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1、机、电类传感器与检测技术项目教程模块十、数字式位移检测 课件统一书号：ISBN 978-7-111-48817-0课程配套网站www.sensor-或 2015年2月第1版,（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）,本模块介绍“数字式位移传感器”的基本概念、大位移的测量方法、角编码器、光栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器，并讨论了它们在直线位移和角位移精密测量以及机床位置控制中的应用。还介绍了电梯平层的要求及方法。,内容简介,今天是：2023年10月10日星期二,模块九、小位移检测（下）目录,知识链接 位置检测方式项目一、角编码器项目二、光栅传感器项目三、磁栅传感器项目四、容栅传感器拓展阅读 电梯
2、平层,現在時間是：22:14,项目二 光栅传感器,【项目教学目标】知识目标1了解计量光栅的类型、结构及工作原理。2了解莫尔条纹的光学放大原理。技能目标1掌握光栅的分辨率与分辨力计算。2掌握光栅的辨向与细分方法。3掌握光栅的应用。,任务一 认识光栅传感器,一、光栅的类型和结构计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。光栅副由光栅尺和光电扫描头组成。光电扫描头由细分辨向用光敏元件（2路或4路）、零位光敏元件等组成。,图10-15 光栅的分类（放大图见后页）a）透射式光栅光路 b）反射式光栅光路 c）敞开式反射钢带长光栅
3、外形 d）圆光栅1LED光源 2聚光透镜 3扫描光栅（指示光栅）4主光栅（标尺光栅）5栅状光电接收元件 6窗口 7圆光栅 8零位标记,图10-15a、b 光栅的分类放大图（续）,1LED光源 2聚光透镜 3扫描光栅（指示光栅）4主光栅（标尺光栅）5栅状光电接收元件 6窗口,图10-15c、d 光栅的分类放大图（续）,1LED光源 2聚光透镜 3扫描光栅（指示光栅）4主光栅（标尺光栅）5栅状光电接收元件 6窗口 7圆光栅 8零位标记,尺身,尺身安装孔,反射式扫描头（与移动部件固定）,扫描头安装孔,可移动电缆,光栅的外形及结构,防尘保护罩的内部为长光栅,扫描头（与移动部件固定）,光栅尺,可移动电缆
4、,光栅的外形及结构（续）,透射式直线光栅结构及组成,图10-17 直线透射式长光栅测量原理图1光源 2透镜 3指示光栅 4主光栅（标尺光栅）5零位光栅 6细分辨向用光敏元件（2路或4路）7零位光敏元件（放大图见后页）,光源、透镜、指示光栅及光敏元件均固定在扫描头内，随扫描头一起联动。,1光源 2透镜 3指示光栅 4主光栅(标尺光栅)5零位光栅 6细分辨向用光敏元件（2路或4路）7零位光敏元件,透射式光栅,透射式圆光栅,固定,(只画出其中一小部分),反射式光栅,反射式光栅及读出光电信号莫尔条纹演示,莫尔条纹的光学放大作用,在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小
5、的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角。在两条光栅的透光线的重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的不透光处，由于相互挡光作用而形成暗带。,光栅的刻线宽度W,莫尔条纹的宽度L,暗线到暗线的间距 LW/，（为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度）,莫尔条纹的光学放大作用（暗线到暗线的间距大于刻线的间距）,暗线到暗线的间距,栅距,透射光线,莫尔条纹演示,莫尔条纹光学放大作用的计算,例:有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角=1.8=1.83.14/180 弧度，求：分辨力解：分辨力=栅距W=1mm50=0.02mm=20m（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）由以下计算可知，莫
6、尔条纹的宽度是栅距的32倍：L W/=0.02mm/(1.83.14/180)=0.02mm0.0314=0.02mm32=0.64mm 由于莫尔条纹间距有0.64mm，因此可以用小面积的光电池，通过“狭缝”来“观察”莫尔条纹光强的变化。,L,W,光栅输出信号（正弦波，1V）,细分点,cos信号,sin信号,零位信号,光栅输出信号整形后转换为TTL电平,整形后的余弦信号（超前）,整形后的正弦信号（滞后90）,零位信号,sin和cos光敏元件的输出电压波形及细分脉冲（图10-19）,a）光栅位移与光强及输出电压的关系 b）整形后方波的上升沿和下降沿 c）4细分脉冲,图10-19放大图,脉冲细分,
7、细分技术能在不增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅的分辨力。细分前，光栅的分辨力只有一个栅距的大小。采用4细分技术后，计数脉冲的频率提高了4倍，相当于原光栅的分辨力提高了3倍，较大地提高了测量准确度。,细分前,细分后,光栅细分举例,例：有一直线光栅，每毫米刻线数为50，采用4细分技术，求：细分前、后的分辨力。解：分辨力=W/4=(1mm/50)4=0.02mm 4=0.005mm=5m结论：在不增加光栅刻线数（成本）的情况下，采用细分技术，将分辨力提高了3倍（数值变小）。,辨向电路及波形,如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号
8、，无法分辨位移的方向。,例：某1024p/r 圆光栅，正转10圈，反转 4 圈，求：采用辨向电路后的计数值。（若不采取辨向措施，则计数器将错误地得到14336个脉冲）解：辨向后的计数值为 N=101024-410246144个脉冲。,正向运动产生加法脉冲,正向运动时，只有与门IC1有“加”计数脉冲输出。而与门IC2无“减”计数脉冲输出。反向运动时，情况相反，计算机做减法。,微机光栅数显表的组成框图,在微机光栅数显表中，放大、整形采用传统的集成电路，辨向、细分由单片机来完成。,为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）,内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。,为光栅设计的专用
9、信号处理单元（光栅插补器）,功能：放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。,光栅在机床上的安装位置（2坐标）,X,Y,光栅在机床上的安装位置（3坐标）,数显表,X,Y,Z,光栅在机床上的安装位置（3坐标）（续）,X,Y,Z,2轴光栅数显表,X 位移显示,Z 或Y 位移显示,3轴光栅数显表,光栅数显表（续）,三轴数显表,SDS8-3E 光栅数显表功能,公制/英制转换 绝对/相对转换、线性误差补偿、正反方向计算、归零、插值补偿、到达目标值停机、PCD圆周分孔、200组零位记忆、掉电记忆。,光栅数显表（续）,设定按键,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,光栅扫描头,被加工工件,切
10、削刀具,角编码器安装在夹具的端部,项目三 磁栅传感器,【项目教学目标】知识目标1了解磁栅传感器的结构及工作原理。2了解磁栅数显表的原理。技能目标1掌握磁栅的分辨率与分辨力计算。2掌握磁栅的辨向方法。3掌握磁栅的应用。,磁栅传感器简介,磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易于安装，测量范围宽可超过十几米，抗干扰能力强。磁栅可分为长磁栅和圆磁栅。长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成。目前还出现了磁敏电阻原理的磁头，可不必设置励磁电路，检测速度也进一步提高。还有一种“空间静磁栅”，在失电上电后，仍能正确地反映失电前的位置或角度，实现了磁栅的“绝
11、对编码”。,磁栅的外形及结构,磁尺,磁头,到信号处理电路,固定孔,图10-24 长磁栅结构1尺身 2滑尺（读数头）3密封唇 4电缆 5信号调理盒 6接插口,一、磁栅结构及工作原理,（1）磁尺 磁尺按基体形状有带形磁尺、线形磁尺（又称同轴型）和圆形磁尺之分。,图10-25 磁尺的分类及结构（放大图见后页）a）带形磁尺 b）线形磁尺 c）圆形磁尺1带形磁尺 2磁头 3框架 4预紧固定螺钉 5同轴形（线形）磁尺 6圆形磁盘 7圆磁头,图10-25 磁尺的分类及结构,图10-26 静态磁头的结构及输出信号与磁尺的关系1磁尺 2sin磁头3cos磁头4磁极铁心,5可饱和铁心 6励磁绕组 7感应输出绕组
12、8低通滤波器 9匀速运动时sin磁头的输出波形（基波为2倍励磁频率）10保护膜 11载波 12包络线,磁栅测量系统,数显表1,磁头,磁尺边缘压紧在机床上,卷状磁尺,接口电路,数显表2,预先用激光干涉仪录磁,图10-27 磁栅尺、磁头与数显表套件,磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示,二、鉴相型磁栅数显表,磁尺与磁头属于接触式测量，由于摩擦等因数，使用寿命不如光栅，数年后易退磁。,cos、sin磁头相距整数倍W再加1/4栅距,磁尺,图10-28ZCB-101原理框图,XCCB磁栅传感器的特性参数,.,例：某磁栅传感器特性见上页，刻线数为每mm20线，现希望分辨力达到0.5m,求细分数。,解：XCC
13、B磁栅传感器细分以前的分辨力1W=1mm20=50 m 则：细分数m=50m0.5 m=100细分结论：需使用多磁头来组成细分电路，并由专用高速模块进行计算，才能达到100细分的要求。除此之外，细分后的绝对误差比50 m大好几倍，必须通过激光干涉仪标定，才能逐段修正绝对误差。,磁栅测量系统,压板,磁头,磁尺,磁栅在磨床测长系统中的应用,磁尺,磁头安装在何处？,任务二 磁栅传感器的应用,1磁栅尺在龙门铣床进给测控中的应用（图10-29）,磁栅尺,龙门铣床侧面的18m磁栅尺,2老机床改造,改造步骤：深入了解原有机床的工作过程，分析、整理控制的基本方式、完成的动作时序和条件关系，以及相关的保护和联锁
14、控制，角位移及直线位移的自由度等；尽可能与实际操作人员充分交流，了解对现有机床的测量、控制、操作的改进方案；根据分析、整理的结果，确定所需要的输入/输出设备，包括PLC及数字式位移传感器。PLC所需的I/O点数应留有20%左右的裕量，以适应今后的生产工艺变化，为系统改造留有余地；,改造步骤（续）,设计数字式位移传感器的I/O电路，编制I/O分配表，绘制I/O接线图；将老机床的丝杠和光杠传动改造成滚珠丝杠的步进电动机传动；在x、y、z方向的导轨侧面安装直线磁栅，在A、B、C旋转轴上方安装角编码器；安装人工对话设备，包括数显表和键盘等。,磁栅在机床上的安装,磁栅尺,磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易
15、于安装，测量范围宽可超过十几米，抗振动和抗冲击能力强。长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成。,数显表,图10-30 改造后的数控铣床,x轴磁栅,数显表,角编码器,y轴磁栅,z轴磁栅,进给手轮,主轴电动机,项目四 容栅传感器,容栅传感器（以下简称容栅）是一种基于变面积工作原理的电容式传感器。因为它的电极排列如同栅状，故称容栅。与其他大位移传感器（如光栅、磁栅等）相比，虽然准确度稍差，但体积小、造价低、耗电省，广泛应用于数显高度仪、数显卡尺、数显千分尺、坐标仪和机床行程的测量，分辨力为10m。根据结构形式，容栅可分为三类，即直线容栅、圆
16、容栅和圆筒容栅。其中，直线容栅用于直线位移的测量，圆容栅用于角位移的测量。,项目四 容栅传感器,【项目教学目标】知识目标1了解容栅的结构及工作原理。2了解容栅转换电路原理。技能目标掌握容栅的的应用。,图10-31 直线容栅传感器结构简图（放大图见下页）a）动尺和定尺上的电极透视图 b）定尺、动尺的位置关系 c）发射电极和反射电极的相互关系1发射电极 2反射电极 3接收电极 4屏蔽电极,a）动尺和定尺上的电极透视图,b）定尺、动尺的位置关系 c）发射电极和反射电极的相互关系,容栅传感器的内部结构及容量变化曲线,节距5.09mm（线路板上导电极板的间距），分辨力0.01mm，采用8组容栅进行细分。
17、,随着转子与定子电极的重合或分离，电容量周期变化,图10-32 容栅的测量转换电路原理框图常见的数显卡尺的容栅的节距W=0.635mm（25毫英寸），最小分辨力为0.01mm，非线性误差小于0.01mm，150mm总测量误差为0.020.03mm,容栅数显表内的数据和信号处理组合功能块,容栅传感器特性指标,量程：025mm；节距5.09mm；分辨力:0.001mm或0.00005,容栅传感器特性指标(续),各种容栅测量装置,各种容栅数显表,任务二 容栅传感器的应用一、直线容栅尺数显测高仪,图10-33 容栅数显测高仪,容栅数显测高仪,1.测力调节2.测头导轨3.测头4.坐垫5.液晶屏显示6.触
18、摸开关7.RS-232 输出8.打印机9.驱动开关10.气泵开关11.电源线,容栅数显测高仪,量程 750mm分辨率 0.001mm示值误差 0.0075mm示值重复性 0.002mm(3)测量力 13N 可调测量滑架的最大速度1 m/s,底座,测头高度,二、容栅数显卡尺,图10-34 容栅数显卡尺1尺身 2游标 3紧固螺钉 4液晶显示器5串行接口 6电池盒 7复位按钮 8公/英制转换按钮,各种容栅数显卡尺,各种容栅数显卡尺（续）,该卡尺的分辨力为多少微米？,各种容栅数显卡尺（续）,外卡尺,汽车专用卡尺,各种容栅卡尺（续）,各种容栅数显卡尺（续）,内卡尺,容栅数显卡尺的结构,三、容栅数显千分尺
19、,图10-35 容栅数显千分尺分辨力为0.001mm，重复准确度为0.002mm，累积误差为0.002mm。数显千分尺采用圆容栅。圆容栅由旋转容栅和固定容栅组成，圆容栅的结构如下页的图10-36所示。,图10-36 圆容栅的结构a）旋转容栅 b）固定容栅1屏蔽电极 2反射电极 3发射电极 4接收电极,数显千分尺的分辨力,该千分尺的分辨力为多少微米？,数显千分尺（续）,数显外径测量台,数显内螺孔深度尺,容栅数显百分表,红宝石测头,其他容栅数显百分表,容栅数显千分表,可以显示1m位移量的千分表,“千分表”与“百分表”的分辨力区别在哪里？,拓展阅读 电梯平层,一、电梯平层基本概念电梯在确定的楼层正常
20、停靠时慢速动作的过程。国家有关标准规定：0.63m/sv1.0m/s的交流双速载货电梯平层准确度优于30mm，其他电梯平层准确度优于15mm，目前载客电梯的平层误差多控制在2mm以内。,电梯的“平层区”是指轿厢停靠楼层上方或下方的一段有限距离。轿厢进入此区域后，电梯的平层控制装置动作，使轿厢准确平层。,电梯平层过程分析,电梯平层由两种传感器检测：在楼层高度范围内，由角编码器给出脉冲信号；轿厢地板与楼层门的250mm范围内，由“平层感应器”给出平层信号。电梯的曳引电动机旋转后，与电动机连轴的增量式角编码器即开始输出增量脉冲，脉冲数正比于电梯运行的距离。例如，电梯上行到3楼，设3楼层门与底楼层门对
21、应的脉冲数值为90 000，减速点设定在85 000。当电梯从地面（设为零点）往上运行时，PLC开始计数。当计数到85 000个脉冲时，发出减速指令，电梯进入平层区（慢速爬行阶段）。理论上可以认为：当计数值接近90 000个脉冲时，PLC发出停转和抱闸指令，电梯的轿厢可以停在3楼层面。但是,电梯平层过程分析（续）,但是，在电梯运行过程中，因钢丝绳（或橡胶绳）打滑等原因会引起计数误差，即：电梯实际运行的距离与对应的计数脉冲不符。上例中，理论上，3楼距地面的距离对应为90 000个脉冲。由于打滑，到达3楼层面时可能多计了100个脉冲，实际输出90100个脉冲，可能引起轿厢的地板高于或低于3楼层面。
22、因此，必须在轿厢的顶部（上行时起作用）以及轿厢的底部（下行时起作用）设置“楼层位置感应器”（也称平层感应器），以清除角编码器运行时产生的累积误差。,图10-37 角编码器与曳引电动机的关系1角编码器 2曳引电动机 3蜗轮-蜗杆减速箱 4曳引轮 5电磁制动器 6底座,电梯工作原理框图,电梯控制原理示意图,电梯控制系统的硬件组成,二、平层感应器,平层感应器可采用干簧管式、霍尔式、光电式等多种传感器。为了防止灰尘干扰，平层感应器普遍采用无源的干簧管式，或有源的霍尔式。其主要构件是永久磁铁、干簧管（或霍尔接近开关）和隔磁板。,图10-38 平层感应器在电梯平层中的应用(放大图见后页)a）平层感应器基本
23、原理 b）平层感应器与隔磁板的侧视图,4安装在电梯巷道壁的隔磁板a 6安装在轿厢顶部的平层感应器a 7隔磁板插槽 8安装在轿厢顶部的平层感应器b 9安装在电梯巷道壁的隔磁板b 10安装在轿厢底部的平层感应器 11电梯巷道壁,c）隔磁板插入平层感应器时的状态 d）轿厢顶部（底部）的平层感应器与隔磁板的关系,平层感应器简介,平层感应器槽的右侧封装有矫顽力很大的钕铁硼磁铁，槽的左侧封装有“干簧管|”。当电梯轿厢顶部（或底部）的平层感应器运行到隔磁板附近时，导磁的隔磁板插入平层感应器的槽中，永久磁铁的磁力线被隔磁板阻断，干簧管位置的磁场减弱，干簧管复位（开路），KA线圈失电（释放），给PLC提供一个“
24、爬行开始”信号。,干簧管简介,干簧管是一个充有惰性气体（如氦气等）的小型玻璃管，在管内两端封装两支用导磁材料制成的弹簧片，其触点部分镀金。当干簧管附近存在大于额定磁感应强度的磁场时，弹簧片被磁化。当两根弹簧片的磁性吸引力足以克服弹簧片的弹力时，两弹簧片相互吸引而吸合，使触点接通，当磁场减弱到一定程度时，触点跳开。由于磁滞的原因，干簧管的吸合和断开具有施密特回差特性。,干簧管原理,施密特回差特性,干簧管工作原理（续）,在干簧管外面施加固定极性的磁场，干簧管的簧片受磁场作用，产生与外界磁场相反的极性，相互吸合。,在干簧管外面绕制励磁线圈，施加直流电压，产生磁场，干簧管的簧片受磁场作用，相互吸合。,
25、图10-39 电梯平层的运行速度曲线,125mm爬行,隔磁板的典型长度为250mm。安装时，取中点距离为125mm，因此轿厢进入隔磁板后的爬行阶段称为“125mm爬行”。以电梯“上行”为例，轿厢向上运行接近乘客要求的楼层时，轿厢顶上的平层感应器进入隔磁板位置，电梯进入“爬行段”。PLC将角编码器的脉冲数值存入“平层计数器”。计数器将预设的“125mm距离所对应的脉冲数值”与“爬行开始后角编码器所产生的脉冲数值”进行比较。待两数值相等时，爬行段结束，PLC命令电动机停转，并使电磁制动器（抱闸装置）动作，轿厢在短暂的惯性运动后停止运行，进入开门状态。,电磁制动器（电磁抱闸）,休 息 一 下,拓展阅读网络资料列表网址：http:/,2023年10月10日星期二,現在時間是：22:14 休息一下！,
