第七章运动参量的测量

第七章运动参量的测量

本章所述运动参量的测量是指描述物体运动状态的三个基本参量，即位移、速度、加速度的测量。在研究机器零部件的运动规律、力能关系从工艺参数等情况时，都要涉及到运动参量的测量。此外，其它物理如力参量、物位、温度、流量等的测量，也是不同程度地以运动参量的测量为基础的。因而运动参量的测量广泛应用于工艺参数的自动检测、控制和生产设备的自动化方面。

第一节位移的测量位移测量是线位移和角位移测量的统称，测量时应根据具体的测量对象，选择或设计测量系统。一、滑线电阻式位移传感器

测量原理同电位计式传感器工作原理。二、应变片式位移传感器测量原理同电阻应变片传感器工作原理。适用于：δ<250μm的场合——微小位移三、差动变压器式位移传感器测量原理同差动变压器式传感器工作原理。四、光电脉冲式位移传感器（光电编码器）一、光电编码器的工作原理光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的原板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测，并输出若干脉冲信号，其原理示意图如下：光源透镜码盘转轴透镜光敏元件放大整形脉冲输出通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外为判断旋转方向，码盘可以提供相位相差900的两路脉冲信号。

编码器包括码盘和码尺。码盘用于测量角度。码尺用于测量长度，测量长度的实际应用比较少。所以在这里只讨论码盘。光源透镜码盘转轴透镜光敏元件放大整形脉冲输出数字式角编码器

信号航空插头其他角编码器外形其他角编码器外形（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。光电编码器包括增量编码器和绝对码编码器两大类。二、增量编码器增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和C相；A、B两组脉冲相位差900，从而可方便地判断出旋转方向，而C相为每转一个脉冲，用于基准点定位。

增量式编码器转轴盘码及狭缝光敏元件光栏板及辨向用的A、B狭缝LEDABC零位标志ABC增量式编码器增量式码盘10码道光电绝对式码盘它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。透光区不透光区零位标志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：有多少条码道，就有多长的二进制数，工业上常用的是21码道。从里向外读数亮：定义为高电平1暗：定义为低电平0零位（全黑）：000000110000缺点：码道多，要求制造精度高，否则，会产生很大的误差。三、绝对式编码器显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是：1.2.1可以直接读出角度坐标的绝对值；1.2.2没有累积误差；1.2.3电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。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α=360°/2n

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：

α=360°/2n分辨率=1/2n光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。编码器在伺服电机中的应用利用编码器测量伺服电机的转速、转角，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数。转速测量转子磁极位置测量角位移测量编码器在定位加工中的应用1—绝对式编码器

2—电动机

3—转轴

4—转盘

5—工件

6—刀具

五、光栅传感器

光栅的类型和结构

光栅传感器由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。光栅副是光栅传感器的主要部分。在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅，它主要由主光栅（也称标尺光栅）和指示光栅组成。计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类。当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化，利用光电接受元件，将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并与数字显示，从而测量出标尺光栅的移动距离。透射光栅是在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条。图6－10中a为刻线宽度，b为刻线间的缝隙宽度，a+b=w称为光栅的栅距（或光栅常数）指示光栅一般比主光栅短得多，通常刻有与主光栅同样密度的线纹。光源一般用钨丝灯泡。光电元件包括光电池和光敏三极管等部分。abW刻线密度：（10，25，50，100线）/mm1000线/mma：刻线宽度b:刻线间的缝隙宽度W：栅距，光栅常数透射光栅是在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条。图6－10中a为刻线宽度，b为刻线间的缝隙宽度，a+b=w称为光栅的栅距（或光栅常数）指示光栅一般比主光栅短得多，通常刻有与主光栅同样密度的线纹。光源一般用钨丝灯泡。光电元件包括光电池和光敏三极管等部分。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）透射式直光栅反射式光栅透射式圆光栅固定莫尔条纹演示莫尔条纹形成的原理及特点两光栅平行-----竖条纹标尺光栅移动一个W，光电管接受光线亮暗一次缺点：无法辨向两光栅成微小角度θ-----横条纹（莫尔条纹）形成黑白相间的条纹光栅左右移动，条纹上下移动-----可辨向每移动一个栅距W，条纹移动一个间距BH莫尔条纹的重要特性运动对应关系莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角θ固定后，两光栅相对左右移动一个栅距W时，莫尔条纹上下或下上移动一个节距B，因此，可以通过检测莫尔条纹的移动条数和方向来判断两光栅相对位移的大小和方向。位移放大关系误差平均效应莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻线误差有平均作用。光强近似于正弦变化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θ。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/θ

，（θ为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）

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=20m（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/θ=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。辨向电路及波形细分技术脉冲细分

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=（1mm/50）/4=0.005mm=5m

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。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。光栅在机床上的安装位置（2个自由度）光栅在机床上的安装位置（3个自由度）数显表2自由度光栅数显表X位移显示Z（Y）位移显示3自由度光栅数显表光栅数显表（续）三座标数显表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二节速度的测量一、用测速发电机测量速度

测速发电机是一种微型电机，有直流和交流两类。直流测速电机的励磁有永磁和电磁(它激)两种。图7—18是它激测速电机的测试电路。当它的电枢随被测轴转动时，电枢电路有电压输出，其值与被测轴转速在一定范围内成正比，因而可根据其输出电压的大小来测定转速。二、用定距测时法测量速度定距测时法是通过测量被测件经过一已知距离△S所需的时间t，然后计算出其速度。该方法的关键是如何给定已知距离和测出被测件经过此给定距离所需的时间。最简单的是用示波器同时记录位移、时间脉冲信号的方法，见图7—1，其中图a是它的测试系统框图，图b为光线示波器在记录纸上的记录结果。曲线1是位移脉冲信号，每个脉冲等价于线位移△S或角位移△α，相当于给定距离。曲线2是时间脉冲信号(即时标)。若与位移△S或△α，相对应的时标脉冲数为n，时标周期为t0，则其时间为nt0而其速度(平均速度)可由下式算出图7—20是用计数器记录时间的方法，图a是其测试框图，图b是控制门输入、输出端的脉冲信号波形。其工作原理是：定距位移△S或△α经光电转换和放大整形后变成方脉冲，此方脉冲的上升沿与下降沿分别作为控制门的开门与关门的控制信号，则计数器所计的时标脉冲数n就与定距位移△S此所经历的时间t成正比，即t＝nt0。其中t0为时标的周期。那么在定距△S或△α内的平均速度可按上式求得。图7—21是用定距测时法测量锤头打击速度的例子。三、用磁电式速度传感器测量速度磁电式线速度传感器主要用于振动测试中振动速度的测量，有相对式和绝对式两种。相对式传感器既可用于两振动物体间的相对振动速度测量，也可用于绝对振动速度的测量，但需要—个静止的基座作为参考基准。绝对式也称惯性式速度传感器，由于个需要参考基准，使用时可直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量、机械振动的测试及振动监测与研究等方面获得了广泛的应用。图7—22为这种绝对式速度传感器的结构简图。四、用微分法求速度1、用图解微分法求速度2、用微分电路的方法