数控技术CNC第4章 数控检测装置

1、第四章第四章 数控检测装置数控检测装置第第1 1节节 概述概述第第2 2节节 旋转变压器旋转变压器第第3 3节节 感应同步器感应同步器第第4 4节节 光栅光栅第第5 5节节 磁栅磁栅第第6 6节节 光电脉冲编码器光电脉冲编码器第第1节节 概述概述在闭环或半闭环控制数控机床中，数控装置是依靠指令值与位在闭环或半闭环控制数控机床中，数控装置是依靠指令值与位 置检测装置的反馈值进行比较，来控制工作台运动的。置检测装置的反馈值进行比较，来控制工作台运动的。位置控制调位置控制调节器节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+ +

2、+- - -电机电机机械执行部件机械执行部件CNCCNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈闭环控制系统闭环控制系统在闭环系统中，数控检测装置的主要作用是检测位在闭环系统中，数控检测装置的主要作用是检测位移量，并将检测的反馈信号和数控装置发出的指令信移量，并将检测的反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向消除偏差的方向运动，直到偏差为零。向消除偏差的方向运动，直到偏差为零。闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，在设

3、计数控机床进给伺服系统，测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。测装置。一、数控机床对检测装置的要求一、数控机床对检测装置的要求位置检测装置是数控机床伺服系统中重要的位置检测装置是数控机床伺服系统中重要的组成部分，其作用是检测位移和速度，发送反组成部分，其作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成伺服系统的闭环或半闭环控制。馈信号，构成伺服系统的闭环或半闭环控制。数控机床的加工精度主要由检测系统的精度数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。位移检测系统可测量的最小位移量称为决定。位移检

4、测系统可测量的最小位移量称为分辨率，分辨率不仅取决于检测元件本身，也分辨率，分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。取决于测量线路。数控机床对检测装置的要求主要有：数控机床对检测装置的要求主要有：（1 1） 高可靠性和高抗干扰性，能长期保持精度；高可靠性和高抗干扰性，能长期保持精度；（2 2） 能满足机床精度和速度的要求；能满足机床精度和速度的要求；（3 3） 使用维护方便，适合机床运行环境；使用维护方便，适合机床运行环境；（4 4） 成本低。成本低。二、检测装置的分类二、检测装置的分类按工作条件和测量要求的不同，测量装置主要有按工作条件和测量要求的不同，测量装置主要有三种分类方法。三

5、种分类方法。（1 1）增量式与绝对式；）增量式与绝对式；（2 2）数字式与模拟式；）数字式与模拟式；（3 3）直接测量与间接测量。）直接测量与间接测量。1 1、增量式与绝对式、增量式与绝对式（1 1）增量式检测方式）增量式检测方式增量式检测方式单纯测量位移增量，工作台移动一增量式检测方式单纯测量位移增量，工作台移动一个测量单位即发出一个测量信号。个测量单位即发出一个测量信号。优点：是检测装置比较简单，任何一个点均可作为优点：是检测装置比较简单，任何一个点均可作为测量起点。测量起点。缺点：是移距靠测量信号计算后读出的，一旦计数缺点：是移距靠测量信号计算后读出的，一旦计数有误，此后的测量结果将全错

6、；发生故障时不能有误，此后的测量结果将全错；发生故障时不能再找到事故前的正确位置，事故排除后，这时必再找到事故前的正确位置，事故排除后，这时必须将工作台移至起点重新计数才能找到事故前的须将工作台移至起点重新计数才能找到事故前的正确位置。正确位置。（2 2）绝对式检测方式）绝对式检测方式绝对式检测方式中，被测量的任一点的位置都以一绝对式检测方式中，被测量的任一点的位置都以一个固定的零点为基准，每一被测点都有一个相应个固定的零点为基准，每一被测点都有一个相应的测量值。的测量值。优点：避免了增量式检测方式的缺陷。优点：避免了增量式检测方式的缺陷。缺点：结构较复杂。缺点：结构较复杂。2 2、数字式和模

7、拟式、数字式和模拟式（1 1）数字式测量）数字式测量是将被测量以数字形式表示。数字测量输出信号一般是将被测量以数字形式表示。数字测量输出信号一般是电脉冲，可以把它直接送到数控装置（计算机）进是电脉冲，可以把它直接送到数控装置（计算机）进行比较、处理。行比较、处理。其典型的检测装置如光栅位移测量装置。其典型的检测装置如光栅位移测量装置。数字式测量的特点是：数字式测量的特点是：1) 1) 被测量量化成脉冲个数，便于显示和处理；被测量量化成脉冲个数，便于显示和处理；2) 2) 测量精度取决于测量单位，与量程基本无关（有测量精度取决于测量单位，与量程基本无关（有积累误差）；积累误差）；3) 3) 测量

8、装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。（2 2）模拟式测量）模拟式测量是将被测量用连续的变量（如相位变化、电压幅值变是将被测量用连续的变量（如相位变化、电压幅值变化）来表示的。化）来表示的。在数控机床上模拟式测量主要用于小量程的测量，例在数控机床上模拟式测量主要用于小量程的测量，例如感应同步器的一个线距（节距）内信号相位变化等。如感应同步器的一个线距（节距）内信号相位变化等。模拟式测量的特点是：模拟式测量的特点是：1 1）直接测量被测量，无须变换；）直接测量被测量，无须变换；2 2）在小量程内可以实现高精度测量。如用旋转变压）在小量程内可以实现高精度测量。

9、如用旋转变压器、感应同步器等。器、感应同步器等。3 3、直接测量和间接测量、直接测量和间接测量 （1 1）直接测量）直接测量是将检测装置直接安装在执行部件上，测量直线位移是将检测装置直接安装在执行部件上，测量直线位移量。量。常用光栅，感应同步器等检测装置。常用光栅，感应同步器等检测装置。优点是：直接反映工作台的直线位移量。优点是：直接反映工作台的直线位移量。缺点是：检测装置要和行程等长，这对大型数控机床缺点是：检测装置要和行程等长，这对大型数控机床是一个很大的限制。是一个很大的限制。（2 2）间接测量）间接测量间接测量是通过与工作台直线运动相关联的回间接测量是通过与工作台直线运动相关联的回转运

10、动间接地测量工作台的直线位移。转运动间接地测量工作台的直线位移。检测装置常用旋转变压器等。检测装置常用旋转变压器等。优点是：间接测量使用可靠方便，无长限制，优点是：间接测量使用可靠方便，无长限制，缺点是：测量信号加入了直线转变为回转运动缺点是：测量信号加入了直线转变为回转运动的传动链误差，从而影响测量精度。的传动链误差，从而影响测量精度。 感应同步器感应同步器抗干扰能力强，对环境要求低，维抗干扰能力强，对环境要求低，维护简单、价格低，寿命较长，具有一定精度、应用较广护简单、价格低，寿命较长，具有一定精度、应用较广。 光栅光栅抗干扰能力抗干扰能力强，高分辨率、大量程、测量强，高分辨率、大量程、测

11、量精度高、应用广泛精度高、应用广泛，但但成本较高成本较高，制造制造工艺要求高。工艺要求高。 磁栅磁栅抗干扰能力抗干扰能力强强，对环境条件要求对环境条件要求低，安装低，安装调整方便，精度高，但存在磁信号的稳定性，磁头磨损调整方便，精度高，但存在磁信号的稳定性，磁头磨损等问题，有应用。等问题，有应用。 三常用检测元件及其特点三常用检测元件及其特点 旋转变压器旋转变压器抗干扰能力强、工作可靠、结抗干扰能力强、工作可靠、结构简单、动作灵敏、信号输出幅度大，对环境无特构简单、动作灵敏、信号输出幅度大，对环境无特殊要求，维护方便，应用广泛。殊要求，维护方便，应用广泛。 脉冲编码盘脉冲编码盘工作可靠、精度高

12、，结构紧凑、工作可靠、精度高，结构紧凑、成本低，是精密数字控制和伺服系统中常用的角位成本低，是精密数字控制和伺服系统中常用的角位移数字式检测元器件，但移数字式检测元器件，但抗污染能力差，易损坏抗污染能力差，易损坏。 激光干涉仪激光干涉仪精度很高，但精度很高，但抗震性、抗干扰抗震性、抗干扰能力差能力差，价格较贵，应用较少。，价格较贵，应用较少。 第第2节节 旋转变压器旋转变压器一、结构和工作原理一、结构和工作原理1.1.旋转变压器的结构旋转变压器的结构旋转变压器，又称分解器。它是一种具有电动机结构旋转变压器，又称分解器。它是一种具有电动机结构的转角检测装置，由定子和转子组成，分有刷和无刷两的转角

13、检测装置，由定子和转子组成，分有刷和无刷两种。种。旋转变压器结构示意图旋转变压器结构示意图 1 1转子轴，转子轴， 2 2外壳，外壳，3 3分解器定子，分解器定子， 4 4分解器定子绕组，分解器定子绕组， 5 5变压器一次线圈，变压器一次线圈， 6 6变压器转子，变压器转子，7 7分解器转子绕组，分解器转子绕组， 8 8分解器转子，分解器转子，9变压器二次线圈，变压器二次线圈， 10定子线轴定子线轴2 2、工作原理、工作原理旋转变压器按照旋转变压器按照互感原理互感原理工作，当定子绕组上加上工作，当定子绕组上加上交变励磁交变励磁电压，当转子旋转时，通过电压，当转子旋转时，通过电磁耦合电磁耦合，转

14、，转子绕组内产生子绕组内产生感应电势感应电势感应电压感应电压. .E E2 2= KV= KV1 1cos= KVmsintcoscos= KVmsintcos =90=90 E E 2 = 02 = 0 =0=0 E E 2 = 2 = KVKV m SINm SINt t式中式中: : E E 2 2转子转子绕组绕组感应电势；感应电势； V V1 1定子定子绕组励绕组励磁电压磁电压 V V1 1=V=Vm msinsintt； V Vm m电压信号幅值；电压信号幅值； 定、转子定、转子绕组轴线间夹角；绕组轴线间夹角； K K变压比变压比 （即绕组匝数比）（即绕组匝数比）V1=VmsintV

15、1V1E E 2 2= =0 0（= 90 90） E E 2 2=KV=KVm mSINSINttcoscos E E 2 2= = KVKVm msinsintt（= = 0 0） 二、旋转变压器的应用二、旋转变压器的应用 旋转变压器作为位置检测元件有两种使用方法：鉴相旋转变压器作为位置检测元件有两种使用方法：鉴相式工作方法鉴幅式工作方法。式工作方法鉴幅式工作方法。 一般采用的是正弦、余弦旋转变压器，其定子和转子一般采用的是正弦、余弦旋转变压器，其定子和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组。绕组中各有互相垂直的两个绕组。定子定子Uc(Cos)Uc(Cos)Us(Sin)Us(Sin)转子转子E

16、 E2 21 1、鉴相式工作方法、鉴相式工作方法在这种状态下，旋转变压器的定子两相绕组即正弦绕在这种状态下，旋转变压器的定子两相绕组即正弦绕组组S S和余弦绕组和余弦绕组C C中分别加上幅值相等、频率相同而相位中分别加上幅值相等、频率相同而相位相差相差9090度的正弦交流电压，即：度的正弦交流电压，即： V Vs s=V=Vm msinsinttV Vc c=V=Vm mcoscost t 因为两相励磁电压会产生旋转磁场，所在在转子绕组中感应电因为两相励磁电压会产生旋转磁场，所在在转子绕组中感应电动势为：动势为：E E2 2= KV= KV s s cos+ KV cos+ KV c csin

17、sin = KV = KV m m ( (sinsintcos + tcos + coscostsintsin) ) = = KVKV m m sinsin( (t-t-) ) 由由E E2 2= KV= KV m m sinsin( (t-t-) )可知感应电压的可知感应电压的相位角相位角就等于转子的就等于转子的机械转角机械转角 。因此只要。因此只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角，而且旋转变压器的转子是和伺服子的转角，而且旋转变压器的转子是和伺服电机或传动轴连接在一起的，从而可以求得电机或传动轴连接在一起的，从而可以求得执行部件的执行部件

18、的角位移。角位移。2 2、鉴幅式工作方法、鉴幅式工作方法在这种状态下，旋转变压器的定子两相绕组即正弦绕在这种状态下，旋转变压器的定子两相绕组即正弦绕组组S S和余弦绕组和余弦绕组C C中分别加上相位相等、频率相同而幅值中分别加上相位相等、频率相同而幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压，即：分别按正弦、余弦规律变化的交变电压，即： V Vs s=Vmsin=Vmsin电电sinsinttV Vc c=Vmcos=Vmcos电电sinsintt 因为两相励磁电压会产生旋转磁场，所在在转子绕组中感应电因为两相励磁电压会产生旋转磁场，所在在转子绕组中感应电动势为：动势为：E E2 2 = KV= K

19、V m m cos cos机机- KV- KV c csinsin机机 = KV= KV m m sinsintt( (sinsin电电coscos机机- - coscos电电sinsin机机) ) = = KVKV m m sinsin( (电电-机机) ) sinsintt 感应电势（感应电势（E E2 2）是以）是以为角频率、以为角频率、以V Vm m sin(sin(电电 - -机机 ) )为幅值的交变电压信号。为幅值的交变电压信号。在实际应用中，根据转子误差电压的大小，不断在实际应用中，根据转子误差电压的大小，不断修改定子励磁信号的修改定子励磁信号的电电，使其跟踪，使其跟踪机机的变化

20、，的变化，当当E E2 2=0=0时，说明此时时，说明此时电电= =机机 ，便可间接的求出，便可间接的求出机械角机械角机机 ，从而得出被测角位移。，从而得出被测角位移。 第第3节节 感应同步器感应同步器一、结构和工作原理一、结构和工作原理 1 1、感应同步器的结构、感应同步器的结构 按结构可分为直线式（测量长度）和旋转式（测量角按结构可分为直线式（测量长度）和旋转式（测量角度）。度）。 直线式感应同步器类似于旋转变压器，相当于一个展直线式感应同步器类似于旋转变压器，相当于一个展开的多极旋转变压器。开的多极旋转变压器。 它的主要部件包括定尺和滑尺，定尺安装在机床床身它的主要部件包括定尺和滑尺，定

21、尺安装在机床床身上，滑尺安装于移动部件上，随工件台一起移动。两者上，滑尺安装于移动部件上，随工件台一起移动。两者平行放置，保持平行放置，保持0.2-0.3mm0.2-0.3mm的间隙。的间隙。感应同步器的结构示意图感应同步器的结构示意图A正弦励磁绕组正弦励磁绕组 B余弦励磁绕组余弦励磁绕组 UsUcUo定尺滑尺2 标准的感应同步器定尺长标准的感应同步器定尺长250mm250mm，尺上有单向、均匀、，尺上有单向、均匀、连续的感应绕组；滑尺长连续的感应绕组；滑尺长100mm100mm，尺上有两组励磁绕组，尺上有两组励磁绕组，一组叫正弦绕组，另一组叫余弦绕组。一组叫正弦绕组，另一组叫余弦绕组。 当正

22、弦绕组与定尺绕组相对齐时，余弦绕组与定尺当正弦绕组与定尺绕组相对齐时，余弦绕组与定尺相差相差0.50.5。UsUcUo定尺滑尺22 2、工作原理、工作原理 感应同步器与旋转变压器的工作原理相似，感应同步器与旋转变压器的工作原理相似，当励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由当励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随着位移的变化而变化，从而发出相应的位移电着位移的变化而变化，从而发出相应的位移电信号进行位置检测。信号进行位置检测。 在滑尺的正弦绕组通以交在滑尺的正弦绕组通以交流励磁电压，当流励磁电压，当滑尺相对滑尺相对定

23、尺移动定尺移动后后，感应电压感应电压逐逐渐变小，在错开渐变小，在错开1/41/4节距节距的的b b点点时，感应电压为零。再时，感应电压为零。再继续移到继续移到1/21/2节距节距的的c c点点时时得到的电压值与得到的电压值与a a点位置相点位置相同，但极性相反。随后感同，但极性相反。随后感应电压在应电压在3/43/4节距节距位置位置d d点点时又变为零，在移动时又变为零，在移动一个一个节距节距到到e e点点时，电压幅值与时，电压幅值与a a点位置相同。点位置相同。感应同步器工作原理图感应同步器工作原理图这样滑尺在移动一个节距的过程中，感应电压这样滑尺在移动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余

24、弦波形。变化了一个余弦波形。同理，若在同理，若在余弦绕组余弦绕组中通以交流励磁电压，因中通以交流励磁电压，因余余弦绕组弦绕组与与正弦绕组正弦绕组错开错开1/4个节距，即个节距，即/2的相位的相位角角，由余弦绕组激磁在定尺上产生的，由余弦绕组激磁在定尺上产生的感应电压感应电压应应按按正弦规律正弦规律变化变化。定尺上的总感应电压，是上述。定尺上的总感应电压，是上述两个感应电压的两个感应电压的线性叠加线性叠加。二、感应同步器的应用二、感应同步器的应用 根据励磁绕组中励磁供电方式的不同，感应同步器可以根据励磁绕组中励磁供电方式的不同，感应同步器可以分为鉴相工作方式和鉴幅工作方式。分为鉴相工作方式和鉴幅

25、工作方式。1 1、鉴相方式、鉴相方式 在这种工作方式下，将滑尺的正弦绕组和余弦绕组分在这种工作方式下，将滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以幅值相同、频率相同，但相位相差别通以幅值相同、频率相同，但相位相差9090度的交流电度的交流电压：压：V Vs s=V=Vm msinsinttV Vc c=V=Vm mcoscost t 两相励磁电压会在空间产生一个以两相励磁电压会在空间产生一个以为频率移动的为频率移动的行波。磁场切割定尺，并在其中感应出电势，感应电动行波。磁场切割定尺，并在其中感应出电势，感应电动势为：势为：E Eo o= KV= KV s scos- KVcos- KVc csinsin

26、 = KV = KV m m ( (sinsintcos - tcos - coscostsintsin) ) = = KVKV m m sinsin( (t-t-) ) 在一个节距内，在一个节距内，与滑尺移动距离一一对应，通过与滑尺移动距离一一对应，通过测量定尺感应电势相位测量定尺感应电势相位，便可测出定尺相对滑尺的位，便可测出定尺相对滑尺的位移。移。2 2、鉴幅方式、鉴幅方式在这种状态下，感应同步器的滑尺两相绕组即正弦绕组在这种状态下，感应同步器的滑尺两相绕组即正弦绕组S S和余弦绕组和余弦绕组C C中分别加上相位相等、频率相同而幅值分别中分别加上相位相等、频率相同而幅值分别按正弦、余弦规

27、律变化的交变电压，即：按正弦、余弦规律变化的交变电压，即： V Vs s=V=Vm msinsin电电sinsinttV Vc c=V=Vm mcoscos电电sinsintt 因为两相励磁电压会产生旋转磁场，所在在定子绕组因为两相励磁电压会产生旋转磁场，所在在定子绕组中感应电动势为：中感应电动势为：E Eo o = KV= KV m m cos cos机机- KV- KV c csinsin机机 = KV= KV m m sinsintt( (sinsin电电coscos机机- - coscos电电sinsin机机) ) = = KVKV m m sinsin( (电电-机机) ) sins

28、intt 感应电势（感应电势（E Eo o）是以）是以为角频率、以为角频率、以V Vm m sin(sin(电电 - -机机 ) )为幅值的交变电压信号。为幅值的交变电压信号。在实际应用中，根据定尺误差电压的大小，不断在实际应用中，根据定尺误差电压的大小，不断修改滑尺励磁信号的修改滑尺励磁信号的电电，使其跟踪，使其跟踪机机的变化，的变化，当当E Eo o=0=0时，说明此时时，说明此时电电= =机机 ，便可间接的求出，便可间接的求出机械角机械角机机 ，从而得出被位移。，从而得出被位移。 三、感应同步器的特点：三、感应同步器的特点：1 1、精度高。感应同步器同步器直接对机床位移进行测量，、精度高

29、。感应同步器同步器直接对机床位移进行测量，测量结果只受本身精度的限制；定尺上感应电压信号为多周测量结果只受本身精度的限制；定尺上感应电压信号为多周期的平均效应，降低了绕组局部尺寸误差的影响，达到较高期的平均效应，降低了绕组局部尺寸误差的影响，达到较高测量精度。测量精度。2 2、工作可靠，抗干扰能力强。绕组各个周期内单值电压信、工作可靠，抗干扰能力强。绕组各个周期内单值电压信号可以仅与绝对位置相对应，不受干扰；平面阻抗很低，受号可以仅与绝对位置相对应，不受干扰；平面阻抗很低，受外界电场的影响较小。外界电场的影响较小。3 3、安装维修简单，使用寿命长。定尺、滑尺之间无接触磨、安装维修简单，使用寿命

30、长。定尺、滑尺之间无接触磨损，在机床上安装简单；使用防护罩可以防止切屑进入定尺、损，在机床上安装简单；使用防护罩可以防止切屑进入定尺、滑尺之间划伤导片，不受灰尘、油雾影响。滑尺之间划伤导片，不受灰尘、油雾影响。4 4、测量距离长。可利用拼接方法，增大测量尺寸，适合大、测量距离长。可利用拼接方法，增大测量尺寸，适合大、中型机床使用。中型机床使用。5 5、工艺性好、成本低，便于成批生产。、工艺性好、成本低，便于成批生产。第第4 4节节 光栅光栅 光栅是一种常用的非接触式测量装置，具有精光栅是一种常用的非接触式测量装置，具有精度高、响应速度快等优点。度高、响应速度快等优点。 按照形状可分为圆光栅和长

31、光栅，圆光栅用于按照形状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。角位移的检测，长光栅用于直线位移的检测。 光栅还可以分为透射光栅和反射光栅。光栅还可以分为透射光栅和反射光栅。 光栅的制作精度可通过激光技术达到微米级，光栅的制作精度可通过激光技术达到微米级，通过细分电路可以做到通过细分电路可以做到0.1m以上分辨率。以上分辨率。一、光栅的结构和工作原理一、光栅的结构和工作原理1、光栅的结构、光栅的结构 光栅由标尺光栅和光栅读数头两部构成。光栅由标尺光栅和光栅读数头两部构成。光栅检测装置基本结构示意图光栅检测装置基本结构示意图 1光源，光源，2透镜，透镜，3指示光栅

32、，指示光栅，4光电元件，光电元件，5驱动电路，驱动电路，6标尺光栅标尺光栅 标尺光栅一般固定在机床活动部件上（如工作台或丝标尺光栅一般固定在机床活动部件上（如工作台或丝杠），光栅读数头安装在机床固定部件上，光栅读数头杠），光栅读数头安装在机床固定部件上，光栅读数头中安装有指示光栅。中安装有指示光栅。 执行部件带着执行部件带着标尺光栅标尺光栅相对相对指示光栅指示光栅移动，通过读数移动，通过读数头的头的光电转换光电转换，发送出与位移量对应的，发送出与位移量对应的数字脉冲数字脉冲信号，信号，用作用作位置反馈位置反馈信号或信号或位置显示位置显示信号。信号。 （1）光栅尺）光栅尺包括包括标尺光栅标尺光栅

33、和和指示光栅指示光栅. .根据制造方法和光学原理不同，根据制造方法和光学原理不同，光栅光栅可分为可分为透射光栅透射光栅和和反射光栅反射光栅. . 透射光栅透射光栅是在光学玻璃表面，或在玻璃表面是在光学玻璃表面，或在玻璃表面感光材感光材料的涂层上料的涂层上刻成刻成光栅线纹光栅线纹。其特点是。其特点是: : 光源可以垂直入射光源可以垂直入射，光电元件直接接受光照，因此，光电元件直接接受光照，因此信号幅值比较大，信号幅值比较大，信噪比好信噪比好，光电密度为，光电密度为200200线线/mm/mm时，时，光栅本身就已经细分到光栅本身就已经细分到0.005mm0.005mm从而从而减轻了电子线路减轻了电

34、子线路的负担。的负担。光光源源透透镜镜标标尺尺光光栅栅G Gs s指指示示光光栅栅G Gi i光光电电元元件件驱驱动动电电路路驱驱动动电电路路(2) (2) 光栅读数头光栅读数头 光栅读数头光栅读数头又叫光电转换器，它把光栅莫尔条又叫光电转换器，它把光栅莫尔条纹变成电信号。读数头垂直入射，由纹变成电信号。读数头垂直入射，由光源光源、透镜透镜、指示指示光栅光栅、光敏元件光敏元件和和驱动线路驱动线路组成。组成。标尺光栅标尺光栅穿过穿过光栅读数头，保证与光栅读数头，保证与指示光栅指示光栅有准确的相互位置关系。有准确的相互位置关系。光光源源透透镜镜标标尺尺光光栅栅G Gs s指指示示光光栅栅G Gi

35、i光光电电元元件件驱驱动动电电路路驱驱动动电电路路2、光栅的工作原理、光栅的工作原理 当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹成小当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹成小角度放置时，将造成两光栅尺上线纹相互交叉。角度放置时，将造成两光栅尺上线纹相互交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其他部分为明亮条纹，称为叠，形成黑色条纹，其他部分为明亮条纹，称为“莫尔条纹莫尔条纹”。 莫尔条纹与两光栅线纹夹角的平分线相互垂直。莫尔条纹与两光栅线纹夹角的平分线相互垂直。 莫尔条纹如下图所示：莫尔条纹如下图所示：莫莫尔条纹尔条纹标尺光栅标尺光栅

36、指示光栅指示光栅光栅节距光栅节距莫莫尔条纹节距尔条纹节距 作用：作用： 放大作用放大作用误差均化作用误差均化作用 测量位移测量位移W光栅倾角光栅倾角v W、之间的关系之间的关系/2指示光栅指示光栅标尺光栅标尺光栅BACW/2横向莫尔条纹的参数横向莫尔条纹的参数BC=ABsin(/2)其中其中 BC=/2 ， AB=W/2 ，因此因此 W=/sin(/2)由于由于很小很小，单位为单位为rad时，时，Sin(/2) 故故 W / 光栅光栅节距节距W令令k= W/ = 1/k= W/ = 1/, ,则则k k为放大比。为放大比。如如=0.01mm=0.01mm，取，取=0.002 rad = 0.1

37、1=0.002 rad = 0.11o o 则则W=5mm,W=5mm, K=500,K=500, 即即放大放大500500倍倍，这样光栅节距虽小，摩尔条纹的这样光栅节距虽小，摩尔条纹的节距却有节距却有5mm5mm，因此，因此摩尔条纹清晰可见，易于测量摩尔条纹清晰可见，易于测量。摩尔条纹的作用摩尔条纹的作用a. 放大作用放大作用b. 误差均化作用误差均化作用摩尔条纹摩尔条纹是由许多根刻线共同形成的，这样是由许多根刻线共同形成的，这样可使光栅的可使光栅的节距误差节距误差得到得到平均化平均化。摩尔条纹的移动距离与光栅的移动距离成比例，摩尔条纹的移动距离与光栅的移动距离成比例，光栅横向移动一个节距光

38、栅横向移动一个节距，摩尔条纹正好沿刻线上，摩尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距下移动一个节距W，或者说在光栅刻线的某一位，或者说在光栅刻线的某一位置，摩尔条纹明置，摩尔条纹明-暗暗-明变化一个周期，这为光电明变化一个周期，这为光电元件的安装与信号检测提供了良好的条件。元件的安装与信号检测提供了良好的条件。v利用脉冲变换电路可以提高光栅检测装置的利用脉冲变换电路可以提高光栅检测装置的读数分辨率，有四倍、八倍、十倍、二十倍等读数分辨率，有四倍、八倍、十倍、二十倍等。c. 测量位移测量位移 二、光栅位移二、光栅位移- -数字变换电路数字变换电路 下图所示为光栅测量系统组成示意图下图所示为光栅测量系统组

39、成示意图 光栅移动时，产生的莫尔条纹由光电元件接受，然光栅移动时，产生的莫尔条纹由光电元件接受，然后经过位移数字变换电路形成顺时针方向的正向脉后经过位移数字变换电路形成顺时针方向的正向脉冲或逆时针方向的反向脉冲，输入可逆计数器。冲或逆时针方向的反向脉冲，输入可逆计数器。 位移数字变换电路也叫光栅测量电路或四倍频细分位移数字变换电路也叫光栅测量电路或四倍频细分电路。电路。abcd插动放大插动放大插动放大插动放大整形整形整形整形方向方向辨别辨别门门电路电路可逆可逆计数计数正脉冲正脉冲反脉冲反脉冲光栅测量系统组成示意图光栅测量系统组成示意图 图中图中a a、b b、c c、d d为四块硅光电为四块硅

40、光电池，产生的信号在相位上彼此池，产生的信号在相位上彼此相差相差9090度；度； a a、b b是相位彼此相差是相位彼此相差180180度的两度的两信号，送入差分放大电路，得信号，送入差分放大电路，得到正弦信号。到正弦信号。 同理同理c c、d d相位，放大后得到余相位，放大后得到余弦信号。弦信号。 正弦、余弦信号经整形变成方正弦、余弦信号经整形变成方波波A A和和B B，A A和和B B信号经过反相得信号经过反相得到到C C和和D D信号，信号，A A、B B、C C、D D经过经过微分变成窄脉冲微分变成窄脉冲A A、B B、C C、D D。sincosABCDABCD相加相加ABCD相加相

41、加正向正向反向反向 由与门电路把由与门电路把0 0、9090、180180、270270四个相位上产生四个相位上产生的窄脉冲相加后，根据不同的的窄脉冲相加后，根据不同的移动方向形成正向脉冲或反向移动方向形成正向脉冲或反向脉冲，用可逆计数器进行计数，脉冲，用可逆计数器进行计数，就可测量出光栅的实际位移。就可测量出光栅的实际位移。 除为四倍频电路外，还有除为四倍频电路外，还有1010倍倍频、频、2020倍频等。倍频等。sincosABCDABCD相加相加ABCD相加相加正向正向反向反向第第5 5节节 磁尺（磁栅）磁尺（磁栅） 磁尺又称为磁栅，是一种录有等节距磁化信号磁尺又称为磁栅，是一种录有等节距

42、磁化信号的磁性标尺或磁盘，作为测量基准。测量时，读的磁性标尺或磁盘，作为测量基准。测量时，读取磁头将磁性标尺上的磁化信号转化为电信号，取磁头将磁性标尺上的磁化信号转化为电信号，再通过检测电路将磁头相对于磁性标尺的位置送再通过检测电路将磁头相对于磁性标尺的位置送入计算机或数显装置中。入计算机或数显装置中。磁尺按磁尺按基本形基本形状状分为分为平面实体形平面实体形磁尺磁尺一般长度为一般长度为600mm带带 状状 磁磁 尺尺基体厚基体厚0.2mm，宽，宽70mm线线 状状 磁磁 尺尺 长度小于长度小于1.5m，套装在磁头内，套装在磁头内圆圆 形形 磁磁 尺尺 做成做成磁盘状磁盘状，检测，检测角位移角位

43、移一、磁尺的结构和工作原理一、磁尺的结构和工作原理 1 1、磁尺的结构、磁尺的结构 磁尺由磁尺由磁性标尺磁性标尺、磁头磁头和和检测电路检测电路组成。组成。伺伺 服服 系系 统统数数 字字 显显 示示尺尺磁磁检检 测测电电 路路磁磁磁尺位置检测装置磁尺位置检测装置（1 1）磁性标尺）磁性标尺磁性标尺采用不导磁材料作基体，在上面镀上一层磁性标尺采用不导磁材料作基体，在上面镀上一层101030m厚的高导磁材料，形成均匀磁膜；再用录磁磁厚的高导磁材料，形成均匀磁膜；再用录磁磁头在尺上记录相等节距的周期性磁化信号，用以作为测头在尺上记录相等节距的周期性磁化信号，用以作为测量基准，信号可为正弦波、方波等，

44、节距通常为量基准，信号可为正弦波、方波等，节距通常为0.05mm 、0.1mm 、0.2mm、1mm等；最后在磁尺表面等；最后在磁尺表面涂上一层涂上一层1 2m厚的保护层。厚的保护层。（2 2）磁头）磁头磁头是一种磁电转换器，用来把磁心上的磁化信号检磁头是一种磁电转换器，用来把磁心上的磁化信号检测出来变成电信号送给检测电路。可分为动态磁头（用测出来变成电信号送给检测电路。可分为动态磁头（用于录音机）和静态磁头（用于测量位移）。于录音机）和静态磁头（用于测量位移）。2 2、磁尺工作原理、磁尺工作原理 磁尺用的是静态磁头，它在普通动态磁头上加有带励磁尺用的是静态磁头，它在普通动态磁头上加有带励磁线

45、圈的可饱和铁芯，从而利用了可饱和铁芯的磁性调磁线圈的可饱和铁芯，从而利用了可饱和铁芯的磁性调制的原理。制的原理。 励磁电流在一个周期内两次过零、两次出现峰值。对励磁电流在一个周期内两次过零、两次出现峰值。对应的磁开关通断各两次。在输出线圈中输出的感应电动应的磁开关通断各两次。在输出线圈中输出的感应电动势为：势为：txUUmsc sin)2cos( txUUmsc sin)2cos( 式中：式中：Usc输出线圈中的感应电动势输出线圈中的感应电动势Um输出电动势幅值输出电动势幅值 磁性标尺节距磁性标尺节距x 磁头对磁性标尺的位移量磁头对磁性标尺的位移量输出线圈感应电势的频率输出线圈感应电势的频率由

46、上式可见，磁头输出信号的幅值是位移由上式可见，磁头输出信号的幅值是位移x的函数，只要测出的函数，只要测出USC过过0次数，就可知道次数，就可知道x的大小。的大小。磁头磁头是进行是进行磁磁电电转换的转换的变换器变换器，它把反，它把反映空间位置的映空间位置的磁信号磁信号转换为转换为电信号电信号输送到输送到检测电路检测电路中去。中去。使用使用单个磁头单个磁头的的输出信号输出信号很小，实际使用中常很小，实际使用中常将几个到几十个磁头以一定的方式联接起来，将几个到几十个磁头以一定的方式联接起来，组成组成多间隙磁头多间隙磁头。多间隙磁头中的每一个磁头。多间隙磁头中的每一个磁头都以相同的间距都以相同的间距m

47、/2配置，相邻两个磁头的输配置，相邻两个磁头的输出绕圈出绕圈反向串接反向串接。如图（多间隙磁头）。如图（多间隙磁头）N N N NN N N NS S S SS S S S N N N N S S S S N N N N S S S S磁磁尺尺N N磁磁头头U US S N NN N N N S S S S N N N N S SN N S S S S N N N N S S S S求求和和电电路路带 带通 通滤 滤波 波器 器限限幅幅放放大大整整形形功功放放功功放放低 低通 通滤 滤波 波器 器分分频频率率/ /4 40 00 0震震荡荡器器2 2M MC C9 90 0度度移移相相器器检检

48、相相内内插插电电路路可 可逆 逆记 记数 数器 器译 译码 码器 器数数字字显显示示代代码码输输出出磁磁场场分分布布磁磁头头I I磁磁头头I II I磁磁尺尺( (m m+ +1 1/ /4 4) )为辨别方向，通常采用间距为（为辨别方向，通常采用间距为（m+1/4m+1/4）的两组磁头）的两组磁头）（m=1,2m=1,2），并使两组磁头的励磁电流相位相差），并使两组磁头的励磁电流相位相差4545o o, ,这这样两组磁头输出电势信号相位相差样两组磁头输出电势信号相位相差9090o o。二、磁栅的应用二、磁栅的应用 根据检测方法的不同，磁栅应用也可分为幅值检测和根据检测方法的不同，磁栅应用也可分为幅值检测和相位检测两种，通常采用相位检测。相位检测两种，通常采用相位检测。 取磁尺上某取磁尺上某N极点为起点，若磁头极点为起点，若磁头I离开该离开该N极点的距极点的距离为离为x，则，则I、II磁头上拾磁绕组输出感应电势分别为：磁头上拾磁绕组输出感应电势分别为：txUUmsc sin)2sin(1 txU