位移传感器解析.ppt

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1、会计学1位移位移(wiy)传感器解析传感器解析第一页，共83页。2第四章第四章第四章第四章 位移位移位移位移(wiy)(wiy)(wiy)(wiy)传感器传感器传感器传感器n n 位移是指物体相对参考点产生偏移，偏移量位移是指物体相对参考点产生偏移，偏移量的大小就是位移。位移是一种基本物理量，由它派生出的物理量的大小就是位移。位移是一种基本物理量，由它派生出的物理量有长度、宽度、厚度、位置、磨损有长度、宽度、厚度、位置、磨损(m sn)(m sn)、应变及（振动）振、应变及（振动）振幅等。因此只要测出位移量，由其派生出的物理量的测量问题就幅等。因此只要测出位移量，由其派生出的物理量的测量问题就

2、可以解决。可以解决。n n 位移分为线位移和角位移两类。位移分为线位移和角位移两类。第1页/共82页第二页，共83页。34.1 数字式位移数字式位移(wiy)传感器传感器n n 数字式传感器是把模拟输入量经敏感元件转换成数字量输出的传感器。数字量输出的传感器有较高的测量精度和分辨力，从数据处理和信号分析角度，数字量便于(biny)微机处理。n n 位移传感器中的光栅、感应同步器和磁栅式传感器都是以“计数”方式工作的数字量传感器。第2页/共82页第三页，共83页。4光栅(gungshn)传感器感应同步器数字式传感器的特点数字式传感器的特点(tdin)4.1 数字式位移(wiy)传感器第3页/共8

3、2页第四页，共83页。5数字传感器的特点：数字传感器的特点：具有高的测量精度和分辨力，读数直观精确。具有高的测量精度和分辨力，读数直观精确。测量行程范围大，直线位移可达数米至几十米。测量行程范围大，直线位移可达数米至几十米。易于实现高速动态测量，处理和自动化。易于实现高速动态测量，处理和自动化。采用高电平数字信号时，对外部干扰采用高电平数字信号时，对外部干扰(gnro)（噪音）（噪音）的抑制能力强。的抑制能力强。安装方便，使用维护简单，工作可靠性强。安装方便，使用维护简单，工作可靠性强。4.1 数字式位移(wiy)传感器第4页/共82页第五页，共83页。6n n 1.光栅位移传感器的结构n n

4、 光栅通常是由在表面上按一定间隔制成透光和不透光的条纹玻璃构成，称之为透射光栅，或在金属光洁的表面上按一定间隔制成全反射和漫反射的条纹，称为反射光栅。n n 利用光栅的一些特点可进行线位移和角位移的测量。测量线位移的光栅为矩形并随被测长度(chngd)增加而加长，称之为长光栅；而测量角位移的光栅为圆形，称之为圆光栅。4.1.1 光栅光栅(gungshn)传感器传感器第5页/共82页第六页，共83页。7n n 光栅上的刻线称为栅线,栅线的宽度为a,缝隙宽度为b,一般取a=b,而w=a+b称为栅距（也称为光栅常数或光栅节距,是光栅的重要参数(cnsh),用 每毫米长度内的栅线数表示栅线密度,如10

5、0线mm、250线mm）。n n 4.1.1 光栅光栅(gungshn)传传感器感器第6页/共82页第七页，共83页。4.1.1 光栅(gungshn)传感器 圆光栅还有一个(y)参数叫栅距角或称节距角,它是指圆光栅上相邻两条栅线的夹角。第7页/共82页第八页，共83页。92.莫尔条纹原理莫尔条纹原理 莫尔条纹的成因是由主光栅和指示光栅的遮光和透光效应莫尔条纹的成因是由主光栅和指示光栅的遮光和透光效应(xioyng)形成的（两只光栅参数相同）。形成的（两只光栅参数相同）。主光栅用于满足测量范围及精度，指示光栅（通常是从主尺上裁截一段）用于拾取信号。主光栅用于满足测量范围及精度，指示光栅（通常是

6、从主尺上裁截一段）用于拾取信号。4.1.1 光栅(gungshn)传感器第8页/共82页第九页，共83页。10莫尔条纹(tio wn)原理4.1.1 光栅(gungshn)传感器 将主光栅与指示光栅的刻将主光栅与指示光栅的刻划面相向叠合并且使两者栅划面相向叠合并且使两者栅线有很小的交角线有很小的交角，这样就可，这样就可以以(ky)看到，在看到，在a-a线上两线上两只光栅栅线彼此错开，光线只光栅栅线彼此错开，光线从缝隙中透过形成亮带，其从缝隙中透过形成亮带，其透光部分是由一系列棱形图透光部分是由一系列棱形图案构成的；在案构成的；在b-b线上两只光线上两只光栅栅线相互交叠，相互遮挡栅栅线相互交叠，

7、相互遮挡缝隙，光线不能透过形成暗缝隙，光线不能透过形成暗带。这种亮带和暗带相间的带。这种亮带和暗带相间的条纹称为莫尔条纹。条纹称为莫尔条纹。第9页/共82页第十页，共83页。11光源透镜(tujng)光栅副光电元件4.1.1 光栅光栅(gungshn)传传感器感器第10页/共82页第十一页，共83页。124.1.1 光栅光栅(gungshn)传传感器感器3.光栅(gungshn)传感器的工作原理1）位移放大作用相邻两条莫尔条纹间距B与栅距w及两光栅(gungshn)夹角的关系为令k为放大系数,则第11页/共82页第十二页，共83页。134.1.1 光栅光栅(gungshn)传传感器感器 一般很

8、小，所以放大系数k很大。故尽管光栅栅距w很小，而通过莫尔条纹的放大作用仍使其清晰可辨。在安装调节时，通过调整角，可以改变莫尔条纹宽度，从而(cng r)使光电接收元件能正确接收光信号。对于100线mm的光栅，栅距为0.01mm，当夹角为0.06时，莫尔条纹间距B可达10 mm，放大了1000倍。第12页/共82页第十三页，共83页。144.1.1 光栅光栅(gungshn)传传感器感器2）误差减小作用 光栅在制作过程中必然会引入刻划误差。光电元件获取的莫尔条纹是指示光栅覆盖(fgi)区域刻线的综合结果，对刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除栅距的局部误差及短周期误差的影响。这是光栅传感器

9、精度高的一个重要原因。第13页/共82页第十四页，共83页。153）莫尔条纹输出(shch)信号的质量评定 理想情况下，光栅副相对位移产生莫尔条纹，经光电转换输出(shch)的电压信号应为三角波形。见图a。而实际上，由于光栅副间隙，光栅衍射效应，照明光源有一定宽度以及栅线质量问题，使输出(shch)的电压信号为近似的正弦波，如图b。4.1.1 光栅(gungshn)传感器第14页/共82页第十五页，共83页。16 光栅是高精度位移测量中常用的传感器之一,随着制造业的发展,人们对光栅传感器的精度要求也越来越高。传统的光栅传感器通常采用两片黑白光栅形成莫尔条纹,其光栅信号(xnho)一般不是标准的

10、正弦波,往往含有10%左右的高次谐波。由于光栅传感器通常需要借助于电子细分达到较高的精度和分辨力,而细分是建立在光栅信号(xnho)是正弦波的基础上。4.4.正弦微窗光栅正弦微窗光栅(gungshn)(gungshn)位位移传感器移传感器第15页/共82页第十六页，共83页。17 高次谐波破坏了信号的准确性，从而影响到传感器的细分精度，高次谐波对光栅传感器的影响已不容忽视。由莫尔条纹输出正弦信号质量评定可知，高次谐波的叠加，使输出电压信号近似为正弦波。高次谐波含量(hnling)越小，正弦波形越好。采用正弦微窗光栅，输出电压信号不含高次谐波，只含基波正弦波，保证了输出正弦波原始信号的质量。4.

11、4.正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)微窗光栅位微窗光栅位移传感器移传感器第16页/共82页第十七页，共83页。18 所谓正弦微窗光栅是指光栅是由许多(xdu)微小的窗口排列而成。4.4.正弦微窗光栅正弦微窗光栅(gungshn)(gungshn)位位移传感器移传感器第17页/共82页第十八页，共83页。19 微窗单元为一长方形,中间有一透光孔,透光孔内光强透过率为一常数C,孔以外区域光强透过率为零或接近于零,透光孔的内边缘沿y 方向的跨度 y是一个(y)变量，可表示为 4.4.正弦正弦(zhngxin)(zhngxin)微窗光栅位微窗光栅位移传感器移传感器第18页/共82页第十九页

12、，共83页。204.4.正弦微窗光栅正弦微窗光栅(gungshn)(gungshn)位位移传感器移传感器 光源1位于聚光镜2的焦面上,光线经聚光镜2变为准直光,准直光依次通过彼此相邻的主光栅3和指示光栅4(主光栅3为一普通的黑白光栅,指示光栅4为一正弦微窗光栅,并具有与主光栅3相同的光栅常数W),主光栅3和指示光栅4的栅线相互平行或者稍微倾斜(qngxi)。照明光经过两光栅后为光电接收元件5所接收。理论上可以证明，由于理论上可以证明，由于(yuy)正弦微窗光栅的作用正弦微窗光栅的作用,光电元件的光电元件的输出信号将不含有高次谐波。输出信号将不含有高次谐波。第19页/共82页第二十页，共83页。

13、211 概述(i sh)2 感应同步器结构 3 感应同步器工作原理4 感应同步器的信号处理方式主要主要(zhyo)(zhyo)内容内容4.1.2 感应同步器第20页/共82页第二十一页，共83页。221.概述(i sh)感应同步器是20世纪60年代末发展起来的一种高精度位移（直线位移、角位移）传感器。按其用途可分为两大类：测量直线位移的线位移感应同步器；测量角位移的圆盘感应同步器。首先用绝缘粘贴剂把铜箔粘牢在金属（或玻璃）基板上，然后按设计要求腐蚀成不同曲折形状(xngzhun)的平面绕组。这种绕组称为印制电路绕组。第21页/共82页第二十二页，共83页。231.概述(i sh)分为直线感应同

14、步器和圆感应同步器，它们都由两部分(b fen)组成：定尺和滑尺或定子和转子。定尺和转子上是连续绕组，而在滑尺和定子上是分段绕组，分段绕组分为两组，布置成在空间相差90相角，又称为正、余弦绕组。感应同步器的分段绕组和连续绕组相当于变压器的一次侧和二次侧线圈，利用交变电磁场和互感原理工作，将绕组间相对位移量（线位移或角位移）转换成电信号输出。第22页/共82页第二十三页，共83页。242.感应同步器结构(jigu)由定尺和滑尺两部分组成。定尺和滑尺可利用印刷电路板的生产工艺，用覆铜板制成。滑尺上有两个绕组，彼此相距/2或3/4。当定尺节距为W2时，滑尺上的两个绕组间的距离l1应满足(mnz)如下

15、关系：l1=(n/2+1/4)W2。n=0，相差(xin ch)/2，n=1，相差(xin ch)3/4。滑尺绕组呈W 形或U形。第23页/共82页第二十四页，共83页。252.感应同步器结构(jigu)sinsin coscos 节距节距节距节距22（2mm2mm）节距节距节距节距（0.5mm0.5mm）绝缘粘胶绝缘粘胶绝缘粘胶绝缘粘胶 铜箔铜箔铜箔铜箔 铝箔铝箔铝箔铝箔 耐切削液涂层耐切削液涂层耐切削液涂层耐切削液涂层 基板基板基板基板(钢、铜钢、铜钢、铜钢、铜)滑尺滑尺滑尺滑尺定尺定尺定尺定尺第24页/共82页第二十五页，共83页。26 感应同步器由一组平面(pngmin)绕组组成。长感

16、应同步器的滑尺和圆感应同步器的定子是分段绕组，作为一次绕组，通以交变激励电压，形成一个相对空间位置固定，大小随时间变化的脉振磁场。长感应同步器的定尺和圆感应同步器的转子的连续绕组在相对线位移或角位移时，穿过其绕组中的磁通是变化的，产生周期性变化的感应电动势。以长感应同步器为例来阐述感应同步器的工作原理。3.感应同步器工作(gngzu)原理第25页/共82页第二十六页，共83页。273.感应同步器工作(gngzu)原理当滑尺上b绕组处于A点处，感应电动势最大（幅值）；当移动W/4时处于B点，感应电动势为零；继续移到C处，反向感应电动势最大，移到D处为零，移到E处，又回到与初始(ch sh)位置完

17、全相同的耦合状态。第26页/共82页第二十七页，共83页。283.感应同步器工作(gngzu)原理 当滑尺每移动一个绕组节距，在定尺绕组中的感应电动势变化一个周期，这样便把机械位移(wiy)量和电信号周期联系起来了，绕组节距W相当于2电角度。如果滑尺相对于定尺自某初始位置算起的位移(wiy)量为x。则x机械位移(wiy)引起的电角度变化2x/W。第27页/共82页第二十八页，共83页。29当滑尺正弦绕组上加激磁(jc)电压us后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：uos=K us cos K 电磁感应(dinc-gnyng)系数 定尺绕组上感应电压的相位角（空间相位角）当滑尺余弦(yxin)

18、绕组上加激磁电压uc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：uoc=K uc cos（+/2）=K ucsin4.感应同步器信号处理方式第28页/共82页第二十九页，共83页。30 当滑尺正、余弦绕组上同时加激磁电压us、uc 时，由于感应同步器的磁路可视为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺 绕组上的总感应电压为：uo=uos+uoc=K us cos K uc sin 相位角与相对位移(wiy)量 x的关系：=2x/W 由于相对位移(wiy)量 x 与 相位角呈线性关系，只要能测出相位角，就可求得位移(wiy)量 x。4.感应同步器信号处理(xn ho ch l)方式第29页/共82页

19、第三十页，共83页。31 根据滑尺正、余弦绕组上激磁电压us、uc供电方式(fngsh)的不同和对输出电压检测方式(fngsh)的不同，感应同步器可有两种工作方式(fngsh)：鉴相工作方式(fngsh)、鉴幅工作方式(fngsh)。4.感应同步器信号处理(xn ho ch l)方式鉴相型鉴相型鉴幅型鉴幅型第30页/共82页第三十一页，共83页。32感应同步器的鉴相型处理(chl)方式 在该种工作方式中，滑尺正、余弦绕组通以频率(pnl)相同、幅值相同，相位差为/2的交流励磁电压。正弦绕组励磁电压(diny):us=Um sint 余弦绕组励磁电压(diny):uc=Um cost定尺 绕组上

20、的总感应电压为：uo=uos+uoc=K us cos+K uc sin=K Um sint cos+K Um cost sin=K Um sin（t+）第31页/共82页第三十二页，共83页。33感应同步器的鉴相型处理(chl)方式 结论：在鉴相工作方式(fngsh)中,通过测量感应电压uo与正弦绕组励磁电压us相位差，就可求得滑尺与定尺相对位移量 x。相位角与相对位移量 x的关系：=2x/W第32页/共82页第三十三页，共83页。34 滑尺正、余弦绕组通以频率相同(xin tn)、相位相同(xin tn)，但幅值不同的交流励磁电压。us=Um sin1 sint uc=Um cos1 si

21、nt 定尺 绕组上的总感应(gnyng)电压为：uo=uos+uoc=K us cos K uc sin=K Um sin(1)sint 1=2 x1 /W（x1是指令(zhlng)位移值）感应同步器的鉴幅型处理方式第33页/共82页第三十四页，共83页。35 结论：在鉴幅工作(gngzu)方式中,通过测量感应电压uo的幅值，就可求得滑尺与定尺相对位移量 x。感应同步器的鉴幅型处理(chl)方式第34页/共82页第三十五页，共83页。36感应同步器优点(yudin)1)具有很高的精度和分辨率。目前直线式感应同步器的精度可达到1m，分辨率可达0.05 m，重复性误差可达0.2 m。2)抗干扰能力

22、强。不受瞬时作用的偶然干扰信号的影响(yngxing)。平面绕组的阻抗很小，受外界干扰电场和空间磁场变化的影响(yngxing)很小。因为是根据正弦和余弦两相绕组的电压幅值或相位进行比较完成测量的。因此，基本上不受电源波动的影响(yngxing)。第35页/共82页第三十六页，共83页。37感应同步器优点(yudin)3)结构简单、工作可靠、使用寿命长。固定部件和运动部件互不接触，没有摩擦、磨损(m sn)，所以使用寿命长。4)可以作长距离位移测量。可根据测量长度的需要进行拼接。10米的大型机床工作台位移的测量，大多采用感应同步器。5)工艺性好、成本较低，便于复制和成批生产。感应同步器中导片的

23、数量很多，产生误差平均效应。第36页/共82页第三十七页，共83页。38感应同步器缺点(qudin)输出信号弱；信号处理麻烦(m fan)；配套信号处理设备(数显表)比较复杂；价格高。第37页/共82页第三十八页，共83页。39 磁栅是用于线位移(长度)测量的一种数字式传感器。这是一种比较新的传感元件，加工工艺也比较简单。当需要时，可将原来的磁化信号抹去，重新录制。还可以安装在被测体上，再录制磁化信号，对消除(xioch)安装误差和被测体本身的几何误差，以提高测量精度都是十分有利的。由于可以采用激光定位录磁，而不需要采用感光、腐蚀等工艺，因而可以得到较高的精度。4.1.3 磁栅位移(wiy)传

24、感器第38页/共82页第三十九页，共83页。40 磁栅位移传感器分为测线位移的长磁栅和测角位移的圆磁栅。磁栅传感器由磁尺、磁头(ctu)和检测电路组成。4.1.2 磁栅位移(wiy)传感器第39页/共82页第四十页，共83页。414.1.3 磁栅位移(wiy)传感器11磁性膜磁性膜 2 2基体基体 3 3磁磁尺尺 4 4磁头磁头(ctu)5(ctu)5铁铁芯芯 6 6励磁绕组励磁绕组 7 7拾磁拾磁绕组绕组 磁尺是用不导磁的金属做尺基，或者采用在钢材表面上镀上一层抗磁材料(cilio)，如0.15-0.20mm厚的铜做尺基。在尺基表面均匀地涂覆一层厚度为0.10-0.20mm的磁性薄膜，常用的

25、是Ni-Co-P合金，然后录上一定波长的磁信号（等距离排列的小磁极）。磁尺上的磁场强度是周期变化的。第40页/共82页第四十一页，共83页。42 读取磁信号时，按读取方式不同。有动态磁头和静态磁头之分。动态磁头又称速度响应式磁头，只有一组线圈(xinqun)，当磁头相对磁尺运动时，在线圈(xinqun)里产生感应电动势，有输出信号。动态磁头只有在磁头与磁尺问有相对运动时才有信号输出。运动速度不同时，输出信号的大小也不同，静止时就没有信号输出，故不适用于长度测量。静态磁头又称磁通响应式磁头。与动态磁头的根本区别在于，在磁头磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出。4.1.2 磁栅位移(wiy)传

26、感器第41页/共82页第四十二页，共83页。43 磁栅位移传感器的信号处理方式有两种工作方式：鉴相工作方式、鉴幅工作方式。磁栅传感器通常是独立结构。磁尺在中小型机床上安装方便。由于磁栅材料与铁芯热膨胀系数接近，受温度影响较小。加上可以屏蔽(pngb)外界磁干扰，对油污、铁屑、振动的干扰，也产生较小影响。所以，特别适合中小型镗铣机床安装作测量工具用。4.1.2 磁栅位移(wiy)传感器第42页/共82页第四十三页，共83页。444.2.1 概述(i sh)4.2.2 绝对值编码器4.2.3 增量编码器4.2.4 编码器的性能及使用主要主要(zhyo)(zhyo)内容内容4.2 编码器第43页/共

27、82页第四十四页，共83页。454.2.1 概述(i sh)编码器又称码盘，是一种(y zhn)回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，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。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。测量线位移的称作直线编码器，测量角位移的称作旋转编码器。编码器按其结构形式有接触式、光电式、电磁式等，后两种为非接触式编码器。它们的工作原理(yunl)不同，敏感元件不同，由结构相似但内涵不同的码盘组成。第44页/共82页第四十五页，共83页。46类类 结结 构构 特特 点点 接接触触式式电刷与码盘直接接触，电刷数目与码道

28、数目相同，每电刷与码盘直接接触，电刷数目与码道数目相同，每个电刷连接一根导线。码盘基体是绝缘体，码道上小个电刷连接一根导线。码盘基体是绝缘体，码道上小网格为高电平网格为高电平-导电区和低电平导电区和低电平-非导电区。另加一个非导电区。另加一个供电码道，并与供电电刷相连，所有码区内导电区与供电码道，并与供电电刷相连，所有码区内导电区与供电码道相连。供电码道相连。电刷安装精度直接影电刷安装精度直接影响编码器精度。直接响编码器精度。直接接触造成磨损，抗震接触造成磨损，抗震能力差、易跳闸。能力差、易跳闸。光光电电式式在码盘基体上形成透明与不透明的码区，组成扇形网在码盘基体上形成透明与不透明的码区，组成

29、扇形网格。每个扇形网格由透明格。每个扇形网格由透明“1”或不透明或不透明“0”小网格小网格组成。光源采用白炽灯和发光二极管。光敏元件采用组成。光源采用白炽灯和发光二极管。光敏元件采用光电二极管，光电三极管或硅光电池。光电二极管，光电三极管或硅光电池。对码区的转接处要求对码区的转接处要求位置准确，边缘陡峭位置准确，边缘陡峭分明。光路较复杂，分明。光路较复杂，成本高、寿命也长。成本高、寿命也长。电电磁磁式式对码盘的码道上各码区进行磁化处理，磁化区用对码盘的码道上各码区进行磁化处理，磁化区用“0”表示，非磁化区用表示，非磁化区用“1”表示。敏感元件是小磁表示。敏感元件是小磁环，每个环上绕两个绕组；一

30、个是激磁绕组通以恒频环，每个环上绕两个绕组；一个是激磁绕组通以恒频恒幅交流电，另一个是输出绕组。恒幅交流电，另一个是输出绕组。工作可靠，工作范围工作可靠，工作范围比接触式宽，成本较比接触式宽，成本较高。高。4.2.1 概述(i sh)第45页/共82页第四十六页，共83页。47 非接触式编码器具有非接触、体积小和寿命长，且分辨率高的特点。三种编码器相比较，接触式编码器的分辨率受电刷的限制不可能(knng)很高；而光电式编码器由于使用了体积小、易于集成的光电元件代替机械的接触电刷，其测量精度和分辨率能达到很高水平。光电式编码器的性价比最高，它作为精密位移传感器在自动测量和自动控制技术中得到了广泛

31、的应用。4.2.1 概述(i sh)第46页/共82页第四十七页，共83页。48 就精度和可靠性来讲，光电式编码器优于其他类型，电磁式和接触式的编码器因其精度及可靠性不高等原因(yunyn)，应用愈来愈少。光电式编码器按照编码方式分为脉冲盘式（增量编码器）和码盘式编码器（绝对值编码器），其关系如下所示：光电式编码器 脉冲(michng)盘式编码器(增量编码器)码盘式编码器(绝对值编码器)4.2.1 概述(i sh)第47页/共82页第四十八页，共83页。49 增量编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数(j sh)系统对脉冲进行加减(正向或反向旋转时)累计计数(j sh)，一般还需要一个基准数据

32、即零位基准，才能完成角位移测量。绝对值编码器不需要基准数据及计数系统，它在任意(rny)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。4.2.1 概述(i sh)第48页/共82页第四十九页，共83页。50绝对值编码器核心部件是码盘。码盘有光电式、接触式和磁电式三种。以接触式四位(s wi)绝对编码盘为例来说明其工作原理。4.2.2 绝对值编码器第49页/共82页第五十页，共83页。51 涂黑部分是导电的，其余是绝缘的。通常把组成编码的各圈称为码道。编码盘的外四圈按导电为“1”、绝缘为“0”组成二进制码。对应于四个码道并排装有四个电刷。电刷经电阻接到电源负极。编码

33、盘里面的一圈是共用的，接电源正极。码盘的转轴与被测对象连在一起(如电动机转轴)。码盘的电刷装在一个不随被测对象一起运动的部件上。当被测对象带动码盘一起转动(zhun dng)时，与电刷串联的电阻上将流过电流或没有流过电流，出现相应的二进制代码。4.2.2 绝对值编码器接触式四位(s wi)二进制码盘第50页/共82页第五十一页，共83页。52 码盘的内孔由安装码盘的被测轴径决定，码盘外径(wi jn)由码盘上码道数和码道径向（宽度）尺寸决定。所需码道数目由分辨力决定，n道码道的分辨力为2/2n。四位(s wi)二进制码盘 2n个扇形网格区对应着2n组数字编码，确定了码盘上2n个角位置(wi z

34、hi)对应的（输出）数字量。由输出的数字（编码）量可知角位移量。1.码盘第51页/共82页第五十二页，共83页。53四位(s wi)二进制码盘 二进制码盘，由于电刷安装不可能绝对精确，必然(brn)存在机械偏差，这种机械偏差会产生非单值误差。例如，由二进制码0111过渡到1000时，即由7变为8时，如果电刷进出导电区的先后可能是不一致(yzh)的，此时就会出现其它数字。这就是所谓的非单值误差。1.码盘第52页/共82页第五十三页，共83页。54 与二进制码盘对比，循环码的特点是相邻的两组数码之间只有一位变化。同样码道数，循环码的码道网格节距可扩大(kud)一倍，可降低制作精度。对于n位循环码码

35、盘，与二进制码一样，具有2n种不同编码。2.循环码盘四位(s wi)二进制循环码盘第53页/共82页第五十四页，共83页。55四位二进制循环码盘四位二进制码盘四位(s wi)二进制码与循环码的对照表第54页/共82页第五十五页，共83页。56 大多数编码器都是单盘的，全部码道都在一个圆盘上。但如要求有很高的分辨率时，码盘制作困难，圆盘直径增大，而且(r qi)精度也难以达到。如要达到1左右的分辨率，至少采用 20 位的码盘。对于一个刻划直径为 400mm的20位码盘，其外圈分划间隔不到1.2m，可见码盘的制作不是一件易事，而且(r qi)光线经过这么窄的狭缝会产生光的衍射。2.循环码盘第55页

36、/共82页第五十六页，共83页。57 光电编码器主要由安装在旋转轴上的码盘、狭缝以及安装在圆盘两边的光源和光电元件等组成。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。当光源将光投射在码盘上时，转动(zhun dng)码盘，通过亮区的光线经狭缝后，由光敏元件接收。3.光电式绝对值编码器当码盘旋至不同位置时，光敏元件按一定规律编码的数字量，代表(dibio)了码盘轴的角位移大小。第56页/共82页第五十七页，共83页。58绝对值编码器的特点是：(1)由于它是码盘上直接读出坐标值，因此不累积检测过程中计数(j sh)误差；(2)不需要考虑接

37、收元件和电路的频率特性允许在高转速下运行；(3)不会因停电及其他原因导致读出坐标值的清除，具有机械式存贮功能；(4)为了提高分辨率和精度，必须提高二进制的位数，故结构复杂，成本高。3.光电式绝对值编码器第57页/共82页第五十八页，共83页。59 增量编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，可作为(zuwi)位置检测和速度检测装置。增量编码器分为：光电式、接 触 式 和 电 磁 式。增量(zn lin)编码器的结构1-转轴 2-LED光源 3-光栏板 4-零标志槽 5-光敏元件(yunjin)6-码盘 7-印刷电路板 8电源及信号线连接座 4.2.3 增量编码器第58页/共82页

38、第五十九页，共83页。60 增量编码器的圆盘上等角距地开有两道缝隙，在某一径向(jn xin)位置（一般在内外两圈之外）开有一狭缝，表示码盘的零位。在它们相对的两侧面分别安装光源和光电接收元件，如图4.2.3 增量(zn lin)编码器第59页/共82页第六十页，共83页。614.2.3 增量(zn lin)编码器 增量编码器码盘最内圈是用来产生计数脉冲的增量码道A。扇形区的多少决定(judng)了编码器的分辨率，扇区越多，分辨率越高。中间一圈码道上有与外圈码道相同数目的扇形区，但错开半个扇形区，作为辨向码道B。第60页/共82页第六十一页，共83页。62 在正转时，增量计数脉冲波形超前辨向脉

39、冲波形/2；反转时，增量计数脉冲滞后/2。第三圈码道上只有一条(y tio)透光的狭缝，它作为码盘的基准位置，C相的作用:被测轴的周向定位基准信号;被测轴的旋转圈数记数信号。4.2.3 增量(zn lin)编码器第61页/共82页第六十二页，共83页。63 当转动码盘时，光线经过透光和不透光的区域，每个码道将有一系列光电脉冲由光电元件输出，根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；根据脉冲的频率可得被测轴的转速；增量(zn lin)编码器的精度和分辨率主要取决于码盘本身的精度。4.2.3 增量(zn lin)编码器第62页/共82页第六十三页，共83页。64以国产(guchn)某型号编码器为例。4.

40、2.4 编码器的技术指标及使用(shyng)1.编码器型号标注(bio zh)含义第63页/共82页第六十四页，共83页。652.绝对值编码器技术参数指标指标参数参数输出编码输出编码 格雷码格雷码 输出脉冲数输出脉冲数 8，16，32，64，128，256 p/r 输出形式输出形式电压输出，集电极开路输出电压输出，集电极开路输出工作电源工作电源 DC10-26V，固定，固定DC5V 响应频率响应频率 10K HZ 最大速度最大速度 3，000RPM 第64页/共82页第六十五页，共83页。66线缆定义(dngy)线色线色 定义定义黑色黑色 0 V 红色红色 电源电源 蓝色蓝色 输出（输出（2的

41、的0次方）次方）绿色绿色 输出（输出（2的的1次方）次方）黄色黄色 输出（输出（2的的2次方）次方）紫色紫色 输出（输出（2的的3次方）次方）橘色橘色 输出（输出（2的的4次方）次方）粉红色粉红色 输出（输出（2的的8次方）次方）第65页/共82页第六十六页，共83页。673.增量(zn lin)型编码器技术参数指标指标参数参数输出编码输出编码 方波方波 输出脉冲数输出脉冲数 5，10，20，2500 p/r 输出相输出相 AB，ABZ 输出形式输出形式电压输出，集电极开路输出电压输出，集电极开路输出工作电源工作电源 DC8-26V；DC5V固定固定 响应频率响应频率 10-100K HZ 最

42、大速度最大速度 6，000RPM 相位差相位差 A，B相差相差9045（T/4T/8)，Z相相TT/2 第66页/共82页第六十七页，共83页。68编码器属于高精度仪器，安装时严禁敲击(qio j)和摔打碰撞。编码器实心轴与外部联接应避免钢性联接，而应采用弹性联轴器、尼龙齿轮或同步带联接传动。避免因用户轴的串动、跳动、造成编码器轴系和码盘的损坏。安装编码器空心轴与电机轴是间隙配合，不能过紧或过松，定位键也不得过紧，严禁敲打装入。有锁紧环的编码器在装入电机轴前，严禁锁紧，以防止轴壁永久变形，避免编码器因此造成的装卸困难。4.编码器安装(nzhung)使用及注意事项 第67页/共82页第六十八页，

43、共83页。69应保证编码器轴与用户输出轴的不同轴度0.20mm，两轴线的偏角1.5。安装时注意其允许的轴负载，不得超过其极限负载。注意不要超过其极限转速，如超过上述极限转速时，电气信号可能会丢失。接线务必要正确，错误接线会导致内部电路损坏。在初次启动前对未用电缆(dinln)进行绝缘处理。不要将编码器的输出线与动力线等绕在一起或同一管道传输，也不宜在配线盘附近使用，以防干扰。4.编码器安装(nzhung)使用及注意事项 第68页/共82页第六十九页，共83页。70 在光纤位移传感器中，通过(tnggu)对光强进行调制测位移的最基本的原理有两种：微弯式原理 反射式原理 4.3.1 光强调制式(z

44、h sh)位移传感器4.3 光纤位移(wiy)传感器第69页/共82页第七十页，共83页。71 光纤产生弯曲(wnq)时，改变了内芯与包层间的光线折射方向，部分光逸出散射进入包层，改变了光纤里传输光信号的强度，光电接收器接收到光强变化的光信号，可解调出被测量引起的变化，称作强度调制。利用光纤微弯效应的位移传感器是一种光强调制传感器。1.微弯位移(wiy)传感器第70页/共82页第七十一页，共83页。72 被测物理量位移（可以是压力引起的）使变形器位移，光纤微弯变形，会引起光纤中模式耦合，有些波导模变成了辐射模，内芯中部分光透射入包层，造成微损耗，微弯器件的位置参数变化(binhu)，使微弯程度

45、与漏光强度成比例，实现了光强度调制。光强与位移间有确定函数关系，通过输出光强变化(binhu)，就能确定变形器位移大小。1.微弯位移(wiy)传感器第71页/共82页第七十二页，共83页。73 微弯位移(wiy)传感器分为亮场式和暗场式。亮场式测内芯中传输的光强度，该强度随微弯变化而变化。暗场式是测包层中的光强度。1.微弯位移(wiy)传感器第72页/共82页第七十三页，共83页。74 以亮场式为例，两块微弯板组成一个微弯变形器，在变形器前后均设有脱模器，前脱模器的作用是在光纤进入(jnr)微弯变形器之前，吸收掉光纤包层中的光。变形器后面的脱模器的作用是把经变形器作用而射进包层的光都吸收掉，不

46、让这部分光进入(jnr)光电探测器，以免干扰测量结果。简单的脱模方法就是在几厘米长的光纤外面涂上黑漆。1.微弯位移(wiy)传感器 I0表示光源(gungyun)射入纤芯的光电流，I0表示泄漏到包层中的光电流，p表示加到微弯板上的压力。第73页/共82页第七十四页，共83页。75 反射式位移传感器由光源、发射光纤和接收光纤组成(z chn)，光纤本身只起传光作用。发射光纤输出光照射到可沿光（纤）轴线方向移动反射屏上，反射屏的移动量即被测位移量。2.反射式位移(wiy)传感器 第74页/共82页第七十五页，共83页。76 这是一种光强调制光纤传感器。发射光纤射出的光，经反射屏一部分输入接收光纤，

47、这相当于发射光纤在反射屏另一侧的虚像（源光纤像）发出的光进入接收光纤，因此(ync)，确定调制器的的响应等效于计算虚光纤与接收光纤的耦合。这部分光强大小是由发射光纤在反射屏上形成的光斑基圆大小决定的。基圆半径大小由反射光纤出口处距离决定。距离由被测量（如微位移，热膨胀等）控制。接收光纤收到的光强调制信号反应被测量位移变化。接收到的光强调制信号输入探测器，经解调后，可得到与位移变化成比例的电信号。2.反射式位移(wiy)传感器第75页/共82页第七十六页，共83页。77 相位调制式位移传感器是利用光纤内传播光波相位变化，使两条单色光干涉条纹发生变化，检测出干涉条纹的变化量。由激光器发出的相干光经

48、过耦合器分成两束光，一束进入(jnr)测量臂光纤，一束进入(jnr)参考臂光纤。参考臂放在不受外界干扰的保护器内，测量臂受控于被测量变化引起敏感器件参数变化。4.3.2 相位(xingwi)调制式位移传感器第76页/共82页第七十七页，共83页。78 非工作状态下，两臂通过调制器使由激光器发出单色激光分成两束等强光分别通过信号臂和参考臂后耦合，得到对比度（分辨力）最高的干涉条纹。当测量臂受敏感器件参数变化的影响，改变光纤内光信号传输路径(ljng)（光程），使两束光耦合时，由于有光程差，改变了光波干涉条纹。有Michelson光纤干涉仪，Mach-Zehnder光纤干涉仪和Fabry-Pero

49、t光纤干涉仪。4.3.2 相位调制(tiozh)式位移传感器第77页/共82页第七十八页，共83页。791.迈克尔逊光纤干涉(gnsh)位移传感器 从光源发出一束窄光谱的激光束，经耦合器分成两束进入测量臂和参考臂，由光纤端部经聚焦透镜分别(fnbi)射到固定反射镜和移动反射镜后再反射进入两臂。在耦合器形成干涉光送进探测器，以两反射镜处于相同位置（指两束反射干涉光有最高对比度干涉条纹）为基准。第78页/共82页第七十九页，共83页。80 当移动反射镜因微位移l使两束光的光程差变化2 l，干涉信号总相移为4 l/。若已知激光器光源波长，并测出输出(shch)干涉信号的总相移，则可知微位移量l。1.

50、迈克尔逊光纤干涉(gnsh)位移传感器第79页/共82页第八十页，共83页。812.法布里-珀罗光纤干涉(gnsh)位移传感器 由光纤右端面和被测表面组成(z chn)一个光学谐振腔，该谐振腔介质为空气，折射率近似为1。若入射光由光纤传输到光纤右端面时，一部分光被光纤端面反射回来，形成参考光束；另一部分光透过空气到达被测表面，经被测表面反射，其中一部分又被反射回到光纤芯中，形成信号光束。第80页/共82页第八十一页，共83页。82参考光束和信号光束相干涉，被探测器接受。选择与光纤端面反射率近似相等的反射薄膜粘贴在被测表面(biomin)上，获取高对比度的干涉条纹。干涉条纹的光强与距离L成比例。