10模块十、数字式位移检测(上).ppt

1、机电传感器和检测技术项目教程模块10。数字位移检测课件统一书号：ISBN 978-7-111-48817-0课程支持网站www . sensor-or 2015年2月第一版(作者：黄杭梅、王、王康福)，本模块介绍“数字位移传感器”的基本概念。介绍了电梯调平的要求和方法。今天是：2020年7月25日星期六，模块9，小位移检测(第一部分)，知识链位置检测模式项目1，角度编码器项目2，光栅传感器项目3，磁栅传感器项目4，电容栅传感器扩展读取电梯平面图，当前时间是：12:42，知识链位置检测模式，位置测量主要是指直线位移和角位移的精确测量，数字位置传感器根据测量模式可分为直接测量和间接测量；根据测量原

2、理，有增量测量和绝对测量。直接测量和间接测量如果位置传感器测量的对象是被测对象，即线性传感器直接测量线性位移，旋转传感器直接测量角位移，则测量方式为直接测量。例如，使用长光栅和长磁性光栅来测量线性位移。如果由旋转位置传感器测量的旋转运动仅仅是待测量的中间值，然后根据测量结果计算与其相关联的运动部件的线性位移，则该测量方法属于间接测量。例如，用角度编码器测量机械丝杠的旋转角度，然后计算丝杠上螺母的线性位移。图10-1直接和间接测量示意图a)直接测量b)间接测量1导轨2移动部分3直线位置传感器4从动部分4直线位置传感器5旋转位置传感器6螺母副7电机，7，直接测量示意图，光栅读数头，光栅尺，从动工具

3、，8，间接测量示意图，从动工具，直接测量，转台旋转，角位移传感器直接测量工作台的角位移，数字直线位移传感器直接测量直线加工机床的直线位移。直接测量不会产生转换误差、x、工作台运动方向、光栅、间接测量。在间接测量中，经常使用旋转位置传感器。测量的旋转运动参数只是中间值，但是相关运动部件的线性位移可以从中间值推导出来。间接测量必须使用螺母副、齿条副和其他传动机构将旋转运动转化为直线运动。工作台、丝杠、编码器、进给电机(伺服或步进)、x、齿轮齿条副位移转换演示，例如：让齿轮的分度圆直径为200毫米，齿数z=100，传感器测量齿轮已转动=180度。搜索：1)旋转的齿数；2)齿条的间距t；3)机架移动的

4、距离x。齿轮、齿条、-x，齿条线性移动，齿轮旋转，x，解决方案：1)旋转的齿数N=(z360)=(100/360)180=50 2)齿条的节距t=D/z t=D/z=6.28毫米；3)齿条移动的距离为x=x=N t=506.28=314mm毫米。齿条的线性位移可通过测量齿轮的角位移来测量。传动机构、滚珠丝杠螺母副、齿轮齿条副等传动机构能将旋转运动转化为直线运动。但是，我们应该尽量消除传导过程中产生的间隙误差。节距t、齿条、齿轮、x、滚珠丝杠螺母副、滚珠丝杠螺母副可以降低传动磨削力，延长使用寿命，减少间隙误差。螺母，丝杠，x，平均螺距误差大于10m，传动分析，假设：螺距t=4mm，丝杠在4秒内旋

5、转10次，问：丝杠的平均转速n(r/min)和螺母移动多少毫米？螺母的平均速度是多少？滚珠螺母，螺钉，螺距t=4mm，x，n=10圈，=？度，x=？齿轮齿条副、螺母丝杠副等直线旋转转换设备都有间隙误差，特别是从正转转换到反转时，间隙会导致测量死区，必须进行补偿。在示例10-1中，如果螺距t=6.00mm毫米(当螺钉旋转360次时，“单螺母”或“单螺母”的线性距离为6.00毫米)，则由旋转位置传感器测量的螺钉旋转角度为7290，并计算螺母的线性位移x。线性位移x=(7290/360)6mm=121.50mm，1个导轨，2个运动部件，5个旋转位置传感器，6个丝杠螺母副，7个电机，丝杠螺母副位移转换

6、填写表培训，丝杠螺母副(单线)10秒内的运动数据如下，请分析并填写空格(至少保留3个有效数字)。表10-1数字位置检测传感器的分类和特点(续)，2。增量测量和绝对测量，(1)增量测量：每次移动部件移动一个基本长度单位时，位置传感器都会发出一个输出脉冲。脉冲代表的基本长度单位是分辨率。位移可以通过用计数器计数脉冲来获得。光源，(1)增量测量(续)，示例10-2在图10-1a中，如果增量测量系统的每个脉冲代表0.01毫米，则长光栅传感器在10秒内发出2000个脉冲，其计算如下：1)工作台的线性位移x(机床行业使用的单位为毫米)。2)运动速度v(机床行业使用的单位为米/分钟)。解决方案1)根据问题的

7、含义，工作台每移动0.01毫米，长光栅传感器就会发出一个脉冲，计数器加1或减1。当计数值为2000时，工作台移动x=20000.01mm毫米=20.0毫米2)v=x/t=20.0毫米/(10秒)=2.00毫米/秒=0.12米/分钟。增量位置传感器必须有一个零标记作为测量起点的零标记。典型的增量式位置传感器包括增量式光电角度编码器、增量式光栅等。分析了增量式传感器的工作原理。在增量测量中，每次移动部件移动一个基本长度单位时，位置传感器都会发出测量信号，通常是以脉冲的形式。这样，由脉冲表示的基本长度单位是分辨率，并且位移可以通过计数脉冲来获得。通过增量测量获得的脉冲波形，(2)绝对测量，每个测量点

8、都有一个相应的代码，它通常以二进制数据的形式表示(例如，10 1011 0010)。即使断电后再次接通电源，也可以读出绝对测量传感器的当前位置数据。典型的绝对位置传感器有绝对角度编码器。知识目标1了解接触角编码器的原理和编码方法。了解绝对式和增量式光电角度编码器的工作原理。技能目标1:掌握绝对角度编码器的分辨率和分辨率计算。掌握增量式角度编码器的分辨率和分辨率计算。3.掌握增量式角度编码器的M法测速计算。第一个任务是了解角度编码器，这是一个旋转位置传感器。其转轴通常与被测转轴相连，并随被测转轴转动。角度编码器可以将被测轴的角位移转换成二进制代码(绝对角度编码器)或一系列脉冲(增量角度编码器)。

9、混合式角编码器(不仅输出格雷码，还输出增量脉冲信号)可以同时测量转子的空间位置和转速。光栅板、绝对角度编码器(直接编码被测角度)，根据不同的内部结构和检测方法，有接触式、光电式、磁阻式等多种形式。常用的角度编码器是光电的。1.接触角编码器的结构在非导电基底上，并且制造了许多规则的导电金属区域。图中黑色部分为导电区域，用级别“1”表示，其他部分为绝缘区域，用级别“0”表示。图中的码盘分为四个输出码道，每个码道有一个电刷，通过采样电阻R0R3接地，信号从电阻的“热端”(非接地端)取出。图10-2 4位二进制接触码盘a)电刷在自然二进制码盘上的位置b)4位自然二进制码盘c)4位格雷码盘1，转轴3，导

10、体4，绝缘体5，电刷6，激励公共轨道(连接到电源的正极)，表10-2，4位十进制数与自然二进制码和格雷码的对照表，绝对编码器(接触式)演示，4个电刷4位二进制码盘，0.5v输入公共轨道， 最小分辨率角度=360/2n=36016=22.5，分辨率和分辨率为2角编码器，二进制数字的个数等于轨道的圈数(不包括最里面的公共轨道)。 内侧高位，外侧低位。m位二进制码盘有m圈码道，圆周等分为2M区，分别代表不同的角位置。可分辨角度(即分辨率)为=360/2M (10-1)，分辨率为=1/2M (10-2)。示例10-3:找到具有12个代码轨道的绝对角度编码器的分辨率。解码12个通道的绝对式角度编码器的周

11、长分为212=4096个位置，因此可分辨角度为=360/212=5.27.3绝对式光电角度编码器的结构，图10-3:A)12通道光学码盘的平面结构B)4通道光学码盘与光源和感光元件的对应关系C)外观。a)光电码盘(8码道)的平面结构；b)光电码盘与光源和光敏元件(4码道)的对应关系；高位置和低位置；以及光电角度编码器的特点。码盘由光学玻璃制成，上面刻有许多同心的码道，玻璃上沉积有很细的划线，不透光和透光部分按照一定的规则排列，即明区和暗区。当光源将光投射到码盘上时，穿过亮区的光被光敏元件接收。光电传感器的排列对应于一个接一个的码道，对应于亮区的光电传感器的输出为“1”，而暗区的输出为“0”。当

12、代码被圈到不同位置时，光敏元件输出格雷码，代表码盘轴的角位移。不锈钢光电编码器需要玻璃编码器具有良好的抗振性。目前，透明树脂片也用于涂层和蚀刻，其强度高于玻璃码盘。光电编码器无接触磨损，使用寿命长，允许转速高。角度编码器的信号输出包括并行输出、串行输出和总线输出。因为有许多平行的信号连接线。大多数高位数和多转角编码器采用串行或总线输出。光电脉冲角度编码器示意图，34，放大整形，绝对角度编码器，绝对码盘和增量码盘有什么区别？10码光电绝对码盘、绝对角度编码器直接根据角度编码。根据内部结构和检测方法，有接触式、光电式、磁阻式等。透明区域、不透明区域、零标记、绝对角度测量编码器，每个微小的角位移都有

13、相应的代码，这通常以二进制数据的形式表示。在绝对测量中，即使中途断电，重新通电后，当前位置的二进制编码数据将保持不变。1，0、绝对角度编码器、自然二进制码或格雷码、0，1、其他角度编码器形状、其他角度编码器形状(续)、其他角度编码器形状(续)、拉线角度编码器可以通过使用线轮将直线运动转换为旋转运动。E1050-14绝对式角度编码器的特征参数、4多圈角度编码器，当图10-3所示的绝对式光电编码器旋转超过360时，编码返回原点，称为单圈绝对式角度编码器。如果测得的转速超过360，锂电池可用于保存断电时的转速记忆(但断电后不允许旋转超过一周)。您也可以使用类似于时钟的齿轮结构来记住转数，这称为多圈绝

14、对角度编码器。如图10-3所示，粗码标尺也可以添加到码盘的内圈，这样输出就不会在4096圈内重复。绝对角度编码器的RS485接线，图10-4绝对角度编码器与用户端之间的RS485通信电路表10-4 10码角度编码器的接线颜色，屏蔽线的屏蔽层连接到设备外壳，2。增量式角度编码器和增量式光电角度编码器的结构，图10-5增量式光电角度编码器的结构示意图(放大图见下页)，A)形状b)内部结构c)扫描孔板之间的对应关系， 码盘和光电接收器1转轴2发光二极管3扫描孔板(挡光板)4零位标记光学槽(Z) 5零位光敏元件6码盘7电源和信号线连接座8聚光镜，图10-5增量式光电角度编码器结构示意图，增量式光电角度

15、编码器结构(续)，B)内部结构1转轴2发光二极管3扫描孔板(挡光板)4， 零标记光学槽(Z) 5、零位光敏元件6、码盘7、电源和信号线连接座8、聚光镜、增量式编码器结构、转轴、码盘和狭缝、光敏元件、挡光板和用于方向识别的A、B狭缝、发光二极管、A、B、C、零位标记、增量式光电角度编码器结构(续)， 图10-5 b)内部结构1转轴2发光二极管3扫描孔板(挡光板)4零标记光槽(Z)5零光敏元件6码盘7电源和信号线连接座8聚光镜，绝对光电码盘和增量码盘的区别，绝对光电码盘(12码)增量光电码盘(1024位)，高位置分辨率360/条纹数示例：条纹数1024，360/1024 0.352， 增量式光电编

16、码器的分辨率和分辨率，1转轴2LED 3挡光板4零标记5光敏元件6码盘7印刷电路板8电源和信号线连接器，增量式编码器(INC)(续)，方向判别原理，光敏元件产生的信号A和B相差90度，当码盘正转时，A信号领先B信号90度； 当码盘反转时，B信号领先A信号90。发光二极管、快门和A、B狭缝、cos、sin、C:光电编码器的两个“方向鉴别元件”。快门上两个狭缝之间的距离是码盘上两个狭缝之间距离的(m 1/4)倍，m是正整数，并且提供两组光敏元件A和B，有时称为cos和sin元件。例如，w=1mm，cos和sin元素之间的距离可以是6.25或8.25mm等。两个光电信号判断旋转方向，a在b之前，判断为正旋转，a也叫cos信号。b也称为正弦信号。A落后于B，判断为反转、方向判别信号和零号。光电编码器的光阑板上有两组狭缝A和狭缝B，以1/4的间距交错排列。由对应于两组狭缝的光敏元件产生的信号A和B彼此相差90度，用于方向辨别(旋转方向的辨别)。码盘正转时，A信号领先B信号90度；当码盘反转时，B信号领先A信号90。(倒车时请画出信号B的波形。)在码盘的内圆上也有一个狭缝，它可以每转一圈产生一个脉冲。该脉冲信号也称为“一转信号”或零标记脉冲，用作测量的起始参考。零符号(一转脉冲)波形和功能，一转(360)，C，C，码盘内圆上有一个狭缝C，码