自动检测技术及应用（第3版）教案第11章，数字式位置传感器

《自动检测技术及应用第3版》（专业必修课）授课 教案 中职数学基础模块教案 下载北师大版¥1.2次方程的根与系数的关系的教案关于坚持的教案初中数学教案下载电子教案下载 PAGEPAGE13第11章数字式位置传感器授课教案学院授课教师授课日期授课班级课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ：数字式位置传感器课时安排：2课次编号：15教材分析难点二线制编码与角度的关系，角编码器测量转速重点角度分辨力与分辨率教学目的和要求（机械制造、机电一体化、数控专业的重点章节）1．了解绝对式和增量式角编码器的原理；2．掌握角编码器的分辨力、分辨率、转速的计算；3．了解光栅的原理和细分计算；4．了解磁栅的原理和计算；5．了解逆向设计的概念。采用教学 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 和实施步骤演示讲授、讨论、互动分析教具：角编码器、光栅、磁栅、数显 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 各教学环节和内容演示实验：做以下的实验：将一只角编码器拆开，观察内部的光栅和sin、cos读数头。上电后，观察正转和反转时，数码管读数的增加和减少以及读数的正负值。从而引入角编码器的原理、结构，转角、转速测量、直线位移的测量等。11.1位置测量方式位置测量主要是指直线位移和角位移的精密测量。数字式位置传感器有直接测量和间接测量，增量式测量和绝对式测量之分。11.1.1直接测量和间接测量图11-1直接测量和间接测量示意图a）直接测量b）间接测量1－导轨2－运动部件3－直线式位置传感器的随动部件4－直线式位置传感器的固定部件5－旋转式位置传感器6－丝杠-螺母副例11-1若丝杠的螺距t=6.00mm（当丝杠转一圈360°时，螺母移动的直线距离为6.00mm），旋转式位置传感器（例如11.2节介绍的角编码器）测得丝杠的旋转角度θ=7290°，求：螺母的直线位移x。解螺母的直线位移x=(7290°/360°)×6mm=121.50mm能够将旋转运动转换成直线运动的机械传动装置除了丝杠-螺母副外，还有齿轮-齿条、带-带轮（俗称皮带-皮带轮）等传动装置。11.1.2增量式和绝对式测量（1）增量式测量的特点运动部件每移动一个基本长度（或角度）单位，位置传感器便发出一个输出脉冲信号。一个脉冲所代表的基本长度（或角度）就是分辨力。微处理器对脉冲进行计数，便可得到位移量。例11-2在图11-1a中，若增量式测量系统的每个脉冲代表0.01mm，直线光栅传感器发出200个脉冲，求：工作台的直线位移x。解根据题意，工作台每移动0.01mm，直线光栅传感器便发出1个脉冲，计数器就加1或减1。当计数值为200时，工作台移动了x=200×0.01mm=2.00mm。11.2角编码器轴角编码器（简称角编码器）：是一种旋转式位置传感器，它的转轴通常与被测旋转轴连接，随被测轴一起转动。它能将被测轴的角位移转换成二进制编码或一串脉冲。角编码器分类：绝对式编码器和增量式角编码器。11.2.2绝对式角编码器1．接触式角编码器的结构图11-24位二进制接触式码盘a）电刷在码盘上的位置b）4位自然二进制码盘c）4位格雷码码盘1－码盘2－转轴3－导电体4－绝缘体5－电刷6－激励公用轨道（接电源正极）格雷码：在角编码器中，通常采用格雷码。它在相邻位之间转换时，只有一位产生变化，减少了由一个状态到下一个状态时的逻辑混乱，4位格雷码的变化见图11-2b。2．接触式角编码器的分辨力与分辨率分辨的角度α（即分辨力）为α=360°/2n（11-1）分辨率=1/2n（11-2）提问：码道越多，位数n越大，所能分辨的角度α就越大还是越小？提示：若要提高分辨力，就必须增加码道数，即二进制位数。例：某12码道的绝对式角编码器，其每圈的位置数为212=4096，能分辨的角度为α=360°/212=5.27′；若为13码道，则能分辨的角度为α=360°/213=2.64′。3．绝对式光电角编码器的结构及特点绝对式光电角编码器由绝对式光电码盘及光电元件构成，额定转速高。码盘材料：不锈钢薄板、玻璃码盘。11.2.3增量式角编码器1．增量式光电角编码器的结构增量式码盘可用不锈钢或玻璃材料制作，表面镀一层不透光的金属铬，再在边缘切割出等分的，向心的透光狭缝。透光狭缝的数量：从几百条到几千条不等，就形成n个透光槽。图11-4增量式光电码盘结构示意图a）外形b）内部结构1－转轴2－发光二极管3－光栏板4－零标志位光槽5－光敏元件6－码盘7－电源及信号线连接座光电码盘的光源：使用自身有聚光效果的LED。当光电码盘随工作轴一起转动时，光线透过光电码盘和光栏板狭缝，形成忽明忽暗的光信号。光敏元件把此光信号转换成电脉冲信号，通过信号处理电路后，向数控系统输出脉冲信号。光电编码器的测量准确度与码盘圆周上的狭缝条数目n有关，能分辨的角度α为α=360°/n（11-3）分辨率=1/n（11-4）例11-4某增量式角编码器的技术指标为1024个脉冲/圈（即N=1024P/r），求：分辨力α。解按题意，码盘边缘的透光槽数为1024个，则能分辨的最小角度为α=360°/1024=0.352°≈21′提问：为什么必须在增量式角编码器的光栏板上设置两个狭缝？提示：为了判断码盘旋转的方向，光栏板上设置两个狭缝，距离是码盘上的两个狭缝距离的（m±¼）倍，m为正整数。cos、sin元件：设置了两组对应的光敏元件，如图11-4中的A、B光敏元件，也称为cos、sin元件。为了得到码盘转动的绝对位置，还必须设置一个基准点。码盘每转一圈，零位标志槽对应的光敏元件产生一个脉冲，称为“一转脉冲”（C0脉冲）。图11-5光电编码器的输出波形A超前于B，判断为正向旋转，A滞后于B，判断为反向旋转11.2.4角编码器的应用1．角编码器在数字测速中的应用由于增量式角编码器的输出信号是脉冲形式，因此，可以通过测量脉冲频率或周期的方法来测量转速。图11-6M法和T法测速原理a）M法测速b）T法测速M法测速：在一定的时间间隔ts内（又称闸门时间，如10s、1s、0.1s等），用角编码器所产生的脉冲数来确定转速。若角编码器每转产生N个脉冲，在闸门时间间隔ts内得到m１个脉冲，则角编码器所产生的脉冲频率为（11-5）则转速n（单位为r/min）为：。例如，在1s闸门时间间隔ts内得到10个脉冲，则角编码器所产生的脉冲频率10Hz；如果将ts缩短到0.5s，由于闸门时间间隔缩短，同样的转速，只能5个脉冲，但计算得到的频率仍然是10Hz，但±1误差变大。例11-5某角编码器的技术指标为1024个脉冲/r（即N=1024P/r=1K），在0.2s时间内测得100个脉冲，即ts=0.2s，m１=100，求：1）转速n；2）±1误差引起的转速测量误差为多少r/min；3）如果将ts延长到1s，再计算±1误差。解1）角编码器轴的转速为2）由于±1误差，在ts时间段里，计数得到的脉冲数m１=100±1个脉冲，则3）如果将ts延长到1s，m１＇必然增加到500，则计算得到的转速必然是不变的，但±1个脉冲引起的误差显然缩小了，只有原来的1/5。2．角编码器在交流伺服电动机中的应用图11-8交流伺服电动机及控制系统a）外形b）控制系统框图1－电动机转子轴2－电动机本体3－光电编码器4－三相电源连接座5－光电角编码器输出（航空插头）3．工位编码由于绝对式编码器每一转角位置均有一个固定的编码输出，若编码器与转盘同轴相连，则转盘上每一工位安装的被加工工件均可以有一个编码相对应，转盘工位编码如图所示。当转盘上某一工位转到加工点时，该工位对应的编码由编码器输出给控制系统。图11-9转盘加工工位的编码1－绝对式角编码器2－电动机3－转轴4－转盘5－工件6－刀具例：上图中的工位1刚已完成加工，要使处于工位2上的工件转到加工点等待钻加工，计算机就控制电动机，使带轮带动转盘逆时针旋转。与此同时，绝对式角编码器（假设为4码道）输出的编码不断变化。当输出从0000变为0010（1/8圈）时，表示转盘已将工位2转到图中的加工点，电动机停转。11.3光栅传感器11.3.1光栅的类型和结构1．光栅的类型光栅的类型：物理光栅和计量光栅。计量光栅主要是利用光的透射和反射现象分辨力，可优于0.1m，脉冲读数速率可达每毫秒几百次。2．计量光栅的分类与结构可分为透射式光栅和反射式光栅，由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。透射式光栅：用光学玻璃做基体，并镀铬，在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区和不透光区。反射式光栅使用不锈钢作基体，在基体上用化学腐蚀方法制出黑白相间的条纹，形成反光区和不反光区光敏元件。图11-10计量光栅的分类示意图a）透射式光栅b）反射式光栅1－光源2－透镜3－指示光栅4－标尺光栅5－光敏元件计量光栅按形状分类：长光栅和圆光栅。长光栅用于直线位移测量，故又称直线光栅；圆光栅用于角位移测量。3．透射式光栅的结构直线透射式光栅测量示意图如图11-12所示。图11-12直线透射式光栅测量示意图1－光源2－透镜3－指示光栅4－主光栅（标尺光栅）5－零位光栅6－细分辨向用光敏元件（2路或4路）7－零位光敏元件（1）光栅副直线透射式计量光栅由主光栅（标尺光栅）和指示光栅组成，所以计量光栅又称光栅副。主光栅和指示光栅的刻线宽度和间距完全一样。将指示光栅与主光栅叠合在一起，两者之间保持很小的间隙（0.1mm）。在长光栅中，主光栅通常固定不动，而指示光栅安装在运动部件上，所以两者之间形成相对运动。在圆光栅中，指示光栅通常固定不动，而主光栅随转轴转动。（2）栅距在图11-12中，a为栅线宽度，b为栅缝宽度，W=a+b称为光栅常数，或称栅距。通常a=b=W/2，栅线密度一般为10线/mm、25线/mm、50线/mm和100线/mm等几种。（3）角节距对于圆光栅来说，两条相邻刻线的中心线之夹角称为角节距，每圈的栅线数从较低准确度的100线到高准确度等级的21600线不等。11.3.2计量光栅的工作原理1．莫尔条纹的形成原理（1）亮带和暗带在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角θ。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带，如图11-13中a-a线所示；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带，如图11-13中b-b线所示。从图11-12中，也可以看到亮带和暗带。图11-13等栅距黑白透射光栅形成的莫尔条纹（θ≠0）这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹，条纹方向与刻线方向近似垂直。通常在光栅的适当位置（如图11-13中的sin位置或cos位置）安装两只光敏元件（为了提高分辨力，可安装4只光敏元件）。（2）Sin光敏元件和cos光敏元件当指示光栅沿x轴自左向右移动时，莫尔条纹的亮带和暗带（图11-13中的a-a线和b-b线）将顺序自下而上（图中的y方向）不断地掠过光敏元件。光敏元件（光电池或光敏晶体管）“观察”到莫尔条纹的光强变化近似于正弦波变化。光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。sin和cos光敏元件的输出电压的波形如图11-14a所示。图11-14sin和cos光敏元件的输出电压波形及细分脉冲a）光栅位移与光强及输出电压的关系b）整形后方波的上升沿和下降沿c）4细分脉冲由于光栅的刻线非常细，很难直接分辨究竟相对移动了多少个栅距。利用莫尔条纹的实际价值：从图11-13可以看出莫尔条纹的距离比光栅距大许多倍，所以能让光敏元件“看清”随光栅刻线左右位移所带来的光强变化。2．莫尔条纹的特征1）能够消除光栅刻线不均匀引起的误差。2）当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。3）莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角变小而变大。相当于把微小的栅距扩大了1/θ。计量光栅起到光学放大器的作用。提问：为什么要使用莫尔条纹？莫尔条纹变化是光敏元件可以分辨的尺度。4）莫尔条纹移过的条纹数目与光栅移过的刻线数相等。11.3.3辨向及细分1．辨向原理如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，是无法分辨移动方向的。为此，必须设置辨向电路。举例：人有两只耳朵，它们的输出信号经大脑处理后，可以判断脑后物体移动的左右方向。在上例中，左边的耳朵称为sin耳朵，右边的耳朵称为cos耳朵。辨向的具体方法：通常可以在沿光栅线的y方向上相距(m1/4)L（相当于电相角1/4周期）的距离上设置sin和cos两套光电元件（见图11-13中的sin位置和cos位置）。这样就可以得到两个相位相差π/2的电信号usin和ucos，经放大、整形后得到u'sin和u'cos两个方波信号，分别送到微处理器的两路接口，由微处理器判断两路信号的相位差。当指示光栅向右移动时，usin滞后于ucos；当指示光栅向左移动时，usin超前于ucos。微处理器据此判断指示光栅的移动方向。2．细分技术细分技术又称倍频技术。如将光敏元件的输出电信号直接计数，则光栅的分辨力只有一个W的大小。为了能够分辨比W更小的位移量，必须采用细分电路。细分电路能在不增加光栅刻线数（线数越多，成本越昂贵）的情况下提高光栅的分辨力。该电路能在一个W的距离内等间隔地给出n个计数脉冲。细分后计数脉冲的频率是原来的n倍，传感器的分辨力就会有较大的提高。常见的细分方法：4倍频法、16倍频法等，可通过专用集成电路来实现。例11-8细分数n=4，光栅刻线数N=100根/mm，求细分后光栅的分辨力Δ。解栅距W=1/N=（1/100）mm=0.01mmΔ=W/n=（0.01/4）mm=0.0025mm=2.5μm结论：光栅信号通过4细分电路处理后，光栅能够分辨的位移是原来的四分之一。3．零位光栅在增量式光栅中，为了寻找坐标原点、消除误差积累，在测量系统中需要有零位标记（位移的起始点），因此在光栅尺上除了主光栅刻线外，还必须刻有零位基准的零位光栅（参见图11-12中的序号5、7元件），以形成零位脉冲，又称参考脉冲。把整形后的零位信号作为计数开始的条件。11.3.4光栅传感器的应用由于光栅具有测量准确度高等一系列优点，若采用不锈钢反射式光栅，测量范围可达十几米，而且不需“接长”，信号的电抗干扰能力强，因此受到广泛的重视，但使用时必须注意防尘、防震问题。近年来，设计、制造了很多光栅式测量长度和角度的专用仪器，用于精密机床和仪器的精密定位、长度检测、速度的测量。1．微机光栅数显表提示：图11-15中的“微机”是20世纪80年代的提法，是指现在的微处理器。图11-15微机光栅数显表的组成框图图11-16光栅数显表在机床进给运动中的应用1－横向进给位置光栅检测2－纵向进给位置光栅检测3－2维数字显示装置2．轴环式数显表：ZBS型轴环式光栅数显表示意图。它的主光栅用不锈钢圆薄片制成，可用于角位移的测量。图11-17ZBS型轴环式数显表a）外形b）内部结构c）测量电路框图1－电源线（+5V）2－轴套3－数字显示器4－复位开关5－主光栅6－红外发光二极管7－指示光栅8－sin光敏三极管9－cos光敏三极管在轴环式数显表中，定片（指示光栅）固定，动片（主光栅）可与外接旋转轴相联并转动。动片边沿被均匀地镂空出500条透光条纹，见图b的A放大图。定片为圆弧形薄片，在其表面刻有两组与动片相同间隔的透光条纹（每组3条），定片上的条纹与动片上的条纹成一角度θ。两组条纹分别与两组红外发光二极管和光敏三极管相对应。当动片旋转时，产生的莫尔条纹亮暗信号由光敏三极管接收，相位正好相差π/2，即第一个光敏三极管接收到正弦信号，第二个光敏三极管接收到余弦信号。经整形电路处理后，两者仍保持相差1/4周期的相位关系。再经过细分及辨向电路，根据运动的方向来控制可逆计数器做加法或减法计数，测量电路框图如图11-17c所示。测量显示的零点由外部复位开关完成。11.4磁栅传感器11.4.1磁栅的结构及工作原理磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号调理电路组成。1．磁尺的分类和结构有带状磁尺、线状磁尺（又称同轴型）和圆形磁尺。长磁栅用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。2．磁头的分类、结构及工作原理可分为动态磁头（又称速度响应式磁头）和静态磁头（又称磁通响应式磁头）。提问：为什么在磁栅中，不能用动态磁头？提示：动态磁头只在磁头与磁尺间有相对运动时才有信号输出，故不适用于速度不均匀、时走时停的机床。静态磁头的特点：在磁头与磁栅间没有相对运动时也有信号输出。图11-20静态磁头的结构及输出信号与磁尺的关系1－磁尺2－sin磁头3－cos磁头4－磁极铁心5－可饱和铁心6－励磁绕组7－感应输出绕组8－低通滤波器9－匀速运动时sin磁头的输出波形（基波为2倍励磁频率）10－保护膜11－载波12－包络线（调制频率与运动速度成正比）11.4.2磁栅数显表及其应用磁头、磁尺与专用磁栅数显示表配合，可用于检测机械位移量，其行程可达数十米，分辨力优于1μm。具有直径/半径、公制/英制转换及显示功能、数据预置功能、断电记忆功能、超限报警功能、非线性误差修正功能、故障自检功能等，能同时测量x、y、z三个方向的位移。磁敏电阻磁头：可不必设置励磁电路，检测速度提高。图11-22ZCB-101鉴相型磁栅数显表的原理框图11.6拓展阅读——容栅传感器容栅：是一种基于变面积工作原理的电容传感器。因为它的电极排列如同栅状，故称此类传感器为容栅传感器。精度稍差，但造价低、耗电省，应用于电子数显卡尺、千分尺、高度仪、坐标仪和机床行程的测量中。11.6.1结构及工作原理容栅传感器分类：直线容栅、圆容栅和圆筒容栅。直线容栅和圆筒容栅用于直线位移的测量，圆容栅用于角位移的测量。直线型容栅传感器结构简图a）动尺和定尺上的电极b）定尺、动尺的位置关系c）发射电极和反射电极的相互关系1－发射电极2－反射电极3－接收电极4－屏蔽电极容栅传感器由动尺和定尺组成，两者保持很小的间隙δ。一般用于数显卡尺的容栅的节距W=0.635mm（25毫英寸），最小分辨力为0.01mm，非线性误差小于0.01mm，在150mm范围内的总测量误差为0.02～0.03mm。11.6.2容栅传感器在数显尺中的应用容栅定尺安装在尺身上，动尺与单片测量转换电路（专用IC）安装在游标上，分辨力为0.01mm，重复精度0.02mm。自动断电功能：当不移动容栅尺5分钟后，容栅传感器自动断电，因此1.5V氧化银扣式电池可使用一年以上。手动置零：按动复位按钮，可在任意位置置零，消除累积误差；公/英制转换：可通过公/英制转换钮实现；串行通信：通过串行接口可与计算机或打印机相连，经软件处理，可对测量数据进行统计处理。指导课堂阅读指导学生自学“第五节 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 项目设计实例——鞋楦机的数字化逆向制造系统”课程设计指导（机械专业）（适当提高要求后，可作为毕业设计题目）1．“机械式身高体重自动测量仪的设计”（重点在身高的测量，可参考题11-5）。2．“狭窄通道人流进、出计数图像系统的设计”（重点：提取图像特征判断进出人头的±1计数）；3．“C6132车床的改造设计”（可参考题11-9）；4．“某某石佛的三维逆向加工系统的设计”。课外作业题11-3、11-5、11-6、11-7（机械类专业），其余专业作为讨论内容。答疑、辅导安排每周*，晚上，在**教研室进行答疑检测教学目标实现程度考察学生能否掌握角编码器的分辨力、分辨率、转速的计算，了解辨向、细分的概念。