10检测教案数字式位置检测

传感器与检测技术项目教程（ISBN978-7-111-48817-0）授课教案PAGEPAGE1模块十、数字式位置检测授课教案课程名称：检测技术班级：性质：考试课授课人：课题：模块十、数字式位置检测课时安排：3课次编号：15、16教材分析难点±1误差。重点：角编码器的M法测速。教学目的和要求1.掌握位置检测的基本概念2.熟悉角编码器的组成和工作原理。3.掌握绝对式角编码器的码道与分辨力的关系。4.掌握绝对式角编码器的输出编码与旋转角度的关系。5.熟悉增量式角编码器的刻线数与分辨力的关系。6.熟悉增量式角编码器的辨向原理及零位标记的作用。7.掌握增量式角编码器的M法测速。8.熟悉光栅的结构和工作原理。9.熟悉光栅的莫尔条纹的光学放大作用和特征。10.熟悉光栅刻线数与分辨力的关系。11.熟悉光栅的关系辨向与细分技术。13.了解磁栅的结构与工作原理。14.了解介绍容栅的结构与工作原理。15.了解老机床改造的步奏。采用教学方法和实施步骤讲授、课堂互动、分析、实训教具：各种角编码器、光栅、磁栅各教学环节和内容位置检测的基本概念表10-1数字式位置检测传感器的分类及特点种类工作原理测量范围最高分辨力特点磁阻式旋转变压器磁阻效应，输出电压随转子的角位移而变化360º1º价廉，输出信号与旋转的角度成线性关系；模拟输出信号易受干扰；在同步随动系统及数字随动系统中可用于传递转角或电信号，可实现函数解算功能感应同步器电磁感应。定子、转子的间隙为0.2～0.3mm200mm0.02mm价廉；模拟输出信号微弱，易受干扰，碳素结构钢底板较重。每块直线型定尺的长度仅为200mm，如超过该上限，需要用多块定尺接长。接长时，需要用激光干涉仪校准两块定尺之间的间隙球栅尺6相电感线圈与钢球之间的电磁感应10m5μm又称球感尺，价廉，全密封，不受灰尘、油污影响；模拟输出信号易受干扰；可用于准确度要求不高的直线位移测量接触式角编码器接触电位360º5.6º价廉；码道数小于6；易磨损，适合于静态测量磁阻式角编码器磁阻效应360º×40960.35º价廉；码道数小于10；适用于要求不高的角位移测量光电式角编码器光电效应360º×40960.3'分辨力较高，响应频率快；适合于普通机床等的角位移测量或转速测量长光栅光电效应3m1μm准确度和分辨力高；易折断；用于直线位移的精密测量圆光栅光电效应360º0.1'分辨力高；适合于精密机床等要求较高的角位移测量或转速测量长磁栅磁电感应30m5μm磁栅尺可以按需要剪裁，安装简便，可用于大量程位移测量圆磁栅磁电感应360º1'分辨力较高，响应频率较快；适合于普通机床等的角位移测量或转速测量直线容栅静电感应20010μm价廉；分辨力不高，响应频率慢；可用于百分尺、千分尺、标高尺等圆容栅静电感应360º0.6º价廉；分辨力较高，响应频率慢；可用于百分表、千分表等一、直接测量和间接测量图10-1直接测量和间接测量示意图a）直接测量b）间接测量1－导轨2－运动部件3－直线式位置传感器的随动部件4－直线式位置传感器的固定部件5－旋转式位置传感器6－丝杠-螺母副7－电动机例10-1若丝杠的螺距t=6.00mm（当丝杠转一圈360°时，“单线螺母”或“单头螺母”移动的直线距离为6.00mm），旋转式位置传感器测得丝杠的旋转角度θ为7290°，求螺母的直线位移x。解螺母的直线位移x=(7290°/360°)×6mm=121.50mm提问：1.用直线式位置传感器进行直线位移的直接测量时，传感器的行程与什么有关？有何优点？2.旋转式间接测量时，有何优点？3.能够将旋转运动转换成直线运动的机械传动装置有哪些？二、增量式测量与绝对式测量例10-2在图10-1a中，若增量式测量系统的每个脉冲代表0.01mm，在10s时间里，长光栅传感器发出2000个脉冲，求：1）工作台的直线位移x（机床行业习惯使用的单位为：mm）。2）运动速度v（机床行业习惯使用的单位为：m/min）。解1）根据题意，工作台每移动0.01mm，长光栅传感器便发出1个脉冲，计数器就加1或减1。当计数值为2000时，工作台移动了x=2000×0.01mm=20.0mm。2）v=x/t=20.0mm/(10s)=2.00mm/s=0.12m/min。提问：为什么增量式位置传感器必须有一个零位标志？【丝杠-螺母副位移转换填表训练】丝杠-螺母副（单线）在10s时间里运动的数据如下，请分析、填空（最少保留三位有效数字）。螺母的螺距t/mm2（细牙）6（粗牙）丝杠的旋转角度θ/°180360450-90①-10001003600丝杠转速/r·min-16.00-1.67螺母的位移x/mm-1.006.00螺母的线速度v/m·min-100.0600.150-0.0300.360①负号表示旋转机械元件作逆时针运动，直线机械元件向左运动，以下同。项目一角编码器【项目教学目标】☞知识目标1．了解接触式角编码器的原理与编码方法。2．了解绝对式和增量式光电角编码器的工作原理。☞技能目标1．掌握绝对式角编码器的分辨率与分辨力的计算。2．掌握增量式角编码器的分辨率与分辨力的计算。3．掌握增量式角编码器的M法测速计算。一、绝对式角编码器1．接触式角编码器的结构图10-24位二进制接触式码盘a）电刷在自然二进制码盘上的位置b）4位自然二进制码盘c）4位格雷码码盘1－码盘2－转轴3－导电体4－绝缘体5－电刷6－激励公用轨道（接电源正极）2．接触式角编码器的分辨力与分辨率α=360°/2M（10-1）分辨率=1/2M（10-2）提问：位数（码道的圈数）M与分辨的角度α的关系？要提高分辨力的措施是什么？例10-3求12码道的绝对式角编码器的分辨力α。解12码道的绝对式角编码器的圆周被均分为212=4096个位置数，所以能分辨的角度α=360°/212=5.27表10-24位十进制数与自然二进制码以及格雷码的对照表十进制数自然二进制码格雷码十进制数自然二进制码格雷码000000000810001100100010001910011101200100011101010111130011001011101111104010001101211001010501010111131101101160110010114111010017011101001511111000【绝对式角编码器分辨率、分辨力填表训练】（最少保留3位有效值）码道数目n681011121622位置数目26211213216分辨率1/2561/10241/20481/40961/81921/4194304分辨力0.35°0.33′0.309″3．绝对式光电角编码器的结构图10-3绝对式光电角编码器a）12码道光电码盘的平面结构b）4码道光电码盘与光源、光敏元件的对应关系c）外形提问：码盘上的低位与高位刻痕如何安排？表10-3GP50S8-1024-3F-2型绝对式角编码器的主要技术参数参数名称指标电源电压/VDC12~24±5%消耗电流/mA100分辨率1/1024输出码格雷码输出形态集电极开路NPN型最高响应频率/kHz35允许最高机械转速/r·min-13000使用环境温度/℃-10~70保存环境温度/℃-25~85使用环境湿度（%）35~85RH(不结露)防护等级IP64振动耐久性（10~55Hz）/mm1.5（振幅，x/y/z各向2h）允许冲击/g50外形参数/mm外径50长度55.5（不含轴）轴径8轴长15重量/g380输出类型NPN型集电极开路5．绝对式角编码器的接线表10-410码道角编码器的接线颜色接线DC12~24V0V20212223242526272829颜色白色黑色棕色红色橙色黄色蓝色紫色灰色白夹棕色白夹红色白夹橙色图10-4绝对式角编码器与用户端的RS485通信电路二、增量式角编码器1．增量式光电角编码器的结构图10-5增量式光电角编码器结构示意图a）外形b）内部结构c）扫描孔板与码盘、光电接收器之间的对应关系1－转轴2－发光二极管3－扫描孔板（光栏板）4－零位标志光槽（Z）5－零位光敏元件6－码盘7－电源及信号线连接座8－聚光透镜提问：图10-5中，A、B、Z光电元件分别起什么作用？2．增量式光电角编码器的分辨力与分辨率增量式光电角编码器的测量准确度与码盘圆周上的狭缝条纹数（分度数）M有关，最小分辨的角度α为α=360°/M（10-3）分辨率=1/M（10-4）例10-4某增量式角编码器的技术指标为1024个脉冲/r（即分度数M＝1024P/r），求：分辨力α。解按题意，码盘边缘的透光槽数为1024个，则能分辨的最小角度为α=360°/M=360°/1024=0.352°提问：如何判断码盘旋转的方向？必须设置什么元件？图10-6绝对式角编码器的输出信号a）TTL电平信号b）正弦波信号图10-7绝对式角编码器的差分输出电路提问：屏蔽线的外壳金属软线能否两端分别接到两端的大地？为什么（可以从两端大地存在电位差来分析）？3．增量式光电角编码器的旋转角度计算θ=360º×(m/M)（10-5）提问：增量式角编码器的分度数M越大，同样的的m值，所对应的旋转角度就越？例10-5某增量式角编码器的分度数M＝1024，从零位信号Z之后的10s内，计数器对角编码器的一路信号（图10-6中的A信号）计数，得到m=1024+128个脉冲。求：码盘旋转的角度θ和转速n（r/min）。解按题意，码盘边缘的透光槽数为1024个，码盘旋转的角度θ=360º×(m/M)=360°×(1152/1024)=360°×1.125=405°n=60×r/s=60×[(405°/360º)/10s]=6.75r/min【增量式角编码器分辨率、分辨力填表训练】增量式码盘在10s时间里输出脉冲数目如下，请根据式（10-3）、式（10-5）分析、填空。（最少保留三位有效数字）。外缘狭缝条纹数分度数M10244096分辨力/(°)0.352计数脉冲数（A超前B）256512655361024204841984码盘的旋转角度θ/(°)360360码盘的转速v/r·min-103.0061.5计数脉冲数（B超前A）102420481049604096043008码盘的旋转角度θ/(°)0-3600-360-720-360旋转状态正转1024，反转2048正转1024，反转256正转1024，反转2048正转1024，反转256码盘最终的旋转角度θ/(°)-360-905．增量式光电角编码器的接线图10-8增量式角编码器的差分输出的接线表10-5WLF系列角编码器的主要技术指标参数名称指标电源电压/VDC5或8~30消耗电流/mA＜60mA分辨率1/1024输出形态推拉型或集电极开路NPN型上升、下降时间/ns≤100最高响应频率/kHz150允许最高机械转速/r·min-16000允许角加速度/rad·s-21×104转动惯量/kg·m²1.3×10-525℃时的起动力矩/N·m5×10-2使用环境温度/℃-10~70保存环境温度/℃-25~85使用环境湿度（%）35~85RH（不结露）防护等级IP54，IP65出线方式电缆侧出，电缆后出插座侧出，插座后出任务二角编码器的应用一、角编码器在数字测速中的应用1．M法测速图10-9M法和T法测速原理a）M法b）T法（10-6）则转速n（单位为r/min）为（10-7）提问：1.M法测速适合于怎样转速的场合？2.当转速较慢时，测量误差怎样变化？3.闸门时间ts的长短有何影响？例10-6某角编码器的技术指标为1024P/r（即M＝1024P/r=1K），在0.2s时间内测得100个脉冲，即ts=0.2s，m１=100，求：1）转速n。2）±1误差引起的转速测量误差为多少转每分钟？3）如果将ts延长到1s，转速测量误差为多少转每分钟？解1）角编码器轴的转速2）由于存在±1误差，在ts时间段里，计数得到的脉冲数m１=100±1个脉冲，则3）如果将ts延长到1s，m１＇必然增加到500，则结论：计算得到的转速不变，但±1个脉冲引起的误差显著缩小。二、绝对式角编码器在工位编码及刀库选刀控制中的应用1．绝对式角编码器在工位编码中的应用由于绝对式角编码器每一转角位置均有一个固定的编码输出，若角编码器与转盘同轴相连，则转盘上每一工位安装的被加工工件均可以有一个编码相对应，转盘加工工位的编码如图10-10所示。当转盘上某一工位转到加工点时，该工位对应的编码由角编码器输出给控制系统。图10-10转盘加工工位的编码1－绝对式角编码器2－电动机3－同步带4－转轴5－转盘6－工件7－刀具例10-7设图10-10中的角编码器为4码道绝对式码盘，工件1~8的编码从0000到1110。图10-10中的工位1（0000）已完成加工，要使处于工位2上的工件转到加工点等待钻加工，计算机应如何控制电动机和转盘？解由于工位的编码是从0000开始到1110，所以每个工位的变化为0010。工位2上的编码为0010，工位3上的编码为0100，以此类推。当工件1完成加工后，电动机通过“同步带”驱动转盘顺时针旋转。当角编码器的输出从0001跳变到0010时，计算机命令电动机停转并自锁，开始加工工件2……直到第8个工位（1110）加工完成后，转盘上的工件全部卸下，重新开始新的8个工件的加工。提问：如果采用3码道角编码器，若工位1的编码是000时。则到工位2的编码是多少？项目二光栅传感器【项目教学目标】☞知识目标1．了解计量光栅的类型、结构及工作原理。2．了解莫尔条纹的光学放大原理。☞技能目标1．掌握光栅的分辨率与分辨力计算。2．掌握光栅的辨向与细分方法。3．掌握光栅的应用。一、光栅的类型和结构图10-15光栅的分类a）透射式光栅光路b）反射式光栅光路c）敞开式反射钢带长光栅外形d）圆光栅1－LED光源2－聚光透镜3－扫描光栅（指示光栅）4－主光栅（标尺光栅）5－栅状光电接收元件6－扫描掩膜7－窗口8－圆光栅9－零位标记提问：光栅如何分类？图10-16长光栅的结构及外观a）内部结构剖面图b）安装示意图1－铝合金定尺2－读数头（动尺）3－电缆4－带聚光镜的LED5－主光栅（标尺光栅，固定在定尺尺身上）6－指示光栅（随读数头及溜板移动）7－光敏元件8－密封唇9－信号调理电路10－压缩空气入口11－安装槽12－电缆拖链提问：图10-16中，压缩空气用来做什么？图10-17直线透射式长光栅测量原理图1－光源2－透镜3－指示光栅4－主光栅（标尺光栅）5－零位光栅6－细分辨向用光敏元件（2路或4路）7－零位光敏元件透射式光栅的几个重要参数：（1）栅距；（2）角节距。提问：1.如果某直线光栅在每毫米里刻线数为100，则栅距为多少毫米？2.如果某圆光栅在一个圆周刻线数为100，则角节距为多少度？二、光栅的工作原理1．莫尔条纹图10-18等栅距黑白透射光栅形成的莫尔条纹图10-19sin和cos光敏元件的输出电压波形及细分脉冲a）光栅位移与光强及输出电压的关系b）整形后的方波c）4细分脉冲（1）亮带和暗带；（2）莫尔条纹的识别；3）莫尔条纹的放大栅距作用；4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数提问：1.如果圆光栅旋转一圈产生100次亮带和暗带的变化，则角节距为多少度？2.设置sin和cos两个光敏元件的目的是什么？3.图10-19b中，矩形波是怎样得到的？3.图10-19c中，尖脉冲波是怎样得到的？2．莫尔条纹的特征1）莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的；2）莫尔条纹移动的方向；3）莫尔条纹的间距。L＝W/sinθ≈W/θ（10-11）式中L——莫尔条纹间距；W——光栅栅距；θ——两光栅刻线夹角（rad）。提问：从式（10-11）可知，θ越小，Ｌ就怎样？例10-8某长光栅的刻线数为25线／mm，指示光栅与主光栅刻线的夹角α=1º，求：栅距W和莫尔条纹间距L。解由于夹角θ较小，所以莫尔条纹间距提问：主光栅与指示光栅之间的夹角越小，莫尔条纹的间距就越？。3．辨向及细分（1）辨向原理；（2）细分技术。提问：细分是指分频还是倍频？例10-9某长光栅的刻线数M=100根/mm，细分数s=4，求：细分后光栅的分辨力Δ。解栅距W=1/M=1mm/100=0.01mm，Δ=W/s=0.01mm/4=0.0025mm=2.5μm。由上例可见，光栅信号通过4细分技术处理后，相当于将光栅的分辨力提高了3倍。必须指出的是，分辨力与最大允许误差是两个概念，分辨力通常远小于绝对误差。直线式光栅的测量准确度取决于刻线的质量、光学扫描计数、电子处理技术、安装技术、光栅尺热胀系数与机床导轨热胀系数的吻合度等。在机床加工中，当计数器清零之后，在温度、振动变化不大的短时间内，可以认为以“清零点”为起点的位移x≈NΔ。4．零位标记提问：光栅中设置零位标记是干什么的？例10-10增量式长光栅的栅距W=0.01mm，细分数s=16。当铣刀向下运动，电路出现零位信号后，又计得N=4096个脉冲，求：零位之后铣刀的位移x约为多少毫米？解x≈N(W/s)=4096×(0.01mm/16)=2.56mm。表10-6FAGOR-SV系列长光栅尺的主要技术指标参数名称指标栅距（周期）/μm20（玻璃光栅尺）玻璃板热胀系数/K-18×10-6最大允许误差/μm±5最大线速度/m·min-1120允许最大振动/g10（无加强板）20（带加强板）移动阻力/N＜4工作温度/℃0~50存储温度/℃-20~70相对湿度（%）20~80RH重量/kg0.2+0.5/m密封等级标准IP53通入干净压缩空气：IP64读数头电缆30表10-7RESR-RGH20-52圆光栅的主要技术指标参数名称指标读数头尺寸（长×宽×高）/mm9.5×15.0×15.0最大转速/r·min-13000磁头与磁尺的间隙/mm0.8±0.08最大抗振性/g10移动阻力/N≤5外径/mm52角节距（周期）/(º)4096刻划准确度/(″)±4分辨力/(″)5细分数4~40电缆弯曲半径/mm≥75重量/kg0.2密封等级IP53连接压缩空气时，IP64工作温度/℃0~50存储温度/℃-20~70相对湿度（%）20~80RH图10-20长光栅尺的安装与调整1－床身（安装面）2－长光栅尺3、4－百分表5－安装螺栓项目三磁栅传感器【项目教学目标】☞知识目标1．了解磁栅传感器的结构及工作原理。2．了解磁栅数显表的原理。☞技能目标1．掌握磁栅的分辨率与分辨力计算。2．掌握磁栅的辨向方法。3．掌握磁栅的应用。图10-24长磁栅结构1－尺身2－滑尺（读数头）3－密封唇4－电缆5－信号调理盒6－接插口提问：图10-24中的密封唇用于防止什么？一、磁栅结构及工作原理提问：磁栅传感器主要由什么组成？图10-26静态磁头的结构及输出信号与磁尺的关系1－磁尺2－sin磁头3－cos磁头4－磁极铁心5－可饱和铁心6－励磁绕组7－感应输出绕组8－低通滤波器9－匀速运动时sin磁头的输出波形（基波为2倍励磁频率）10－保护膜11－载波12－包络线提问：1.为何设置两个磁头？2.磁栅传感器是接触式还是非接触式传感器？3.图10-26中的ec是AM还是FM波形？图10-27磁栅尺、磁头与数显表套件1－20m不锈钢磁尺2－磁头3－信号转换器4－计算机接口5－三维主显示器6－操作显示器提问：图10-27的显示器有3排数码管（X、Y、Z），分别用于测量什么的位移？表10-8XCCB长磁栅的主要技术指标参数名称指标全长L+143mm有效长度L/mm100～900最大行程L+22mm最大响应速度/m·min-160刻线数/线·mm-120脉冲（细分前）/(个·mm-1)20（TTL电平）细分前分辨力/μm50细分后分辨力/μm0.5最大误差/μm±(5+5L/1000)激励源/kHz10移动寿命/km9000电缆最大长度/m30二、磁栅数显表图10-28ZCB-101鉴相型磁栅数显表的原理框图1－磁尺基底2－录磁后的硬磁性薄膜提问：图10-28中，可逆计数器用于什么目的？2．老机床改造