典型参量的测量及常用传感器的选择

典型参量的测量及常用传感器的选择第一页，共二十九页，2022年，8月28日10.1位移的测量位移是机械量中最基本的参数,也是机械量检测的重点。位移测量分为线位移和角位移测量。常用的小位移测量传感器有电阻式、电感式、电容式、磁电式、霍尔式等。测量从几十纳米到几个毫米的位移。常用的较大位移传感器有感应同步器、光栅、磁栅、编码器等，其特点是易实现数字化，精度高，抗干扰能力强，没有人为读数误差，安装方便，使用可靠等。本章介绍利用数字式传感器——光栅传感器和编码器来测量线位移和角位移。第二页，共二十九页，2022年，8月28日1.1光栅传感器一、光栅（计量光栅的黑白透射光栅）的结构及工作原理1.光栅结构在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是光栅。图中a为栅线的宽度（不透光），b为栅线间宽（透光），a+b=W称为光栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9。目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条线条。第三页，共二十九页，2022年，8月28日透射光栅示意图第四页，共二十九页，2022年，8月28日2.光栅测量原理把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）面向对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角θ，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。由图可见，在d-d线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大，形成条纹的亮带，它是由一系列四棱形图案构成的；在f-f线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。第五页，共二十九页，2022年，8月28日莫尔条纹的光学放大作用

光栅的刻线宽度W莫尔条纹的间距L第六页，共二十九页，2022年，8月28日莫尔条纹演示第七页，共二十九页，2022年，8月28日莫尔条纹光学放大作用举例

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。栅距：栅距W=1mm/50=0.02mm=20m莫尔条纹的宽度：L≈W/θ=0.02mm/（1.8*3.14/180）=0.02mm/0.0314=0.637mm所以，莫尔条纹的宽度是栅距的32倍。第八页，共二十九页，2022年，8月28日莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点：（1）位移的放大作用：θ越小，L越大，这相当于把栅距W放大了1/θ倍。说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。（2）莫尔条纹移动方向：如指示光栅沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着主光栅的栅线向下移动；反之，当指示光栅向左移动时，莫尔条纹沿着主光栅的栅线向上移动。因此根据莫尔条纹移动方向就可以对指示光栅的运动进行辨向。（3）误差的平均效应：莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。第九页，共二十九页，2022年，8月28日二、光栅传感器的组成光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量）转换成响应的电信号；光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。第十页，共二十九页，2022年，8月28日1.光栅读数头光栅读数头主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅一般固定在被测物体上，且随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围，标尺光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。指示光栅相对于光电元件（光信号转换为电信号）固定。第十一页，共二十九页，2022年，8月28日光栅读数头结构示意图第十二页，共二十九页，2022年，8月28日2.光栅数显表光栅读数头实现了位移量由非电量转换为电量，位移是向量，因而对位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。为了辨别位移的方向，进一步提高测量的精度，以及实现数字显示的目的，必须把光栅读数头的输出信号送入数显表作进一步的处理。光栅数显表由整形放大电路、细分电路、辨向电路及数字显示电路等组成。第十三页，共二十九页，2022年，8月28日光栅在机床上的安装位置（2个自由度）第十四页，共二十九页，2022年，8月28日光栅在机床上的安装位置（3个自由度）数显表第十五页，共二十九页，2022年，8月28日光栅在机床上

的安装位置

（3个自由度）第十六页，共二十九页，2022年，8月28日2自由度光栅数显表X位移显示Z（Y）位移显示第十七页，共二十九页，2022年，8月28日3自由度光栅数显表第十八页，共二十九页，2022年，8月28日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第十九页，共二十九页，2022年，8月28日1.2编码器

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。编码器的种类很多，主要分为脉冲盘式（增量编码器）和码盘式（绝对编码器），其关系如下所示：编码器脉冲盘式编码器(增量编码器)码盘式编码器(绝对编码器)接触式编码器电磁式编码器光电式编码器第二十页，共二十九页，2022年，8月28日

脉冲盘式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行加减(正向或反向旋转时)累计计数，一般还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。

码盘式编码器不需要基准数据及计数系统，它在任意位置都可给出与位置相对应的固定数字码输出，能方便地与数字系统（如微机）连接。

第二十一页，共二十九页，2022年，8月28日光电式编码器（绝对编码器）：光电式编码器组成：编码圆盘（码盘）、窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。第二十二页，共二十九页，2022年，8月28日光电式编码器示意图第二十三页，共二十九页，2022年，8月28日

图所示的6位二进制码盘，最内圈码盘一半透光，一半不透光，最外圈一共分成26=64个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。例如零位对应于000000（全黑）；第23个方位对应于010111。这样在测量时，只要根据码盘的起始和终止位置，就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个n位二进制码盘的最小分辨率，即能分辨的角度为α=360°/2n，一个6位二进制码盘，其最小分辨的角度α≈5.6°。第二十四页，共二十九页，2022年，8月28日码盘构造第二十五页，共二十九页，2022年，8月28日绝对式编码器演示4个电刷4位二进制码盘

最小分辨角度为α=360°/2n

第二十六页，共二十九页，2022年，8月28日10码道光电绝对