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1、2023/10/21,机电工程学院工程测试技术教研组,机电工程测试技术,2023/10/21,5 数字量位移传感器与位移的测试,1.了解常用数字式位移传感器的性能、特点及适用范围2.掌握光栅数字传感器工作原理、测量电路3.了解数字式传感器的应用,2023/10/21,数字位移传感器与位移的测试传感器的特点：,具有高的测量精度和分辨力，读数直观精确。,测量行程范围大，直线位移可达数米至几十米。,易于实现高速动态测量、处理和自动化。,采用高电平数字信号时，对外部干扰（噪音）的抑制能力强。,安装方便，使用维护简单，工作可靠性强。,2023/10/21,5.1 光栅数字传感器,1、光栅的类型,光栅是在
2、基体（玻璃或金属）上刻有均匀分布条纹的光学元件。用于位移测量的光栅称为计量光栅。计量光栅分为透射式及反射式两种。前者使光线通过光栅后产生明暗条纹，后者反射光线并使之产生明暗条纹。测量直线位移的光栅为直光栅（长光栅），测量角位移的光栅为圆光栅。,5.1.1 光栅传感器的构成及原理,2023/10/21,在直光栅中，若a为刻线宽度，b为缝隙宽度，则Wa+b称为光栅的栅距(也称光栅常数)。通常ab，或a：b1.1：0.9。,2.栅距,2023/10/21,3.莫尔条纹的形成及特点,当两块光栅互相靠近且沿刻线方向保持有一个夹角时，由于挡光效应(当线纹密度50条/mm时)或光的衍射作用(当线纹密度100
3、条/mm时)，在与光栅线纹大致垂直的方向上(两线纹夹角的等分线上)产生出亮、暗相间的条纹称为“莫尔条纹”。,2023/10/21,莫尔条纹的间距B与两光栅线纹夹角之间的关系为：,K为放大倍数,2023/10/21,莫尔条纹的重要特征:,1)莫尔条纹的运动与光栅的运动一一对应 光栅栅距W莫尔条纹间距B。2）莫尔条纹具有位移放大作用 K=1/3)莫尔条纹具有误差平均效应（消除短周期误差）4）莫尔条纹的间距B随光栅刻线夹角变化,2023/10/21,4、光栅数字传感器的结构,光栅数字传感器主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。必要时，标尺光栅还可接长。,
4、对于线位移测量，两块光栅长短不等，指示固定，标尺光栅随着被测物体移动，即可实现位移测量。而测量角位移时，一块圆光栅固定，另一块随转动部件转动。,2023/10/21,光栅传感器结构为：光源标尺光栅指示光栅光电元件,2023/10/21,5.1.2 光栅位移数字转换的基本原理,1.光栅传感器输出信号波形 当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期变化，其输出波形如图：,2023/10/21,输出表达式：UU0UmCOS(2/w)X式中，2/W为空间角频率，W为栅距（信号周期），X为位移。由此可知，只要计算输出电压的周期数，便
5、可测出位移量。从而实现了位移量向电量的转换。在一个周期内，V的变化是位移在一个栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题：辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向；精度低；分辨力只为一个栅距W。,怎么解决这两个问题呢？,数字量传感器,2023/10/21,2、辨向与细分电路,辨向电路,在相隔1/4B莫尔条纹间距的位置上安放两个光电元件，获得相位差为90的两个信号辨向。,当条纹上移时，V2落后于V1 90。当条纹下移时，V2超前于V1 90。因此，由V1、V2之间的相位关系可以 判别运动方向。,2023/10/21,2023/10/21,将该电
6、压信号放大、整形使其变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经过辨向电路和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。位移量为脉冲数与栅距的乘积。,2023/10/21,2023/10/21,3.细分电路,若以移过的莫尔条纹的数来确定位移量，其分辨力为光栅栅距。为了提高分辨力和测得比栅距更小的位移量，可采用细分技术：它是在莫尔条纹信号变化的一个周期内，给出若干个计数脉冲来减小脉冲当量的方法。细分方法有机械细分和电子细分两类。机械细分：增加刻线密度，制造、安装及调试困难；电子细分：在一个莫尔条纹的间隔内，放置若干个光电元件，可得到多个不同相位的信号，提高计数脉冲数。,2023
7、/10/21,四倍频细分法,在辨向原理中已知，在相差BH/4位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差/2的电信号。若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差/2的信号，从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。,2023/10/21,2023/10/21,5.1.3 光栅数字传感器的应用,2023/10/21,5.2 光电盘式角位移传感器,5.2.1 光电盘,光电盘是一种最简单的光电式转角测量元件。它由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光电管、整形放大电路和数字显示装置组成。,2023/10/21,2023/10/21,2023/10/21,光电盘和光栏板可用玻璃研磨抛光制成，
8、经真空镀铬后用照相腐蚀法在镀铬层上制成透光的狭缝，狭缝的数量可为几百条或几千条。也可用精制的金属圆盘在其圆周上开出一定数量的等分槽缝，或在一定半径的圆周上钻出一定数量的小孔，使圆盘形成相等数量的透明和不透明区域。光栏板上有两条透光的狭缝，缝距等于光电盘槽距或孔距的1/4，每条缝后面放一只光电管。,2023/10/21,光电盘装在回转轴上，轴的另一端装有齿轮，该齿轮与驱动齿轮或齿条啮合时，可带动光电盘旋转。回转轴也可以直接被主轴或丝杠驱动。光电盘置于光源和光电管之间，当光电盘转动时，光电管把通过光电盘和光栏板射来的忽明忽暗的光信号转换为电脉冲信号，经整形、放大、分频、计数和译码后输出或显示。由于
9、光电盘每转发生的脉冲数不变，故由脉冲数即可测出被测轴的转角或转速。也可根据传动装置的速比换算出直线运动机构的直线位移。根据光栏板上两条狭缝中信号的先后顺序，可以判别光电盘的旋转方向。由于光电盘制造精度较低，只能测增量值，易受环境干扰，所以多用在简易型和经济型数控机床上。,2023/10/21,5.2.2 光电编码器,编码器可把角位移直接转换成脉冲或二进制编码的检测器件（增量编码器、绝对编码器）。按编码器的结构分为光电式、接触式和电磁式三种。光电式编码器是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码“0或1”不透光或透光区域。,2023/10/21,1、绝对编码器,四位光电码
10、盘上，有四圈数字码道，在圆周范围内编码数为24=16个。每个数位都对应有一个光电器件及放大、整形电路。码盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数字信号。,标准二进制编码器(8421码盘),2023/10/21,由于光电器件安装误差的影响，当码盘回转在两码段边缘交替位置时，就会产生读数误差。例如，当码盘由位置“0111”变为“1000”时四位数要同时变化，可能将数码误读成1111、1011、1101、0001等，产生无法估计的数值误差，这种误差称为非单值性误差。标准二进制编码器实际应用少，而采用二进制循环码盘（格雷码盘）。,2023/10/21,任意相邻的
11、两个代码间只有一位代码有变化，即由“0”变为“1”或“1”变为“0”。因此，读数误差最多不超过“1”，只可能读成相邻两个数中的一个数有效消除非单值性误差。,2023/10/21,码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开，只有信号位处的光电元件有信号才能读数，这样就不会产生非单值性误差。,2023/10/21,2、增量编码器,只有三个码道，不直接输出编码。外码道产生计数脉冲的增量码道；内码道辨向码道，其辨向方法与光栅的辨向原理相同。另一码道用于产生定位或零位信号。,输出光电脉冲，通过整形、放大、辨向后输出脉冲信号,2023/10/21,3、光电编码器的应用数字测速,2023/10/21,5.
12、3 感应同步器,感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理组成的。分为直线型感应同步器和圆盘型感应同步器两大类。,感应同步器的优点是：具有较高的精度与分辨力；抗干扰能力强；使用寿命长，维护简单；可以作长距离位移测量；工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。,广泛用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中测量装置等。,2023/10/21,1、感应同步器的基本结构,由定尺和滑尺组成，其绕组分布不同定尺是连续绕组，滑尺则是分段绕组。分段绕组分为两组，布置成在空间相差90相角，又称为正、余弦绕组。,2023/10/21,感应同步器的分段绕组和连续绕组相当于变压器的一次和二
13、次线圈，利用交变电磁场和互感原理工作。,圆盘式感应同步器由定子和转子组成，形状呈圆片形，定子相当于直线式感应同步器的滑尺，转子相当于定尺。,2023/10/21,2、感应同步器的工作原理,当定尺和滑尺产生相对线位移时，或定子与转子产生相对角位移时，两绕组间的耦合状态发生变化，这时，在定尺和转子绕组上感应出一个与位移有关的电压信号，由此可以测定位移量的大小。,2023/10/21,2023/10/21,2023/10/21,2023/10/21,2023/10/21,数显表是一种高精度位移测量仪、广泛应用于航空、航海及数控机床等的精度测量和定位跟踪方面。特点：1)准确测量静态位移量，又能在运动中输出动态移量。2)精度高、速度快、体积小、重量轻。3)抗干扰能力强。4)数码显示，操作简单。主要技术指标：1)显示范围：角度测量0359.999，直线测量09999.999mm。2)分辨率：角度0.001（3.6）或0.00028(1），直线0.001mm。3)动态精度：7.2。4)静态精度：角度3.6或1，直线：1m。,3、感应同步器的应用数显表,2023/10/21,5.4 小结,
