數(shù)字量位移傳感器與位移的測試本課件PPT僅供大家學習使用學習完請自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學習使用學習完請自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學習使用學習完請自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學習使用學習完請自行刪除，謝謝！5數(shù)字量位移傳感器與位移的測試1.了解常用數(shù)字式位移傳感器的性能、特點及適用范圍2.掌握光柵數(shù)字傳感器工作原理、測量電路3.了解數(shù)字式傳感器的應(yīng)用數(shù)字位移傳感器與位移的測試傳感器的特點：具有高的測量精度和分辨力，讀數(shù)直觀準確。測量行程范圍大，直線位移可達數(shù)米至幾十米。易于實現(xiàn)高速動態(tài)測量、處理和自動化。采用高電平數(shù)字信號時，對外部干擾〔噪音〕的抑制能力強。安裝方便，使用維護簡單，工作可靠性強。5.1光柵數(shù)字傳感器1、光柵的類型光柵是在基體〔玻璃或金屬〕上刻有均勻分布條紋的光學元件。用于位移測量的光柵稱為計量光柵。計量光柵分為透射式及反射式兩種。前者使光線通過光柵后產(chǎn)生明暗條紋，后者反射光線并使之產(chǎn)生明暗條紋。測量直線位移的光柵為直光柵〔長光柵〕，測量角位移的光柵為圓光柵。5.1.1光柵傳感器的構(gòu)成及原理在直光柵中，假設(shè)a為刻線寬度，b為縫隙寬度，那么W＝a+b稱為光柵的柵距(也稱光柵常數(shù))。通常a＝b，或a：b＝1.1：0.9。2.柵距3.莫爾條紋的形成及特點當兩塊光柵互相靠近且沿刻線方向保持有一個夾角時，由于擋光效應(yīng)(當線紋密度≤50條/mm時)或光的衍射作用(當線紋密度≥100條/mm時)，在與光柵線紋大致垂直的方向上(兩線紋夾角的等分線上)產(chǎn)生出亮、暗相間的條紋——稱為“莫爾條紋〞。莫爾條紋的間距B與兩光柵線紋夾角θ之間的關(guān)系為：K為放大倍數(shù)莫爾條紋的重要特征:1)莫爾條紋的運動與光柵的運動一一對應(yīng)

光柵柵距W——莫爾條紋間距B。2〕莫爾條紋具有位移放大作用

K=1/θ3)莫爾條紋具有誤差平均效應(yīng)〔消除短周期誤差〕4〕莫爾條紋的間距B隨光柵刻線夾角θ變化4、光柵數(shù)字傳感器的構(gòu)造光柵數(shù)字傳感器主要由標尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。標尺光柵的有效長度即為測量范圍。必要時，標尺光柵還可接長。對于線位移測量，兩塊光柵長短不等，指示固定，標尺光柵隨著被測物體移動，即可實現(xiàn)位移測量。而測量角位移時，一塊圓光柵固定，另一塊隨轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)動。光柵傳感器構(gòu)造為：光源→標尺光柵→指示光柵→光電元件5.1.2光柵位移數(shù)字轉(zhuǎn)換的根本原理1.光柵傳感器輸出信號波形

當光柵相對位移一個柵距時，莫爾條紋移動一個條紋寬度，相應(yīng)照射在光電池上的光強度發(fā)生一個周期的變化，使輸出電信號周期變化，其輸出波形如圖：輸出表達式：U＝U0＋UmCOS[(2π/w)X]式中，2π/W為空間角頻率，W為柵距〔信號周期〕，X為位移。由此可知，只要計算輸出電壓的周期數(shù)，便可測出位移量。從而實現(xiàn)了位移量向電量的轉(zhuǎn)換。在一個周期內(nèi)，V的變化是位移在一個柵距內(nèi)變化的余弦函數(shù)，每一周期對應(yīng)一個柵距。

但是如果只用一個光電元件，其輸出信號還存在兩個問題：①辨向問題：用一個光電元件無法區(qū)分運動方向；②精度低；分辨力只為一個柵距W。怎么解決這兩個問題呢？數(shù)字量傳感器2、辨向與細分電路辨向電路在相隔1/4B莫爾條紋間距的位置上安放兩個光電元件，獲得相位差為90o的兩個信號——辨向。當條紋上移時，V2落后于V190°。當條紋下移時，V2超前于V190°。因此，由V1、V2之間的相位關(guān)系可以判別運動方向。xAxBxDxExF2xF1x/A將該電壓信號放大、整形使其變?yōu)榉讲?，?jīng)微分電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號，再經(jīng)過辨向電路和可逆計數(shù)器計數(shù)，那么可在顯示器上以數(shù)字形式實時地顯示出位移量的大小。位移量為脈沖數(shù)與柵距的乘積。3.細分電路假設(shè)以移過的莫爾條紋的數(shù)來確定位移量，其分辨力為光柵柵距。為了提高分辨力和測得比柵距更小的位移量，可采用細分技術(shù)：它是在莫爾條紋信號變化的一個周期內(nèi)，給出假設(shè)干個計數(shù)脈沖來減小脈沖當量的方法。細分方法有機械細分和電子細分兩類。機械細分：增加刻線密度，制造、安裝及調(diào)試困難；電子細分：在一個莫爾條紋的間隔內(nèi)，放置假設(shè)干個光電元件，可得到多個不同相位的信號，提高計數(shù)脈沖數(shù)。四倍頻細分法在辨向原理中，在相差BH/4位置上安裝兩個光電元件，得到兩個相位相差π/2的電信號。

假設(shè)將這兩個信號反相就可以得到四個依次相差π/2的信號，從而可以在移動一個柵距的周期內(nèi)得到四個計數(shù)脈沖，實現(xiàn)四倍頻細分。5.1.3光柵數(shù)字傳感器的應(yīng)用5.2光電盤式角位移傳感器5.2.1光電盤

光電盤是一種最簡單的光電式轉(zhuǎn)角測量元件。它由光源、聚光鏡、光電盤、光欄板、光電管、整形放大電路和數(shù)字顯示裝置組成。光電盤和光欄板可用玻璃研磨拋光制成，經(jīng)真空鍍鉻后用照相腐蝕法在鍍鉻層上制成透光的狹縫，狹縫的數(shù)量可為幾百條或幾千條。也可用精制的金屬圓盤在其圓周上開出一定數(shù)量的等分槽縫，或在一定半徑的圓周上鉆出一定數(shù)量的小孔，使圓盤形成相等數(shù)量的透明和不透明區(qū)域。光欄板上有兩條透光的狹縫，縫距等于光電盤槽距或孔距的1/4，每條縫后面放一只光電管。光電盤裝在回轉(zhuǎn)軸上，軸的另一端裝有齒輪，該齒輪與驅(qū)動齒輪或齒條嚙合時，可帶動光電盤旋轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)軸也可以直接被主軸或絲杠驅(qū)動。光電盤置于光源和光電管之間，當光電盤轉(zhuǎn)動時，光電管把通過光電盤和光欄板射來的忽明忽暗的光信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，經(jīng)整形、放大、分頻、計數(shù)和譯碼后輸出或顯示。由于光電盤每轉(zhuǎn)發(fā)生的脈沖數(shù)不變，故由脈沖數(shù)即可測出被測軸的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速。也可根據(jù)傳動裝置的速比換算出直線運動機構(gòu)的直線位移。根據(jù)光欄板上兩條狹縫中信號的先后順序，可以判別光電盤的旋轉(zhuǎn)方向。由于光電盤制造精度較低，只能測增量值，易受環(huán)境干擾，所以多用在簡易型和經(jīng)濟型數(shù)控機床上。5.2.2光電編碼器編碼器可把角位移直接轉(zhuǎn)換成脈沖或二進制編碼的檢測器件〔增量編碼器、絕對編碼器〕。

按編碼器的構(gòu)造分為光電式、接觸式和電磁式三種。

光電式編碼器是目前應(yīng)用較多的一種，它是在透明材料的圓盤上準確地印制上二進制編碼“0或1〞——不透光或透光區(qū)域。1、絕對編碼器四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，在圓周范圍內(nèi)編碼數(shù)為24=16個。每個數(shù)位都對應(yīng)有一個光電器件及放大、整形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件承受光信號，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號，經(jīng)放大整形后，成為相應(yīng)數(shù)字信號。標準二進制編碼器(8421碼盤)由于光電器件安裝誤差的影響，當碼盤回轉(zhuǎn)在兩碼段邊緣交替位置時，就會產(chǎn)生讀數(shù)誤差。例如，當碼盤由位置“0111〞變?yōu)椤?000〞時——四位數(shù)要同時變化，可能將數(shù)碼誤讀成1111、1011、1101、……、0001等，產(chǎn)生無法估計的數(shù)值誤差，這種誤差稱為非單值性誤差。標準二進制編碼器實際應(yīng)用少，而采用二進制循環(huán)碼盤〔格雷碼盤〕。任意相鄰的兩個代碼間只有一位代碼有變化，即由“0〞變?yōu)椤?〞或“1〞變?yōu)椤?〞。因此，讀數(shù)誤差最多不超過“1〞，只可能讀成相鄰兩個數(shù)中的一個數(shù)——有效消除非單值性誤差。碼盤最外圈上的信號位的位置正好與狀態(tài)交線錯開，只有信號位處的光電元件有信號才能讀數(shù)，這樣就不會產(chǎn)生非單值性誤差。2、增量編碼器只有三個碼道，不直接輸出編碼。外碼道——產(chǎn)生計數(shù)脈沖的增量碼道；內(nèi)碼道——辨向碼道，其辨向方法與光柵的辨向原理一樣。另一碼道——用于產(chǎn)生定位或零位信號。輸出光電脈沖，通過整形、放大、辨向后輸出脈沖信號3、光電編碼器的應(yīng)用——數(shù)字測速5.3感應(yīng)同步器

感應(yīng)同步器是利用兩個平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理組成的。分為直線型感應(yīng)同步器和圓盤型感應(yīng)同步器兩大類。感應(yīng)同步器的優(yōu)點是：①具有較高的精度與分辨力；②抗干擾能力強；③使用壽命長，維護簡單；④可以作長距離位移測量；⑤工藝性好，本錢較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。

廣泛用于三坐標測量機、程控數(shù)控機床及高精度重型機床及加工中測量裝置等。1、感應(yīng)同步器的根本構(gòu)造由定尺和滑尺組成，其繞組分布不同——定尺是連續(xù)繞組，滑尺那么是分段繞組。分段繞組分為兩組，布置成在空間相差90°相角，又稱為正、余弦繞組。

感應(yīng)同步器的分段繞組和連續(xù)繞組相當于變壓器的一次和二次線圈，利用交變電磁場和互感原理工作。圓盤式感應(yīng)同步器由定子和轉(zhuǎn)子組成，形狀呈圓片形，定子相當于直線式感應(yīng)同步器的滑尺，轉(zhuǎn)子相當于定尺。2、感應(yīng)同步器的工作原理當定尺和滑尺產(chǎn)生相對線位移時，或定子與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對角位移時，兩繞組間的耦合狀態(tài)發(fā)生變化，這時，在定尺和轉(zhuǎn)子繞組上感應(yīng)出一個與位移有關(guān)的電壓信號，由此可以測定位移量的大小。數(shù)顯表是一種高精度位移測量儀、廣泛應(yīng)用于航空、航海及數(shù)控機床等的精度測量和定位跟蹤方面。特點：1)準確測量靜態(tài)位移量，又能在運