第6章位移的检测.ppt

《第6章位移的检测.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第6章位移的检测.ppt（39页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、传感器与自动检测技术传感器与自动检测技术刘丽刘丽 主编主编第第6 6章章 位移的检测位移的检测 本本 章章 小小 结结6.46.4位移检测控制系统的制作和调试位移检测控制系统的制作和调试6.2 6.2 光栅传感器测量位移光栅传感器测量位移6.1 6.1 电感式传感器测量位移电感式传感器测量位移6.3 6.3 光电编码器测量角位移光电编码器测量角位移第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.1 6.1 电感式传感器测量位移电感式传感器测量位移6.1 电感式传感器测量位移电感式传感器测量位移6.1.16.1.1位移检测的主要方法及特点位移检测的主要方法及特点 根据所检测的位移类型，可分为线位移和角位

2、移的检测。 根据位移检测范围变化的大小，可分为小位移检测和大位移检测。 根据检测的转换结果，可分为两类，一类是将位移量转换为模拟量，另一类是将位移量转换成数字量 。 根据位移检测方法分类，可分为直接测量和间接测量两类。 表6-1为常见位移传感器的主要性能及其特点。 第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.1 6.1 电感式传感器测量位移电感式传感器测量位移6.1.26.1.2自感式传感器自感式传感器 电感式传感器是利用电磁感应原理将被测量转换成线圈自感系数或电感式传感器是利用电磁感应原理将被测量转换成线圈自感系数或互感系数的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的一互感系数的变化，再由

3、测量电路转换为电压或电流的变化量输出的一种装置。按照转换方式的不同，可分为种装置。按照转换方式的不同，可分为自感式自感式和和互感式互感式（差动变压器（差动变压器式）。式）。1.1.自感式传感器的原理自感式传感器的原理 自感式传感器由线圈、铁芯及衔铁组成。自感式传感器由线圈、铁芯及衔铁组成。如果不考虑磁路的铁损和漏磁时，传如果不考虑磁路的铁损和漏磁时，传感器的自感量感器的自感量L L可写为：可写为：2002sWL 第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.1 6.1 电感式传感器测量位移电感式传感器测量位移根据变化量的不同，可将自感传感器分为三种类型：根据变化量的不同，可将自感传感器分为三种类型：

4、（1）变面积式电感传感器）变面积式电感传感器变面积式电感传感器截面积与电感的变化量呈线性关系 （2）变隙式电感传感器）变隙式电感传感器变隙式电感传感器气隙厚度与电感呈反比关系第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.1 6.1 电感式传感器测量位移电感式传感器测量位移（3）螺线管式电感传感器）螺线管式电感传感器 螺线管式电感传感器的工作原理是基于线圈螺线管式电感传感器的工作原理是基于线圈激励的磁通路径因衔铁的插入深度不同，其磁激励的磁通路径因衔铁的插入深度不同，其磁阻发生变化，从而使线圈电感量产生了改变，阻发生变化，从而使线圈电感量产生了改变，在一定范围内，线圈电感量与衔铁插入深度有在一定范围内

5、，线圈电感量与衔铁插入深度有对应关系。对应关系。单线圈螺线管式电感传感器电感相对变化量与单线圈螺线管式电感传感器电感相对变化量与输入位移成正比，但由于螺管线圈内磁场分布输入位移成正比，但由于螺管线圈内磁场分布不均匀，因而实际上螺线管式电感传感器的输不均匀，因而实际上螺线管式电感传感器的输出特性并非线性，并且灵敏度较低，但结构简出特性并非线性，并且灵敏度较低，但结构简单，制作容易，螺管可以做的稍长以测量较大单，制作容易，螺管可以做的稍长以测量较大的位移。的位移。第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.1 6.1 电感式传感器测量位移电感式传感器测量位移（4）差动电感传感器）差动电感传感器 为了提

6、高灵敏度和线性度，减小电磁吸力所造成的为了提高灵敏度和线性度，减小电磁吸力所造成的附加误差。上述三种类型的传感器常采用差动式，两个完附加误差。上述三种类型的传感器常采用差动式，两个完全相同的单个线圈的电感传感器共用一个活动衔铁就构成全相同的单个线圈的电感传感器共用一个活动衔铁就构成了差动电感传感器。了差动电感传感器。 分析：图分析：图6-96-9所示的差动电感传感器属于变隙式、变面积式、螺线管所示的差动电感传感器属于变隙式、变面积式、螺线管式三种类型的哪一种？试画出另外两种类型的差动结构。式三种类型的哪一种？试画出另外两种类型的差动结构。第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.1 6.1 电感

7、式传感器测量位移电感式传感器测量位移2电感式传感器测量电路电感式传感器测量电路 电感式传感器的测量电路有交流分压器式、交流电桥式和谐振式等电感式传感器的测量电路有交流分压器式、交流电桥式和谐振式等几种。对于差动式电感传感器通常都采用交流电桥电路。几种。对于差动式电感传感器通常都采用交流电桥电路。（1）电阻平衡臂电桥）电阻平衡臂电桥 电阻平衡臂电桥电路如图电阻平衡臂电桥电路如图6-10所示，传感器的两个线圈（阻抗为所示，传感器的两个线圈（阻抗为Z1和和Z2）作为电桥的两个臂，用两个电阻）作为电桥的两个臂，用两个电阻R1、R2作电桥的另外两个臂。作电桥的另外两个臂。LRLELRLREEZZUrrr

8、ojj2jj22设初始设初始Z Z1 1=Z=Z2 2=R=Rr r+jL+jL，并且，并且R R1 1=R=R2 2=R=R，满足电桥平衡条件满足电桥平衡条件Z Z1 1/ Z/ Z2 2= R= R1 1/ R/ R2 2，电桥平衡。工作时，电桥平衡。工作时，Z Z1 1=Z+Z=Z+Z，Z Z2 2= Z= ZZZ，输出电压为，输出电压为第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.1 6.1 电感式传感器测量位移电感式传感器测量位移（2）变压器电桥）变压器电桥输出电压为输出电压为EZZZUo)21(211当传感器的衔铁处于中间位置时，即当传感器的衔铁处于中间位置时，即Z Z1 1Z Z2 2

9、Z Z（Z Z表示衔铁处于中间位置时一个线圈表示衔铁处于中间位置时一个线圈的阻抗），这时的阻抗），这时U U0 00 0，电桥平衡。，电桥平衡。当衔铁向下移动时，上面线圈的阻抗增加，即当衔铁向下移动时，上面线圈的阻抗增加，即Z Z1 1=Z+Z=Z+Z，而下面线，而下面线圈的阻抗减小，即圈的阻抗减小，即Z Z2 2= Z= ZZZ，于是得，于是得EZZEZZZUo2)212(当衔铁向上移动同样大小的距离时，当衔铁向上移动同样大小的距离时，Z Z1 1=Z-Z=Z-Z，Z Z2 2= Z+Z= Z+Z，得，得 EZZEZZZUo2)212(第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.1 6.1 电感

10、式传感器测量位移电感式传感器测量位移6.1.3差动变压器差动变压器 互感型电感传感器是先将被测量的变化转换成互感系数互感型电感传感器是先将被测量的变化转换成互感系数M M的变化，的变化，再变换为电压信号输出。这种传感器实质上是一个输出电压可变的变再变换为电压信号输出。这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化，所以又称为差动变压器，电压输出，该电压随被测量的变化而变化，所以又称为差动变压器，其结构形式有多种，应用最广的是螺管式差动变压器。其结构

11、形式有多种，应用最广的是螺管式差动变压器。 1 1差动变压器工作原理差动变压器工作原理 螺管式差动变压器主要由初级线圈、次级线圈、衔铁和线圈框架螺管式差动变压器主要由初级线圈、次级线圈、衔铁和线圈框架等组成。等组成。第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.1 6.1 电感式传感器测量位移电感式传感器测量位移 两个次级线圈极性反接，输出两个次级线圈极性反接，输出 = = 输出的随活动衔铁的位置而变。输出的随活动衔铁的位置而变。 当活动衔铁的位置居中时，互感当活动衔铁的位置居中时，互感M M1 1M M2 2M M，即，即 = = ， =0=0； 当活动衔铁向上，当活动衔铁向上， ， ， 与与 同

12、相；同相； 当活动衔铁向下，即当活动衔铁向下，即 ， ， 与与 反相。反相。差动变压器的等效电路 2e 21e 22e 21e 22e 2e MMM1MMM22e 1e MMM1MMM22e 1e 差动变压器的输出特性分析：用交流电压表测出差动变压器式传感分析：用交流电压表测出差动变压器式传感器输出的电压值能否反应位移的方向？器输出的电压值能否反应位移的方向？第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.1 6.1 电感式传感器测量位移电感式传感器测量位移2 2差动变压器式传感器测量转换电路差动变压器式传感器测量转换电路（1 1）差动相敏检波电路）差动相敏检波电路 当差动变压器衔铁从中间向上或向下位

13、移时，对应输出电压信号当差动变压器衔铁从中间向上或向下位移时，对应输出电压信号为负极性或正极性，即输出电压的极性能反映衔铁位移的方向，电压为负极性或正极性，即输出电压的极性能反映衔铁位移的方向，电压值大小表明了位移的大小。值大小表明了位移的大小。第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.1 6.1 电感式传感器测量位移电感式传感器测量位移（2 2）差动整流电路）差动整流电路 差动整流电路把差动变压器两个次级电压分别整流后，以它们的差动整流电路把差动变压器两个次级电压分别整流后，以它们的差作为输出。图差作为输出。图 (a)(a)、(b)(b)用于连接低阻抗负载（例如动圈形电流表）用于连接低阻抗负载

14、（例如动圈形电流表）的场合，是电流输出型的差动整流电路。图的场合，是电流输出型的差动整流电路。图 (c)(c)、(d)(d)用在连接高阻抗用在连接高阻抗负载（如数字电压表）的场合，是电压输出型的差动整流电路。负载（如数字电压表）的场合，是电压输出型的差动整流电路。（c）全波电压输出 （d）半波电压输出（a）全波电流输出 （b）半波电流输出第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.1 6.1 电感式传感器测量位移电感式传感器测量位移3 3差动变压器基本特性差动变压器基本特性（1 1）灵敏度）灵敏度 差动变压器的灵敏度是指差动变压器衔铁移动单位长度差动变压器的灵敏度是指差动变压器衔铁移动单位长度时所

15、产生的输出电压的变化。时所产生的输出电压的变化。（2 2）频率特性）频率特性 差动变压器的激磁频率一般从差动变压器的激磁频率一般从50Hz50Hz到到10KHz10KHz较为适当。较为适当。（3 3）线性范围）线性范围 理想的差动变压器次级输出电压应与衔铁位移成线性关理想的差动变压器次级输出电压应与衔铁位移成线性关系。系。（4 4）温度特性）温度特性 由于机械结构的膨胀、收缩、测量电路的温度特性等的由于机械结构的膨胀、收缩、测量电路的温度特性等的影响，会造成差动变压器测量精度的下降。影响，会造成差动变压器测量精度的下降。（5 5）零位电压）零位电压 当差动变压器衔铁位于中间位置时，理论上输出应

16、为当差动变压器衔铁位于中间位置时，理论上输出应为零，但实际上总是存在零位不平衡电压输出，即零位电压。零，但实际上总是存在零位不平衡电压输出，即零位电压。 零位电压是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级线圈铜损电零位电压是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成。阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成。 要减小零位电压，最重要的是使传感器的上下几何尺寸和电气参数要减小零位电压，最重要的是使传感器的上下几何尺寸和电气参数严格地相互对称。同时，衔铁或铁芯必须经过热处理，以改善导磁性严格地相互对称。同时，衔铁或铁芯必须经过热处理，以改善导

17、磁性能，提高磁性能地均匀性和稳定性。对于存在零位电压的电路可采用能，提高磁性能地均匀性和稳定性。对于存在零位电压的电路可采用零位补偿电路进行补偿。零位补偿电路进行补偿。第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.1 6.1 电感式传感器测量位移电感式传感器测量位移6.1.46.1.4电感式测微仪电感式测微仪 电感式测微仪是一种能够测量微小尺寸变化的精密测量仪器，它电感式测微仪是一种能够测量微小尺寸变化的精密测量仪器，它由主体和测头两部分组成，配上相应的测量装置（如测量台架等），由主体和测头两部分组成，配上相应的测量装置（如测量台架等），能够完成各种精密测量。能够完成各种精密测量。 工作时测头接触被

18、测物，被测物尺寸工作时测头接触被测物，被测物尺寸的微小变化经电感式传感器的测头带动的微小变化经电感式传感器的测头带动两线圈内衔铁移动，使两线圈内的电感两线圈内衔铁移动，使两线圈内的电感量发生相对的变化。量发生相对的变化。 TESATRONIC TT20外形 第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.1 6.1 电感式传感器测量位移电感式传感器测量位移6.1.56.1.5电感式传感器的应用电感式传感器的应用 电感式传感器把非电量转换为与被测量成比例的电感量，再通过电感式传感器把非电量转换为与被测量成比例的电感量，再通过转换电路将电感量的变化转换为电压、电流或频率信号。转换电路将电感量的变化转换为电

19、压、电流或频率信号。1 1电感式加速度传感器电感式加速度传感器 差动变压器加上悬臂梁弹性支承就可构成加速度传感器，工作时差动变压器加上悬臂梁弹性支承就可构成加速度传感器，工作时加速度使弹性支承产生弹性形变，它带动着差动变压器的衔铁位移，加速度使弹性支承产生弹性形变，它带动着差动变压器的衔铁位移，由此测量加速度。由此测量加速度。 第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.1 6.1 电感式传感器测量位移电感式传感器测量位移2 2电感式微压变送器电感式微压变送器 差动变压器和膜片、膜盒、弹簧管等弹性敏感元件结合就可组成差动变压器和膜片、膜盒、弹簧管等弹性敏感元件结合就可组成压力传感器。无压力作用时，

20、膜盒在初始状态，与膜盒联接的衔铁位压力传感器。无压力作用时，膜盒在初始状态，与膜盒联接的衔铁位于差动变压器线圈的中心部。工作时，被测压力从输入口导入膜盒，于差动变压器线圈的中心部。工作时，被测压力从输入口导入膜盒，膜盒在压力的作用下发生形变，产生正比与被测压力的位移，这个位膜盒在压力的作用下发生形变，产生正比与被测压力的位移，这个位移通过测杆带动衔铁在差动变压器中移动，从而产生一正比于压力的移通过测杆带动衔铁在差动变压器中移动，从而产生一正比于压力的输出电压。输出电压。电感式压力传感器结构示意图1输入的压力；2膜盒；3导线；4印刷电路板；5差动线圈； 6衔铁；7变压器；8罩壳；9指示灯；10安

21、装座；11底座第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.2 6.2 光栅传感器测量位移光栅传感器测量位移6.2 6.2 光栅传感器测量位移光栅传感器测量位移6.2.16.2.1光栅的结构和种类光栅的结构和种类光栅传感器由光源、光栅尺和光电接收元件组成。光栅传感器由光源、光栅尺和光电接收元件组成。 光源有钨丝灯泡、半导体发光器件等，一般采用半导体发光器件。光源有钨丝灯泡、半导体发光器件等，一般采用半导体发光器件。 光栅尺包括标尺光栅和指示光栅，它是用真空镀膜的方法光刻上均匀光栅尺包括标尺光栅和指示光栅，它是用真空镀膜的方法光刻上均匀密集栅线的透明玻璃片或长条形金属镜面。密集栅线的透明玻璃片或长条形

22、金属镜面。 光电元件常采用光电池和光敏三极管等。光电元件常采用光电池和光敏三极管等。 常见的光栅从形状上可分为圆光栅和长光栅，圆光栅用于角位移的常见的光栅从形状上可分为圆光栅和长光栅，圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位移的检测。检测，长光栅用于直线位移的检测。 （a） 透射式长光栅 （b）反射式长光栅 （c） 透射式圆光栅第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.2 6.2 光栅传感器测量位移光栅传感器测量位移6.2.26.2.2光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理1. 1. 莫尔条纹莫尔条纹 常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。常见光栅的工作原理都是根据物理

23、上莫尔条纹的形成原理进行工作的。 光栅读数头中的光敏元件根据透过莫尔条纹的光强度变化检测位移。光栅读数头中的光敏元件根据透过莫尔条纹的光强度变化检测位移。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的间距，以莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的间距，以H H表示。表示。第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.2 6.2 光栅传感器测量位移光栅传感器测量位移莫尔条纹具有以下特点：莫尔条纹具有以下特点：(1) (1) 莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着两块光栅栅线之间的夹角而莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着两块光栅栅线之间的夹角而改变。它们之间的几何关系为改变。

24、它们之间的几何关系为H=W/sinH=W/sin W W 越小则越小则 H H越大，相当于把微小的栅距越大，相当于把微小的栅距W W扩大了扩大了1/1/倍。这种放大作用是倍。这种放大作用是莫尔条纹的一个重要特点。莫尔条纹的一个重要特点。(2) (2) 由于莫尔条纹是由若干条栅线共同形成的，所以莫尔条纹对光栅个别栅线由于莫尔条纹是由若干条栅线共同形成的，所以莫尔条纹对光栅个别栅线之间的栅距误差具有平均效应，能消除光栅栅距不均匀所造成的影响。通过之间的栅距误差具有平均效应，能消除光栅栅距不均匀所造成的影响。通过莫尔条纹所获得的精度可以比光栅本身栅线的刻划精度还要高。莫尔条纹所获得的精度可以比光栅本

25、身栅线的刻划精度还要高。(3) (3) 莫尔条纹随两光栅尺之间的相对而移动，它们之间有严格的对应关系、包莫尔条纹随两光栅尺之间的相对而移动，它们之间有严格的对应关系、包括移动方向和位移量。两光栅尺相对移动一个栅距括移动方向和位移量。两光栅尺相对移动一个栅距W W，莫尔条纹便相应移动一，莫尔条纹便相应移动一个莫尔条纹宽度个莫尔条纹宽度H H，其方向与两光栅尺相对移动的方向垂直，且当两光栅尺相，其方向与两光栅尺相对移动的方向垂直，且当两光栅尺相对移动的方向改变时，莫尔条纹移动的方向也随之改变。如主光栅向左移动，对移动的方向改变时，莫尔条纹移动的方向也随之改变。如主光栅向左移动，则莫尔条纹向下移；主

26、光栅向右移动，莫尔条纹向上移动。则莫尔条纹向下移；主光栅向右移动，莫尔条纹向上移动。(4) (4) 当用平行光束照射光栅时，透过莫尔条纹的光强度分布近似于余弦函数。当用平行光束照射光栅时，透过莫尔条纹的光强度分布近似于余弦函数。第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.2 6.2 光栅传感器测量位移光栅传感器测量位移2. 辨向原理辨向原理 在莫尔条纹移动的方向上设置两套相距在莫尔条纹移动的方向上设置两套相距m m1/41/4莫尔条纹宽度的光莫尔条纹宽度的光电元件。当两光栅尺相对移动时，莫尔条纹随之移动，两套光电元件电元件。当两光栅尺相对移动时，莫尔条纹随之移动，两套光电元件可以接受到到可以接受到

27、到2 2个在相位上依次超前或滞后个在相位上依次超前或滞后1/41/4周期的光强度变化，光周期的光强度变化，光敏元件把光强度变化的转化为相应的相位上超前或滞后敏元件把光强度变化的转化为相应的相位上超前或滞后9090两组电压两组电压信号，如图信号，如图6-266-26所示，经放大、整形后得到两个方波信号所示，经放大、整形后得到两个方波信号u u1 1和和u u2 2，分，分别送到图别送到图6-276-27所示的辨向电路中。所示的辨向电路中。辨向波形图辨向电路 第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.2 6.2 光栅传感器测量位移光栅传感器测量位移3.3.细分技术细分技术 为了提高系统分辨率，常采用

28、细分电路，使光栅移动一个栅距能为了提高系统分辨率，常采用细分电路，使光栅移动一个栅距能输出若干个计数脉冲。由于细分后计数脉冲的频率提高了，因此细分输出若干个计数脉冲。由于细分后计数脉冲的频率提高了，因此细分又叫倍频。又叫倍频。 四倍频电路 四倍频电路波形 第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.2 6.2 光栅传感器测量位移光栅传感器测量位移6.2.3光栅传感器的使用光栅传感器的使用1 1直线位移光栅传感器的安装直线位移光栅传感器的安装光栅位移传感器的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位光栅位移传感器的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位安装基面安装基面主尺安装主尺安装读数头的安装读数头的安装

29、限位装置限位装置检查检查装防护罩装防护罩第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.2 6.2 光栅传感器测量位移光栅传感器测量位移2 2光栅位移传感器的使用注意事项光栅位移传感器的使用注意事项（1 1）定期检查各安装联接螺钉是否松动。）定期检查各安装联接螺钉是否松动。（2 2）及时清理溅落在尺上的切屑和油液，严格防止任何异物进入光栅传）及时清理溅落在尺上的切屑和油液，严格防止任何异物进入光栅传感器壳体内部污染光栅尺面，引起测量误差。为延长防尘密封条的寿感器壳体内部污染光栅尺面，引起测量误差。为延长防尘密封条的寿命，可在密封条上均匀涂上一薄层硅油，注意勿溅落在玻璃光栅刻划命，可在密封条上均匀涂上一

30、薄层硅油，注意勿溅落在玻璃光栅刻划面上。面上。（3 3）定期用乙醇混合液清洗擦拭光栅尺面及指示光栅面，保持玻璃光栅）定期用乙醇混合液清洗擦拭光栅尺面及指示光栅面，保持玻璃光栅尺面清洁以保证光栅传感器使用的可靠性。为保证光栅传感器使用的尺面清洁以保证光栅传感器使用的可靠性。为保证光栅传感器使用的可靠性，可每隔一定时间用乙醇混合液清洗擦拭光栅尺面及指示光栅可靠性，可每隔一定时间用乙醇混合液清洗擦拭光栅尺面及指示光栅面，保持玻璃光栅尺面清洁。面，保持玻璃光栅尺面清洁。（4 4）光栅传感器严禁剧烈震动及摔打，以免损坏光栅尺。）光栅传感器严禁剧烈震动及摔打，以免损坏光栅尺。（5 5）不能任意改动主栅尺与

31、副栅尺的相对间距，否则一方面可能破坏光）不能任意改动主栅尺与副栅尺的相对间距，否则一方面可能破坏光栅传感器的精度；另一方面还可能造成主栅尺与副栅尺的相对摩擦，栅传感器的精度；另一方面还可能造成主栅尺与副栅尺的相对摩擦，损坏铬层也就损坏了栅线，从而造成光栅尺报废。损坏铬层也就损坏了栅线，从而造成光栅尺报废。（6 6）光栅传感器与数显表插头座插拔时应关闭电源后进行。）光栅传感器与数显表插头座插拔时应关闭电源后进行。第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.2 6.2 光栅传感器测量位移光栅传感器测量位移4 4轴环式光栅数显表轴环式光栅数显表 轴环式光栅数显表结构和测量框如图轴环式光栅数显表结构和测量

32、框如图6-306-30所示，定片（指示光栅）所示，定片（指示光栅）固定，动片（主光栅）可与外接旋转轴相联并转动，动片边沿均匀地固定，动片（主光栅）可与外接旋转轴相联并转动，动片边沿均匀地刻有刻有500500条透光条纹，定片为圆弧形薄片，在其表面刻有两条亮条纹，条透光条纹，定片为圆弧形薄片，在其表面刻有两条亮条纹，间距间距1 14 4周期，使得接收到的信号相位正好相差周期，使得接收到的信号相位正好相差/2/2，方便辨向，动，方便辨向，动片和定片之间保持一微小角度以得到莫尔条纹。当动片旋转时，产生片和定片之间保持一微小角度以得到莫尔条纹。当动片旋转时，产生的莫尔条纹亮暗信号由光敏三极管接收，经整形

33、、细分及辨向电路，的莫尔条纹亮暗信号由光敏三极管接收，经整形、细分及辨向电路，根据运动的方向来控制可逆计数器计数，显示结果。根据运动的方向来控制可逆计数器计数，显示结果。测量电路框图 轴环式光栅数显表结构 第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.3 6.3 光电编码器测量角位移光电编码器测量角位移6.3 光电编码器测量角位移光电编码器测量角位移 编码器以测量方式来分，有直线型编码器、角度编码器、编码器以测量方式来分，有直线型编码器、角度编码器、旋转编码器。旋转编码器。 按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种。 按照工作原理编码器可分为增量

34、式、绝对式和混合式三类。按照工作原理编码器可分为增量式、绝对式和混合式三类。绝对式和增量式码盘第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.3 6.3 光电编码器测量角位移光电编码器测量角位移6.3.16.3.1增量式光电编码器增量式光电编码器 增量式测量中，一个脉冲所代表的基本长度单位就是分辨力，对增量式测量中，一个脉冲所代表的基本长度单位就是分辨力，对脉冲计数，便可得到位移量。脉冲计数，便可得到位移量。 增量式编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。增量式编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。 光电式增量式编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光光电式增量式编码器，它由光源、聚光镜、光电盘

35、、光栏板、光电元件和信号处理电路等组成。电元件和信号处理电路等组成。 a）结构示意图 b）外形 1-发光二极管 2光栏板 3零位标志槽 4光电盘 5光敏元件第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.3 6.3 光电编码器测量角位移光电编码器测量角位移增量式光电编码器的输出波形分析：如果中途断电后再重新上电，分析：如果中途断电后再重新上电，增量式光电式编码器能否读出当增量式光电式编码器能否读出当前位置的数据前位置的数据？第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.3 6.3 光电编码器测量角位移光电编码器测量角位移6.3.26.3.2绝对式编码器绝对式编码器 绝对式编码器是在码盘的每一转角位置刻有表示

36、该绝对式编码器是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码，通过读取编码盘上的代码来表示轴的位位置的唯一代码，通过读取编码盘上的代码来表示轴的位置。它是利用自然二进制或循环二进制编码方式进行转换置。它是利用自然二进制或循环二进制编码方式进行转换的。它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位的。它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。绝对式编码器有光电置信息不丢失，仍能读出转动角度。绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种。式、接触式和电磁式三种。第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.3 6.3 光电编码器测量角位移光电编码器测量角位移 图6-35

37、绝对编码器的码盘 图6-36 格雷码盘 码道的圈数就是二进制的位数，若是码道的圈数就是二进制的位数，若是n n位二进制码位二进制码盘，就有盘，就有n n圈码道，分辨角圈码道，分辨角360360/2/2n n，码盘位数，码盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度越高。越大，所能分辨的角度越小，测量精度越高。 第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.3 6.3 光电编码器测量角位移光电编码器测量角位移 绝对编码器的编码最简单的是自然二进制码，但使用时如相邻两绝对编码器的编码最简单的是自然二进制码，但使用时如相邻两码盘制造工艺或光电元件安装的误差易引起读数的粗大误差，如当电刷码盘制造工艺或光电元件安

38、装的误差易引起读数的粗大误差，如当电刷由位置由位置7(0111)7(0111)变为变为8(1000)8(1000)时，如果第一位先发生变化，而其它三位还时，如果第一位先发生变化，而其它三位还来不及变化，这样输出过程就是来不及变化，这样输出过程就是7(0111)15(1111)8(1000)7(0111)15(1111)8(1000)，为消除，为消除这种误差，可采用格雷码盘。这种误差，可采用格雷码盘。 十进制十进制二进制二进制格雷码格雷码十进制十进制二进制二进制格雷码格雷码00000000081000110010001000191001110120010001110101011113001100

39、1011101111104010001101211001010501010111131101101160110010114111010017011101001511111000第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.3 6.3 光电编码器测量角位移光电编码器测量角位移6.3.3 6.3.3 光电脉冲编码器的使用光电脉冲编码器的使用 以型号为以型号为ZSP3.806.-01G-600A/12-24EZSP3.806.-01G-600A/12-24E的增量式编码的增量式编码器为例，该编码器共有四根线，分别为器为例，该编码器共有四根线，分别为V+V+，V-V-，OUTOUT，屏，屏蔽层。蔽层。V+V

40、+，V-V-分别接工作电源的正端和地，分别接工作电源的正端和地，OUTOUT为信号输为信号输出，可接至计数器输入端，但是需两者共地，为了增强抗出，可接至计数器输入端，但是需两者共地，为了增强抗干扰的能力，也可将屏蔽层接地。干扰的能力，也可将屏蔽层接地。1.1.光电式旋转编码器的主要技术指标光电式旋转编码器的主要技术指标（1 1）输出的脉冲）输出的脉冲 （2 2）码盘的材料）码盘的材料 （3 3）最大响应频率）最大响应频率（4 4）输出信号相位差）输出信号相位差 （5 5）起动转矩）起动转矩 （6 6）工作电流）工作电流（7 7）工作温度）工作温度 （8 8）信号输出）信号输出第第6 6章章 位

41、移的检测位移的检测6.3 6.3 光电编码器测量角位移光电编码器测量角位移2 2光电式旋转编码器选型光电式旋转编码器选型旋转编码器选型应注意的问题：旋转编码器选型应注意的问题：1)1)分辨率与位置精度的关系。分辨率与位置精度的关系。2)2)外形尺寸与安装占用面积的关系。外形尺寸与安装占用面积的关系。3)3)轴允许荷重与编码器寿命、安装状况的关系。轴允许荷重与编码器寿命、安装状况的关系。4)4)允许最大转速（最高响应频率）与电动机等驱动轴转速和允许最大转速（最高响应频率）与电动机等驱动轴转速和分辨率的关系。分辨率的关系。5)5)输出相位差与数控机床等控制装置的匹配关系。输出相位差与数控机床等控制

42、装置的匹配关系。6)6)耐环境性与使用环境的关系。耐环境性与使用环境的关系。7)7)增量型、绝对型与成本的关系。增量型、绝对型与成本的关系。8)8)考虑轴的形式及尺寸。考虑轴的形式及尺寸。第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.3 6.3 光电编码器测量角位移光电编码器测量角位移3 3光电式旋转编码器安装和使用光电式旋转编码器安装和使用光电式旋转编码器安装和使用时应注意：光电式旋转编码器安装和使用时应注意：1 1）空心轴编码器安装要避免与编码器刚性连接，应采用板弹簧。长期使）空心轴编码器安装要避免与编码器刚性连接，应采用板弹簧。长期使用时，需定期检查板弹簧相对编码器是否松动；固定编码器的螺钉是

43、否用时，需定期检查板弹簧相对编码器是否松动；固定编码器的螺钉是否松动。松动。2 2）实心轴编码器安装编码器轴与用户端输出轴之间采用弹性软连接，以）实心轴编码器安装编码器轴与用户端输出轴之间采用弹性软连接，以避免因用户轴的串动、跳动而造成编码器轴系和码盘的损坏。应保证编避免因用户轴的串动、跳动而造成编码器轴系和码盘的损坏。应保证编码器轴与用户输出轴的不同轴度码器轴与用户输出轴的不同轴度0.20mm0.20mm，与轴线的偏角，与轴线的偏角1.51.5。3 3）安装时严禁敲击和摔打碰撞，以免损坏轴系和码盘。）安装时严禁敲击和摔打碰撞，以免损坏轴系和码盘。4 4）编码器的信号线不要接到直流电源上或交流

44、电流上，输出线彼此不要）编码器的信号线不要接到直流电源上或交流电流上，输出线彼此不要搭接，以免损坏输出电路。搭接，以免损坏输出电路。5 5）与编码器相连的电机等设备，应接地良好，不要有静电。）与编码器相连的电机等设备，应接地良好，不要有静电。6 6）使用时注意周围有无振源及干扰源。注意环境温度、湿度是否在仪器）使用时注意周围有无振源及干扰源。注意环境温度、湿度是否在仪器使用要求范围之内。使用要求范围之内。第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.3 6.3 光电编码器测量角位移光电编码器测量角位移6.3.4 6.3.4 光电脉冲编码器的应用光电脉冲编码器的应用1. 1. 位置测量位置测量 光电编

45、码器的典型应用产品是轴环式数显表，它是一个将光电编光电编码器的典型应用产品是轴环式数显表，它是一个将光电编码器与数字电路装在一起的数字式转角测量仪表，其外形见图码器与数字电路装在一起的数字式转角测量仪表，其外形见图6-376-37所所示。它适用于车床、铣床等中小型机床的进给量和位移量的显示。例示。它适用于车床、铣床等中小型机床的进给量和位移量的显示。例如：将轴环数显表安装在车床进给刻度轮的位置，就可直接读出整个如：将轴环数显表安装在车床进给刻度轮的位置，就可直接读出整个进给尺寸，从而可以避免人为的读数误差，提高加工精度。特别是在进给尺寸，从而可以避免人为的读数误差，提高加工精度。特别是在加工无

46、法直接测量的内台阶孔和用来制作多头螺纹时的分头，更显得加工无法直接测量的内台阶孔和用来制作多头螺纹时的分头，更显得优越。它是用数显技术改造老式设备的一种简单易行手段。优越。它是用数显技术改造老式设备的一种简单易行手段。 第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.3 6.3 光电编码器测量角位移光电编码器测量角位移2 2速度测量速度测量 测速传感器结构采用如图测速传感器结构采用如图6-386-38所示的增量式光电编码器，检测所示的增量式光电编码器，检测A A、B B和和Z Z三个增量脉冲信号的办法，三个增量脉冲信号的办法，A A、B B输出信号成输出信号成9090的相位差，具有的相位差，具有辨向作

47、用，辨向作用，Z Z信号每转一周只输出一个脉冲，又称为零位标志，作为信号每转一周只输出一个脉冲，又称为零位标志，作为决定转角的原点。根据需要，当只需检测转速时，选择带一个光电耦决定转角的原点。根据需要，当只需检测转速时，选择带一个光电耦合器的单相输出增量码盘测出合器的单相输出增量码盘测出Z Z信号即可；若还要判别正负转向并控信号即可；若还要判别正负转向并控制转角位置时，则需要选择内部含三个光电耦合器的有三相输出的增制转角位置时，则需要选择内部含三个光电耦合器的有三相输出的增量码盘检测量码盘检测A A、B B和和Z Z三个输出信号。三个输出信号。第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.4 6.4

48、 位移检测控制系统的制作和调试位移检测控制系统的制作和调试6.4 6.4 位移检测控制系统的制作和调试位移检测控制系统的制作和调试6.4.16.4.1系统设计目的系统设计目的 在自动化生产、加工和控制过程中，经常要对加工工件的尺寸或机械设在自动化生产、加工和控制过程中，经常要对加工工件的尺寸或机械设备移动的距离进行准确定位控制。光电旋转编码器作为在工业自动化设备控备移动的距离进行准确定位控制。光电旋转编码器作为在工业自动化设备控制的重要器件，利用其轴与运动部件同步运行时发出的反馈脉冲信号，可以制的重要器件，利用其轴与运动部件同步运行时发出的反馈脉冲信号，可以检测运行部件的位移量或速度，达到控制

49、目的检测运行部件的位移量或速度，达到控制目的。6.4.26.4.2系统的工作原理系统的工作原理 该系统的工作原理是将光电编码器的机械轴和由三相交流异步电机拖动该系统的工作原理是将光电编码器的机械轴和由三相交流异步电机拖动的传动辊同轴相连接，通过传动辊带动光电编码器机械轴转动，输出脉冲信的传动辊同轴相连接，通过传动辊带动光电编码器机械轴转动，输出脉冲信号，利用号，利用PLCPLC的高速计数器指令对编码器产生的脉冲个数进行计数，当高速计的高速计数器指令对编码器产生的脉冲个数进行计数，当高速计数器的当前值等于预置值时产生中断，经变频器控制电动机停止运行，从而数器的当前值等于预置值时产生中断，经变频器

50、控制电动机停止运行，从而实现工件位移的准确定位控制。检测控制系统原理如图实现工件位移的准确定位控制。检测控制系统原理如图6-396-39所示。所示。第第6 6章章 位移的检测位移的检测6.4.36.4.3系统的主要器件系统的主要器件1.1.光电编码器光电编码器 选用欧姆龙选用欧姆龙E6A2-CW5CE6A2-CW5C光电编码器光电编码器2.PLC2.PLC西门子西门子S7-200CPU226S7-200CPU226型型 PLCPLC选用西门子选用西门子S7-200CPU226S7-200CPU226型型3.3.变频器变频器 选用选用FR-E540FR-E540变频器变频器6.4.46.4.4系