《機械工程測試技術(shù)》配套PPT課件

《機械工程測試技術(shù)》配套PPT課件,機械工程測試技術(shù),機械工程,測試,技術(shù),配套,PPT,課件 東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院（東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院（2011）第2頁學(xué)習(xí)導(dǎo)航學(xué)習(xí)導(dǎo)航12.1 常用位移傳感器常用位移傳感器12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器12.4 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器12.5 激光干涉儀激光干涉儀12.6 厚度測量厚度測量第3頁引言引言位移與厚度同屬長度計量的范疇。位移與厚度同屬長度計量的范疇。位移（位移（displacement）是線位移和角位移的統(tǒng)稱。位移測量）是線位移和角位移的統(tǒng)稱。位移測量在機械工程中應(yīng)用十分廣泛，許多參數(shù)的測量也以位移測量在機械工程中應(yīng)用十分廣泛，許多參數(shù)的測量也以位移測量為基礎(chǔ)。為基礎(chǔ)。位移位移是指物體上的某一點或某一射線在一定方向上的位置移是指物體上的某一點或某一射線在一定方向上的位置移動或轉(zhuǎn)動，因此位移是動或轉(zhuǎn)動，因此位移是矢量矢量，測量時，應(yīng)使測量方向與位移，測量時，應(yīng)使測量方向與位移方向重合。方向重合。位移測量位移測量系統(tǒng)系統(tǒng)由位移傳感器、相應(yīng)的測量放大電路和終端顯由位移傳感器、相應(yīng)的測量放大電路和終端顯示裝置等組成。示裝置等組成。第4頁12.1 常常用位移傳感器用位移傳感器根據(jù)傳感器的根據(jù)傳感器的變換原理變換原理，常用的位移測量傳感器可分為，常用的位移測量傳感器可分為電阻式、電感式、電容式、磁電式和光電式等。電阻式、電感式、電容式、磁電式和光電式等。電電阻阻式式變阻器變阻器線位移線位移角位移角位移應(yīng)變式應(yīng)變式非粘貼非粘貼粘貼粘貼半導(dǎo)體半導(dǎo)體電容電容式式變面積變面積變間距變間距磁電磁電式式霍爾元件霍爾元件光光電電式式遮光式遮光式計量計量光柵光柵長光柵長光柵圓光柵圓光柵反射式反射式激光干涉儀激光干涉儀吸收式吸收式射線物位計射線物位計電電感感式式自感式自感式變氣隙型變氣隙型螺管型螺管型互感式互感式旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器差動變壓器差動變壓器感應(yīng)感應(yīng)同步器同步器直線式直線式旋轉(zhuǎn)式旋轉(zhuǎn)式磁尺磁尺長磁尺長磁尺圓磁尺圓磁尺渦流式渦流式超聲波（測距、測厚）超聲波（測距、測厚）編碼器編碼器光電式光電式接觸式接觸式第5頁12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器 12.2.0 特點概述特點概述精度高精度高。光柵傳感器在大量程測長或直線位移方面的精度僅。光柵傳感器在大量程測長或直線位移方面的精度僅低于激光干涉儀；圓分度和角位移測量方面精度最高；低于激光干涉儀；圓分度和角位移測量方面精度最高；兼有兼有高分辨率高分辨率和和大量程大量程兩種特性。感應(yīng)同步器也具有大量程兩種特性。感應(yīng)同步器也具有大量程測量的特點，但分辨率和精度都不如光柵傳感器；測量的特點，但分辨率和精度都不如光柵傳感器；可實現(xiàn)可實現(xiàn)數(shù)字化動態(tài)測量數(shù)字化動態(tài)測量，易于實現(xiàn)測量和數(shù)據(jù)處理自動化；，易于實現(xiàn)測量和數(shù)據(jù)處理自動化；具有較強的具有較強的抗干擾抗干擾能力，不僅可用于實驗室，也可用于精密能力，不僅可用于實驗室，也可用于精密加工車間中的數(shù)控機床；加工車間中的數(shù)控機床；第6頁12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器12.2.0 特點概述（續(xù)）特點概述（續(xù)）獲得高精度的光柵尺價格較貴，其獲得高精度的光柵尺價格較貴，其成本成本比感應(yīng)同步器高；比感應(yīng)同步器高；制造制造量程量程大于大于1m的光柵尚有困難，但可以接長；的光柵尚有困難，但可以接長；采用采用增量式增量式測量，與編碼盤等絕對式測量相比，在高速工作測量，與編碼盤等絕對式測量相比，在高速工作時易產(chǎn)生誤差。時易產(chǎn)生誤差。第7頁12.2.1 光柵式傳感器的基本原理和分類光柵式傳感器的基本原理和分類1.光柵式傳感器的組成和結(jié)構(gòu)（光柵式傳感器的組成和結(jié)構(gòu)（1）12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器a)長光柵b)圓光柵光柵刻線示意光柵光柵（grating）是在基體上刻）是在基體上刻有均勻分布條紋的光學(xué)元件。有均勻分布條紋的光學(xué)元件。直光柵上的刻線稱為直光柵上的刻線稱為柵線柵線，W=a+b稱為光柵的柵距稱為光柵的柵距（光柵常（光柵常數(shù)或節(jié)距）數(shù)或節(jié)距），a、b分別為柵線分別為柵線和縫隙寬度。通常和縫隙寬度。通常a=b，或或a/b=1.1:0.9。線紋密度線紋密度一般為每毫米一般為每毫米100、50、25和和10線。線。第8頁12.2.1 光柵式傳感器的基本原理和分類光柵式傳感器的基本原理和分類1.光柵式傳感器的組成和結(jié)構(gòu)（光柵式傳感器的組成和結(jié)構(gòu)（2）12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器光柵式傳感器安裝示例兩塊柵距相同的光柵：兩塊柵距相同的光柵：較長的光柵稱為較長的光柵稱為標尺光柵標尺光柵（或主光（或主光柵），通常安裝在活動部件上，其柵），通常安裝在活動部件上，其有效長度即為測量范圍；有效長度即為測量范圍；另一塊光柵很短，稱另一塊光柵很短，稱指示光柵指示光柵，它通常與光學(xué)系統(tǒng)等組成讀它通常與光學(xué)系統(tǒng)等組成讀數(shù)頭，安裝在固定部件上。數(shù)頭，安裝在固定部件上。兩光柵刻線面相對疊合，兩光柵刻線面相對疊合，中間留很小的間隙，組成中間留很小的間隙，組成光柵副光柵副。第9頁12.2.1 光柵式傳感器的基本原理和分類光柵式傳感器的基本原理和分類1.光柵式傳感器的組成和結(jié)構(gòu)（光柵式傳感器的組成和結(jié)構(gòu)（3）12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器光柵傳感器的結(jié)構(gòu) 將光柵副置于由點光源和凸透鏡形成的平行光束中，使標尺將光柵副置于由點光源和凸透鏡形成的平行光束中，使標尺光柵隨被測物體移動，則通過光柵副的光強隨之變化。光柵隨被測物體移動，則通過光柵副的光強隨之變化。用光電元件接收此光用光電元件接收此光強信號，經(jīng)電路處理強信號，經(jīng)電路處理后，可得標尺光柵移后，可得標尺光柵移過的距離。過的距離。第10頁12.2.1 光柵式傳感器的基本原理和分類光柵式傳感器的基本原理和分類2.莫爾條紋現(xiàn)象（莫爾條紋現(xiàn)象（1）莫爾條紋的幾何光學(xué)原理）莫爾條紋的幾何光學(xué)原理B12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器若兩柵線間有很小夾角，則在近似垂直于柵線的方向上可顯若兩柵線間有很小夾角，則在近似垂直于柵線的方向上可顯示出比柵距示出比柵距W寬得很多的明暗相間的條紋，這些條紋稱為寬得很多的明暗相間的條紋，這些條紋稱為“莫莫爾條紋爾條紋”，類似絲綢的波紋花樣。，類似絲綢的波紋花樣。當(dāng)標尺光柵沿垂直于柵線的當(dāng)標尺光柵沿垂直于柵線的x方向每移動一個柵距方向每移動一個柵距W時，莫爾時，莫爾條紋沿近似柵線的方條紋沿近似柵線的方向移過一個向移過一個條紋間距條紋間距B。莫爾（Moire）條紋 第11頁12.2.1 光柵式傳感器的基本原理和分類光柵式傳感器的基本原理和分類2.莫爾條紋現(xiàn)象（莫爾條紋現(xiàn)象（1）莫爾條紋的幾何光學(xué)原理）莫爾條紋的幾何光學(xué)原理橫橫向向條條紋紋光光閘閘條條紋紋12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器對于柵距較大的黑白光柵，可按光直線傳播的對于柵距較大的黑白光柵，可按光直線傳播的幾何光學(xué)原理幾何光學(xué)原理，求得光柵副結(jié)構(gòu)參數(shù)與莫爾條紋幾何圖案之間的關(guān)系。求得光柵副結(jié)構(gòu)參數(shù)與莫爾條紋幾何圖案之間的關(guān)系。兩個亮帶之兩個亮帶之間距間距離離B為莫爾條紋的寬度。為莫爾條紋的寬度。柵線的形狀和排列方向不同，能夠形成各種柵線的形狀和排列方向不同，能夠形成各種形狀形狀的莫爾條紋。的莫爾條紋。第12頁12.2.1 光柵式傳感器的基本原理和分類光柵式傳感器的基本原理和分類2.莫爾條紋現(xiàn)象（莫爾條紋現(xiàn)象（1）莫爾條紋的幾何光學(xué)原理）莫爾條紋的幾何光學(xué)原理圓弧形條紋圓弧形條紋光閘條紋光閘條紋環(huán)形條紋環(huán)形條紋12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器第13頁12.2.1 光柵式傳感器的基本原理和分類光柵式傳感器的基本原理和分類2.莫爾條紋現(xiàn)象（莫爾條紋現(xiàn)象（1）莫爾條紋的莫爾條紋的 幾何光學(xué)原理幾何光學(xué)原理莫爾條紋莫爾條紋間距間距B：是兩個亮帶（或暗帶）是兩個亮帶（或暗帶）間的垂直距離。間的垂直距離。12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器莫爾條紋間距B的定義 第14頁12.2.1 光柵式傳感器的基本原理和分類光柵式傳感器的基本原理和分類2.莫爾條紋現(xiàn)象（莫爾條紋現(xiàn)象（1）莫爾條紋的幾何光學(xué)原理）莫爾條紋的幾何光學(xué)原理若兩光柵常數(shù)相等，則若兩光柵常數(shù)相等，則MNP為等腰三角形：為等腰三角形：12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器由于由于q q 很小很?。耗獱枟l紋間距B的計算第15頁12.2.1 光柵式傳感器的基本原理和分類光柵式傳感器的基本原理和分類2.莫爾條紋現(xiàn)象（莫爾條紋現(xiàn)象（2）莫爾條紋的特性）莫爾條紋的特性運動對應(yīng)運動對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)標尺光柵向右（或向左）運動一個柵距關(guān)系。當(dāng)標尺光柵向右（或向左）運動一個柵距W時，時，莫爾條紋向下（或向上）移動一個條紋間距莫爾條紋向下（或向上）移動一個條紋間距B。測量時，可以。測量時，可以根據(jù)莫爾條紋移動的量和方向判定光柵的相對運動。根據(jù)莫爾條紋移動的量和方向判定光柵的相對運動。位移放大位移放大作用。光柵副中，由于作用。光柵副中，由于q q 很小，很小，B W/q q，即莫爾條即莫爾條紋具有放大作用，其放大倍數(shù)為紋具有放大作用，其放大倍數(shù)為K=B/W 1/q q。一般。一般q q角很小，角很小，W 可做到約可做到約0.01mm，而，而B可以到可以到68mm。誤差均化誤差均化效應(yīng)。莫爾條紋由大量柵線共同形成，能極大地消效應(yīng)。莫爾條紋由大量柵線共同形成，能極大地消除柵距局部誤差的影響。若單根柵線位置誤差的標準差為除柵距局部誤差的影響。若單根柵線位置誤差的標準差為s s，則則n條柵線形成的莫爾條紋的位置誤差的標準差為條柵線形成的莫爾條紋的位置誤差的標準差為s sn=s s/。12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器第16頁12.2.1 光柵式傳感器的基本原理和分類光柵式傳感器的基本原理和分類2.莫爾條紋現(xiàn)象（莫爾條紋現(xiàn)象（3）莫爾條紋信號的質(zhì)量指標）莫爾條紋信號的質(zhì)量指標信號的信號的正弦性正弦性。莫爾條紋的輸出信號是基波和各次諧波的疊加。莫爾條紋的輸出信號是基波和各次諧波的疊加。諧波含量越小，正弦性越好，可細分精度越高。諧波含量越小，正弦性越好，可細分精度越高。輸出信號的輸出信號的直流電平漂移直流電平漂移。信號中的直流分量在全量程范圍內(nèi)。信號中的直流分量在全量程范圍內(nèi)變動，稱為直流電平漂移。其原因是光柵透光度及光強的變化變動，稱為直流電平漂移。其原因是光柵透光度及光強的變化和光電器件本身的直流漂移等?？梢鸺毞终`差。和光電器件本身的直流漂移等。可引起細分誤差。輸出信號的輸出信號的對比度對比度。表示莫爾條紋明暗的反襯程度。表示莫爾條紋明暗的反襯程度。影響因。影響因素有光源單色性、光強穩(wěn)定性、光源及接收窗口尺寸、衍射、素有光源單色性、光強穩(wěn)定性、光源及接收窗口尺寸、衍射、光柵質(zhì)量及間隙等。若對比度太低，則易被噪聲淹沒。光柵質(zhì)量及間隙等。若對比度太低，則易被噪聲淹沒。12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器莫爾條紋信號質(zhì)量的影響莫爾條紋信號質(zhì)量的影響因素因素：光柵質(zhì)量及光柵副的工作條件。：光柵質(zhì)量及光柵副的工作條件。第17頁12.2.1 光柵式傳感器的基本原理和分類光柵式傳感器的基本原理和分類2.莫爾條紋現(xiàn)象（莫爾條紋現(xiàn)象（3）莫爾條紋信號的質(zhì)量指標）莫爾條紋信號的質(zhì)量指標輸出信號幅度的輸出信號幅度的穩(wěn)定性穩(wěn)定性。在全量程范圍內(nèi)，輸出信號的基波幅。在全量程范圍內(nèi)，輸出信號的基波幅值的波動。影響因素為光強不穩(wěn)定和光柵運動速度不均勻。值的波動。影響因素為光強不穩(wěn)定和光柵運動速度不均勻。輸出信號的輸出信號的正交性正交性和和等幅性等幅性。用多個光電轉(zhuǎn)換器件在不同位置。用多個光電轉(zhuǎn)換器件在不同位置同時接收同一莫爾條紋信號，可使多相輸出信號依次相差同時接收同一莫爾條紋信號，可使多相輸出信號依次相差90，稱為輸出信號的正交性。各相輸出信號基波的幅值之差表示，稱為輸出信號的正交性。各相輸出信號基波的幅值之差表示各信號的一致程度，稱為輸出信號的等幅性。光柵柵距誤差和各信號的一致程度，稱為輸出信號的等幅性。光柵柵距誤差和柵線夾角誤差都會影響正交性。輸出信號的正交性偏差和等幅柵線夾角誤差都會影響正交性。輸出信號的正交性偏差和等幅性差值都會帶來細分誤差。性差值都會帶來細分誤差。12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器第18頁12.2.2 光柵的光學(xué)系統(tǒng)光柵的光學(xué)系統(tǒng)1.定義和分類定義和分類定義定義：形成莫爾條紋的光學(xué)系統(tǒng)，包括產(chǎn)生和拾取莫爾條紋信：形成莫爾條紋的光學(xué)系統(tǒng)，包括產(chǎn)生和拾取莫爾條紋信號的光源、光電接收元件和電路，可把標尺光柵的位移轉(zhuǎn)換為號的光源、光電接收元件和電路，可把標尺光柵的位移轉(zhuǎn)換為電信號。電信號。分類分類：直讀式、影像式、分光式、粗細柵距組合式和相位調(diào)制：直讀式、影像式、分光式、粗細柵距組合式和相位調(diào)制式等。式等。12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器第19頁12.2.2 光柵的光學(xué)系統(tǒng)光柵的光學(xué)系統(tǒng)2.直讀式光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點直讀式光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：點光源發(fā)射的光經(jīng)透鏡后變成平行光束，經(jīng)光柵副形成：點光源發(fā)射的光經(jīng)透鏡后變成平行光束，經(jīng)光柵副形成的莫爾條紋信號直接由四個光電元件接收。每當(dāng)標尺光柵移動的莫爾條紋信號直接由四個光電元件接收。每當(dāng)標尺光柵移動一個柵距，每個光電元件都輸出一個周期的電信號。一個柵距，每個光電元件都輸出一個周期的電信號。特點特點：傳感器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，調(diào)整方便，在光柵式傳感器中：傳感器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，調(diào)整方便，在光柵式傳感器中廣泛應(yīng)用，適用于粗柵距的黑白透射光柵。廣泛應(yīng)用，適用于粗柵距的黑白透射光柵。12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器透射直讀式光學(xué)系統(tǒng)第20頁12.2.2 光柵的光學(xué)系統(tǒng)光柵的光學(xué)系統(tǒng) 3.位移的測量（位移的測量（1）大?。┐笮∧獱枟l紋移動時，輸出電壓信號的幅值為光柵位移量莫爾條紋移動時，輸出電壓信號的幅值為光柵位移量x的函數(shù)，的函數(shù)，近似為：近似為：式中：式中：u0、um輸出信號中的直流分量和波動部分的幅值；輸出信號中的直流分量和波動部分的幅值；x兩光柵間的瞬時相對位移。兩光柵間的瞬時相對位移。信號經(jīng)放大、整形后變?yōu)榉讲?，?jīng)微分電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號，信號經(jīng)放大、整形后變?yōu)榉讲ǎ?jīng)微分電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號，再經(jīng)過辨向電路和可逆計數(shù)器計數(shù)，則可在顯示器上以數(shù)字形再經(jīng)過辨向電路和可逆計數(shù)器計數(shù)，則可在顯示器上以數(shù)字形式實時地顯示出位移大小。式實時地顯示出位移大小。12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器位移為脈沖數(shù)與柵距的乘積。位移為脈沖數(shù)與柵距的乘積。第21頁12.2.2 光柵的光學(xué)系統(tǒng)光柵的光學(xué)系統(tǒng) 3.位移的測量（位移的測量（2）方向）方向把莫爾條紋的寬度把莫爾條紋的寬度B調(diào)整到等于四極硅光電池的總寬度調(diào)整到等于四極硅光電池的總寬度S。各硅光電池寬度為各硅光電池寬度為B/4，由其轉(zhuǎn)換而成的電信號相位依次相差，由其轉(zhuǎn)換而成的電信號相位依次相差90。12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器透射直讀式光學(xué)系統(tǒng)第22頁12.2.2 光柵的光學(xué)系統(tǒng)光柵的光學(xué)系統(tǒng) 3.位移的測量（位移的測量（2）方向）方向利用四極硅光電池的安放位利用四極硅光電池的安放位置，直接得到對莫爾條紋進置，直接得到對莫爾條紋進行的四細分，故稱為行的四細分，故稱為位置細位置細分分或直接細分。或直接細分?？蓜庸鈻牌蜃蠡蛳蛴乙苿?，在一固定點觀察時，莫爾條紋均可動光柵片向左或向右移動，在一固定點觀察時，莫爾條紋均作明暗交替的變化，無法判別光柵移動的方向，亦不能正確測作明暗交替的變化，無法判別光柵移動的方向，亦不能正確測量出有往復(fù)移動時位移的大小。必須加入量出有往復(fù)移動時位移的大小。必須加入辨向電路辨向電路?？蓜庸鈻牌倪\動方向，決定了莫爾條紋的運動方向和光信號可動光柵片的運動方向，決定了莫爾條紋的運動方向和光信號的的相位次序相位次序，可通過辨向電路辨別光柵片的運動方向。，可通過辨向電路辨別光柵片的運動方向。12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器透射直讀式光學(xué)系統(tǒng)第23頁12.2.2 光柵的光學(xué)系統(tǒng)光柵的光學(xué)系統(tǒng) 3.位移的測量（位移的測量（2）方向）方向兩個相隔兩個相隔B/4的光電元件，各得到相差的光電元件，各得到相差p p/2的電信號的電信號u1和和u2。標尺光柵向左移動（標尺光柵向左移動（A向），莫爾條紋上移，向），莫爾條紋上移，u1變大。變大。u1和和u2經(jīng)整形轉(zhuǎn)換成兩個方波信號經(jīng)整形轉(zhuǎn)換成兩個方波信號u1和和u2。12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器辨向工作原理第24頁u1和和 再經(jīng)過由電阻和電容構(gòu)成的再經(jīng)過由電阻和電容構(gòu)成的微分微分電路，得電路，得u1和和 。u1和和 中的中的負脈沖負脈沖可看作低電平，用零電平代替?？煽醋鞯碗娖?，用零電平代替。u2控制控制與門，使其根據(jù)光柵移動的方向輸出脈沖。與門，使其根據(jù)光柵移動的方向輸出脈沖。12.2.2 光柵的光學(xué)系統(tǒng)光柵的光學(xué)系統(tǒng)3.位移的測量（位移的測量（2）方向）方向u1經(jīng)非門可得經(jīng)非門可得 。12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器辨向工作原理及其邏輯電路 第25頁12.2.2 光柵的光學(xué)系統(tǒng)光柵的光學(xué)系統(tǒng) 3.位移的測量（位移的測量（2）方向）方向12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器辨向工作原理及其邏輯電路 當(dāng)標尺光柵沿當(dāng)標尺光柵沿A方向方向移動時：移動時：u1中的脈沖正好發(fā)生在中的脈沖正好發(fā)生在u2處于處于“0”電平時，與門電平時，與門Y1被阻塞，被阻塞，因而經(jīng)因而經(jīng)Yl無脈沖輸出；無脈沖輸出；中的脈沖與中的脈沖與u2的的“1”電平相遇，因而經(jīng)電平相遇，因而經(jīng)Y2輸出計數(shù)脈沖。輸出計數(shù)脈沖。第26頁12.2.2 光柵的光學(xué)系統(tǒng)光柵的光學(xué)系統(tǒng) 3.位移的測量（位移的測量（2）方向）方向12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器辨向工作原理及其邏輯電路 當(dāng)標尺光柵沿當(dāng)標尺光柵沿 方向方向移動時：移動時：中的脈沖正好發(fā)生在中的脈沖正好發(fā)生在u2處于處于“0”電平時，與門電平時，與門Y2被阻塞，被阻塞，因而經(jīng)因而經(jīng)Y2無脈沖輸出；無脈沖輸出；u1中的脈沖與中的脈沖與u2的的“1”電平相遇，因而經(jīng)電平相遇，因而經(jīng)Y1輸出計數(shù)脈沖。輸出計數(shù)脈沖。第27頁12.2.2 光柵的光學(xué)系統(tǒng)光柵的光學(xué)系統(tǒng) 3.位移的測量（位移的測量（3）精度）精度若以移過的莫爾條紋的個數(shù)確定位移量，則光柵的分辨力為其若以移過的莫爾條紋的個數(shù)確定位移量，則光柵的分辨力為其柵距。柵距。采用采用細分技術(shù)細分技術(shù)，可提高分辨力：在莫爾條紋信號的一個周期內(nèi)，可提高分辨力：在莫爾條紋信號的一個周期內(nèi)，通過增加計數(shù)脈沖數(shù)，來減小脈沖當(dāng)量。通過增加計數(shù)脈沖數(shù)，來減小脈沖當(dāng)量。四倍頻電子細分法四倍頻電子細分法：在相差：在相差B/4處裝兩個光電元件，得兩個相處裝兩個光電元件，得兩個相位相差位相差p p/2的電信號；將其反相得四個依次相差的電信號；將其反相得四個依次相差p p/2的信號，即的信號，即在移動一個柵距時得四個計數(shù)脈沖。也可在相差在移動一個柵距時得四個計數(shù)脈沖。也可在相差B/4處裝四個處裝四個光電元件實現(xiàn)同樣效果。光電元件實現(xiàn)同樣效果。安裝更多的光電元件可得到高的細分數(shù)。安裝更多的光電元件可得到高的細分數(shù)。12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器第28頁12.2.2 光柵的光學(xué)系統(tǒng)光柵的光學(xué)系統(tǒng) 4.小型直讀式系統(tǒng)實例小型直讀式系統(tǒng)實例光源采用砷化鎵（光源采用砷化鎵（GaAs）紅外發(fā)光二極管直接照明。）紅外發(fā)光二極管直接照明。莫爾條紋信號由光敏三極管（或光敏二極管）直接接收。莫爾條紋信號由光敏三極管（或光敏二極管）直接接收。結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，便于安裝在機床或其他檢測儀器上。結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，便于安裝在機床或其他檢測儀器上。12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器小型直讀式光柵系統(tǒng) 第29頁12.2.3 計量光柵的種類計量光柵的種類12.2 光柵式傳感器光柵式傳感器長光柵柵線疏密用長光柵柵線疏密用柵線密度柵線密度（每（每毫米長度內(nèi)的柵線數(shù)）表示。如毫米長度內(nèi)的柵線數(shù)）表示。如W=0.02mm，其柵線密度為，其柵線密度為50線線/mm；圓光柵還使用圓光柵還使用柵距角柵距角d d（也稱節(jié)距角）。（也稱節(jié)距角）。計量光柵的分類 圓光柵刻線示意 第30頁12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器12.3.1 光電盤傳感器（光電盤傳感器（1）原理）原理是一種最簡單的光電式轉(zhuǎn)角測量元件。是一種最簡單的光電式轉(zhuǎn)角測量元件。光電盤圓周上均布槽縫或小孔；光欄板上有兩狹縫，縫距為光電盤圓周上均布槽縫或小孔；光欄板上有兩狹縫，縫距為光電盤槽距或孔距的光電盤槽距或孔距的1/4，每條縫后裝一光電管。每條縫后裝一光電管。光電管將光信號轉(zhuǎn)換為電脈光電管將光信號轉(zhuǎn)換為電脈沖，經(jīng)整形、放大、分頻、沖，經(jīng)整形、放大、分頻、計數(shù)和譯碼后輸出或顯示。計數(shù)和譯碼后輸出或顯示。由脈沖數(shù)可測回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角。由脈沖數(shù)可測回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角。加傳動裝置可測直線位移。加傳動裝置可測直線位移。光電盤的工作原理 第31頁12.3.1 光電盤傳感器（光電盤傳感器（2）特點和應(yīng)用）特點和應(yīng)用由光欄板兩狹縫中信號的次序，可判別光電盤的旋轉(zhuǎn)方向。由光欄板兩狹縫中信號的次序，可判別光電盤的旋轉(zhuǎn)方向。制造精度較低，只能測增量值，易受環(huán)境干擾。制造精度較低，只能測增量值，易受環(huán)境干擾。多用于簡易型和經(jīng)濟型多用于簡易型和經(jīng)濟型數(shù)控設(shè)備。數(shù)控設(shè)備。12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤的工作原理 第32頁12.3.2 編碼盤（編碼盤（binary shaft encoder）傳感器）傳感器0.概述概述是廣泛應(yīng)用的編碼式是廣泛應(yīng)用的編碼式數(shù)字數(shù)字傳感器傳感器，把角位移直接，把角位移直接轉(zhuǎn)換成代碼的傳感器。轉(zhuǎn)換成代碼的傳感器。是是機械式機械式模模/數(shù)編碼器，數(shù)編碼器，不同角位移狀態(tài)與數(shù)字不同角位移狀態(tài)與數(shù)字編碼一一對應(yīng)。編碼一一對應(yīng)。分為光電式、接觸式和電磁式。分為光電式、接觸式和電磁式。增量編碼盤增量編碼盤也可測角位移。但由也可測角位移。但由于沒有編碼功能，不屬于嚴格意義上的編碼盤傳感器。于沒有編碼功能，不屬于嚴格意義上的編碼盤傳感器。12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器四位二進制碼盤 第33頁12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器1.光電編碼盤的基本原理（光電編碼盤的基本原理（1）編碼結(jié)構(gòu)）編碼結(jié)構(gòu)編碼盤為圓盤形裝置，編碼盤為圓盤形裝置，按一定規(guī)律刻有二進按一定規(guī)律刻有二進制數(shù)碼。制數(shù)碼。各圓環(huán)為分別代表一位各圓環(huán)為分別代表一位二進制數(shù)碼道，形成一二進制數(shù)碼道，形成一套編碼。套編碼。黑色不透光區(qū)（暗區(qū)）和黑色不透光區(qū)（暗區(qū)）和白色透光區(qū)（亮區(qū)）分別代表白色透光區(qū)（亮區(qū)）分別代表二進制的二進制的“0”和和“1”。12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器四位二進制碼盤 第34頁12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器1.光電編碼盤的基本原理（光電編碼盤的基本原理（2）二進制碼盤碼制）二進制碼盤碼制四位光電碼盤有四圈碼道，四位光電碼盤有四圈碼道，從內(nèi)圈依次記為：從內(nèi)圈依次記為：C4、C3、C2和和C1。其亮暗區(qū)總數(shù)為其亮暗區(qū)總數(shù)為21、22、23和和24。最外圈分成最外圈分成16個角度個角度方位：方位：0、l15，對應(yīng)由，對應(yīng)由碼道組成的二進制碼碼道組成的二進制碼C4C3C2C1。12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器四位二進制碼盤 第35頁12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器1.光電編碼盤的基本原理（光電編碼盤的基本原理（3）材料和基本工作原理）材料和基本工作原理材料：玻璃、金屬和塑料。材料：玻璃、金屬和塑料。玻璃：玻璃上沉積玻璃：玻璃上沉積很薄很薄的刻線，熱穩(wěn)定性好，精度高。的刻線，熱穩(wěn)定性好，精度高。金屬：鏤空碼形，不易碎，但金屬：鏤空碼形，不易碎，但厚度厚度降低精度，熱穩(wěn)定性差。降低精度，熱穩(wěn)定性差。塑料：成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差。塑料：成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差。基本工作原理：編碼盤兩側(cè)分別放置電源和光電元件，每個碼基本工作原理：編碼盤兩側(cè)分別放置電源和光電元件，每個碼道對應(yīng)一個電元件及放大、整形電路。編碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，道對應(yīng)一個電元件及放大、整形電路。編碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，各光電元件通過狹縫接受所在碼道的光信號，并轉(zhuǎn)換成電信號，各光電元件通過狹縫接受所在碼道的光信號，并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大整形，成為數(shù)字信號。經(jīng)放大整形，成為數(shù)字信號。12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器第36頁12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器1.光電編碼盤的基本原理（光電編碼盤的基本原理（4）與增量式位移傳感器比較）與增量式位移傳感器比較編碼盤采用絕對的機械編碼，屬于絕對式位移傳感器；與以光編碼盤采用絕對的機械編碼，屬于絕對式位移傳感器；與以光柵為代表的增量式位移傳感器相比，在安裝、測量和信號輸出柵為代表的增量式位移傳感器相比，在安裝、測量和信號輸出等方面有顯著區(qū)別：等方面有顯著區(qū)別：12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器分類分類增量式增量式絕對式絕對式安安裝裝測線位移測線位移只需確保每個只需確保每個運動位置均有運動位置均有增量可以輸出增量可以輸出 小量程傳感器，其零點位置小量程傳感器，其零點位置應(yīng)盡量與測量（或設(shè)備）零點對應(yīng)盡量與測量（或設(shè)備）零點對齊，使之：既不浪費量程，又不齊，使之：既不浪費量程，又不超出量程；超出量程；大量程傳感器可在中部任意大量程傳感器可在中部任意一點與測量（或設(shè)備）零點對齊一點與測量（或設(shè)備）零點對齊測角位移測角位移 任意位置安裝任意位置安裝第37頁12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器1.光電編碼盤的基本原理光電編碼盤的基本原理（5）與增量式位移傳感器比較（續(xù)）與增量式位移傳感器比較（續(xù)）12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器分類分類增量式增量式絕對式絕對式測測量量計數(shù)器計數(shù)器 需要以其記憶需要以其記憶無需計數(shù)器，可靠性高無需計數(shù)器，可靠性高斷電斷電/啟動啟動需要調(diào)零需要調(diào)零無需調(diào)零，傳感器自動記錄真無需調(diào)零，傳感器自動記錄真實位置實位置靜止靜止無信號輸出，靠無信號輸出，靠計數(shù)器記憶計數(shù)器記憶大多數(shù)可輸出當(dāng)前位置（帶判大多數(shù)可輸出當(dāng)前位置（帶判位觸發(fā)讀數(shù)的編碼器等除外）位觸發(fā)讀數(shù)的編碼器等除外）誤差誤差因誤讀累積誤差因誤讀累積誤差無累積誤差，精度高無累積誤差，精度高輸出方式輸出方式單向或雙向脈沖單向或雙向脈沖輸出輸出多位數(shù)字輸出：并行則所需線多位數(shù)字輸出：并行則所需線路較多；串行則傳輸時間較長路較多；串行則傳輸時間較長第38頁12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器2.提高分辨率（提高分辨率（1）增加碼道數(shù)）增加碼道數(shù)12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器二進制碼盤有二進制碼盤有2n種不同編碼（種不同編碼（n為碼道數(shù)），其分辨率為：為碼道數(shù)），其分辨率為：a a=360/2n 碼道數(shù)越多，能分辨的角度越小。碼道數(shù)越多，能分辨的角度越小。增加碼盤的碼道數(shù)即可提高角位移的分辨率，但要受到制作工增加碼盤的碼道數(shù)即可提高角位移的分辨率，但要受到制作工藝的限制，通常采用多級碼盤來解決。藝的限制，通常采用多級碼盤來解決。第39頁12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器2.提高分辨率（提高分辨率（2）多級碼盤）多級碼盤12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器在一個編碼盤的基礎(chǔ)上再在一個編碼盤的基礎(chǔ)上再級聯(lián)級聯(lián)一個（或多個）編碼盤，可提高一個（或多個）編碼盤，可提高編碼器的分辨率，也可擴大編碼器的測量范圍。編碼器的分辨率，也可擴大編碼器的測量范圍。當(dāng)被測軸直接驅(qū)動的中心編碼盤旋轉(zhuǎn)一個最小分度時，通過齒當(dāng)被測軸直接驅(qū)動的中心編碼盤旋轉(zhuǎn)一個最小分度時，通過齒輪傳動使二級編碼盤轉(zhuǎn)動一周。輪傳動使二級編碼盤轉(zhuǎn)動一周。中心碼盤經(jīng)二級編碼盤細分，可中心碼盤經(jīng)二級編碼盤細分，可提高提高編碼器編碼器分辨率分辨率。同理，保持上述編碼盤的傳動關(guān)系和傳動比，使被測軸直接驅(qū)同理，保持上述編碼盤的傳動關(guān)系和傳動比，使被測軸直接驅(qū)動二級編碼盤，中心編碼盤成為二級編碼盤旋轉(zhuǎn)周數(shù)的計數(shù)器，動二級編碼盤，中心編碼盤成為二級編碼盤旋轉(zhuǎn)周數(shù)的計數(shù)器，即可即可擴大測量范圍擴大測量范圍。第40頁12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器 3.避免避免非單值性誤差（非單值性誤差（0）產(chǎn)生）產(chǎn)生12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：碼道刻線位置不準，使亮碼道刻線位置不準，使亮區(qū)或暗區(qū)提前或遲后改變；區(qū)或暗區(qū)提前或遲后改變；光電管和狹縫的安裝誤差。光電管和狹縫的安裝誤差。舉例：碼盤旋轉(zhuǎn)由位置舉例：碼盤旋轉(zhuǎn)由位置0111變變?yōu)闉?000時，四位數(shù)應(yīng)同時變化，時，四位數(shù)應(yīng)同時變化，由于上述原因，可誤讀成由于上述原因，可誤讀成16種代碼中的任意一種，產(chǎn)生無法估種代碼中的任意一種，產(chǎn)生無法估計的誤差，這種誤差稱為計的誤差，這種誤差稱為非單值性誤差非單值性誤差（粗誤差）。（粗誤差）。條件條件：（：（1）多個碼道同時改變；（）多個碼道同時改變；（2）在錯誤的位置讀數(shù)。）在錯誤的位置讀數(shù)。二進制碼盤的非單值性誤差 第41頁12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器 3.避免非單值性誤差避免非單值性誤差（1）循環(huán)碼盤）循環(huán)碼盤每次只有一個碼道改變每次只有一個碼道改變特點特點12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器無權(quán)二狀態(tài)多位編碼；無權(quán)二狀態(tài)多位編碼；編碼方式不唯一；編碼方式不唯一；采用錯誤最小化方式編采用錯誤最小化方式編碼：任意相鄰的兩個代碼：任意相鄰的兩個代碼間只有一位有變化；碼間只有一位有變化；不能直接進行比較大小或不能直接進行比較大小或算術(shù)運算；算術(shù)運算；其設(shè)置可由二進制碼轉(zhuǎn)換，輸出也需要轉(zhuǎn)換成二進制碼。其設(shè)置可由二進制碼轉(zhuǎn)換，輸出也需要轉(zhuǎn)換成二進制碼。四位循環(huán)碼盤 第42頁12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器 3.避免非單值性誤差避免非單值性誤差（1）循環(huán)碼盤）循環(huán)碼盤設(shè)置設(shè)置數(shù)值二進制碼循環(huán)碼0 000000001 000100012 001000113 001100104 010001105 010101116 011001017 0111010012.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器二進制碼二進制碼循環(huán)碼：將二進制循環(huán)碼：將二進制碼與其本身右移一位并舍去末碼與其本身右移一位并舍去末位后的數(shù)碼作不進位加法：位后的數(shù)碼作不進位加法：四位二進制碼與循環(huán)碼對照數(shù)值二進制碼循環(huán)碼8 100011009 1001110110 1010111111 1011111012 1100101013 1101101114 1110100115 11111000第43頁12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器 3.避免非單值性誤差避免非單值性誤差（1）循環(huán)碼盤）循環(huán)碼盤輸出轉(zhuǎn)換輸出轉(zhuǎn)換 a.a.公式公式12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器公式：公式：證明：證明：加法（不進位加法）的次序可以改變，由：加法（不進位加法）的次序可以改變，由：得：得：第44頁12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器 3.避免非單值性誤差避免非單值性誤差（1）循環(huán)碼盤）循環(huán)碼盤輸出轉(zhuǎn)換輸出轉(zhuǎn)換 b.b.電路（電路（a a）并行）并行12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器Ci的結(jié)果要在的結(jié)果要在Ci+1計算完成后才能開計算完成后才能開始計算，不屬于嚴格意義上的并行。始計算，不屬于嚴格意義上的并行。優(yōu)點：轉(zhuǎn)換速度快；缺點：使用元件優(yōu)點：轉(zhuǎn)換速度快；缺點：使用元件較多。較多。二進制碼轉(zhuǎn)換器 第45頁12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器 3.避免非單值性誤差避免非單值性誤差（1）循環(huán)碼盤）循環(huán)碼盤輸出轉(zhuǎn)換輸出轉(zhuǎn)換 b.b.電路（電路（b b）串行）串行12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器開始時，利用開始時，利用RD將輸出端置將輸出端置Q零；零；時鐘脈沖時鐘脈沖CP將將Ri送至送至J、K端：端：i 若若J=K=Ri=1，則時鐘脈沖后，則時鐘脈沖后，Q=；ii若若J=K=Ri=0，則時鐘脈沖后，則時鐘脈沖后，Q=Ci+1。特點：特點：1.結(jié)構(gòu)簡單；結(jié)構(gòu)簡單；2.轉(zhuǎn)換速度慢（時鐘脈沖需附加晶振或引入脈沖；轉(zhuǎn)換速度慢（時鐘脈沖需附加晶振或引入脈沖；Ri由多個光由多個光電器件同時采集，轉(zhuǎn)為順序輸入需增加電路和運算時間）。電器件同時采集，轉(zhuǎn)為順序輸入需增加電路和運算時間）。二進制碼轉(zhuǎn)換器 第46頁12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器3.避免非單值性誤差避免非單值性誤差（2）在正確位置讀數(shù)）在正確位置讀數(shù) 增加判位碼道增加判位碼道12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器在二進制碼盤最外側(cè)碼道上在二進制碼盤最外側(cè)碼道上增加一圈信號位，其位置增加一圈信號位，其位置正好與狀態(tài)交線錯開。正好與狀態(tài)交線錯開。只有當(dāng)信號位處的光電只有當(dāng)信號位處的光電元件有信號時才讀數(shù)，元件有信號時才讀數(shù)，避免非單值性誤差，不避免非單值性誤差，不改變原最低位的分辨率。改變原最低位的分辨率。信號位無信號時不能讀數(shù)，造成部分信號位無信號時不能讀數(shù)，造成部分“失憶失憶”；意外斷電重啟時需增加操作和電氣元件；意外斷電重啟時需增加操作和電氣元件“回憶回憶”。帶判位光電裝置的二進制碼盤 第47頁二進制編碼中，二進制編碼中，除最低位除最低位C1外，外，其它各位其它各位Ci的變的變化必發(fā)生在其較化必發(fā)生在其較低位低位Ci-1進位時，如圖中空心圓所進位時，如圖中空心圓所在的位置；在的位置；且且Ci-1不進位變化時，不進位變化時，Ci一定不變一定不變?nèi)鐖D中實心（涂黑）圓所在的位置。如圖中實心（涂黑）圓所在的位置。12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器3.避免非單值性誤差避免非單值性誤差（2）在正確位置讀數(shù)）在正確位置讀數(shù) 雙讀數(shù)法雙讀數(shù)法 a.a.二進制碼道特點二進制碼道特點12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器進位/不進位區(qū)分布 恒/變值區(qū)域規(guī)律 第48頁當(dāng)當(dāng)Ci-1在暗區(qū)讀在暗區(qū)讀數(shù)（數(shù)（Ci-1=0）即）即Ci-1剛進過位時，剛進過位時，Ci的亮暗區(qū)變更的亮暗區(qū)變更線應(yīng)在當(dāng)前位置左側(cè)，讀線應(yīng)在當(dāng)前位置左側(cè)，讀Ci的狹縫的狹縫向右偏移一定的距離也能正確讀數(shù)；向右偏移一定的距離也能正確讀數(shù)；當(dāng)當(dāng)Ci-1碼道在亮區(qū)讀數(shù)（碼道在亮區(qū)讀數(shù)（Ci-1=1），），即即Ci-1將要進位時，將要進位時，Ci的亮暗區(qū)變的亮暗區(qū)變更線應(yīng)在當(dāng)前位置右側(cè)，讀更線應(yīng)在當(dāng)前位置右側(cè)，讀Ci的狹縫向左偏移也能正確讀數(shù)。的狹縫向左偏移也能正確讀數(shù)。12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器3.避免非單值性誤差避免非單值性誤差（2）在正確位置讀數(shù)）在正確位置讀數(shù) 雙讀數(shù)法雙讀數(shù)法 a.a.二進制碼道特點二進制碼道特點12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器進位/不進位區(qū)分布 恒/變值區(qū)域規(guī)律 第49頁原理原理：根據(jù)較低位碼道的當(dāng)前狀根據(jù)較低位碼道的當(dāng)前狀態(tài)，選擇較態(tài)，選擇較“安全安全”的區(qū)域讀數(shù)的區(qū)域讀數(shù)；結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：兩組光電器件在讀數(shù)狹縫兩組光電器件在讀數(shù)狹縫AA與與BB后。后。允許各碼道亮暗區(qū)分界線有一定誤差（允許各碼道亮暗區(qū)分界線有一定誤差（d d），但），但單側(cè)誤差單側(cè)誤差不能超過不能超過AA線與線與BB線間距的一半。線間距的一半。方法方法：C1碼道只從碼道只從AA讀數(shù)，其余碼道按其較低位讀數(shù)，其余碼道按其較低位碼道當(dāng)前的狀態(tài)決定讀數(shù)狹縫：碼道當(dāng)前的狀態(tài)決定讀數(shù)狹縫：i若若Ci-1碼道讀數(shù)為碼道讀數(shù)為1（亮區(qū)），則（亮區(qū)），則Ci碼道從左側(cè)的碼道從左側(cè)的AA線讀數(shù)。線讀數(shù)。ii若若Ci-1碼道讀數(shù)為碼道讀數(shù)為0（暗區(qū)），則（暗區(qū)），則Ci碼道從右側(cè)的碼道從右側(cè)的BB線讀數(shù)。線讀數(shù)。12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器 3.避免非單值性誤差避免非單值性誤差（2）在正確位置讀數(shù)）在正確位置讀數(shù) 雙讀數(shù)法雙讀數(shù)法 b.b.原理、結(jié)構(gòu)與方法原理、結(jié)構(gòu)與方法12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器恒/變值區(qū)域規(guī)律 第50頁i若若Ci-1碼道讀數(shù)為碼道讀數(shù)為1（亮區(qū)），則（亮區(qū)），則Ci碼道從左側(cè)的碼道從左側(cè)的AA線讀數(shù)。線讀數(shù)。ii若若Ci-1碼道讀數(shù)為碼道讀數(shù)為0（暗區(qū)），則（暗區(qū)），則Ci碼道從右側(cè)的碼道從右側(cè)的BB線讀數(shù)。線讀數(shù)。邏輯邏輯：電路電路：可在一個含有四個與非門的芯片上實現(xiàn)上述邏輯。：可在一個含有四個與非門的芯片上實現(xiàn)上述邏輯。結(jié)論結(jié)論：i完全避免非單值性誤差；完全避免非單值性誤差；ii可隨時正確讀數(shù)；可隨時正確讀數(shù)；iii理論誤差為理論誤差為C1刻線誤差；刻線誤差；iv級聯(lián)時，可由級聯(lián)時，可由Cn狀態(tài)決定其高級編碼盤的狀態(tài)決定其高級編碼盤的C1讀數(shù)線。讀數(shù)線。12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器 3.避免非單值性誤差避免非單值性誤差（2）在正確位置讀數(shù)）在正確位置讀數(shù) 雙讀數(shù)法雙讀數(shù)法 c.c.邏輯、電路及結(jié)論邏輯、電路及結(jié)論12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器辨別電路第51頁12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器 3.避免非單值性誤差避免非單值性誤差（2）在正確位置讀數(shù)）在正確位置讀數(shù) 雙讀數(shù)法雙讀數(shù)法 d.d.光電元件的放置光電元件的放置12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器刻線誤差的大小在各碼道上基本相同；刻線誤差的大小在各碼道上基本相同；安全區(qū)域的大小隨碼道號的增大而增大。安全區(qū)域的大小隨碼道號的增大而增大。V型讀數(shù)型讀數(shù)邏輯：按折線放置光電元件和邏輯：按折線放置光電元件和狹縫，以減少由光電器件增加導(dǎo)致的放狹縫，以減少由光電器件增加導(dǎo)致的放置困難。置困難。V型掃描（讀數(shù)）邏輯 a）展開圖V型掃描（讀數(shù)）邏輯 b）實際空間位置 第52頁由由 知：知：Ci必在必在Ci-1確定后才能得出，非并行。確定后才能得出，非并行。Ci碼道的讀數(shù)線，亦可由比它低的任意碼道的狀態(tài)按上述方法碼道的讀數(shù)線，亦可由比它低的任意碼道的狀態(tài)按上述方法決定；但決定；但Ci碼道讀數(shù)線的間距要受裁判碼道亮暗區(qū)寬度的限制，碼道讀數(shù)線的間距要受裁判碼道亮暗區(qū)寬度的限制，隨判別碼道號的降低而減小。隨判別碼道號的降低而減小。例：例：C4碼道按碼道按C2狀態(tài)（亮區(qū)）可從狀態(tài)（亮區(qū)）可從A線正線正常讀數(shù)；但常讀數(shù)；但C1碼道為暗區(qū)，若據(jù)此從碼道為暗區(qū)，若據(jù)此從C4碼碼道道B線讀數(shù)，將產(chǎn)生非單值性誤差。線讀數(shù)，將產(chǎn)生非單值性誤差。若若C4碼道碼道AB兩線靠近，即可避免此誤差，即兩線靠近，即可避免此誤差，即C1碼道亮暗區(qū)寬碼道亮暗區(qū)寬度限制了度限制了C4碼道碼道AB線間距。即，時間并行要受空間的限制。線間距。即，時間并行要受空間的限制。12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器 3.避免非單值性誤差避免非單值性誤差（2）在正確位置讀數(shù)）在正確位置讀數(shù) 雙讀數(shù)法雙讀數(shù)法 e.e.輸出并行方法輸出并行方法12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器讀數(shù)誤差讀數(shù)誤差第53頁高速端高速端安裝：裝于電機轉(zhuǎn)軸端，電機抖動小，不易損壞編碼器，安裝：裝于電機轉(zhuǎn)軸端，電機抖動小，不易損壞編碼器，分辨率高（電機轉(zhuǎn)動范圍在量程內(nèi)，可用足量程而提高分辨率）分辨率高（電機轉(zhuǎn)動范圍在量程內(nèi)，可用足量程而提高分辨率）；經(jīng)齒輪傳動，有回程誤差，一般用于單向高精度控制定位，；經(jīng)齒輪傳動，有回程誤差，一般用于單向高精度控制定位，如軋鋼輥縫控制。如軋鋼輥縫控制。低速端低速端安裝：裝于減速齒輪后，可避免齒輪回程誤差，精度較安裝：裝于減速齒輪后，可避免齒輪回程誤差，精度較高；但如果運動范圍小，則浪費了量程，一般用于長距離定位，高；但如果運動范圍小，則浪費了量程，一般用于長距離定位，如各種提升設(shè)備和送料小車的定位。如各種提升設(shè)備和送料小車的定位。輔助機械輔助機械安裝：常用的有齒輪齒條、鏈條皮帶、摩擦轉(zhuǎn)輪和收安裝：常用的有齒輪齒條、鏈條皮帶、摩擦轉(zhuǎn)輪和收繩機械等。繩機械等。12.3.2 編碼盤傳感器編碼盤傳感器4.機械安裝機械安裝12.3 光電盤傳感器和編碼盤傳感器光電盤傳感器和編碼盤傳感器第54頁12.4 感應(yīng)同步器（感應(yīng)同步器（inductosyn）12.4.0 概述概述結(jié)構(gòu)：由兩個平面印刷繞組構(gòu)成，繞組間保持均勻的氣隙。結(jié)構(gòu)：由兩個平面印刷繞組構(gòu)成，繞組間保持均勻的氣隙?；驹恚簝衫@組相對平行移動，其互感隨位置改變。基本原理：兩繞組相對平行移動，其互感隨位置改變。按用途分類：直線感應(yīng)同步器和圓感應(yīng)同步器，分別用于直線按用途分類：直線感應(yīng)同步器和圓感應(yīng)同步器，分別用于直線位移和角位移的測量。位移和角位移的測量。優(yōu)點：精度高、分辨力高、抗干擾能力強、使用壽命長、可靠優(yōu)點：精度高、分辨力高、抗干擾能力強、使用壽命長、可靠性高和維護簡單等；性高和維護簡單等；應(yīng)用：大位移的靜、動態(tài)測量。應(yīng)用：大位移的靜、動態(tài)測量。第55頁12.4.1 感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu) 1.直線感應(yīng)同步器直線感應(yīng)同步器 （1）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)由滑尺和定尺組成，其上均由滑尺和定尺組成，其上均做成印刷電路繞組。做成印刷電路繞組。繞組空間上的一個周期稱為繞組空間上的一個周期稱為節(jié)距，定尺和滑尺的節(jié)距為：節(jié)距，定尺和滑尺的節(jié)距為：W1,2=2(a1,2+b1,2)其中，其中，a1,2和和b1,2分別為定尺和滑尺的導(dǎo)電片寬與導(dǎo)電片間隔。分別為定尺和滑尺的導(dǎo)電片寬與導(dǎo)電片間隔。12.4 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器直線感應(yīng)同步器 定尺繞組 m形和n形滑尺繞組第56頁12.4.1 感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu) 1.直線感應(yīng)同步器直線感應(yīng)同步器 （2）結(jié)構(gòu)（續(xù)）結(jié)構(gòu)（續(xù)）定尺通常固定在儀器的基座上，其繞組連續(xù)；滑尺安裝在儀器定尺通常固定在儀器的基座上，其繞組連續(xù)；滑尺安裝在儀器的可動部件上，其繞組分段。的可動部件上，其繞組分段。滑尺分為正弦和余弦繞組兩部滑尺分為正弦和余弦繞組兩部分，可做成分，可做成m形或形或n形。形。兩繞組節(jié)距相等，并在空間上兩繞組節(jié)距相等，并在空間上錯開錯開90相位交替排列，為此其相位交替排列，為此其中心線間距離中心線間距離l應(yīng)：應(yīng)：l=(k/2+1/4)W1其中，其中，k為整數(shù)。為整數(shù)。直線感應(yīng)同步器 m形和n形滑尺繞組12.4 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器第57頁12.4.1 感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu) 1.直線感應(yīng)同步器直線感應(yīng)同步器 （3）定尺與滑尺的截面結(jié)構(gòu)）定尺與滑尺的截面結(jié)構(gòu)基體采用基體采用10mm的鋼板或鑄鐵，以減小與機床的溫度誤差。的鋼板或鑄鐵，以減小與機床的溫度誤差。繞組為繞組為0.050.07mm的銅箔，用聚酰胺做固化劑的環(huán)氧樹脂的銅箔，用聚酰胺做固化劑的環(huán)氧樹脂熱壓粘接而成，粘附力強，絕緣性好，粘接厚度小于熱壓粘接而成，粘附力強，絕緣性好，粘接厚度小于0.1mm。定尺繞組表面涂有耐切削液的絕緣涂層；定尺繞組表面涂有耐切削液的絕緣涂層；定定尺尺滑滑尺尺12.4 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器第58頁12.4.1 感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu) 1.直線感應(yīng)同步器直線感應(yīng)同步器 （3）定尺與滑尺的截面結(jié)構(gòu)（續(xù)）定尺與滑尺的截面結(jié)構(gòu)（續(xù)）滑尺繞組表面貼有滑尺繞組表面貼有0.04mm的帶塑料薄膜的鋁箔，以屏蔽靜電的帶塑料薄膜的鋁箔，以屏蔽靜電的附加電勢；的附加電勢；鋁箔裝于機械設(shè)備時，有自然接地的作用；鋁箔裝于機械設(shè)備時，有自然接地的作用；鋁箔應(yīng)足夠薄，以免產(chǎn)生較大渦流，以致?lián)p耗功率，影響電磁鋁箔應(yīng)足夠薄，以免產(chǎn)生較大渦流，以致?lián)p耗功率，影響電磁耦合。耦合。滑滑尺尺12.4 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器第59頁12.4.1 感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu) 2.圓感應(yīng)同步器圓感應(yīng)同步器又稱旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步又稱旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器，其轉(zhuǎn)子和定子分器，其轉(zhuǎn)子和定子分別相當(dāng)于直線感應(yīng)同別相當(dāng)于直線感應(yīng)同步器的定尺和滑尺。步器的定尺和滑尺。按其直徑，可分為按其直徑，可分為302 mm、178mm、76mm和和50mm四種。四種。其徑向?qū)Ь€數(shù)（極數(shù)），有其徑向?qū)Ь€數(shù)（極數(shù)），有360、720、1080和和512極。如節(jié)距極。如節(jié)距為為2的繞組由夾角為的繞組由夾角為1的的360條導(dǎo)線組成。條導(dǎo)線組成。極數(shù)相同時，直徑越大，越容易做得準確，精度越高。極數(shù)相同時，直徑越大，越容易做得準確，精度越高。定子繞組定子繞組轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組12.4 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器第60頁12.4.2 感應(yīng)同步器的基本工作原理感應(yīng)同步器的基本工作原理1.利用互感位置的變化改變感生電動勢利用互感位置的變化改變感生電動勢（1）感生電勢與勵磁電壓的關(guān)系）感生電勢與勵磁電壓的關(guān)系滑尺繞組加正弦電流滑尺繞組加正弦電流i，產(chǎn)生同頻交變磁通。，產(chǎn)生同頻交變磁通。交變磁通與定尺繞組耦合，使其感生交變磁通與定尺繞組耦合，使其感生同頻交變電勢同頻交變電勢E。兩繞組在圖示位置時：兩繞組在圖示位置時：在常用的工作頻率下，勵磁繞組的電阻值遠大于感抗值，可將在常用的工作頻率下，勵磁繞組的電阻值遠大于感抗值，可將其阻抗看作純電阻其阻抗看作純電阻R：i=V/R，于是：，于是：12.4 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器感生電動勢 第61頁12.4.2 感應(yīng)同步器的基本工作原理感應(yīng)同步器的基本工作原理1.利用互感位置的變化改變感生電動勢利用互感位置的變化改變感生電動勢（2）感生電勢與兩繞組相對位移的關(guān)系）感生電勢與兩繞組相對位移的關(guān)系電磁耦合感生電勢，與繞組相對位移電磁耦合感生電勢，與繞組相對位移x有關(guān)。有關(guān)。x=0，滑尺正弦繞組，滑尺正弦繞組S與定尺繞組完全重合，與定尺繞組完全重合，定尺耦合磁通最大，感生電勢也最大。定尺耦合磁通最大，感生電勢也最大。x=W1/4，定尺感生電勢相互抵消為零。，定尺感生電勢相互抵消為零。x=W1/2，感生電勢與，感生電勢與x=0大小相等方向相反。大小相等方向相反。x=3W1/4，感生電勢為零。，感生電勢為零。由由S或或C勵磁時，定尺感生電勢勵磁時，定尺感生電勢ES或或EC隨與滑尺的相對位移呈隨與滑尺的相對位移呈周期性變化，其規(guī)律近似為余弦函數(shù)周期性變化，其規(guī)律近似為余弦函數(shù)cosq q或正弦函數(shù)或正弦函數(shù)sinq q 。12.4 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器定尺感生電勢與滑尺位置的關(guān)系 第62頁12.4.2 感應(yīng)同步器的基本工作原理感應(yīng)同步器的基本工作原理1.利用互感位置的變化改變感生電動勢利用互感位置的變化改變感生電動勢（3）感生電勢結(jié)論）感生電勢結(jié)論定尺感生電勢：定尺感生電勢：E=ES+EC再由再由 ，且，且ES或或EC變化規(guī)律近似為變化規(guī)律近似為cosq q或或sinq q 得：得：12.4 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器第63頁12.4.2 感應(yīng)同步器的基本工作原理感應(yīng)同步器的基本工作原理2.利用幅值或相位同步測量位置變化利用幅值或相位同步測量位置變化當(dāng)當(dāng)x變化了一個節(jié)距變化了一個節(jié)距W1，感生電勢就按正余弦變化一個周期。，感生電勢就按正余弦變化一個周期。感生電勢變化的周期數(shù)，反映了感生電勢變化的周期數(shù)，反映了x變化的節(jié)距數(shù)。變化的節(jié)距數(shù)。節(jié)距節(jié)距W1通常取通常取2mm，為測小位移，可采用幅值或相位同步。，為測小位移，可采用幅值或相位同步。適當(dāng)設(shè)置適當(dāng)設(shè)置V，使位移的變化，使位移的變化D Dx能引起感生電勢能引起感生電勢E的幅值或相位的幅值或相位變化一定的變化一定的D DE或或D Df f。D DE或或D Df f 通過特定電路產(chǎn)生計數(shù)脈沖序列，該脈沖序列：通過特定電路產(chǎn)生計數(shù)脈沖序列，該脈沖序列：輸入計數(shù)器并顯示結(jié)果；輸入計數(shù)器并顯示結(jié)果；改變改變V或同步跟隨相位角或同步跟隨相位角f f，使，使D DE或或D Df f重新變?yōu)榱?。重新變?yōu)榱恪?2.4 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器第64頁12.4.3 輸出信號的處理方式輸出信號的處理方式0.引言引言根據(jù)勵磁方式，采取不同的輸出信號處理方式。根據(jù)勵磁方式，采取不同的輸出信號處理方式。勵磁方式分類：勵磁方式分類：以滑尺勵磁，定尺感生電勢；以滑尺勵磁，定尺感生電勢；以定尺勵磁，滑尺感生電勢。以定尺勵磁，滑尺感生電勢。目多數(shù)采用前一種。目多數(shù)采用前一種。12.4 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器第65頁12.4.3 輸出信號的處理方式輸出信號的處理方式1.鑒幅方式鑒幅方式（1）主要組成部分的功能）主要組成部分的功能計數(shù)和顯示計數(shù)和顯示正弦振蕩器產(chǎn)生正弦電壓。此正弦電壓：正弦振蕩器產(chǎn)生正弦電壓。此正弦電壓：一路經(jīng)時鐘脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖，再經(jīng)與門，發(fā)給轉(zhuǎn)換計數(shù)一路經(jīng)時鐘脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖，再經(jīng)與門，發(fā)給轉(zhuǎn)換計數(shù)器和可逆計數(shù)器?？赡嬗嫈?shù)器的計數(shù)結(jié)果，經(jīng)譯碼器譯器和可逆計數(shù)器。可逆計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果，經(jīng)譯碼器譯碼后，送顯示器顯示。碼后，送顯示器顯示。12.4 感應(yīng)同步器