艺简单。工艺简单。用途：可用来测量直线或转角位移。用途：可用来测量直线或转角位移。分类：测量直线位移的称长感应同步器，测量分类：测量直线位移的称长感应同步器，测量转角位移的称圆感应同步器。转角位移的称圆感应同步器。 一、感应同步器的结构和类型一、感应同步器的结构和类型 圆盘式感应同步器示意图圆盘式感应同步器示意图直

8、线式感应同步器示意图直线式感应同步器示意图1结构结构定尺与滑尺绕组关系图定尺与滑尺绕组关系图 感应同步器的解剖图感应同步器的解剖图2类型类型直线式直线式旋转式（圆盘式）旋转式（圆盘式）带型带型 标准型标准型窄型窄型直线式感应同步器的尺寸和精度一览表直线式感应同步器的尺寸和精度一览表 种种 类类定尺尺寸定尺尺寸（mmmm）滑尺尺寸滑尺尺寸（mmmm）测量周期测量周期（mmmm）精度精度(m)(m)标准型标准型250589.5100739.521.52.5窄窄 型型250309.574359.522.55带带 型型(2002000)19210带型感应同步器外形图带型感应同步器外形图二、感应同步器的

9、工作原理二、感应同步器的工作原理感应同步器原理感应同步器原理 在定尺绕组上加上激励电流，于是滑尺绕组在定尺绕组上加上激励电流，于是滑尺绕组中便产生感应电势，其值为中便产生感应电势，其值为 tkudtdikemcos 设感应线圈设感应线圈 a的中心从励磁线圈中心右移的的中心从励磁线圈中心右移的距离为距离为x ，则感应电动势为，则感应电动势为 2sincosmxeetw上式中：上式中：em=k0umk主要主要与两绕组的相对位置等因素有关与两绕组的相对位置等因素有关如图滑尺绕组有如图滑尺绕组有两组，相差两组，相差1/4个个周期，则有周期，则有twxeemscos2sintwxeemccos2cosf

10、从励磁形式来说一般可分为二大类：从励磁形式来说一般可分为二大类：一类是以滑尺一类是以滑尺(或转子或转子)励磁，由定尺励磁，由定尺(或定子或定子)取感取感应电动势，应电动势，另一类则相反。另一类则相反。f依信号处理方式而言，一般可分为鉴相型、鉴幅依信号处理方式而言，一般可分为鉴相型、鉴幅型和脉冲调宽型三种，而脉冲调宽型本质上也是一型和脉冲调宽型三种，而脉冲调宽型本质上也是一种鉴幅。种鉴幅。1鉴相方式鉴相方式 在滑尺的正弦、余弦绕组上供给幅值和频在滑尺的正弦、余弦绕组上供给幅值和频率相同、相位差率相同、相位差900的励磁电压的励磁电压us和和uc，两个励，两个励磁绕组在定尺绕组上感应电势分别为：磁

11、绕组在定尺绕组上感应电势分别为：twxeemscos2sintwxeemcsin2cos定尺上的总感应电势为：定尺上的总感应电势为：2sin()scmxeeeetw2鉴幅方式鉴幅方式 在滑尺的正弦、余弦绕组上供以同频、反相，在滑尺的正弦、余弦绕组上供以同频、反相，但幅值不等的交流励磁电压但幅值不等的交流励磁电压us和和uc，即：，即：tuuscoscostuuccossin两个励磁绕组在定尺上感应电势分别为：两个励磁绕组在定尺上感应电势分别为：twxukessin2sincos0twxukecsin2cossin0定尺上的总感应电势为：定尺上的总感应电势为：tetukeeemxcssinsin

12、)sin(0式中：式中： )sin(20 xmxukewx，感应同步感应同步器数显表器数显表鉴幅型滑尺励磁定位控制原理框图鉴幅型滑尺励磁定位控制原理框图 三、感应同步器的应用三、感应同步器的应用 1定位控制系统定位控制系统鉴相型滑尺励磁随动控制原理框图鉴相型滑尺励磁随动控制原理框图 2随动控制系统随动控制系统轮廓仪外形图轮廓仪外形图磁栅式传感器磁栅式传感器磁栅优点：磁栅优点：价格低于光栅、制作简单、复制方便；价格低于光栅、制作简单、复制方便；测量范围宽（从几十毫米到数十米）、不需接长；测量范围宽（从几十毫米到数十米）、不需接长；易安装和调整、抗干扰能力强。易安装和调整、抗干扰能力强。大尺寸磁栅

13、尺外形图大尺寸磁栅尺外形图一、磁栅的组成及类型一、磁栅的组成及类型 1磁栅的组成磁栅的组成 磁栅传感器是由磁栅（磁尺）、磁头、检测电路磁栅传感器是由磁栅（磁尺）、磁头、检测电路组成。组成。 l磁尺；磁尺；2尺基；尺基；3磁性薄膜；磁性薄膜；4铁心；铁心；5磁头磁头磁栅的外形及结构图磁栅的外形及结构图磁尺磁尺静态磁头静态磁头去信号处理电去信号处理电路路固定孔固定孔2磁栅的类型磁栅的类型长磁栅长磁栅圆磁栅圆磁栅（测量直线位移）（测量直线位移）（测量角位移）（测量角位移）尺形尺形带形带形同轴形同轴形1磁头磁头 2磁栅磁栅 3屏蔽罩屏蔽罩 4基座基座 5软垫软垫磁尺磁尺磁栅外观图磁栅外观图磁头磁头德国

14、德国siko 磁栅尺磁栅尺磁头与磁头与磁尺相磁尺相对运动对运动时的输时的输出波形出波形二、磁栅传感器的工作原理二、磁栅传感器的工作原理 1基本工作原理基本工作原理磁栅传感器工作原理磁栅传感器工作原理磁栅传感器由磁栅（简称磁尺）、 磁头和检测电路组成。 磁尺是用非导磁性材料做尺基， 在尺基的上面镀一层均匀的磁性薄膜， 然后录上一定波长的磁信号而制成的。 磁信号的波长（周期）又称节距， 用w表示。 磁信号的极性是首尾相接， 在n、 n重叠处为正的最强， 在s、s重叠处为负的最强。 磁尺的断面和磁化图形如图所示。 1基本工作原理基本工作原理 磁栅传感器示意图磁栅传感器示意图这里以静态磁头为例，简要说

15、明磁栅传感器的工作原理。 静态磁头的结构如上图所示，它有两组绕组n1和n2。其中， n1为励磁绕组，n2为感应输出绕组。在励磁绕组中通入交变的励磁电流，一般频率为5 khz或25 khz， 幅值约为200 ma。 励磁电流使磁芯的可饱和部分（截面较小）在每周期内发生两次磁饱和。磁饱和时磁芯的磁阻很大，磁栅上的漏磁通不能通过铁芯，输出绕组不产生感应电动势。只有在励磁电流每周两次过零时，可饱和磁芯才能导磁，磁栅上的漏磁通使输出绕组产生感应电动势e。可见感应电动势的频率为励磁电流频率的两倍，而e的包络线反映了磁头与磁尺的位置关系，其幅值与磁栅到磁芯漏磁通的大小成正比。 式中：式中：em感应电势的幅值

16、感应电势的幅值 w磁栅信号的节距磁栅信号的节距 x机械位移量机械位移量 twxeemsin2cos 磁头输出的电势信号经检波，保留其基波成磁头输出的电势信号经检波，保留其基波成分，可用下式表示：分，可用下式表示：2信号处理方式信号处理方式 当两只磁头励磁线圈加上同一励磁电流时，当两只磁头励磁线圈加上同一励磁电流时，两磁头输出绕组的输出信号为：两磁头输出绕组的输出信号为：twxeemsin2cos1twxeemsin2sin2wx2xwx2式中：式中： 机械位移相角，机械位移相角， 图图5-4-35-4-3双磁头结构双磁头结构 双磁头是为了识别磁栅的移动方向而设置的，双磁头是为了识别磁栅的移动方

17、向而设置的，其结构如图其结构如图5-4-3所示。两磁头按所示。两磁头按(m14)配置配置（m为正整数），它们的输出电压分别是为正整数），它们的输出电压分别是 为增大输出，实际使用时常采用多间隙磁头。为增大输出，实际使用时常采用多间隙磁头。多间隙磁头的输出是许多个间隙磁头所取得信号的多间隙磁头的输出是许多个间隙磁头所取得信号的平均值，有平均效应作用，因而可提高测量精度。平均值，有平均效应作用，因而可提高测量精度。 图图5-4-45-4-4双磁头结构双磁头结构 将第二个磁头的电压读出信号移相将第二个磁头的电压读出信号移相900，两磁，两磁头的输出信号则变为：头的输出信号则变为： 将两路输出相加，则

18、获得总输出：将两路输出相加，则获得总输出： twxeemsin2cos1twxeemcos2sin2)2sin(wxteem（1）鉴相方式）鉴相方式 磁尺与磁头接触，使用寿命磁尺与磁头接触，使用寿命不如光栅，数年后易退磁。不如光栅，数年后易退磁。设置两个磁头的设置两个磁头的意义何在？意义何在？ 利用输出信号的幅值大小来反映磁头的位移利用输出信号的幅值大小来反映磁头的位移量或与磁尺的相对位置的信号处理方式。经检波量或与磁尺的相对位置的信号处理方式。经检波器去掉高频载波后可得器去掉高频载波后可得 ： （2）鉴幅方式）鉴幅方式 wxeem2cos1 wxeem2sin2 与光栅的信号辨向、细分一致。

19、与光栅的信号辨向、细分一致。鉴幅型磁栅传感器的原理框图鉴幅型磁栅传感器的原理框图 磁栅数显装置的结构示意图磁栅数显装置的结构示意图1磁性标尺磁性标尺 2磁头磁头 3固定块固定块 4尺体安装孔尺体安装孔 5泡沫垫泡沫垫 6滑板安装孔滑板安装孔 7磁头连接板磁头连接板 8滑板滑板三、磁栅数显装置三、磁栅数显装置 国产磁栅数显装置的国产磁栅数显装置的lsi芯片组成：芯片组成： 1磁头放大器（磁头放大器（sf023）2磁尺检测专用集成芯片（磁尺检测专用集成芯片（sf6114）主要功能：两输入信号的放大；通道主要功能：两输入信号的放大；通道b信号移相信号移相 900；通道；通道a和通道和通道b信号求和放

20、大；补信号求和放大；补 偿两只磁头特性所需的调整和来自数显偿两只磁头特性所需的调整和来自数显 表供给两只磁头的励磁信号。表供给两只磁头的励磁信号。 主要功能：对磁尺励磁信号的低通滤波和功率放大；主要功能：对磁尺励磁信号的低通滤波和功率放大； 供给磁头的励磁信号；对放大器输出信号供给磁头的励磁信号；对放大器输出信号 经滤波后进行放大、限幅、整形为矩形经滤波后进行放大、限幅、整形为矩形 波；接受反馈信号对磁尺检出信号进行相波；接受反馈信号对磁尺检出信号进行相 位微调。位微调。 4可逆计数芯片（可逆计数芯片（wk50395）3磁尺细分专用集成芯片（磁尺细分专用集成芯片（sim011）主要功能：对磁尺

21、的节距主要功能：对磁尺的节距w200m实现实现200或或40 或或20等分的电气细分，从而获得等分的电气细分，从而获得1、5、 10m的分辨力（最小显示值）。的分辨力（最小显示值）。 该芯片带有比较寄存器和锁存器的该芯片带有比较寄存器和锁存器的p沟道沟道mos六位十进制同步可逆计数六位十进制同步可逆计数/显示驱动器。可以逐位显示驱动器。可以逐位用用bcd码置数，及有异步清零功能。码置数，及有异步清零功能。 1磁栅测量系统磁栅测量系统压板压板磁头磁头磁尺磁尺四、磁栅式传感器的应用四、磁栅式传感器的应用 数显数显磁栅在磨床测长系统中的应用磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺磁尺2应用实例应用实例编码器编

22、码器1 1 认识编码器认识编码器（编码器在机器人控制中的应用）（编码器在机器人控制中的应用）编码器编码器伺服电机伺服电机伺服电机伺服电机编码器编码器伺服电机伺服电机伺服电机伺服电机编码器编码器编码器编码器编码器编码器播放播放2 2 编码器的测量对象编码器的测量对象编码器编码器 轴式轴式套式套式电信号电信号二进制编码二进制编码脉冲脉冲3 3 编码器测量直线位移的方式编码器测量直线位移的方式（1 1）编码器装在丝杠末端）编码器装在丝杠末端编码器编码器位置反馈位置反馈 x 通 过 测 量 滚通 过 测 量 滚珠丝杠的角位珠丝杠的角位移移 ，间接间接获得获得工作台的直线工作台的直线位移位移x，构成，构

23、成位位置半闭环置半闭环伺服伺服系统。系统。xt/360 （2 2）丝杠螺距）丝杠螺距编码器编码器螺母螺母丝杠丝杠螺距螺距x=？ 设设: :螺距螺距t=4mm，丝杠在丝杠在4 4s时间里转动时间里转动了了10圈，求圈，求: :丝杠的平丝杠的平均转速均转速n(r/min)及螺母及螺母移动了多少毫米？螺移动了多少毫米？螺母移动的平均速度母移动的平均速度v又又为多少？为多少？ 螺距螺距编码器编码器（3 3）编码器和伺服电动机同轴安装）编码器和伺服电动机同轴安装位置反馈位置反馈 xxt/360 （4 4）编码器和伺服电动机同轴安装）编码器和伺服电动机同轴安装编码器编码器工作台工作台丝杠丝杠伺服电动机伺服

24、电动机编码器编码器导轨导轨（5 5）编码器和伺服电动机同轴安装）编码器和伺服电动机同轴安装编码器编码器光电编码器伺服电动机 联轴器滚珠丝杠滑块光电编码器信号输出伺服电动机电源 （6 6）编码器两种安装方式比较）编码器两种安装方式比较编码器编码器 xx 4 4 增量式测量（增量式测量（incinc）（1 1）信号性质）信号性质编码器编码器 输出信号为一串脉冲，每一输出信号为一串脉冲，每一个脉冲对应一个分辨角个脉冲对应一个分辨角 ，对，对脉冲进行计数脉冲进行计数n，就是对，就是对 的的累加，即，角位移累加，即，角位移 n。 如：如： 0.352 ，脉冲，脉冲n1000，则：，则： 0.352 10

25、00 352 （2 2）增量式光电编码器的结构）增量式光电编码器的结构编码器编码器码盘码盘光栏板光栏板led零位标志零位标志（一转脉冲）（一转脉冲）光敏元件光敏元件 360条纹数条纹数 36010240.352 透光条纹透光条纹（3 3）辨向）辨向编码器编码器90 abab 光敏元件所产光敏元件所产生的信号生的信号a、b彼此相差彼此相差90 相相位，用于辨向。位，用于辨向。 当码盘正转时，当码盘正转时，a信号超前信号超前b信信号号90 ；当码盘；当码盘反转时，反转时，b信号信号超前超前a信号信号90 。（4 4）辨向信号）辨向信号编码器编码器ababa 超前于超前于b 90，正向，正向a 滞后

26、于滞后于b 90，反向，反向（5 5）倍频（细分）倍频（细分）编码器编码器 / /4细分前细分前4细分后细分后 在现有编码器的条件下，在现有编码器的条件下，通过细分技术能提高编码通过细分技术能提高编码器的分辨力。细分前，编器的分辨力。细分前，编码器的分辨力只有一个分码器的分辨力只有一个分辨角的大小。采用辨角的大小。采用4细分细分技术后，计数脉冲的频率技术后，计数脉冲的频率提高了提高了4倍，相当于将原倍，相当于将原编码器的分辨力提高了编码器的分辨力提高了3倍，测量分辨角是原来的倍，测量分辨角是原来的1/4，提高了测量精度。，提高了测量精度。（6 6）零标志（一转脉冲）零标志（一转脉冲）编码器编码

27、器 一转（360）cc 在码盘里圈，还有一条在码盘里圈，还有一条狭缝狭缝c，每转能产生一个脉，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称冲，该脉冲信号又称“一一转信号转信号”或零标志脉冲，或零标志脉冲，作为测量的起始基准。作为测量的起始基准。（7 7）零标志在回参考点中的作用）零标志在回参考点中的作用编码器编码器z 轴参考点轴参考点x 轴参考点轴参考点y 轴参考点轴参考点回参考点方式回参考点方式sinumerik数控数控系统工作方式开关系统工作方式开关（8 8）回参考点减速开关）回参考点减速开关编码器编码器限位开关限位开关参考点减速开关参考点减速开关滑块滑块（9 9）回参考点示意图）回参考点示意图编码

28、器编码器减速寻找减速寻找零标志零标志零标志找到零标志找到参考点位置参考点位置速度速度慢速慢速快速快速行程行程碰到参考点减速开关碰到参考点减速开关播放播放5 5 绝对式测量（绝对式测量（absabs）（1 1）信号性质）信号性质编码器编码器0 0 0 0 0 0 0 0 1 22.5 0 0 1 0 45 1 1 1 1 337.5 输出输出n位二进制编码，每一位二进制编码，每一个编码对应唯一的角度。个编码对应唯一的角度。 （2 2）接触式绝对码盘）接触式绝对码盘编码器编码器4 4个电刷个电刷 4 4位二进制码盘位二进制码盘 最小分辨角最小分辨角 3602n 当当n4， 3602422.5 导电

29、为导电为“1”，非导电为，非导电为“0”4位二进制码与循环码的对照表位二进制码与循环码的对照表（3 3）绝对式光电码盘）绝对式光电码盘编码器编码器led光敏光敏元件元件6 6 编码器在数字测速中的应用编码器在数字测速中的应用（1 1）模拟测速和数字测速的比较）模拟测速和数字测速的比较编码器编码器mtgu测速发电机测速发电机nunmpcn光电编码器光电编码器ffn（2 2）m m法测速（适合于高转速场合）法测速（适合于高转速场合）编码器编码器 m1t 有一增量式光电编码器，其参数为有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，在，在5s时间内测得时间内测得65536个脉冲，个脉冲，则转速（则转速（r/min) )为为 ： n = 60 65536 /（1024 5）=768 r/min 编码器每转产编码器每转产生生 n 个脉冲，在个脉冲，在t 时间段内有时间段内有 m1 个脉冲产生，则个脉冲产生，则转速（转速（r/min) )为为: : n = 60