数字式传感器

1、1、 光栅式传感器光栅式传感器 - 等间距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件等间距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件物理光栅：物理光栅：计量光栅：计量光栅：利用光的衍射现象分析光谱、测定波长利用光的衍射现象分析光谱、测定波长利用光的莫尔条纹现象测量精密位移利用光的莫尔条纹现象测量精密位移， (2) 光栅传感器分类与结构原理光栅传感器分类与结构原理 按运动形式分：按运动形式分： 直线型直线型-主光栅为直尺形主光栅为直尺形直线移动直线移动 旋转型旋转型-主光栅为圆盘形主光栅为圆盘形旋转运动旋转运动按光学形式分：按光学形式分： 透射式透射式-光源与光电元件在两侧光源与光电元件

2、在两侧透射光透射光 反射式反射式-光源与光电元件同一侧光源与光电元件同一侧反射光反射光1透射式光栅传感器透射式光栅传感器 2反射式光栅传感器反射式光栅传感器 如图所示，平行光以一定的角度射向裂相指示光栅，如图所示，平行光以一定的角度射向裂相指示光栅，莫尔条纹是由标尺光栅的反射光与指示光栅作用形成，莫尔条纹是由标尺光栅的反射光与指示光栅作用形成，光电器件接收莫尔条纹的光强。反射式光栅传感器一光电器件接收莫尔条纹的光强。反射式光栅传感器一般用在数控机床上，主光栅为金属光栅，它坚固耐用，般用在数控机床上，主光栅为金属光栅，它坚固耐用，而且线膨胀系数与机床基体的接近，能减小温度误差。而且线膨胀系数与机

3、床基体的接近，能减小温度误差。(1) 莫尔条纹（莫尔条纹（Moire） W-栅距，栅距， a-线宽，线宽， b-缝宽缝宽W=a+b ，a=b=W/2 均匀刻线均匀刻线主光栅主光栅指示光栅指示光栅夹角夹角明暗相间条纹明暗相间条纹莫尔条纹莫尔条纹移动移动长度长度 - 测量范围；刻线密度测量范围；刻线密度 - 测量精度测量精度 ( 10、25、50、100、125线线/mm )，如如100线：线：mmmmw01. 01001mmwba005. 02WWBCABBH2422sin22放大倍数为放大倍数为 1/,1/,越小越小, , B B越大。越大。例如例如=0.1=0.1时时 =0.1=0.1=0.

4、1=0.12/360 2/360 =0.00175432rad=0.00175432radW=0.02mm BH=11.4592mmW=0.02mm BH=11.4592mm。莫尔条纹特性：莫尔条纹特性： 方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向与光栅移动方向垂直垂直同步性：光栅移动一个栅距同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距一方向莫尔条纹移动一个间距一方向对应对应放大性：夹角放大性：夹角很小很小 BW 光学放大光学放大 提高灵敏度提高灵敏度可调性：夹角可调性：夹角 条纹间距条纹间距B 灵活灵活准确性：大量刻线准确性：大量刻线 误差平均

5、效应误差平均效应 克服个别克服个别/局部误差局部误差 提高精度提高精度 特例：当特例：当 =0, w1=w2 B= 光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹 当当 =0, w1w2 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹 误差的平均效应误差的平均效应光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。莫尔条纹由光栅的大量刻线形成莫尔条纹由光栅的大量刻线形成, 对线纹的刻划误差对线纹的刻划误差有平均抵消作用有平均抵消作用, 几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上消除条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上消除短周期误差的影响。短周期误差的影

6、响。 例例W=0.02mm, 接收元件尺寸接收元件尺寸1010mm2,在在10mm范围内有范围内有500条刻线参与工作，某几条刻线误条刻线参与工作，某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。 图为利用图为利用光栅传感器光栅传感器直接测量数直接测量数控机床工作控机床工作台位移量的台位移量的现场照片。现场照片。 工作台工作台光栅工作台运动方向工作台运动方向光栅在机床上的安装位置（3个自由度）数显表wNxkwNkxkynwmnNx)(mknNkmknNky0 x标尺光栅标尺光栅l 光栅测位移原理光栅测位移原理标尺光栅随被测对象一起移动，相当于一把测量位移的尺子：

7、标尺光栅随被测对象一起移动，相当于一把测量位移的尺子：标尺光栅的位移（实际位移）：标尺光栅的位移（实际位移）：对应的莫尔条纹位移（测量位移）：对应的莫尔条纹位移（测量位移）： 为了提高测量精度：对栅距进行细分（分辨力提高）为了提高测量精度：对栅距进行细分（分辨力提高）对栅距进行对栅距进行n等分：等分：细分后：细分后：光电元件的输出波形光电元件的输出波形xVB（w）理论输出理论输出实际输出实际输出 为了识别位移的方向：对光电输出信号进行辨向为了识别位移的方向：对光电输出信号进行辨向)2sin(0 xwuuum输出：输出：输出的是一个周期信号，不能辨输出的是一个周期信号，不能辨别出位移的方向，需另

8、外的辨向别出位移的方向，需另外的辨向电路。电路。光电转光电转换元件换元件去直去直流流放放大大整整形形辨辨向向可逆可逆计数计数辨向电路：实现方法：辨向电路：实现方法：BB/4狭缝狭缝莫尔条纹莫尔条纹辨向原理辨向原理 狭缝狭缝莫尔条纹莫尔条纹 正向移动正向移动（狭缝在莫尔条纹前（狭缝在莫尔条纹前90）反向移动反向移动（莫尔条纹在狭缝前（莫尔条纹在狭缝前90）狭缝狭缝莫尔条纹莫尔条纹相位上相差相位上相差90的狭缝、莫尔条纹脉冲经过辨向电路即的狭缝、莫尔条纹脉冲经过辨向电路即可分辨出正向移动或反向移动。可分辨出正向移动或反向移动。设计数器记得脉冲数为设计数器记得脉冲数为N，位移，位移 x=N W 光栅

9、测量位移属于增量光栅测量位移属于增量式测量。式测量。1. 四倍频细分四倍频细分在相差在相差B/4B/4位置上安放两个光电元件，得到两个相差位置上安放两个光电元件，得到两个相差/2/2电压信号（电压信号（S S和和C C），将这两个信号整形、反相），将这两个信号整形、反相得到四个依次相差得到四个依次相差/2/2的电压信号。的电压信号。0 0（S S），），9090（C C）180180（S S）270270（C C）。）。在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动

10、时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。2.2.电位器桥（电阻链）细分电位器桥（电阻链）细分实现方法及原理实现方法及原理 四细分后得到的四个相位差为四细分后得到的四个相位差为9090度的交流信号度的交流信号U Um msin,Usin,Um mcoscos和和-U-Um msin,-Usin,-Um mcoscos。以这四。以这四个交流信号为原函数（两原函数间各接几个电位个交流信号为原函数（两原函数间各接几个电位器，构成电位器桥，把器，构成电位器桥，把=0-360=0-360度度, , （x=0-Wx=0-W）分成四个象限。分成四个象限。每一个象限，由于电压的合

11、成与电位器的移相作每一个象限，由于电压的合成与电位器的移相作用，电阻链上各电位器中间抽头得到幅值各不相用，电阻链上各电位器中间抽头得到幅值各不相同的一系列移相信号（新函数）。同的一系列移相信号（新函数）。光栅传感器特点光栅传感器特点 精度高：测长精度高：测长(0.2+210-6L)m，测角，测角0.1量程大：透射式量程大：透射式-光栅尺长（米），反射式光栅尺长（米），反射式-几十米几十米响应快：可用于动态测量响应快：可用于动态测量增量式：增量码测量增量式：增量码测量 计数计数 断电断电数据消失数据消失要求高：对环境要求高要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、移动精度温度、湿度、灰尘、振动

12、、移动精度成本高：电路复杂成本高：电路复杂 3、激光干涉测量系统、激光干涉测量系统1) 单频激光干涉系统单频激光干涉系统双频激光干涉系统双频激光干涉系统- 信噪比高，抗干扰能力强，大位移测量（信噪比高，抗干扰能力强，大位移测量（200m以上）以上）双频激光干涉测量系统双频激光干涉测量系统4、激光测距系统、激光测距系统2/ctd 3）激光三角法）激光三角法- 大范围远距离测距（几千大范围远距离测距（几千/几十千米）几十千米）1）脉冲测距法）脉冲测距法2）相位差测距法）相位差测距法激光短脉冲信号（激光器激光短脉冲信号（激光器 被测目标）被测目标）测量精度：时间间隔测量精度（脉冲窄、响应速度快）测量

13、精度：时间间隔测量精度（脉冲窄、响应速度快）远距离远距离 - 固体固体/二氧化碳；近距离二氧化碳；近距离 - 半导体半导体巨脉冲激光器巨脉冲激光器 - 地球地球月球距离（分辨力：月球距离（分辨力：1m）激光束调制激光束调制 - 相位差相位差 - 时间时间 - 距离距离距离距离特点：测量精度高、分辨力强特点：测量精度高、分辨力强0042fccD原理：原理： y = f ( x) x yKeyence 激光测距传感器激光测距传感器特点：特点： 非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、 抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高抗干扰、测量点小（几十微

14、米）、测量准确度高精度：光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直精度：光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面特征径大小以及被测物体的表面特征应用：应用：厚度测量：厚度测量：(a) 参考表面：两传感器同向参考表面：两传感器同向 - 减小偏心误差减小偏心误差(b) 相对测量：两传感器反向，无参考表面相对测量：两传感器反向，无参考表面 - 克服钢板本身克服钢板本身上下起伏造成的误差上下起伏造成的误差测量范围：测量范围：16mm左右；相对测量精度：左右；相对测量精度： 0.1% 0.2% 适用：在线测量钢板适用：在线测量钢板/铝板等板材厚度铝板等板材厚度 特点：测

15、头对表面颜色和纹理变化以及背景光的影响不敏感特点：测头对表面颜色和纹理变化以及背景光的影响不敏感不能测量镜面不能测量镜面 - 漫反射原理漫反射原理检测原理检测原理电磁式电磁式电刷式电刷式电磁感应式电磁感应式光电式光电式工作原理工作原理 增量式：单位位移增量式：单位位移一个脉冲一个脉冲 绝对式：当前位置绝对式：当前位置当前数字当前数字放放大大整整形形计计数数增量式光电编码盘角度增量式光电编码盘角度数字转换器数字转换器m360信号转换信号转换光敏元件的输出光敏元件的输出整形后的波形整形后的波形微分后的波形微分后的波形从左图中可以看出：从左图中可以看出：一个脉冲对应一个一个脉冲对应一个 ，例如，例如

16、，720线的码盘，输线的码盘，输出出15个脉冲，则对应转个脉冲，则对应转过的角度为过的角度为 5 . 77203601515光电码盘实物图光电码盘实物图 具有辨向功能的增具有辨向功能的增量式光电编码盘量式光电编码盘ZAB顺时针转动（顺时针转动（A在在B前前90）ABZABZ逆时针转动（逆时针转动（B在在A前前90）从上面从上面A、B、Z的输出来看，如何来计算其转角呢？的输出来看，如何来计算其转角呢？)%(360360mnmZ其中：其中：Z：Z脉冲数；脉冲数；n：A或或B脉冲数；脉冲数；m：刻线密度。：刻线密度。 从公式中可以看出，转角的整数部分用从公式中可以看出，转角的整数部分用Z脉冲数来计算

17、，小数部分用脉冲数来计算，小数部分用A或或B的脉冲数来修正，这是因为的脉冲数来修正，这是因为Z脉冲的频率较低，计数可靠，脉冲的频率较低，计数可靠，A或或B脉冲频率脉冲频率较高，容易漏计或比较容易受干扰。较高，容易漏计或比较容易受干扰。n2360min通常编码器的编码盘与旋转轴相固联，沿码盘的径向固定数个通常编码器的编码盘与旋转轴相固联，沿码盘的径向固定数个敏感元件敏感元件(这里是电刷这里是电刷)。 绝对式接触式编码器演示4个电刷 4位二进制码盘 +5V输入 公共码道 最小分辨角度为 =360/2n 表表 二进制码、十进制码与格雷码对照表二进制码、十进制码与格雷码对照表 角角 度度电电 刷刷 位

18、位 置置二二 进进 制制 码码十十 进进 制制 码码格格 雷雷 码码0a0000000001b0001100012c0010200113d0011300104e0100401105f0101501116g0110601017h0111701008i1000811009j10019110110k101010111111l101111111012m110012101013n110113101114o111014100115p1111451000=360/2n 接触式编码器最大的缺点在于电刷与码盘的直接接触，接触式编码器最大的缺点在于电刷与码盘的直接接触，接触摩损会影响其寿命，降低可靠性。因此不适宜

19、在转接触摩损会影响其寿命，降低可靠性。因此不适宜在转速较高或具有振动的环境中使用。速较高或具有振动的环境中使用。 u 格雷码有什么特点，为什么要采用格雷码盘？格雷码有什么特点，为什么要采用格雷码盘？从编码技术上分析，造成错码的原因是从一个码变为另一从编码技术上分析，造成错码的原因是从一个码变为另一个码时存在着几位码需要同时改变。若每次只有一位码改个码时存在着几位码需要同时改变。若每次只有一位码改变，就不会产生错码，例如格雷码变，就不会产生错码，例如格雷码(循环码循环码)。1）编码规则）编码规则将二进制码右移将二进制码右移 一位并舍去最末一位并舍去最末位与原二进制做位与原二进制做不进位加法。不进

20、位加法。2）特点）特点相邻两个数码之相邻两个数码之间只有一位变化。间只有一位变化。安装套编码器的安装方式 1.编码器的套式安装安装轴 2.编码器的轴式安装 采用编码器间采用编码器间接测量工作台位移。接测量工作台位移。测量到的回转运动测量到的回转运动参数仅仅是中间值，参数仅仅是中间值，但可由这中间值再但可由这中间值再推算出与之关联的推算出与之关联的移动部件的直线位移动部件的直线位移。间接测量须使移。间接测量须使用丝杠用丝杠- -螺母、齿螺母、齿轮轮- -齿条等传动机齿条等传动机构构。 工作台丝杠编码器进给电机 x 编码器在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用旋转刀库旋转刀库被加工工件被加工工件刀具

21、刀具角编码器的输出角编码器的输出为当前刀具号为当前刀具号角编码器与旋转角编码器与旋转刀库连接刀库连接编码器在定位编码器在定位加工中的加工中的应用应用1绝对式编码器绝对式编码器 2电动电动机机 3转轴转轴 4转盘转盘 5工工件件 6刀具刀具 安装有直线光栅的数控机床加工实况 防护罩内为直线光栅防护罩内为直线光栅光栅扫描头光栅扫描头被加工工件被加工工件切削刀具切削刀具角编码器角编码器安装在夹安装在夹具的端部具的端部第第13章章 记录仪器记录仪器 n4、瞬态记录仪、瞬态记录仪n5、电平记录仪、电平记录仪磁带记录仪的特点是：磁带记录仪的特点是： 1)工作频带宽，动态范围大；工作频带宽，动态范围大； 2

22、)重放时得到的信号仍为电信号，这便于以后的进一步处理；重放时得到的信号仍为电信号，这便于以后的进一步处理；且可以反复多次重放，且可以反复多次重放， 3)通过改变记录和重放时的磺带速度比可以很方便地实现记通过改变记录和重放时的磺带速度比可以很方便地实现记录信号的频率转移，以便满足已有分析仪器的频率范围要求；录信号的频率转移，以便满足已有分析仪器的频率范围要求； 4)很强的多通道记录能力。很强的多通道记录能力。 2 2、光线示波器、光线示波器一、光线示波器的结构：一、光线示波器的结构： 特点：特点：灵敏度高，多线同步记录，记录灵敏度高，多线同步记录，记录5kHz以下信号，记录以下信号，记录纸消耗大

23、，且不易常期保存，不能采用电于计算机进行数据处理。纸消耗大，且不易常期保存，不能采用电于计算机进行数据处理。 组成：组成：光学系统、时标装置、走纸装量、振动子、磁系统、光学系统、时标装置、走纸装量、振动子、磁系统、电气系统及摄影系统。电气系统及摄影系统。光学系统光学系统（见书上（见书上P193）:ZD1：记录信号，幅值坐标线：记录信号，幅值坐标线ZD2：频闪灯，时标周期线：频闪灯，时标周期线 振动子和磁系统：振动子和磁系统：把按一定规律变化的电信号，变换成按同把按一定规律变化的电信号，变换成按同样规律变化的光线摆动信号，以便作用在感光记录纸上，形成模样规律变化的光线摆动信号，以便作用在感光记录

24、纸上，形成模拟记录曲线。拟记录曲线。振动子：动圈式振动子：动圈式动态特性动态特性式中式中 i输入线圈的电流；输入线圈的电流； 线圈的偏转角；线圈的偏转角； J取决于振子转动部分结构形状和质量的转动惯量；取决于振子转动部分结构形状和质量的转动惯量； c阻尼系数；阻尼系数； k张丝的扭转刚度；张丝的扭转刚度； ki电磁转矩系数。当线圈结构尺寸和磁场强度确定后电磁转矩系数。当线圈结构尺寸和磁场强度确定后ki为常为常数。数。静态特性：静态特性：静态特性表示振动子输入直流电流静态特性表示振动子输入直流电流I时，输出与输入的关系时，输出与输入的关系式中式中 Ski/k/I，表示单位电流作用下偏转角的大小，

25、称为振，表示单位电流作用下偏转角的大小，称为振子常数。子常数。实际中振动子的灵敏度常用单位电流流过振动子时，光点在记录纸实际中振动子的灵敏度常用单位电流流过振动子时，光点在记录纸上移动的距离表示，即上移动的距离表示，即 Si=H/I，式中，式中 H光点在记录纸上移光点在记录纸上移动的距离。动的距离。当当很小时，很小时，cos1，光点实际上转动两倍于，光点实际上转动两倍于的圆弧，即的圆弧，即HL tg2；当；当很小时，很小时，tg22，此时，此时，H2L，于是有，于是有 SiH/I2L/I2LS 式（式（3） 式中，式中，Si称为振子的电流灵敏度，它表示直流电流所引起的记称为振子的电流灵敏度，它表示直流电流所引起的记录纸上光点偏移量。录纸上光点偏移量。H是光点在记录纸上移动的距离，是光点在记录纸上移动的距离，L是光臂长是光臂长度度 。三、振动子的选择：三、振动子的选择：