大位移傳感器

大位移傳感器第1頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一5.5磁

柵

傳

感

器1磁柵的結構磁柵傳感器由磁柵（簡稱磁尺）、

磁頭和檢測電路組成。

磁尺是用非導磁性材料做尺基，

在尺基的上面鍍一層均勻的磁性薄膜，

然后錄上一定波長的磁信號而制成的。

磁信號的波長（周期）又稱節(jié)距，

用W表示。

磁信號的極性是首尾相接，

在N、N重疊處為正的最強，

在S、S重疊處為負的最強。

磁尺的斷面和磁化圖形如圖5-7所示。

第2頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一磁柵傳感器

磁柵價格低于光柵，且錄磁方便、易于安裝，測量范圍寬可超過十幾米，抗干擾能力強。磁柵可分為長磁柵和圓磁柵。長磁柵主要用于直線位移測量，圓磁柵主要用于角位移測量。磁柵傳感器主要由磁尺、磁頭和信號處理電路組成。第3頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一磁柵的外形及結構磁尺靜態(tài)磁頭去信號處理電路固定孔第4頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一磁頭與磁尺相對運動時的輸出波形演示第5頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一圖5-7磁柵傳感器示意圖

第6頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一5.4.2磁柵的工作原理這里以靜態(tài)磁頭為例，簡要說明磁柵傳感器的工作原理。

靜態(tài)磁頭的結構如圖5-7所示，它有兩組繞組N1和N2。其中，N1為勵磁繞組，N2為感應輸出繞組。在勵磁繞組中通入交變的勵磁電流，一般頻率為5kHz或25kHz，

幅值約為200mA。

勵磁電流使磁芯的可飽和部分（截面較?。┰诿恐芷趦?nèi)發(fā)生兩次磁飽和。磁飽和時磁芯的磁阻很大，磁柵上的漏磁通不能通過鐵芯，輸出繞組不產(chǎn)生感應電動勢。只有在勵磁電流每周兩次過零時，可飽和磁芯才能導磁，磁柵上的漏磁通使輸出繞組產(chǎn)生感應電動勢e?？梢姼袘妱觿莸念l率為勵磁電流頻率的兩倍，而e的包絡線反映了磁頭與磁尺的位置關系，其幅值與磁柵到磁芯漏磁通的大小成正比。

第7頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一圖9－86磁通響應型單拾磁磁頭結構(a)磁場分布；(b)磁頭結構

第8頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一鑒相型磁柵數(shù)顯表的原理框圖

磁尺與磁頭接觸，使用壽命不如光柵，數(shù)年后易退磁。設置兩個磁頭的意義何在？第9頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一雙磁頭是為了識別磁柵的移動方向而設置的，其結構如圖9－87所示。兩磁頭按(m±1／4)λ配置（m為正整數(shù)），它們的輸出電壓分別是

由于單磁頭讀取磁性標尺上的磁化信號輸出電壓很小，而且對磁尺上磁化信號的節(jié)距和波形要求高，因此可將多個磁頭以一定的方式串聯(lián)起來形成多間隙磁頭，如圖9－88所示。第10頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一圖9－87雙磁頭結構

第11頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一圖9－88多間隙磁頭

第12頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一磁柵測量系統(tǒng)壓板磁頭磁尺第13頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一磁柵在磨床測長系統(tǒng)中的應用磁尺磁頭安裝在何處？第14頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一第15頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一光

柵

傳

感

器1光柵的類型與結構

實際應用的光柵有透射光柵和反射光柵，按其工作原理可分為黑白光柵（幅射光柵）和相位光柵（炫耀光柵）；按其用途可分為直線光柵和圓光柵。如圖5-8所示，黑白透射直線光柵是在鍍有鋁箔的光學玻璃上，均勻地刻上許多明暗相間，寬度相同的透光線，稱為柵線。設柵線寬為a，線間縫寬為b，a+b=W稱為光柵節(jié)距(柵距)。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9；目前常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250線。使用時，長光柵裝在運動部件上，稱為標尺光柵;短光柵裝在固定部件上，稱為指示光柵。第16頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一反射式光柵第17頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一透射式光柵第18頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一透射式圓光柵固定第19頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一長光柵---直線位移；圓光柵---角位移

構成：主光柵---標尺光柵，定光柵；指示光柵---動光柵長度---測量范圍；刻線密度---測量精度(10、25、50、100、125線/mm

)第20頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一

長光柵圓光柵第21頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一工作原理：（透射光柵）§6-2常用典型位置檢測裝置標尺光柵指示光柵標尺光柵固定在機床活動部件上指示光柵安裝在讀數(shù)頭內(nèi)第22頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一2.光柵讀數(shù)頭第23頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一第24頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一b.敞開式光柵尺a.封閉式光柵尺c.長度計

（六）光柵產(chǎn)品簡介第25頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一尺身尺身安裝孔反射式掃描頭（與移動部件固定）掃描頭安裝孔可移動電纜光柵的外形及結構防塵保護罩的內(nèi)部為長磁柵第26頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一掃描頭（與移動部件固定）光柵尺可移動電纜光柵的外形及結構（續(xù)）第27頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一5.5.2莫爾條紋的形成原理與特點1.莫爾條紋的形成原理按照光學原理，對于柵距遠大于光波長的粗光柵，可以利用幾何光學的遮光原理來解釋莫爾條紋的形成。如圖5-9所示，

當兩個有相同柵距的光柵合在一起，

其柵線之間傾斜一個很小的夾角θ，于是在近乎垂直于柵線的方向上出現(xiàn)了明暗相間的條紋。

例如在h-h線上，

兩個光柵的柵線彼此重合，從縫隙中通過光的一半，

透光面積最大，形成條紋的亮帶；在g-g線上，

兩光柵的柵線彼此錯開，

形成條紋的暗帶；

當a=b=W/2時，

g-g線上是全黑的。

第28頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一圖5-9莫爾條紋原理（a）

莫爾條紋的形成；

（b）

莫爾條紋的寬度

第29頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一

2.莫爾條紋的寬度橫向莫爾條紋的寬度B與柵距W和傾斜角θ之間的關系，

可由圖5-9（b）求出（當θ角很小時）：

（5-5）

第30頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一3.莫爾條紋的特點式（5-5）說明莫爾條紋具有以下特點：（1）對位移的光學放大作用：即把極細微的柵線放大為很寬的條紋，便于測試。例如θ=10′，則，若W=0.01mm,則B=3.34mm。（2）連續(xù)變倍的作用：其放大倍數(shù)可通過使θ角連續(xù)變化，從而獲得任意粗細的莫爾條紋。第31頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一（3）對光柵刻線的誤差均衡作用：光柵的刻線誤差是不可避免的。由于莫爾條紋是由大量柵線共同組成的，光電元件感受的光通量是其視場覆蓋的所有光柵光通量的總和，具有對光柵的刻線誤差的平均效應，從而能消除短周期的誤差。例如對50線/mm的光柵（W=0.02mm），用5mm×5mm的光電池接收，光電池視場內(nèi)覆蓋250條柵線。若每條刻線誤差為δ0=±0.001mm，則平均誤差。第32頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一

4.莫爾條紋的移動方向當主光柵沿柵線垂直方向移動時，

莫爾條紋沿著夾角θ平分線（近似平行于柵線）方向移動。

莫爾條紋移動時的方向和光柵夾角的關系見表5-1。

第33頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一表5-1莫爾條紋和光柵移動方向與夾角轉(zhuǎn)向之間的關系

第34頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一

5.莫爾條紋測量位移的原理光柵每移過一個柵距W，莫爾條紋就移過一個間距B。通過測量莫爾條紋移過的數(shù)目，即可得出光柵的位移量。由于光柵的遮光作用，透過光柵的光強隨莫爾條紋的移動而變化，變化規(guī)律接近于一直流信號和一交流信號的疊加。固定在指示光柵一側的光電轉(zhuǎn)換元件的輸出，可以用光柵位移量x的正弦函數(shù)表示，如圖5-10所示。只要測量波形變化的周期數(shù)N（等于莫爾條紋移動數(shù)）就可知道光柵的位移量x，其數(shù)學表達式為x=N·W第35頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一圖5-10光電元件輸出與光柵位移的關系第36頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一光柵尺及數(shù)顯表第37頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一光柵尺在機床導軌上的安裝第38頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一

2．光柵尺的安裝與調(diào)整

1－床身；2－光柵尺；3－掃描頭；4－滾珠絲杠螺母副；5－床鞍光柵尺在機床上的安裝示意圖

第39頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一光柵在數(shù)控車床上的安裝位置三、光柵第40頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一三、光柵光柵在數(shù)控鏜銑床上的安裝位置第41頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一為光柵設計的專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器（光柵計數(shù)卡）內(nèi)部包含以下電路：放大、整形、細分、辨向、報警、阻抗變換等。第42頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一為光柵設計

的專用信號

處理單元（光柵插補器）功能同上頁第43頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一光柵在機床上的安裝位置（2個自由度）第44頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一光柵在機床上的安裝位置（3個自由度）數(shù)顯表第45頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一光柵在機床上

的安裝位置

（3個自由度）（續(xù)）第46頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一2自由度光柵數(shù)顯表X位移顯示Z（Y）位移顯示第47頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一3自由度光柵數(shù)顯表第48頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一光柵數(shù)顯表（續(xù)）三座標數(shù)顯表第49頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一SDS8-3E光柵數(shù)顯箱功能:公制/英制轉(zhuǎn)換

絕對/相對轉(zhuǎn)換

線性誤差補償

正反方向計算

歸零

插值補償

到達目標值停機

PCD圓周分孔

200組零位記憶

電蝕深度目標值顯示

實時工作位置顯示

掉電記憶第50頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一光柵數(shù)顯表（續(xù)）設定按鍵第51頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一安裝有直線光柵的數(shù)控機床加工實況

防護罩內(nèi)為直線光柵光柵掃描頭被加工工件切削刀具角編碼器安裝在夾具的端部第52頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一感

應

同

步

器

5.3.1感應同步器的結構和種類1.直線式感應同步器的結構直線式感應同步器的定尺和滑尺，

都由圖中的基板、

絕緣層和繞組構成，

繞組的外面包有一層與繞組絕緣的接地屏蔽層，

如圖5-4所示。

定尺安裝在靜止的機械設備上，與導軌母線平行；

滑尺安裝在活動的機械部件上，與定尺之間保持均勻的狹小氣隙。

滑尺相對定尺而移動。

第53頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一直線式感應同步器定尺和滑尺的基板采用鑄鐵或其他鋼材做成。這些鋼材的線膨脹系數(shù)應與安裝感應同步器的床身的線膨脹系數(shù)相近，以減小溫度誤差。在定尺和滑尺上腐蝕成印制電路繞組，

繞組的材料為銅。

考慮到接長的要求和安裝的方便，

將定尺繞組做成連續(xù)式，

由一連串線圈串聯(lián)而成；

而將滑尺繞組做成分段式，

并分別為正弦繞組（S繞組）和余弦繞組（C繞組），

它們在空間位置上錯開而形成90°相位差，

如圖5-5所示。

第54頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一sincos節(jié)距2τ（2mm）節(jié)距（0.5mm）定尺滑尺第55頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一圖9－84感應同步器結構示意圖第56頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一2．感應同步器的工作原理

1、對滑尺上的繞組通以交流電，根據(jù)電磁原理，將在定尺繞組上感應出電壓，定尺繞組中感應電壓是滑尺上正弦繞組和余弦繞組所產(chǎn)生的感應電壓的矢量和。滑尺每移動一個節(jié)距，定尺上感應電壓按余弦規(guī)律變化一周。2、由于定尺上感應電壓變化的周期與滑尺相對定尺移動的節(jié)距2對應，而節(jié)距又與工作臺的實際位移x有關，從而可以間接對工作臺的位移進行檢測，這就是感應同步器的工作原理。

第57頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一

2.直線式感應同步器的種類根據(jù)不同的運行方式、精度要求、測量范圍、安裝條件等，直線式感應同步器可設計成各種不同的尺寸、形狀和種類。（1）標準型：標準型直線感應同步器精度高，應用最普遍，每根定尺長250mm。如果測量長度超過175mm時，可將幾根定尺接起來使用，甚至可連接長達十幾米，但必須保持安裝平整，否則極易損壞。（2）

窄型：

窄型直線同步感應器中定尺、

滑尺長度與標準型相同，

僅是定尺寬度為標準型的一半。

用于安裝尺寸受限制的設備，

精度稍低于標準型。

第58頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一（3）帶型：定尺的基板改用鋼帶，滑尺做成滑標式，直接套在定尺上。安裝表面不用加工。使用時只需將鋼帶兩頭固定即可。（4）

三重型：

在一根定尺上有粗、

中、

精三種繞組，

以便構成絕對坐標系統(tǒng)。

第59頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一5.3.2感應同步器的工作原理感應同步器利用定尺和滑尺的兩個平面印刷電路繞組的互感隨其相對位置變化的原理，

將位移轉(zhuǎn)換為電信號。

感應同步器工作時，

定尺和滑尺相互平行、

相對放置，

它們之間保持一定的氣隙（0.25±0.005）mm，

定尺固定，

滑尺可動。

當滑尺的S和C繞組分別通過一定的正、

余弦電壓激勵時，

定尺繞組中就會有感應電勢產(chǎn)生，

其值是定、

滑尺相對位置的函數(shù)。

第60頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一幾點說明：感應同步器的測量周期為其繞組的節(jié)距2τ（2mm）感應同步器的測量精度取決于測量電路對輸出感應電壓的細分精度。現(xiàn)在商品化的感應