模塊十、數字式位移檢測(上).ppt

機、電類 傳感器與檢測技術項目教程 模塊十、數字式位移檢測 課件 統一書號：ISBN 978-7-111-48817-0 課程配套網站 或 2015年2月第1版,（作者：梁森、黃杭美、王明霄、王侃夫）,本模塊介紹“數字式位移傳感器” 的基本概念、大位移的測量方法、角編碼器、光柵傳感器、磁柵傳感器、容柵傳感器，并討論了它們在直線位移和角位移精密測量以及機床位置控制中的應用。還介紹了電梯平層的要求及方法。,內容簡介,今天是：2019年7月19日星期五,模塊九、小位移檢測（上） 目錄,知識鏈接 位置檢測方式 項目一、角編碼器 項目二、光柵傳感器 項目三、磁柵傳感器 項目四、容柵傳感器 拓展閱讀 電梯平層,現在時間是：01:53,知識鏈接 位置檢測方式,位置測量主要是指直線位移和角位移的精密測量。數字式位置傳感器按測量方式有直接測量和間接測量之分；按測量原理分，有增量式測量和絕對式測量之分。,一、直接測量和間接測量,若位置傳感器所測量的對象就是被測量本身，即：直線式傳感器直接測量直線位移，旋轉式傳感器直接測量角位移，則該測量方式為直接測量。例如用長光柵和長磁柵測量直線位移等。,若旋轉式位置傳感器測量的回轉運動只是被測量的中間值，再由測量結果推算出與之關聯的運動部件的直線位移，則該測量方式屬于間接測量。例如用角編碼器測量出機械絲杠的旋轉角度，再計算絲杠上的螺母的直線位移。,圖10-1 直接測量和間接測量示意圖 a）直接測量 b）間接測量 1導軌 2運動部件 3直線式位置傳感器的隨動部件 4直線式位置傳感器的固定部件 5旋轉式位置傳感器 6絲杠-螺母副 7電動機,7,直接測量 示意圖,光柵讀數頭,光柵尺,隨動刀具,8,間接測量示意圖,隨動刀具,直接測量,回轉工作臺旋轉運動,利用角位移傳感器直接測量工作臺的角位移,直接利用數字式直線位移傳感器 測量直線加工機床的直線位移量,直接測量不會產生轉換誤差,+x,工作臺 運動方向,光柵,間接測量,在間接測量中，多使用旋轉式位置傳感器。測量到的回轉運動參數僅僅是中間值，但可由這中間值再推算出與之關聯的移動部件的直線位移。 間接測量須使用絲杠-螺母副、齒輪-齒條副等傳動機構，將旋轉運動轉換為直線運動。,工作臺,絲杠,編碼器,進給電動機 (伺服或步進),x,齒輪-齒條副的位移轉換演示,.,例：設齒輪的分度圓直徑為200mm ,齒數z=100, 傳感器測得齒輪轉過了 =180度。求： 1）所轉過的齒數N； 2）齒條的齒距t； 3)齒條所移動的距離 x。,齒輪,齒條,-x,齒條為直線運動， 齒輪作旋轉運動,+x,解： 1）所轉過的齒數 N=(z360) =(100/360)180 =50 2）齒條的齒距 t=D/z=6.28mm；,3）齒條所移動的距離x=N t= 506.28=314mm.測出齒輪的角位移,就可測得齒條的直線位移,D,傳動機構,滾珠絲杠-螺母副、齒輪-齒條副等傳動機構能夠將旋轉運動轉換成直線運動。 但應設法消除傳導過程產生的間隙誤差。,齒距t,齒條,齒輪,x,滾珠絲杠螺母副,滾珠絲杠-螺母副能夠減小傳動磨檫力，延長使用壽命，減小間隙誤差。,螺母,絲杠,x,平均螺距誤差大于10m,傳動分析,設：螺距t=4mm，絲杠在4s時間里轉動了10圈，求：絲杠的平均轉速n(r/min)及螺母移動了多少毫米？螺母的平均速度v又為多少？,滾珠螺母,絲杠,螺距t=4mm,x,N=10圈時， =？度,x=？mm,齒輪-齒條副、螺母絲桿副等直線-旋轉轉換設備均存在間隙誤差,特別是從正轉切換到反轉時,間隙將導致測量死區(qū),必須予以補償。,例10-1 若絲杠的螺距t =6.00mm（當絲杠轉一圈360時，“單線螺母”或“單頭螺母”移動的直線距離為6.00mm），旋轉式位置傳感器測得絲杠的旋轉角度為7290，求螺母的直線位移x。,解 螺母的直線位移 x=(7290/360)6mm =121.50mm,1導軌 2運動部件 5旋轉式位置傳感器 6絲杠-螺母副 7電動機,【絲杠-螺母副位移轉換填表訓練】,絲杠-螺母副（單線）在10s時間里運動的數據如下，請分析、填空（最少保留三位有效數字）,表10-1 數字式位置檢測傳感器的 分類及特點,表10-1 數字式位置檢測傳感器的 分類及特點（續(xù)）,二、增量式測量與絕對式測量,（1）增量式測量：運動部件每移動一個基本長度單位，位置傳感器便發(fā)出一個輸出脈沖。一個脈沖所代表的基本長度單位就是分辨力。計數器對脈沖進行計數，便可得到位移量。,光源,（1）增量式測量（續(xù)）,例10-2 在圖10-1a中，若增量式測量系統的每個脈沖代表0.01mm，在10s時間里，長光柵傳感器發(fā)出2000個脈沖，求： 1）工作臺的直線位移x（機床行業(yè)習慣使用的單位為：mm）。 2）運動速度v（機床行業(yè)習慣使用的單位為：m/min）。 解 1）根據題意，工作臺每移動0.01mm，長光柵傳感器便發(fā)出1個脈沖，計數器就加1或減1。當計數值為2000時，工作臺移動了x =20000.01mm =20.0mm。 2）v=x/t=20.0mm/(10s)=2.00mm/s=0.12m/min。 增量式位置傳感器必須有一個零位標志，作為測量起點的零位標志。典型的增量式位置傳感器有增量式光電角編碼器、增量式光柵等,增量式傳感器工作原理分析,在增量式測量中，移動部件每移動一個基本長度單位，位置傳感器便發(fā)出一個測量信號，此信號通常是脈沖形式。這樣，一個脈沖所代表的基本長度單位就是分辨力，對脈沖計數，便可得到位移量。,增量式測量得到的脈沖波形,（2）絕對式測量,每一被測點都有一個對應的編碼,常以二進制數據形式來表示（例如:10 1011 0010）。即使斷電之后再重新上電,也能讀出絕對式測量傳感器當前位置的數據。典型的絕對式位置傳感器有絕對式角編碼器。,項目一 角編碼器,項目教學目標】 知識目標 1了解接觸式角編碼器的原理與編碼方法。 2了解絕對式和增量式光電角編碼器的工作原理。 技能目標 1掌握絕對式角編碼器的分辨率與分辨力的計算。 2掌握增量式角編碼器的分辨率與分辨力的計算。 3掌握增量式角編碼器的M法測速計算。,任務一 認識角編碼器,角編碼器是一種旋轉式位置傳感器，它的轉軸通常與被測旋轉軸連接，隨被測軸一起轉動。角編碼器能將被測軸的角位移轉換成二進制編碼（絕對式角編碼器）或一串脈沖（增量式角編碼器）。,混合式角編碼器（不僅輸出格雷碼，同時還輸出增量式脈沖信號），可以同時測量轉子的空間位置與轉速。,光柵板,一、絕對式角編碼器 （將被測角度直接進行編碼）,根據內部結構和檢測方式的不同，有接觸式、光電式、磁阻式等形式。常用的角編碼器是光電式。 1接觸式角編碼器的結構 在一個不導電基體上，制造出許多有規(guī)律的導電金屬區(qū)，圖中的涂黑部分為導電區(qū)，用電平“1”表示，其他部分為絕緣區(qū)，用電平“0”表示。圖中的碼盤分成4個輸出碼道，在每個碼道上都有一個電刷，電刷經取樣電阻R0R3接地，信號從電阻的“熱端”（非接地端）取出。,圖10-2 4位二進制接觸式碼盤 a）電刷在自然二進制碼盤上的位置 b）4位自然二進制碼盤 c）4位格雷碼碼盤 1碼盤 2轉軸 3導電體 4絕緣體 5電刷 6激勵公用軌道（接電源正極）,表10-2 4位十進制數與 自然二進制碼以及格雷碼的對照表,絕對式編碼器（接觸式）演示,4個電刷,4位二進制碼盤,+5V輸入 公共碼道,最小分辨角度為=360/2n =36016=22.5,2角編碼器的分辨力與分辨率,二進制的位數等于碼道的圈數（不包括最里面的公用軌道）。高位在內，低位在外。 M位二進制碼盤就有M圈碼道，且圓周被均分為2M個區(qū)域，分別表示不同的角度位置，所能分辨的角度（即分辨力）為 =360/2M （10-1） 分辨率=1/2M （10-2） 例10-3 求12碼道絕對式角編碼器的分辨力。 解 12碼道的絕對式角編碼器的圓周被均分為 212=4096個位置數，所以能分辨的角度： =360/212=5.27,3絕對式光電角編碼器的結構,圖10-3 絕對式光電角編碼器 a）12碼道光電碼盤的平面結構 b）4碼道光電碼盤與光源、光敏元件的對應關系 c）外形,絕對式光電編碼器結構,a）光電碼盤的平面結構（8碼道） b）光電碼盤與光源、光敏元件的對應關系（4碼道）,高位,低位,光電式角編碼器的特點,碼盤由光學玻璃制成，其上刻有許多同心碼道，在玻璃上沉積很薄的刻線，按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。當光源將光投射在碼盤上時，通過亮區(qū)的光線由光敏元件接收。光敏元件的排列與碼道一一對應，對應于亮區(qū)的光敏元件輸出為“1”，暗區(qū)的輸出為“0”。當碼盤旋至不同位置時，光敏元件輸出格雷碼，代表碼盤軸的角位移的大小。 不銹鋼光電碼盤要玻璃碼盤抗振性好?，F在也采用透明樹脂片鍍膜刻蝕，強度比玻璃碼盤高。 光電碼盤沒有接觸磨損，壽命長，允許轉速高。 角編碼器信號輸出有并行輸出、串行輸出、總線型輸出等。由于并行信號連接線較多。高位數及多圈角編碼器多數采用串行或總線型輸出。,光電脈沖角編碼器示意圖,34,放大、整形,絕對式角編碼器,絕對式碼盤與增量式碼盤有何區(qū)別？,10碼道光電絕對式碼盤,絕對式角編碼器按照角度直接進行編碼。根據內部結構和檢測方式有接觸式、光電式、磁阻式等。,透光區(qū),不透光區(qū),零位標志,絕對式測量角編碼器,每一個微小的角位移都有一個對應的編碼，常以二進制數據形式來表示。在絕對式測量中，即使中途斷電，重新上電之后，當前位置的二進制編碼數據仍然不變。,1,0,絕對式角編碼器,自然二進制碼 或格雷碼,0,1,其他角編碼器外形,其他角編碼器外形（續(xù)）,其他角編碼器外形（續(xù)）,拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運動轉換成旋轉運動。,E1050-14 絕對式 角編碼器的 特性參數,.,4多圈角編碼器,當圖10-3所示的絕對式光電碼盤轉動超過360時，編碼又回到原點，稱為單圈絕對式角編碼器。 如果測量旋轉超過360，在斷電時，可以用鋰電池來保持對旋轉圈數的記憶（但不允許在斷電后再旋轉一圈以上）。,也可以采用類似于鐘表的齒輪結構來記憶圈數，稱為多圈絕對式角編碼器。還可以在圖10-3所示的碼盤的內圈，增加粗碼刻度，可以做到在4096圈之內不重復輸出。,5絕對式角編碼器的RS485接線,圖10-4 絕對式角編碼器與用戶端的RS485通信電路 表10-4 10碼道角編碼器的接線顏色,屏蔽線的屏蔽層接到設備的外殼,二、增量式角編碼器,1增量式光電角編碼器的結構,圖10-5 增量式光電角編碼器結構示意圖(放大圖見下頁),a）外形 b）內部結構 c）掃描孔板與碼盤、光電接收器之間的對應關系 1轉軸 2發(fā)光二極管 3掃描孔板（光欄板） 4零位標志光槽（Z） 5零位光敏元件 6碼盤 7電源及信號線連接座 8聚光透鏡,圖10-5 增量式光電角編碼器結構示意圖,增量式光電角編碼器的結構（續(xù)）,b）內部結構 1轉軸 2發(fā)光二極管 3掃描孔板（光欄板） 4零位標志光槽（Z） 5零位光敏元件 6碼盤 7電源及信號線連接座 8聚光透鏡,增量式編碼器結構,轉軸,盤碼及狹縫,光敏元件,光欄板及辨向用的A、B狹縫,LED,A,B,C,零位標志,A,B,C,增量式光電角編碼器的結構（續(xù)）,增量式光電角編碼器的結構（續(xù)）,圖10-5 b）內部結構 1轉軸 2發(fā)光二極管 3掃描孔板（光欄板） 4零位標志光槽（Z）5零位光敏元件 6碼盤 7電源及信號線連接座 8聚光透鏡,絕對式光電碼盤與增量式碼盤的區(qū)別,絕對式光電碼盤（12碼道） 增量式光電碼盤（1024位）,高位,低位,分辨力360/條紋數 例：條紋數1024,360/1024 0.352,增量式光電編碼器 的分辨力與分辨率,1轉軸 2LED 3光欄板 4零標志 5光敏元件 6碼盤 7印制電路板 8電源及信號線連接座,增量式編碼器（INC）（ 續(xù)）,辨向原理,光敏元件所產生的信號A、B彼此相差90相位。當碼盤正轉時，A信號超前B信號90；當碼盤反轉時，B信號超前A信號90。,LED,光欄板及 A、B狹縫,cos,sin,C：零位檢測,光電編碼器的兩個“辨向元件”,光欄板上的兩個狹縫距離是碼盤上的兩個狹縫距離W的(m +1/4)倍,m 為正整數,并設置了兩組光敏元件A、B,有時又稱為cos 、 sin元件。,W,(m +1/4)W,A相位超前B :90 （1/4周期）,例:W=1mm,cos與sin元件的距離可以是6.25或8.25mm等,兩路光電信號判斷旋轉方向,A超前于B，判斷為正向旋轉， A也稱為cos信號； B也稱為sin信號。,A滯后于B，判斷為反向旋轉,辨向信號和零標志,光電編碼器的光欄板上有A與B兩組狹縫，彼此錯開1/4節(jié)距，兩組狹縫相對應的光敏元件所產生的信號A、 B彼此相差90相位，用于辯向（辨別旋轉方向）。當碼盤正轉時，A信號超前B信號90；當碼盤反轉時，B信號超前A信號90。 (請畫出反轉時信號B的波形）,在碼盤里圈，還有一根狹縫C，每轉能產生一個脈沖，該脈沖信號又稱“一轉信號”或零標志脈沖，作為測量的起始基準。,零標志（一轉脈沖）波形及作用,一轉（360）,C,C,在碼盤里圈，有一條狹縫C，碼盤每轉一圈，產生一個脈沖。該脈沖信號又稱“一轉信號”或零標志脈沖，作為測量的起始基準（0） 。,A,B,C,90,2增量式光電角編碼器的分辨力與分辨率,增量式光電角編碼器的測量準確度與碼盤圓周上的狹縫條紋數（分度數）M有關，最小分辨的角度： =360/M （10-3） 分辨率=1/M （10-4） 例10-4 某增量式角編碼器的技術指標為 1024個脈沖/r（即分度數M1024P/r）， 求：分辨力。 解 按題意，碼盤邊緣的透光槽數為1024個，則能分辨的最小角度為 =360/M=360/1024=0.352,判斷碼盤旋轉方向的方法,為了判斷碼盤旋轉的方向，必須在增量式角編碼器的光欄板上設置兩個狹縫，并設置兩組對應的光敏元件，如圖10-5b、c中的A、B光敏元件，有時也稱為cos、sin元件。,圖10-6 絕對式角編碼器的輸出信號(放大圖見后頁) a）TTL電平信號 b）正弦波信號,圖10-6 絕對式角編碼器的輸出信號 a）TTL電平信號 b）正弦波信號,3增量式光電角編碼器的旋轉角度計算,設增量式角編碼器的碼盤每轉輸出的脈沖數（分度數）為M，在靜止時碼盤的初始位置角為零，開始旋轉后給出脈沖數目為m，則碼盤旋轉的角度 =360(m/M) （10-5） 例10-5 某增量式角編碼器的分度數M1024，從零位信號Z之后的10s內，計數器對角編碼器的一路信號（圖10-6中的A信號）計數，得到m=1024+128個脈沖。求：碼盤旋轉的角度和轉速n（r/min）。 解 按題意，碼盤邊緣的透光槽數為1024個，碼盤旋轉的角度 =360(m/M)=360(1152/1024)=3601.125=405 n=60r/s=60(405/360)/10s=6.75r/min,4響應頻率,增量式角編碼器的響應頻率取決于光電檢測器件、電子處理線路的響應速度。當碼盤高速旋轉時，如果其分度數（分辨率）很高，那么角編碼器輸出的信號頻率將會很高，光電檢測器件和電子線路元器件的輸出波形滯后和嚴重畸變，甚至產生丟失脈沖的現象。,5增量式光電角編碼器的接線,圖10-8 增量式角編碼器的差分輸出的接線,6光電角編碼器的安裝、使用注意事項,1）主軸轉速較低時角編碼器軸與用戶端輸出軸之間需要采用彈性軟連接，避免因用戶軸的竄動、跳動而造成角編碼器軸系和碼盤的損壞。安裝時應保證角編碼器軸與用戶輸出軸的偏角小于1.5。 2）高速運行時建議使用同步帶輪連接。 3）長距離傳輸時，應選用具備輸出阻抗低的型號。 4）接地線一般應大于1.5mm2，盡量避免雙端接地。 5）現場總線式角編碼器使用前要對角編碼器的參數進行設置。 需要設置的參數有：旋轉的正方向、每轉的脈沖數和轉數、總分辨率、預置值、記憶功能、診斷模式等,表10-5 WLF系列角編碼器的主要技術指標,任務二 角編碼器的應用,一、角編碼器在數字測速中的應用 由于增量式角編碼器的輸出是脈沖信號，因此，可以通過測量脈沖頻率或周期的方法來測量轉速。 數字測速方法有M法測速、T法測速和M/T法測速等。 1M法測速 在一定的時間間隔ts內（ts=t閘門，見圖10-9a，如10s、1s、0.1s等），用角編碼器所產生的脈沖數來確定速度的方法稱為M法測速。,M法測速（適合于高轉速場合）,m1,圖10-9a M法測速原理 編碼器每轉產生M個脈沖，在ts時間段內有 m1 個脈沖產生，則轉速（r/min)為 ： n = 60m1/(ts M)1,ts,M法門控測速電路（基本原理）,先利用施密特觸發(fā)器將角編碼器的輸出脈沖三角波轉換為矩形波。當與門的C端為高電平時，b端的信號可以通過與門，到達d端，然后單片機進行計數，得到m1個計數結果。,M法測速的計算,若編碼器每轉產生N個脈沖，在ts的閘門時間間隔內得到m1個脈，則編碼器所產生的脈沖頻率為 （10-6）,則轉速n（單位為r/min）為 （10-7）,1誤差簡述,M法測速的本質是測頻。誤差主要由兩個因素決定： 1）閘門時間ts的誤差：可以使用晶振來提高閘門時間的準確性； 2）量化誤差：又稱為1誤差，見下圖(原理見后頁),ts,2）產生1誤差的原因：測頻時，計數脈沖通過閘門進入計數器。由于閘門開啟時刻（秒信號的上升沿）和被測計數脈沖上升沿到來的時刻之間的關系是隨機的,有可能在第二個t閘門時間里，比在第一個t閘門時間多計數了一個脈沖，或少計數了一個脈沖，就造成了誤差。,ts,例 某角編碼器的技術指標為1024個脈沖/r（即M1024P/r =1K），在0.2s時間內，測得100個脈沖，即ts=0.2s，m=100，求：,1）轉速n；2）1誤差引起的轉速測量誤差為多少r/min。3）如果將ts延長到1s，求1誤差引起的轉速測量誤差為多少r/min。 解 1）角編碼器軸的轉速為,3）如果將ts延長到1s，m的數值必然增加到500，則,結論：采樣時間為1s時計算得到的轉速，與在0.2s時間內測得的轉速相同，但1個脈沖引起的誤差縮小為原來的1/5。,2）由于1誤差，在ts=0.2s時間段里，計數得到的脈沖數m=1001個脈沖，則,M法測速計算（續(xù)）,T,例：有一增量式光電編碼器，其參數為M=1024p/r， 在5s時間內測得65536個單向脈沖，求： 轉速n（r/min) 解：n = 6065536 1024 5= 768 r/min,2T法測速（適應于緩慢轉速的測量）,T法測速原理如圖10-9b所示。用角編碼器所產生的相鄰兩個脈沖之間的時間T來確定“傳感器在一個周期里面的被測轉速”的方法稱為T法測速。在T法測速中，必須使用標準時鐘脈沖f0（其周期為T0）作為測量角編碼器輸出信號周期的“時鐘”。（不展開講解）,二、絕對式角編碼器在工位編碼及 刀庫選刀控制中的應用,1絕對式角編碼器在 工位編碼中的應用,圖10-10 轉盤加工工位 的編碼 1絕對式角編碼器 2電動機 3同步帶 4轉軸 5轉盤 6工件 7刀具,例10-7 設圖10-10中的角編碼器為4碼道絕對式碼盤（假設采用自然二進制碼），工件18的編碼從0000到1110。圖10-10中的工位1（0000）已完成加工，要使處于工位2上的工件轉到加工點等待鉆加工，計算機應如何控制電動機和轉盤？,解 由于工位的編碼是從0000開始到1110，所以每個工位的變化為0010。工位2上的編碼為0010，工位3上的編碼為0100，以此類推。 當工件1完成加工后，電動機通