內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 測試技術(shù) 第五章位移測量

1、第五章第五章 運(yùn)動(dòng)參量測量運(yùn)動(dòng)參量測量第一節(jié)第一節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 第一節(jié)第一節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 電阻式傳感器是一種把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，分為變阻器式變阻器式和電阻應(yīng)變式電阻應(yīng)變式兩類。第一節(jié)第一節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 一、變阻器式傳感器一、變阻器式傳感器AlR如果電阻絲直徑和材質(zhì)一定時(shí)，則電阻值隨導(dǎo)線長度而變化。第一節(jié)第一節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 常用變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等。第一節(jié)第一節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 直線位移型：直線位移型： c點(diǎn)與A點(diǎn)之間電阻值：電阻值：R=kix 靈敏度：靈敏度：S=dR/dx=ki 單位長度

2、內(nèi)的電阻值。第一節(jié)第一節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 回轉(zhuǎn)型回轉(zhuǎn)型 靈敏度：靈敏度： k單位弧度對(duì)應(yīng)的電阻值。kddRS 非線性型（函數(shù)電位器）非線性型（函數(shù)電位器）第一節(jié)第一節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 drRxx0 xSzRx第一節(jié)第一節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 例如，被測量z(x)Cx2，則有：表明，變阻器骨架應(yīng)做成直角三角形，斜邊的斜率為k，k=2SC。 如果輸出要求為z(x)Cx3，同理可得： r(x)3Cx2，則應(yīng)采用拋物線形骨架。 20SCxdrRxx kxSCxxr 2第一節(jié)第一節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器 pLppyxxRRxxuu10后續(xù)電路第一節(jié)第一節(jié) 電阻式傳感器電阻式

3、傳感器 電阻式傳感器電阻式傳感器 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：分辨力不高，很難優(yōu)于20m。有較大的噪聲。 用途：用途：用于線位移、角位移測量。第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 電容式傳感器是將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的電容式傳感器是將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。裝置。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。 把被測的機(jī)械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。把被測的機(jī)械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由它的敏感部分

4、就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個(gè)平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器。若忽略邊緣效兩個(gè)平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器。若忽略邊緣效應(yīng)，平板電容器的電容為應(yīng)，平板電容器的電容為AA，式中，式中為極間介質(zhì)的介電常為極間介質(zhì)的介電常數(shù)，數(shù)，A A為兩電極互相覆蓋的有效面積為兩電極互相覆蓋的有效面積,為兩電極之間的距離。為兩電極之間的距離。、A A、 三個(gè)參數(shù)中任一個(gè)的變化都將引起電容量變化，并可用于三個(gè)參數(shù)中任一個(gè)的變化都將引起電容量變化，并可用于測量。因此電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)測量。因此電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三類。變化

5、型三類。 一、工作原理：一、工作原理：第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 AC0分類：分類：極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三類。有的書上（A=S;=d）第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 AC0201AddCS二、極距變化型二、極距變化型為減小線性誤差，一般取為減小線性誤差，一般取1 . 002. 0/0第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 設(shè)動(dòng)極板未動(dòng)時(shí)極距為 ，初始電容量為 00C00AC 當(dāng)動(dòng)極板上移 ，電容量為0000/11CACC第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 時(shí)，0)()(1 3020000CC時(shí)，忽略高次項(xiàng)當(dāng)1/000CC與 近似呈線性關(guān)系 C%100/)/

6、(0020一般取1 . 002. 0/0非線性度誤差：非線性度誤差： 較大較大 第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 差動(dòng)式結(jié)構(gòu) )()(1 )()(1 30200023020001CCCC)(2)(2300021CCCC第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 忽略高次項(xiàng)，經(jīng)整理得002CC其非線性誤差為%100)(/)/(20030接成差動(dòng)結(jié)構(gòu)后：接成差動(dòng)結(jié)構(gòu)后：靈敏度提高了一倍，而且非線性誤差減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)。 第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 第三章第三章 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)將傳感器接成將傳感器接成“差動(dòng)差動(dòng)”形式，其主要優(yōu)點(diǎn)有：形式，其主要優(yōu)點(diǎn)有：提高靈敏度；改善非線性；消除

7、信號(hào)中的共模干擾，抑制溫漂。 第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 第三章第三章 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：可進(jìn)行動(dòng)態(tài)非接觸式測量，對(duì)被測系統(tǒng)的可進(jìn)行動(dòng)態(tài)非接觸式測量，對(duì)被測系統(tǒng)的影響??；靈敏影響??；靈敏度高，適用于較小位移度高，適用于較小位移(0.01m一數(shù)一數(shù)百微米百微米)的測量。的測量。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：有線性誤差；雜散電容對(duì)靈敏度和測量精有線性誤差；雜散電容對(duì)靈敏度和測量精確度有影響，與之配合使用的電子線路較復(fù)雜。確度有影響，與之配合使用的電子線路較復(fù)雜。第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 第三章第三章 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)三、面積變化型三、面積變化型 一般常用的有角位移型和

8、線位移型兩種。一般常用的有角位移型和線位移型兩種。 (a)角位移式 (b)平面線位移式 (c)圓柱體線位移型 圖3-6變面積式電容傳感器 第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 第三章第三章 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)22rA22rC 常數(shù)22rdAdCS第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 )(xabC常數(shù)bdxdCS第二節(jié)第二節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 )/ln(20dDLC)1 ()/ln()(201LxCdDxLC常數(shù)LCdxdCS01變面積型變面積型優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入成線性關(guān)系。但與極距變化型相比，是輸出與輸入成線性關(guān)系。但與極距變化型相比，靈敏度較低，適用于較大直線位移及角位移的測

9、量。靈敏度較低，適用于較大直線位移及角位移的測量。第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電感量變化的一電感式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。其變換是基于電磁感應(yīng)原理。種裝置。其變換是基于電磁感應(yīng)原理。 電感是指線圈在磁場中活動(dòng)時(shí)，所能感應(yīng)到的電電感是指線圈在磁場中活動(dòng)時(shí)，所能感應(yīng)到的電流的強(qiáng)度，單位是流的強(qiáng)度，單位是“亨利亨利”（H H）。）。 按照變換方式的不同可分為按照變換方式的不同可分為自感型自感型(包括可變磁阻包括可變磁阻式與渦流式式與渦流式)與與互感型互感型(差動(dòng)變壓器式差動(dòng)變壓器式)。第三節(jié)第三節(jié) 電感

10、式傳感器電感式傳感器自感性：當(dāng)線圈中有電流通過時(shí)，線圈的周圍就會(huì)產(chǎn)自感性：當(dāng)線圈中有電流通過時(shí)，線圈的周圍就會(huì)產(chǎn)生磁場。當(dāng)線圈中電流發(fā)生變化時(shí)，其周圍的磁場也生磁場。當(dāng)線圈中電流發(fā)生變化時(shí)，其周圍的磁場也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，此變化的磁場可使線圈自身產(chǎn)生感產(chǎn)生相應(yīng)的變化，此變化的磁場可使線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢（電動(dòng)勢用以表示有源元件理想電源的端電應(yīng)電動(dòng)勢（電動(dòng)勢用以表示有源元件理想電源的端電壓）。壓）?；ジ行裕簝蓚€(gè)電感線圈相互靠近時(shí)，一個(gè)電感線圈的互感性：兩個(gè)電感線圈相互靠近時(shí)，一個(gè)電感線圈的磁場變化將影響另一個(gè)電感線圈，這種影響就是互感。磁場變化將影響另一個(gè)電感線圈，這種影響就是互感?；ジ械拇笮∪?/p>

11、決于電感線圈的自感與兩個(gè)電感線圈耦互感的大小取決于電感線圈的自感與兩個(gè)電感線圈耦合的程度。合的程度。 第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器mRNL2 002AAlRm 002ARm一、自感型一、自感型 1.可變磁阻式可變磁阻式 2002ANL 第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器20022 AWS 靈敏度靈敏度為了減小線性誤差，為了減小線性誤差，通常規(guī)定在較小間隙通常規(guī)定在較小間隙范 圍 內(nèi) 工 作 。范 圍 內(nèi) 工 作 。第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng)銜銜鐵鐵上上移移 2020002200022002)/1(2)(22 ANANANS。小小位位移移的的測測量量，約約為為，

12、這這種種傳傳感感器器適適用用于于較較成成線線性性關(guān)關(guān)系系。一一般般取取入入近近似似于于定定值值，輸輸出出與與輸輸時(shí)時(shí)，當(dāng)當(dāng)mmS1001. 01 . 0/, 1/100 第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器（a）變導(dǎo)磁面積型變導(dǎo)磁面積型 (b) (b) 差動(dòng)型差動(dòng)型 (c(c）單螺線管線圈型）單螺線管線圈型 (d) (d) 雙螺線管線圈型雙螺線管線圈型圖圖3-13 可變磁阻式電感傳感器典型結(jié)構(gòu)可變磁阻式電感傳感器典型結(jié)構(gòu)第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 2. 渦流式渦流式渦流大小與導(dǎo)體電導(dǎo)體電阻率阻率、磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率以及產(chǎn)生交變磁場的線圈與被測體之間

13、距離距離x，線圈激勵(lì)電激勵(lì)電流 的 頻 率流 的 頻 率 f 有 關(guān) 。),(xfIrfZ第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器fr 5030 渦流穿透深度渦流穿透深度渦流傳感器據(jù)激勵(lì)頻率分為渦流傳感器據(jù)激勵(lì)頻率分為高頻反射式高頻反射式或或低頻透射式低頻透射式兩類。兩類。第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器（1） 高頻反射式渦流傳傳感器高頻反射式渦流傳傳感器1234561 線圈 2 框架 3 襯套4 支架 5 電纜 6 插頭第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器（2） 低頻透射式電渦流傳感器低頻透射式電渦流傳感器第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器電渦

14、流的應(yīng)用電渦流的應(yīng)用 干凈、干凈、高效的高效的電磁爐電磁爐第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器電磁爐內(nèi)部的勵(lì)磁線圈電磁爐內(nèi)部的勵(lì)磁線圈第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器電磁爐的工作原理電磁爐的工作原理第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器大直徑電渦流探雷器大直徑電渦流探雷器 轉(zhuǎn)速測量 計(jì)數(shù) 測厚度 探傷 測振動(dòng) 測溫 測位移第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器二、互感器二、互感器( (差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器) )dtdiMe112M互感互感(H),),其大小其大小與兩線圈相對(duì)位置及周與兩線圈相對(duì)位置及周 圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因 素有關(guān)，它表明兩線圈素有關(guān)，它表明兩線圈之

15、間的耦合程度。之間的耦合程度。第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 差動(dòng)變壓器的輸出電壓是交流量，其幅值與鐵心位差動(dòng)變壓器的輸出電壓是交流量，其幅值與鐵心位移成正比，其輸出電壓如用交流電壓表指示，移成正比，其輸出電壓如用交流電壓表指示，輸出值只輸出值只能反映鐵心位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向性能反映鐵心位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向性。其次，。其次，交流電壓輸出存在一定的零點(diǎn)殘余電壓。交流電壓輸出存在一定的零點(diǎn)殘余電壓。 零點(diǎn)殘余電壓零點(diǎn)殘余電壓是由于兩個(gè)次級(jí)線圈結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，以是由于兩個(gè)次級(jí)線圈結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，以及初級(jí)線圈銅損、電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分

16、布及初級(jí)線圈銅損、電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等原因所形成。所以，即使鐵心處于中間位置時(shí)，電容等原因所形成。所以，即使鐵心處于中間位置時(shí)，輸出也不為零。為此，差動(dòng)變壓器式傳感器的后接電路輸出也不為零。為此，差動(dòng)變壓器式傳感器的后接電路形式，需要采用既能反映鐵心位移方向性，又能補(bǔ)償零形式，需要采用既能反映鐵心位移方向性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動(dòng)直流輸出電路。點(diǎn)殘余電壓的差動(dòng)直流輸出電路。第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 圖圖321是一種用于小位移測量的差動(dòng)相敏檢波電路是一種用于小位移測量的差動(dòng)相敏檢波電路工作原理。在沒有輸入信號(hào)時(shí)，鐵心處于中間位置，調(diào)節(jié)工作原理。在沒有輸入信號(hào)時(shí)

17、，鐵心處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻電阻R，使零點(diǎn)殘余電壓減?。划?dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，鐵心移，使零點(diǎn)殘余電壓減小；當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，鐵心移上或移下，其輸出電壓經(jīng)交流放大、相放檢波、濾波后得上或移下，其輸出電壓經(jīng)交流放大、相放檢波、濾波后得到直流輸出，由表頭指示輸入位移量大小和方向。到直流輸出，由表頭指示輸入位移量大小和方向。第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 差動(dòng)變壓器式電感傳感器具有精確度高差動(dòng)變壓器式電感傳感器具有精確度高(高到高到0.1m數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí))，線性范圍大，線性范圍大(可擴(kuò)大到可擴(kuò)大到100mm)，穩(wěn)定度好和，穩(wěn)定度好和使用方便的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于直線位移的測量。但其使用方便的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)

18、用于直線位移的測量。但其實(shí)際測量頻率上限受制于傳感器中所包含的機(jī)械結(jié)構(gòu)。實(shí)際測量頻率上限受制于傳感器中所包含的機(jī)械結(jié)構(gòu)。借助彈性元件可以將壓力、重量等物理量轉(zhuǎn)換成位移的借助彈性元件可以將壓力、重量等物理量轉(zhuǎn)換成位移的變化，故也將這類傳感器用于壓力、重量等物理量的測變化，故也將這類傳感器用于壓力、重量等物理量的測量。量。電感式傳感器的應(yīng)用 電感式傳感器主要用于測量微位移，凡是能轉(zhuǎn)換成位移量變化的參數(shù)，如壓力、力、壓差、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、液位等都可以用電感式傳感器來進(jìn)行測量。位移傳感器的外形圖它主要用于位移，振動(dòng)，轉(zhuǎn)速測量。傳感器的前置放大器被集成安裝在傳感器殼體里，其輸出信號(hào)與測量

19、位移成正比。在傳感器測量量程內(nèi)線性精度優(yōu)于2%。電感接近開關(guān)應(yīng)用：電感式傳感器測液位差動(dòng)變壓器的應(yīng)用 差動(dòng)變壓器傳感器是將被測的非電量轉(zhuǎn)換成線圈互感量變化，并且其次級(jí)繞組采用差動(dòng)形式連接。 目前應(yīng)用最多的是螺線管是差動(dòng)變壓器，它可以測量1100mm范圍以內(nèi)的機(jī)械位移量. 測振動(dòng)、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度 測撓度左圖所示差動(dòng)變壓器式力傳感器：外力作用下，變形使差動(dòng)變壓器的鐵芯微位移，變壓器次極產(chǎn)生相應(yīng)電信號(hào)。 第四節(jié)第四節(jié) 光電脈沖式位移傳感器（光電編碼器）光電脈沖式位移傳感器（光電編碼器）一、光電編碼器的工作原理一、光電編碼器的工作原理 光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位光電

20、編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器是由光柵盤和移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的原板上等分地開通光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的原板上等分地開通若干個(gè)長方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，若干個(gè)長方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測，并輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如下：測裝置檢測，并輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如下：光源光源透鏡透鏡

21、碼盤碼盤轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸透鏡透鏡光敏元件光敏元件放大整形放大整形脈沖輸出脈沖輸出 通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外為判斷數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤可以提供相位相差旋轉(zhuǎn)方向，碼盤可以提供相位相差900的兩路的兩路脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)。 編碼器包括碼盤和碼尺編碼器包括碼盤和碼尺。碼盤用于測量。碼盤用于測量角度。碼尺用于測量長度，測量長度的實(shí)際角度。碼尺用于測量長度，測量長度的實(shí)際應(yīng)用比較少。所以在這里只討論碼盤。應(yīng)用比較少。所以在這里只討論碼盤。光源光源透鏡透鏡碼盤碼盤轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸透鏡透鏡光敏元件光敏元件放大整形放大整

22、形脈沖輸出脈沖輸出數(shù)字式角編碼器數(shù)字式角編碼器 信號(hào)航空插頭信號(hào)航空插頭其他角編碼器外形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)） 拉拉線式線式角編角編碼器利用線輪，碼器利用線輪，能將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)能將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其他角編碼器外形其他角編碼器外形（參考德國圖爾克傳感與自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)公司）（參考德國圖爾克傳感與自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)公司）光電編碼器包括增量編碼器和絕對(duì)碼編碼器兩大類。光電編碼器包括增量編碼器和絕對(duì)碼編碼器兩大類。二、增量編碼器二、增量編碼器 增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖出三組方波脈沖 A、B

23、和和C 相；相；A、B 兩組脈沖兩組脈沖相位差相位差 900，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而而 C 相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。 增量式編碼器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸盤碼及盤碼及狹縫狹縫光敏元件光敏元件光欄板及辨向用的光欄板及辨向用的A、B狹縫狹縫LEDABC零位標(biāo)志零位標(biāo)志ABC增量式編碼器增量式碼盤增量式碼盤10碼道碼道光電絕對(duì)式碼盤光電絕對(duì)式碼盤它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡單，機(jī)械平均壽命可單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時(shí)以上，抗在幾萬小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長距離傳高，適合于長距離傳輸。其缺點(diǎn)

24、是無法輸輸。其缺點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。置信息。透光區(qū)透光區(qū)不透光區(qū)不透光區(qū)零位標(biāo)志零位標(biāo)志增量式光電編碼器的分辨力及分辨率增量式光電編碼器的分辨力及分辨率 增量式光電編碼器的測量精度取決于增量式光電編碼器的測量精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與碼盤圓周上它所能分辨的最小角度，而這與碼盤圓周上的狹縫條紋數(shù)的狹縫條紋數(shù)n 有關(guān)，即最小能分辨的角度有關(guān)，即最小能分辨的角度及分辨率為：及分辨率為： n0360n1分辨率三、絕對(duì)式編碼器 絕對(duì)式碼盤與增量絕對(duì)式碼盤與增量式碼盤有何區(qū)別？式碼盤有何區(qū)別？10碼道光電絕對(duì)式碼盤碼道光電絕對(duì)式碼盤 絕對(duì)式編碼器按照絕對(duì)式編碼器按

25、照角度直接進(jìn)行編碼，角度直接進(jìn)行編碼，可直接把被測轉(zhuǎn)角用可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來。數(shù)字代碼表示出來。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式有接觸式、光電方式有接觸式、光電式等形式。式等形式。 透光區(qū)透光區(qū)不透光區(qū)不透光區(qū)零位標(biāo)志零位標(biāo)志三、三、 絕對(duì)式編碼器絕對(duì)式編碼器 絕對(duì)編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，絕對(duì)編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就

26、是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光當(dāng)碼盤處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否，轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制照與否，轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有 N 位位二進(jìn)制分辨

27、率的編碼器，其碼盤必須有二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有 N 條碼道。目條碼道。目前國內(nèi)已有前國內(nèi)已有 16 位的絕對(duì)編碼器產(chǎn)品。絕對(duì)式編碼器位的絕對(duì)編碼器產(chǎn)品。絕對(duì)式編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制（葛萊碼）方式進(jìn)行是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制（葛萊碼）方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。光電轉(zhuǎn)換的。絕對(duì)式編碼器與增量式編碼器不同之處絕對(duì)式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對(duì)編碼器可在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對(duì)編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測絕對(duì)位置。有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測絕對(duì)位置。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等編碼的

28、設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。它的特點(diǎn)是：它的特點(diǎn)是：1. 可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值；可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值；2.沒有累積誤差；沒有累積誤差；3. 電源切除后位置信息不會(huì)丟失。但是分辨率是由二電源切除后位置信息不會(huì)丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來決定的，進(jìn)制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，目前有也就是說精度取決于位數(shù)，目前有 10 位、位、14 位等多位等多種。種。絕對(duì)式接觸式編碼器絕對(duì)式接觸式編碼器演示演示4 4個(gè)電刷個(gè)電刷 4 4位二進(jìn)制位二進(jìn)制碼盤碼盤 +5V +5V輸入輸入 公共碼道公共碼道 最小分辨角度為最小分辨角度為 =360/2n 絕對(duì)式光電編碼器

29、的分辨力及分辨率絕對(duì)式光電編碼器的分辨力及分辨率 絕對(duì)式光電編碼器的測量精度取絕對(duì)式光電編碼器的測量精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與碼決于它所能分辨的最小角度，而這與碼盤上的碼道數(shù)盤上的碼道數(shù)n 有關(guān)，即最小能分辨的有關(guān)，即最小能分辨的角度及分辨率為：角度及分辨率為： =360/2n分辨率分辨率=1/2n光電編碼器是一種角度（角速度）檢測光電編碼器是一種角度（角速度）檢測裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理電轉(zhuǎn)換原理 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，具有體積小，精度高，工作可靠量，具有體積小，精度高，工作可靠,接接口數(shù)字化等優(yōu)

30、點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)口數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器人、雷達(dá)、床、回轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服傳動(dòng)、機(jī)器人、雷達(dá)、軍事目標(biāo)測定等需要檢測角度的裝置和軍事目標(biāo)測定等需要檢測角度的裝置和設(shè)備中。設(shè)備中。編碼器在伺服電機(jī)中的應(yīng)用編碼器在伺服電機(jī)中的應(yīng)用 利用利用編碼器測編碼器測量量伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角，并通過伺服轉(zhuǎn)角，并通過伺服控制系統(tǒng)控制其各控制系統(tǒng)控制其各種運(yùn)行參數(shù)。種運(yùn)行參數(shù)。轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)子磁極位置測量轉(zhuǎn)子磁極位置測量角位移測量角位移測量編碼器在定位編碼器在定位加工中的加工中的應(yīng)用應(yīng)用1 1絕對(duì)式編碼器絕對(duì)式編碼器 2電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī) 3轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 4轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)盤 5

31、工件工件 6刀具刀具 第五節(jié)第五節(jié) 光柵傳感器光柵傳感器 一、光柵的類型和結(jié)構(gòu)一、光柵的類型和結(jié)構(gòu) 光柵傳感器由光源、光柵副、光敏元件三大部分組光柵傳感器由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。光柵副成。光柵副是光柵傳感器的主要部分。在長度計(jì)量是光柵傳感器的主要部分。在長度計(jì)量中應(yīng)用的光柵中應(yīng)用的光柵通常稱為計(jì)量光柵通常稱為計(jì)量光柵，它主要由它主要由主光柵（也稱標(biāo)尺光柵）和主光柵（也稱標(biāo)尺光柵）和指示光柵指示光柵組成。組成。計(jì)量光柵可分為透射計(jì)量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類。式光柵和反射式光柵兩大類。當(dāng)標(biāo)尺當(dāng)標(biāo)尺光柵相對(duì)于指示光柵移動(dòng)時(shí)，形成的光柵相對(duì)于指示光柵移動(dòng)時(shí)，形成的莫爾條紋產(chǎn)

32、生亮暗交替變化，利用光莫爾條紋產(chǎn)生亮暗交替變化，利用光電接受元件，將莫爾條紋亮暗變化的電接受元件，將莫爾條紋亮暗變化的光信號(hào)光信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，并與數(shù)，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，并與數(shù)字顯示，從而測量出標(biāo)尺光柵的移動(dòng)字顯示，從而測量出標(biāo)尺光柵的移動(dòng)距離。距離。 透射光柵透射光柵是在一塊長方形的光學(xué)玻璃上均是在一塊長方形的光學(xué)玻璃上均勻地刻上許多條紋，形成規(guī)則排列的明暗線條。勻地刻上許多條紋，形成規(guī)則排列的明暗線條。 圖圖610中中a為刻線寬度，為刻線寬度，b為刻線間的縫隙為刻線間的縫隙寬度，寬度，a+b=w稱為光柵的柵距（或光柵常數(shù)）稱為光柵的柵距（或光柵常數(shù)） 指示光柵一般比主光柵短得多，通常

33、刻有指示光柵一般比主光柵短得多，通常刻有與主光柵同樣密度的線紋。與主光柵同樣密度的線紋。光源一般用鎢絲燈泡。光電元件包括光電池和光源一般用鎢絲燈泡。光電元件包括光電池和光敏三極管等部分。光敏三極管等部分。尺身尺身尺身安裝孔尺身安裝孔 反射式掃描頭反射式掃描頭 （與移動(dòng)部件固定）（與移動(dòng)部件固定）掃描頭安裝孔掃描頭安裝孔可移動(dòng)電纜可移動(dòng)電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)光柵的外形及結(jié)構(gòu)防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長磁柵防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長磁柵掃描頭掃描頭（與移動(dòng)部件固定）（與移動(dòng)部件固定）光柵尺光柵尺可移動(dòng)電纜可移動(dòng)電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）反射式光柵反射式光柵透射式直光柵透射式直光柵透射式圓光柵

34、透射式圓光柵固定固定莫爾條紋莫爾條紋的光學(xué)放大作用的光學(xué)放大作用 在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對(duì)疊在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對(duì)疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角角。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯(cuò)開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。光柵刻線的錯(cuò)開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。 光柵的刻線寬度光柵的刻線寬度W莫爾條紋的莫爾條紋的寬度寬度L L LW/ ，（為主為主光柵和光柵和指示光柵刻線的指示光柵刻線的夾角，弧度）夾角，弧度） 莫爾條紋莫爾條紋演示演示莫爾條紋莫爾條紋光學(xué)放大作用舉光學(xué)放大作用舉例例 有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，主光柵與，主光柵與指示光柵的夾角指示光柵的夾角 =1.8 ，則：，則： 分辨力分辨力 =柵距柵距W =1mm/50=0.02mm=20 m （由于柵距很小，因此無法觀察光強(qiáng)的變化）（由于柵距很小，因此無法觀察光強(qiáng)的變化） 莫爾條紋的莫爾條紋的寬度是柵距的寬度是柵距的32倍：倍： L W/ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于較大，因此可