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文档简介
1、数字式位置传感器及数字式位置传感器及 本章本章学习几种常用数字式位置学习几种常用数字式位置传感器的结构、原理,如角编码器、传感器的结构、原理,如角编码器、光栅传感器、磁栅传感器、容栅传光栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器等感器等,并讨论他们在直线位移和,并讨论他们在直线位移和角位移中测量、控制的应用。角位移中测量、控制的应用。第八章第八章 数字式位置传感器及应用数字式位置传感器及应用第八章第八章 数字式位置传感器及应用数字式位置传感器及应用 数字式位置传感器与其它位置传感器不同,它可位置传感器与其它位置传感器不同,它可直接给出干扰能力较强的数字脉冲或编码信号,直接给出干扰能力较强的数字脉冲或编码
2、信号,既有很高的精度,又可测量很大的位移量,测量既有很高的精度,又可测量很大的位移量,测量准确度与量程无关准确度与量程无关。 数字式位置传感器广泛应用于数控机床中,进行位置传感器广泛应用于数控机床中,进行位置伺服控制,还可用于测量工具,使传统的游位置伺服控制,还可用于测量工具,使传统的游标卡尺、千分尺、高度尺等实现了数显化,读数标卡尺、千分尺、高度尺等实现了数显化,读数过程既方便、又准确。过程既方便、又准确。 数字式位置测量的直线位移分辨率可达位置测量的直线位移分辨率可达0.10.1m m,角位移分辨率可达角位移分辨率可达0.10.1, ,并正朝着大量程、自动并正朝着大量程、自动补偿、测量数据
3、处理高速化方向发展。补偿、测量数据处理高速化方向发展。第一节 位置测量的方式位置测量的方式 一、直接测量和间接测量一、直接测量和间接测量 位置传感器有直线式和旋转式两大类。若位置位置传感器有直线式和旋转式两大类。若位置传感器所测量的对象就是被测量本身,即用直线式传感器所测量的对象就是被测量本身,即用直线式传感器测直线位移,用旋转式传感器测角位移,则传感器测直线位移,用旋转式传感器测角位移,则该测量方式为直接测量。例如直接用于直线位移测该测量方式为直接测量。例如直接用于直线位移测量的直线光栅和长磁栅等;直接用于角度测量的角量的直线光栅和长磁栅等;直接用于角度测量的角编码器、圆光栅、圆磁栅等。编码
4、器、圆光栅、圆磁栅等。 若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值,再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移,值,再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移,则该测量方式为间接测量。则该测量方式为间接测量。 1.1.直接测量直接测量 直接测直接测量的误差较量的误差较小。小。 图为利图为利用光栅传感用光栅传感器测量数控器测量数控机床工作台机床工作台位移量的现位移量的现场照片。场照片。 工作台工作台光栅光栅工作台运动方向工作台运动方向2.2.间接测量间接测量 在间接测量在间接测量中,多使用旋转式中,多使用旋转式位置传感器。测量位置传感器。测量到的回转运动参数到
5、的回转运动参数仅仅是中间值,但仅仅是中间值,但可由这中间值再推可由这中间值再推算出与之关联的移算出与之关联的移动部件的直线位移动部件的直线位移间接测量须使用丝间接测量须使用丝杠杠- -螺母、齿轮螺母、齿轮- -齿齿条等传动机构。条等传动机构。 工作台工作台丝杠丝杠编码器编码器进给电机进给电机 x传动机构传动机构 滚珠丝杠螺母滚珠丝杠螺母副、齿轮副、齿轮- -齿条副齿条副等传动机构能够等传动机构能够将旋转运动转换将旋转运动转换成直线运动。但成直线运动。但应设法消除传导应设法消除传导过程产生的间隙过程产生的间隙误差。误差。 齿距齿距齿条齿条齿轮齿轮 x滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母滚珠
6、丝杠螺母副能够将减小传副能够将减小传动磨檫力,延长动磨檫力,延长使用寿命,减小使用寿命,减小间隙误差。间隙误差。 螺母螺母丝杠丝杠x 传动分析传动分析 设:螺距设:螺距t=4mm,丝杠在,丝杠在4s时间里转动了时间里转动了10圈,圈,求:求:丝杠的平均转速丝杠的平均转速n(r/min)及螺母移动了多少及螺母移动了多少毫米?螺母的平均速度毫米?螺母的平均速度v又为多少?又为多少? 若测得丝若测得丝杆旋转角度为杆旋转角度为7290,求螺母的直线位移。,求螺母的直线位移。螺母螺母丝杠丝杠螺距螺距x=?N=10圈圈 二、增量式和二、增量式和 绝对式测量绝对式测量 在增量式测量中,在增量式测量中,移动部
7、件每移动一个基移动部件每移动一个基本长度单位,位置传感本长度单位,位置传感器便发出一个测量信号,器便发出一个测量信号,此信号通常是脉冲形式。此信号通常是脉冲形式。这样,一个脉冲所代表这样,一个脉冲所代表的基本长度单位就是分的基本长度单位就是分辨力,对脉冲计数,便辨力,对脉冲计数,便可得到位移量。可得到位移量。 增量式测量必须有增量式测量必须有一个零位标志,作为测一个零位标志,作为测量起点的标志。若中途量起点的标志。若中途断电将丢失绝对位置数断电将丢失绝对位置数据。典型的有增量式光据。典型的有增量式光电编码器、光栅等。电编码器、光栅等。增量式测量得到的脉冲波形增量式测量得到的脉冲波形 绝对式绝对
8、式测量的特点是:测量的特点是: 每一被测点都有一个对应的每一被测点都有一个对应的编码编码,常以,常以二进制数据二进制数据形式来表示。绝对式测量即使形式来表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电,也能读出当前位置断电之后再重新上电,也能读出当前位置的数据。典型的绝对式位置传感器有的数据。典型的绝对式位置传感器有绝对绝对式角编码器式角编码器。二、增量式和二、增量式和 绝对式测量绝对式测量第二节第二节 数字式角编码器数字式角编码器(码盘式传感器)(码盘式传感器) 信号航空插头信号航空插头 码盘又称码盘又称角编码器角编码器,是一种旋转式位置传,是一种旋转式位置传感器,通常装在被测轴一起转动。它能将感器,
9、通常装在被测轴一起转动。它能将被测轴的角位移转换成增量脉冲或二进制被测轴的角位移转换成增量脉冲或二进制编码。编码。 其他角编码器外形其他角编码器外形其他角编码器外形(续)其他角编码器外形(续) 拉线式拉线式角编角编码器利用线轮,码器利用线轮,能将直线运动转能将直线运动转换成旋转运动。换成旋转运动。其他角编码器外形其他角编码器外形一、增量式编码器转轴转轴盘码及盘码及狭缝狭缝光敏元件光敏元件光栏板及辨向用的光栏板及辨向用的A、B狭缝狭缝LEDABC零位标志零位标志ABC一、增量式编码器 光电码盘可以采用不透明区和透明区、反射区和非反射区以及干涉条纹。无论在那种情况下,固定计读头都包含一个发射体(红
10、外发光二极管)和一个接收器(光电晶体管或光电二极管)。码盘随轴同步转动,从而接收器接收到的光是忽明忽暗的,所以它的输出信号是一个个脉冲,然后再有编码器进行编码. 在利用反射区和非反射区反射体和探测器必须处于编码元件的同一侧 利用不透明区和透明区发射体和接收器必须放在移动单元的两侧。 一、增量式编码器 光电编码器的测量精度光电编码器的测量精度 取决于它所能取决于它所能分辨的最小角度,而这与码盘圆周上的槽分辨的最小角度,而这与码盘圆周上的槽缝条纹数缝条纹数n有关,即能分辨的最小角度为有关,即能分辨的最小角度为 =360/n 分辩率分辩率= 1/n例如,条纹数为例如,条纹数为1024,则分辨角度,则
11、分辨角度 =360 o /1024=0.325o。光电编码器的输出波形光电编码器的输出波形 为了判断码盘旋转的方向,在为了判断码盘旋转的方向,在上图的光栏板上的两个狭缝距离是上图的光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个码盘上的两个狭缝距离的(狭缝距离的(m +1/4)倍,倍,m 为正整数,并设置了两组光为正整数,并设置了两组光敏元件敏元件A、B,有时又称为,有时又称为sin、cos元元件。件。辨向信号和零标志辨向信号和零标志 光电编码器的光栏板上有光电编码器的光栏板上有A组与组与B组两组狭缝,彼此错组两组狭缝,彼此错开开1/4节距,两组狭缝相对应节距,两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号的光敏元
12、件所产生的信号A、 B彼此相差彼此相差90 相位,用于辩向。相位,用于辩向。当编码正转时,当编码正转时,A信号超前信号超前B信号信号90 ;当码盘反转时,;当码盘反转时,B信信号超前号超前A信号信号90 。(请画出反转时信号请画出反转时信号B的波形)的波形) 二、绝对式编码器 绝对式码盘与增量绝对式码盘与增量式码盘有何区别?式码盘有何区别?10码道光电绝对式码盘码道光电绝对式码盘 绝对式编码器按照绝对式编码器按照角度直接进行编码,角度直接进行编码,可直接把被测转角用可直接把被测转角用数字代码表示出来。数字代码表示出来。根据内部结构和检测根据内部结构和检测方式有接触式、光电方式有接触式、光电式等
13、形式。式等形式。 透光区透光区不透光区不透光区零位标志零位标志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位二进制位二进制码盘码盘 +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 =360/2n 码盘分成四个码道,在每个码道上都有一个电刷,电刷经电阻接地,信号从电刷上取出。这样,无论码盘处在哪个角度上,该角度均有1个码道是公用的,它和各码道所有电部分连在一起,经电刷和限流保护电阻接正极。 可根据电刷的位置得到由:“1”、“0”组成的4位二进制码。能从图 b、c可看出电刷位置与输出编码的对应关系。 2 2绝对式光电编码器绝对式光电编码器 a a)
14、光电码盘的平面结构()光电码盘的平面结构(8 8码道)码道) b b)光电码盘与光源、光敏元件的对应关系()光电码盘与光源、光敏元件的对应关系(4 4码码道)道) 高位高位低位低位绝对式编码器的分辨力及分辨率绝对式编码器的分辨力及分辨率 绝对式光电编码器的测量精度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,而取决于它所能分辨的最小角度,而这与码盘上的码道数这与码盘上的码道数n 有关,即最小有关,即最小能分辨的角度及分辨率为:能分辨的角度及分辨率为: =360/2n分辨率分辨率=1/2n显然,位数越大,所能分辨的角度越小,测量精度就越高。所以,若要提高分辨率,就必须增加码道数,即二进制
15、位数。例如,某12码道的绝对式角编码器,其每转位置数为212=4096,分辨角度为=3600/212=5.28;若为13码道,则每转位置数为213=9192,分辨角度为=3600/213=2.64。 三、角编码器的应用三、角编码器的应用 角编码器除了能直接测量角位移或间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、工接测量直线位移外,可用于数字测速、工位编码、位编码、伺服电机控制伺服电机控制等。等。 M法测速(适合于高转速场合)法测速(适合于高转速场合)T 编码器每转产生编码器每转产生 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,则转速个脉冲产生,则
16、转速(r/min)为为 :n = 60m1/(NT) m1例题例题T 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,则个脉冲,则转速(转速(r/min)为为 : n = 60 65536 /(1024 5) r/min = 768 r/min m1T法测速(适合于低转速场合)法测速(适合于低转速场合)时钟脉冲时钟脉冲fc 编码器输出脉冲编码器输出脉冲 m2 编码器每转产生编码器每转产生 N 个脉冲,用已知个脉冲,用已知频率频率fc作为时钟,填充到编码器输出的两作为时钟,填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为个相
17、邻脉冲之间的脉冲数为m2 ,则转速,则转速(r/min)为为 n = 60fc / (Nm2 ) T法测速举例法测速举例时钟脉冲时钟脉冲fc 编码器输出脉冲编码器输出脉冲 m2 n = 60fc /(Nm2 ) = 60*1000000/(1024*3000) =19.53 r/min 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,测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000,时钟频,时钟频率率fc为为1MHz ,则转速(,则转速(r/min)为为 :安装套安装套编码器的安装方式编码器的安装方式 1. 1.编码器编码器的套式安装的套式安装安
18、装轴安装轴2.2.编码器的轴式安装编码器的轴式安装编码器在定位编码器在定位加工中的加工中的应用应用11绝对式编码器绝对式编码器 2电动机电动机 3转轴转轴 4转盘转盘 5工件工件 6刀具刀具 设该增量式光电编码器设该增量式光电编码器的参数为的参数为10241024 p/rp/r,大、小,大、小皮带轮的传动比为皮带轮的传动比为5 5,若希望,若希望当加工好元件当加工好元件1 1后紧接着加工后紧接着加工元件元件8 8,则电动机转动了多少,则电动机转动了多少分之几圈?应等待编码器分之几圈?应等待编码器给给出多少脉冲数时,出多少脉冲数时,电动机停电动机停转?转?数控数控加工中心加工中心 编码器在数控编
19、码器在数控加工中心的刀库选刀加工中心的刀库选刀控制中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为角编码器的输出为当前刀具号当前刀具号角编码器与角编码器与 旋转刀库连接旋转刀库连接 用不同的刀具加用不同的刀具加工复杂的工件工复杂的工件第三节第三节 光栅传感器光栅传感器 一、光栅的类型和结构一、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大部分组成。计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。栅和圆光栅。 光栅传感器
20、是根据光栅传感器是根据莫尔条纹原理莫尔条纹原理制成的一种脉制成的一种脉冲输出数字式传感器;由冲输出数字式传感器;由光栅、光路和光电元件光栅、光路和光电元件以以及及转换电路转换电路等组成。等组成。 只要能够转换成位移的物理量,如速度、加速度、只要能够转换成位移的物理量,如速度、加速度、振动、变形等,均可测量。振动、变形等,均可测量。 尺身尺身尺身安装孔尺身安装孔 反射式扫描头反射式扫描头 (与移动部件固定)(与移动部件固定)扫描头安装孔扫描头安装孔可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长磁栅防尘保护罩的内部为长磁栅扫描头扫描头(与移动部件固定)(与移动部件固定)光
21、栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构(续)光栅的外形及结构(续)反射式光栅反射式光栅透射式光栅透射式光栅透射式圆光栅透射式圆光栅固定固定莫尔条纹莫尔条纹的光学放大作用的光学放大作用 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角。在两光栅的刻线重合处,光从缝隙透过,形成亮带;在两。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。光栅刻线的错开处,由于相互挡光作用而形
22、成暗带。 光栅的刻线宽度光栅的刻线宽度W莫尔条纹的莫尔条纹的宽度宽度L L LW/ ,(为主为主光栅和光栅和指示光栅刻线的指示光栅刻线的夹角,弧度)夹角,弧度) 莫尔条纹莫尔条纹演示演示莫尔条纹莫尔条纹光学放大作用举光学放大作用举例例 有一直线光栅,每毫米刻线数为有一直线光栅,每毫米刻线数为50,主光栅与,主光栅与指示光栅的夹角指示光栅的夹角 =1.8 ,则:,则: 分辨力分辨力 =栅距栅距W =1mm/50=0.02mm=20 m (由于栅距很小,因此无法观察光强的变化)(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莫尔条纹的宽度是栅距的32倍:倍: L W/ = 0.02
23、mm/(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由于较大,因此可以用小面积的光电池“观察观察”莫尔条纹光强的变化。莫尔条纹光强的变化。莫尔条纹莫尔条纹光学放大作用光学放大作用(1) 对位移的光学放大作用:即把极细微的栅线放大为很宽的条纹,便于测试。例如=10,则K=334, 若W=0.01 mm,则B=3.34 mm。 (2) 连续变倍和辨向的作用: 其放大倍数可通过使角连续变化, 从而获得任意粗细的莫尔条纹。 (3) 对光栅刻线的误差均衡作用: 光栅的刻线误差是不可避免的。 由于莫尔条纹是由大量栅线共同组成的, 光
24、电元件感受的光通量是其视场覆盖的所有光栅光通量的总和, 具有对光栅的刻线误差的平均效应, 从而能消除短周期的误差。 例如对50线/mm的光栅(W=0.02 mm),用5 mm5 mm的光电池接收, 光电池视场内覆盖250条栅线。 脉冲细分脉冲细分 细分技术能在不细分技术能在不增加光栅刻线数及价增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅格的情况下提高光栅的分辨力。细分前,的分辨力。细分前,光栅的分辨力只有一光栅的分辨力只有一个栅距的大小。采用个栅距的大小。采用4 4细分技术后,计数细分技术后,计数脉冲的频率提高了脉冲的频率提高了4 4倍,相当于原光栅的倍,相当于原光栅的分辨力提高了分辨力提高了3 3倍
25、,倍,测 量 步 距 是 原 来 的测 量 步 距 是 原 来 的1/41/4,较大地提高了,较大地提高了测量精度。测量精度。细分前细分前细分后细分后光栅细分光栅细分举例举例 有一直线光栅,每毫米刻线数为有一直线光栅,每毫米刻线数为50,细,细分数为分数为4细分细分,则:,则: 分辨力分辨力 =W /4 =(1mm/50)/4=0.005mm=5 m 采用细分技术,采用细分技术,在不增加光栅在不增加光栅刻线数刻线数(成本)的情况下,将分辨力提高了(成本)的情况下,将分辨力提高了3倍。倍。光栅在机床上的安装位置(光栅在机床上的安装位置(2 2个个自由度)自由度)光栅在机床上的安装位置(光栅在机床
26、上的安装位置(3个自由度)个自由度)数显表数显表光栅在机床上光栅在机床上的安装位置的安装位置 (3个自由度)(续)个自由度)(续)2 2自由度光栅数显表自由度光栅数显表X位移位移显示显示Z(Y)位移)位移显示显示3 3自由度光栅数显表自由度光栅数显表光栅数显表(续)光栅数显表(续)三座标三座标数显表数显表安装有直线光栅的数控机床加工实况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防护罩内为直线光栅光栅扫描头光栅扫描头被加工工件被加工工件切削刀具切削刀具角编码器角编码器安装在夹安装在夹具的端部具的端部第四节第四节 磁栅传感器磁栅传感器 磁栅价格低于光栅,且录磁方便、磁栅价格低于光栅,且录
27、磁方便、易于安装,测量范围宽易于安装,测量范围宽, ,可超过十几米,可超过十几米,抗干扰能力强。磁栅可分为抗干扰能力强。磁栅可分为长磁栅和长磁栅和圆磁栅圆磁栅。长磁栅主要用于直线位移测。长磁栅主要用于直线位移测量,圆磁栅主要用于角位移测量。量,圆磁栅主要用于角位移测量。磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示磁栅传感器磁栅传感器1 磁栅结构及工作原理磁栅结构及工作原理 磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成。磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成。磁尺:满足一定要求(有较大的剩磁和矫顽力、耐磨、易加磁尺:满足一定要求(有较大的剩磁和矫顽力、耐磨、易加工、
28、热胀系数小工、热胀系数小) )的硬磁合金的硬磁合金 制成。制成。按形状可分为实体性按形状可分为实体性磁尺(尺型)、带状磁尺、线状磁尺(同轴)和圆形磁尺。磁尺(尺型)、带状磁尺、线状磁尺(同轴)和圆形磁尺。磁头:磁头可分为磁头:磁头可分为动态磁头动态磁头( (速度响应式磁头速度响应式磁头) )和静态磁头和静态磁头(磁通响应式磁头)两大类(磁通响应式磁头)两大类。动态磁头只有在磁头和磁尺动态磁头只有在磁头和磁尺产生相对运动时,才有信号输出,故不适有于速度不均匀、产生相对运动时,才有信号输出,故不适有于速度不均匀、时走时停的场合;静态磁头就是在磁头与磁尺间没有相对时走时停的场合;静态磁头就是在磁头与
29、磁尺间没有相对运动时也有信号输出。运动时也有信号输出。磁栅测量系统磁栅测量系统压板压板磁头磁头磁尺磁尺磁栅传感器磁栅传感器 图所示为磁尺的磁化波形,图所示为磁尺的磁化波形,在在N N与与N N、S S与与S S重叠部分磁感重叠部分磁感应强度最大,但两者的极性相应强度最大,但两者的极性相反,从反,从N N到到S S磁感应强度呈正磁感应强度呈正弦波变化。弦波变化。 e的包络线反映了磁头与磁的包络线反映了磁头与磁尺的相对位置,其幅值与磁栅尺的相对位置,其幅值与磁栅进入磁芯漏磁通的大小成正比;进入磁芯漏磁通的大小成正比;而与磁头、磁尺间的相对运动而与磁头、磁尺间的相对运动速度及励磁电流的大小无关,速度
30、及励磁电流的大小无关,故称为静态磁头。故称为静态磁头。静态磁头的结构及其磁化波形 2 2 信号处理方式信号处理方式 磁栅传感器磁栅传感器信号处理方式有信号处理方式有鉴相式、鉴幅式之分。鉴相式、鉴幅式之分。 所谓鉴相处理方式就是利用输出信号的相位来反映磁头的位移所谓鉴相处理方式就是利用输出信号的相位来反映磁头的位移的位移量或磁头与磁尺的相对位置的信号处理方式。的位移量或磁头与磁尺的相对位置的信号处理方式。 为了辨别磁头运动的方向,采用两只磁头(为了辨别磁头运动的方向,采用两只磁头(sin、cos磁头)来磁头)来检取信号。它们相互距离为检取信号。它们相互距离为(m )W , m为整数。为整数。 为
31、了保证距为了保证距离的准确性,通常将两个磁头做成一体。当两只磁头励磁线圈加离的准确性,通常将两个磁头做成一体。当两只磁头励磁线圈加上同一励磁电流时,两磁头输出信号分别为:上同一励磁电流时,两磁头输出信号分别为: 将将e1移相移相 90度后求和得度后求和得: e= Emsin( t+ x) 该信号经整形、鉴相内插、细分电路后,产生脉冲信号,该信号经整形、鉴相内插、细分电路后,产生脉冲信号,由可逆计数器计数,由显示器显示相位的位移量。由可逆计数器计数,由显示器显示相位的位移量。 tEexmsinsin1tEexmsincos2鉴相型磁栅数显表的原理框图鉴相型磁栅数显表的原理框图 磁尺与磁头接触,使
32、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?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磁头安装在何处?磁头安装在何处?8.3.3 磁栅传感器的应用磁栅传感器的应用 磁头、磁尺与专用的磁栅数显表配合,可用来检测磁头、磁尺与专用的磁栅数显表配合,可用来检测机械位移量,这是以往人们所经常采用的方法。机械位移量,这是以往人们所经常采用的方法。实践证实践证明,当数显表坐标轴数大于明,当数显表坐标轴数大于1(同时测量多方向位移)时,(同时测量多方向位移)时,无论是技术指标,还是经济效益、耗能、体积等指标,无
33、论是技术指标,还是经济效益、耗能、体积等指标,带微机的数显表都优于普通型数显表。带微机的数显表都优于普通型数显表。2. 鉴相内插细分电路 它由限幅整形、相位微调、同步电路、信号分频器、位置脉冲形成、鉴相分频器、鉴相触发器和相位脉冲门等组成。 8.48.4 感应同步器感应同步器感应同步器是利用两个平面绕组的电磁感应原理来检测位移的精密传感器,目前已被广泛应用于自动化测量和控制系统中。按其用途不同可分为直线式和圆盘式感应同步器两大类。前者用于测量直线位移,后者用于测量角位移。 8.4.1 种类和结构 (一)直线式感应同步器 直线式感应同步器主要部件包括定尺和滑尺定尺和滑尺, 分为 标准型、窄型、带
34、型、三重型 8.4 感应同步器 感应同步器是利用两个平面绕组的电磁感感应同步器是利用两个平面绕组的电磁感应原理将线位移和角位移转换成电信号的应原理将线位移和角位移转换成电信号的一种装置。一种装置。 对环境要求低、工作可靠、抗干扰能力强、对环境要求低、工作可靠、抗干扰能力强、精度高、维护方便。精度高、维护方便。 根据用途,可将感应同步器分为直线式和根据用途,可将感应同步器分为直线式和旋转式两种,分别用于测量线位移和角位旋转式两种,分别用于测量线位移和角位 移。1 直线式感应同步器的结构直线式感应同步器的结构直线式感应同步器的定尺和滑尺,直线式感应同步器的定尺和滑尺, 都由图中的基板、都由图中的基
35、板、 绝缘层和绕组构成,绝缘层和绕组构成, 绕组的外面包有一层与绕组绝缘的接绕组的外面包有一层与绕组绝缘的接地屏蔽层,地屏蔽层, 如下图所示。如下图所示。 定尺安装在静止的机械设备上,定尺安装在静止的机械设备上,与导轨母线平行;与导轨母线平行; 滑尺安装在活动的机械部件上,与定尺滑尺安装在活动的机械部件上,与定尺之间保持均匀的狭小气隙。之间保持均匀的狭小气隙。 滑尺相对定尺而移动。滑尺相对定尺而移动。 直线式感应同步器定尺和滑尺的基板采用铸铁或其直线式感应同步器定尺和滑尺的基板采用铸铁或其他钢材做成。他钢材做成。 这些钢材的线膨胀系数应与安装感应同这些钢材的线膨胀系数应与安装感应同步器的床身的
36、线膨胀系数相近,步器的床身的线膨胀系数相近, 以减小温度误差。以减小温度误差。 在定尺和滑尺上腐蚀成印制电路绕组,在定尺和滑尺上腐蚀成印制电路绕组, 绕组的材绕组的材料为铜。料为铜。 考虑到接长的要求和安装的方便,考虑到接长的要求和安装的方便, 将定尺将定尺绕组做成连续式,绕组做成连续式, 由一连串线圈串联而成;由一连串线圈串联而成; 而将滑而将滑尺绕组做成分段式,尺绕组做成分段式, 并分别为正弦绕组(并分别为正弦绕组(S绕组)和绕组)和余弦绕组(余弦绕组(C绕组),绕组), 它们在空间位置上错开而形成它们在空间位置上错开而形成90相位差,相位差, 如下图所示。如下图所示。 直线式感应同步器直
37、线式感应同步器定尺和滑尺绕组结构(a) 定尺绕组; (b) 滑尺绕组直线式感应同步器的种类直线式感应同步器的种类 根据不同的运行方式、精度要求、测量范围、安装条件等,根据不同的运行方式、精度要求、测量范围、安装条件等, 直线式感应同步器可设计成各种不同的尺寸、形状和种类。直线式感应同步器可设计成各种不同的尺寸、形状和种类。 (1) 标准型:标准型直线感应同步器精度高,应用最普标准型:标准型直线感应同步器精度高,应用最普遍,遍, 每根定尺长每根定尺长250 mm。如果测量长度超过。如果测量长度超过175 mm时,时,可将几根定尺接起来使用,甚至可连接长达十几米,但必可将几根定尺接起来使用,甚至可
38、连接长达十几米,但必须保持安装平整,否则极易损坏。须保持安装平整,否则极易损坏。 (2) 窄型: 窄型直线同步感应器中定尺、 滑尺长度与标准型相同, 仅是定尺宽度为标准型的一半。 用于安装尺寸受限制的设备, 精度稍低于标准型。 (3) 带型: 定尺的基板改用钢带, 滑尺做成滑标式, 直接套在定尺上。 安装表面不用加工。 使用时只需将钢带两头固定即可。 (4) 三重型: 在一根定尺上有粗、 中、 精三种绕组, 以便构成绝对坐标系统。 直线式感应同步器的种类直线式感应同步器的种类感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理 感应同步器利用定尺和滑尺的两个平面印刷电路绕组感应同步器利用定尺和滑尺的两个平
39、面印刷电路绕组的互感随其相对位置变化的原理,的互感随其相对位置变化的原理, 将位移转换为电信号。将位移转换为电信号。 感应同步器工作时,感应同步器工作时, 定尺和滑尺相互平行、定尺和滑尺相互平行、 相对放置,相对放置, 它们之间保持一定的气隙(它们之间保持一定的气隙(0.250.005)mm, 定尺固定尺固定,定, 滑尺可动。滑尺可动。 当滑尺的当滑尺的S和和C绕组分别通过一定的正、绕组分别通过一定的正、 余弦电压激励时,余弦电压激励时, 定尺绕组中就会有感应电势产生,定尺绕组中就会有感应电势产生, 其其值是定、值是定、 滑尺相对位置的函数。滑尺相对位置的函数。 如下图所示, 先考虑对S绕组单
40、独励磁, 滑尺处在A点的位置时, 滑尺S绕组与定尺某一绕组重合, 定尺感应电动势值最大; 当滑尺向右移动W/4距离到达B点的位置时, 定尺感应电动势为零; 当滑尺移过W/2至C点位置时, 定尺感应电动势为负的最大值; 当移过3W/4至D点的位置时, 定尺感应电动势又为零, 其感应电动势如图5-6中曲线1所示。 同理, 余弦绕组单独励磁时, 定尺感应电动势变化如曲线2所示。 定尺上产生的总的感应电动势是正弦、 余弦绕组分别励磁时产生的感应电动势之和。 感应电动势与两相绕组相对位置的关系5.3.3 感应同步器的信号处理方式感应同步器的信号处理方式1. 鉴相型鉴相型给滑尺的S和C绕组以等频、 等幅、
41、 相位差为90的电压分别激磁,就可根据感应电势的相位来鉴别位移量。 若定尺节距为W(标准为2 mm), 机械位移x引起的电相角变化为, 其总感应电动势e与两尺的相对位移x关系为 xW2)2sin()sin(mmxWtUktUke2. 鉴幅型鉴幅型如果给滑尺的正、余弦绕组以同频、 同相但不等幅的电压激磁时, 则可根据感应电势的幅值来鉴别位移量,称为鉴幅型。 正、余弦同时激磁时的总感应电势为 :)cos(sinmtUke式中, 为给定电角度;位移; 感应电势的幅值为kUmcos(-),即幅值与x有关。 2x 除了以上介绍的鉴相型、鉴幅型外,除了以上介绍的鉴相型、鉴幅型外,现在较为常用的还有脉冲调宽
42、型,它现在较为常用的还有脉冲调宽型,它的优点在于克服了鉴幅型中函数变压的优点在于克服了鉴幅型中函数变压器绕制工艺和开关电路的分散性所带器绕制工艺和开关电路的分散性所带来的误差,但她的处理方式实质上就来的误差,但她的处理方式实质上就是鉴幅型处理方式。是鉴幅型处理方式。 感应同步器感应同步器与数字位移显示装置(简称感应同步器数显表)配合,能快速地进行各种位移的精密测量,并进行数字显示。感应同步器数显表及其应用感应同步器数显表及其应用 感应同步器数显表及其应用感应同步器数显表及其应用 鉴幅型感应同步器数显表鉴幅型感应同步器数显表 若滑尺移动后,,此时,在定尺上就有误差电动势输出。此误差信号经放大、滤波、再放大后与门槛电路的基准电平比较,若超过门槛基准电平,则说明机械位移量所对应的大于仪器所设定的数值(
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