第7章开关量和数字量的测量PPT课件

.1、机械工程测试技术，第七章开关量和数字量的测量，2、本章要求，了解开关量和数字量传感器的工作原理，了解常用开关量传感器的工作原理和特点，了解常用开关量数字量传感器的测量方法，3、第7章开关量和数字量的测量，7.1开关量的测量，7.2数字量的测量，7.3工程项目实例，4、7.1测量开关值时，接近开关也称为非接触式行程开关。它能探测到在一定距离(大约几毫米到几十毫米)内是否有物体靠近。当一个物体接近一个设定的距离时，它会发出一个“动作”信号，这与机械行程开关不同，后者需要机械力。它给出开关信号(即高电平或低电平)。大多数接近开关具有大的负载能力，可以直接驱动中间继电器。常用的接近开关可分为电感(主要是涡流)、电容、磁簧开关和霍尔接近开关。它们的测量对象如下：(1)涡流(通常称为感应接近开关)只作用于导电性好的金属。(2)电容式作用于接地金属或具有接地电位的导电物体，对具有非接地电位的导电物体的灵敏度稍差。(3)磁簧开关仅适用于磁性较强的物体。(4)霍尔型仅适用于磁性物体。(1)非接触检测不影响被测对象的工作条件；(2)无机械磨损和疲劳损伤，使用寿命长；(3)响应速度快，一般响应时间可达几毫秒或十几毫秒；(4)采用全密封结构，防潮防尘性能好，工作可靠性强；(5)无接触、无火花、无噪音，适用于需要防爆的场合(防爆型)；(6)输出信号大，易于与计算机或可编程控制器等接口。(7)体积小，安装调整方便。它的缺点是“接触”容量小，输出在短路时容易烧坏。嘿。7，接近开关的主要性能指标，(1)在额定操作距离的规定条件下测量的接近开关的操作距离(mm)。(2)工作距离接近实际使用中设定的安装距离。在此距离内，接近开关不应受到温度变化和电源波动等外部干扰的影响而导致误操作。(3)动作滞后是指动作距离和复位距离之差的绝对值。如果滞后很大，它将对外部干扰和被测对象的抖动具有很强的免疫力。(4)重复定位精度它代表多次测量的作用距离。其值的离散性一般为作用距离的1% 5%。离散性越小，重复定位精度越高。(5)动作频率是指每秒钟连续进入接近开关动作距离并离开的被测物体的数量。8，图7.1中所示的接近开关的几种结构形式a)圆柱形b)平面安装c)正方形d)槽e)穿透f)轮廓f)，图7.2中所示的接近开关的规格和连接模式，图7.2中所示的接近开关的典型三线连接模式和特性，图10、7.1.2、11、7.1.3中所示的感应接近开关的应用实例， 电容式接近开关的核心是以电容板为检测端子的液晶振荡器，以及圆柱形电容式接近开关的结构和原理。两个检测极板设置在接近开关的前端，测量转换电路设置在接近开关外壳内，由介电损耗小的环氧树脂填充封装。 当没有物体靠近检测板时，上下板之间的电容C非常小。它与电感(在测量转换电路板3中)形成高品质因数的液晶振荡电路，Q=1/CR。当要检测的对象是导体(例如金属、水等)时。)，待检测的上下电极板通过与导体耦合形成可变电极距离电容器C1和C2。液晶振荡器电路中的电容C可以看作是C1和C2的串联结果。电容C是m，1。电容式接近开关的结构和工作原理。12，2。电容接近开关的应用实例，图7.4圆柱形电容接近开关的结构和原理框图1-被测对象2-测试上板3-测试下板4-填充树脂5-测试转换电路板6-塑料外壳7-灵敏度调节电位器8-工作指示灯9-三线电缆。13，7.1.4磁性簧片开关近接开关的应用实例，干簧继电器中的簧片开关近接开关实际上是一个非常简单的传感器，它可以与磁铁形成近接开关。它已应用于水位控制、电梯“调平”控制、防盗报警等。其优点是体积小，接触可靠性高，属于“无源”传感器。14，干式弹簧继电器，图7.5干式弹簧继电器1-外壳2-驱动线圈3-簧片开关4-针脚5-玻璃外壳6-磁性簧片。15，7.1.5霍尔接近开关应用示例，图7.6霍尔接近开关应用图a)剖面图b)接近类型c)滑动类型d)分流翅片1-移动部件2-软铁分流翅片，16、7.1.6光电开关和光电断路器、光电开关和光电断路器是用于检测物体接近和通过状态的光电传感器。近年来，随着生产自动化和机电一体化的发展，光电开关和光电断路器已经发展成为品种和规格越来越多的系列产品。用户可以根据生产需要选择合适规格的产品，而无需自行设计光路和电路。原则上，光电开关和光电开关没有太大区别，它们都是由红外发射元件和光敏接收元件组成，但光电开关是一个整体结构，其探测距离只有几毫米到几十毫米，而光电开关的探测距离可以达到几米到几十米。17、1光电开关的结构和分类，反射型分为：反射镜反射型；漫反射型(简称散射型)的被测物体是安装最方便的，只要不是所有的黑色物体都能产生漫反射。散射光电开关的探测距离与被测物体的黑度有关，一般很小，只有几百毫米。用户可以根据实际需要决定光电开关的类型。18、光电开关类型和应用，图7.7光电开关类型和应用1-发射器2-接收器3-被测物体4-反射镜。19，2。光电断路器，其工作原理与光电开关相同，但其光电发射器和接收器制作在同一个塑料外壳中，体积非常小，因此两者可以可靠地对准，方便安装和使用。它也可以分为阻挡型和反射型。图7.8光遮断器1-发光二极管2-红外光3-光敏元件4-槽5-待测物体6-透明孔。20，光遮断器应用实例，21，7.2数字量测量，数字传感器不同于其他传感器(如电感、涡流、电容等)。)可以直接给出数字脉冲或编码信号，抗干扰能力强，精度高，可以测量大位移，测量精度基本上与测量范围无关。数字量的测量主要基于数字位置传感器，数字位置传感器广泛用于数控机床进行位置伺服控制，也可用于测量工具，使传统的游标卡尺、千分尺、高度规等实现数字显示，读数过程变得方便准确。本节主要介绍两种常见的数字位置传感器旋转编码器和光栅。22，7.2.1。旋转编码器，也称为码盘或角度编码器，是一种旋转角度测量传感器，它与被测旋转轴相连并随之旋转，如图7.10所示，将被测轴的角位移转换成二进制代码或一系列脉冲。有两种基本类型的角度编码器：绝对编码器和增量编码器。根据内部结构和检测方式的不同，旋转编码器有接触式、光电式、磁阻式等。接触式编码器属于绝对角度检测装置，是一种直接对被测角度进行编码的传感器。如图7.11所示，它是一个四位二进制接触码盘。它创造了人码盘分为四个代码轨道，每个代码轨道都有一个画笔。电刷通过一个采样电阻接地，信号从电阻的“热端”取出。这样，无论码盘处于哪个角度，该角度都有一个4位二进制码，在对应的4个码道上由“1”和“0”组成。码盘最里面的轨道是常见的。它连接到每个代码轨道的所有导电部分，并连接到激励电源的正极。25，接触编码器，图7.11接触编码器1-码盘2-旋转轴3-导体4-绝缘体5-电刷6-共轨(正电源)。26、接触编码器，由于码盘与待测转轴连接，刷的位置固定，当码盘随待测转轴转动时，刷和码盘的位置会相对变化。如果电刷接触导电区域，电流流过回路中的采样电阻，产生电压降，输出为“1”；相反，如果电刷接触绝缘区域，输出为“0”，因此根据电刷的位置可以获得由“1”和“0”组成的4位二进制代码。例如，如图7.11b所示，此时的输出是0101。从以上分析可以看出，码道的圈数(不包括最里面的公共轨道)是二进制数，高位在内，低位在外。由此可以推断，如果N位二进制码盘具有N个码道圆，并且圆周被平均分成2n个数据以表示其不同位置。可以分辨的角度(即分辨率)是，分辨率是1/2n。绝对光电编码器和绝对光电编码器如图7.12所示。图中的黑白区域不代表导电区域和绝缘区域，而是透光或非透光区域。黑色区域是不透明区域，用“0”表示；白色区域是透光区域，用“1”表示。这样，在任何角度都有相应的二进制代码。与接触式编码器不同，没有必要在最里面的圆中设置公共代码轨道。每个代码轨道上都有一组光电元件，而不是画笔。增量编码器和增量光电编码器的结构图如图7.13所示。光电编码器与转轴连接。码盘可以由玻璃材料制成，涂上一层不透明的金属铬，然后在边缘制成向心透光狭缝。透光狭缝在码盘的圆周上等分，数量从几百到几千不等。这样，码盘的整个圆周被等分成n个透明凹槽。增量式光电编码器也可以由不锈钢片制成，然后在圆周边缘切割出均匀分布的透光槽。30、增量式光电编码器结构，图7.13增量式光电编码器结构示意图1-转轴2-发光二极管3-挡光板4-零标记槽5-光敏元件6-码盘7-电源和信号线连接座，31、光电编码器，为了判断码盘的旋转方向，必须在挡光板上设置两个狭缝，距离为码盘上两个狭缝距离的(m l/4)倍，m为正整数，设置两组对应的光敏元件，如图7.13中的a、b光敏元件。光电编码器的输出波形如图7.14所示。为了获得码盘旋转的绝对位置，必须设置一个参考点，如图7.13中的“零标记槽”所示。对于码盘的每一转，对应于零标记槽的光敏元件产生一个脉冲，称为“一转脉冲”，如图7.14中的C0脉冲所示。光栅和结构光栅有多种类型，可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅主要利用光的衍射现象，常用于光波的光谱分析和波长测量，而计量光栅常用于检测。计量光栅主要用于通过光的透射和反射进行位移测量。该系统分辨率高，可达0.1m以上。此外，测量光栅的脉冲读取速率可达几百次/毫秒，非常适合动态测量。33、图7.15计量光栅1-光源2-透镜3-指示器光栅4-标尺光栅5-感光元件分类图。34、图7.16线栅1-铝合金外壳尺身2-读数头3-电缆4- LED5-带电容标尺光栅6-指示器光栅7-光标8带光敏元件-密封唇9-信号处理电路的外观和内部结构剖面图。35，2。光栅的工作原理。在透射型线性光栅中，主光栅和指示光栅的划线表面相对叠加在一起，在它们之间留下小的间隙，并且在它们的光栅线之间保持小的夹角。如图7.17中线a-a所示，在两个光栅的划线重合的位置，光通过狭缝形成亮带；如图7.17中的线b-b所示，在两条光栅线的交错位置，由于相互的光阻挡效应，形成了暗带。由亮条纹和暗条纹形成的亮条纹和暗条纹称为莫尔条纹，条纹方向大致垂直于划线方向。通常，两个光敏元件(有时是4个)安装在光栅的适当位置(例如图7.17中的sin或cos位置)。当指示光栅沿x轴从左向右移动时，莫尔条纹的亮带和暗带(图7.17中的线a-a和b-b)将依次从下到上(图中的y方向)连续扫过光敏元件。光敏元件“观察到”莫尔条纹的强度变化类似于正弦波的变化。光栅移动一个间距w，光强变化一个周期。光栅位移与光强和输出电压之间的关系如图7.18所示。由等间距的黑白透射光栅形成的莫尔条纹( 0)，如图7.17所示，以及莫尔条纹的特性，(1)莫尔条纹是由光栅的大量划线形成的，这些划线对光栅的划线误差具有平均影响，因此在很大程度上消除了由光栅的不均匀划线引起的误差。(2)当指示光栅沿垂直于光栅线的方向相对移动时，莫尔条纹沿光栅线方向移动(两者的移动方向相互垂直)；表示光栅向相反方向移动，莫尔条纹向相反方向移动。(3)莫尔条纹的节距是放大的光栅节距，它随指示光栅与主光栅刻线之间的夹角而变化。因为很小，它的关系可以用下列公式表示：38，图7.18光栅位移与光强和输出电压的关系，莫尔条纹特性，(4)莫尔条纹移动的条纹数等于光栅移动的划线数。例如，当使用100线/毫米光栅时，如果光栅移动x(即，100 x光栅划线)，那么在光电元件前面通过的莫尔条纹也是100 x。由于莫尔条纹比间距宽得多，它们可以被光敏元件识别。通过计算这种莫尔条纹产生的电脉冲信号，我们可以知道实际的运动距离。光栅的方向鉴别和细分(1)方向鉴别原理如果传感器只装有一组光电元件，在实际应用中，不管光栅是正向还是反向移动，光敏元件都会产生相同的正弦信号，而且移动方向无法辨别。为此，必须建立方向识别电路。两组光电元件sin和cos可以沿着光栅线的y方向以距离(m1/4)L(相当于电相位角的1/4周期)布置。这样，可以获得相位差为/2的两个电信号uos和uoc。经过放大和整形后，得到两个方波信号uos和uoc，分别送到计算机的两个接口，由计算机判断两个信号的相位差。当指示光栅向右移动时，uos落后于uoc；当指示光栅向左移动时，uos在uoc之前。据此，计算机判断指示光栅的移动方向。(2)细分，细分也叫倍频细分。从前面的讨论中可以看出，当两个光栅相对移动一个网格距离W时，莫尔条纹相应地移动一个L，并且输出的ph41、7.3工程项目实例，7.3.1运行中检测电车位置的实例，光传感器的应用。42、磁传感器的应用。43、限位开关的应用。44、开关传感器广泛应用于自动化