第十一章数字式位置传感器.docx
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第十一章数字式位置传感器
教师授课方案(首页)
授课班级
09D电气1、电气2
授课日期
课节
2
课堂类型
讲授
课题
第十一章数字式位置传感器第一节位置测量的方式
第二节数字式角编码器第三节光栅传感器
第四节磁栅、容栅传感器
教学目的
与要求
【知识目标】1.了解直接测量和间接测量的区别;2.了解绝对式和增量式角编码器的原理;3.掌握角编码器的分辨力、分辨率计算;4、了解光栅的原理和细分计算;5.了解磁栅、容栅的原理和计算;
【能力目标】培养学生理论分析及理论联系实际的能力,在实际测量中会分析光电元件的基本应用电路。
【职业目标】培养学生爱岗敬业的情感目标。
重点难点
重点:
二进制编码与角度的关系;角编码器的分辨率;辨向与细分技术
难点:
辨向与细分技术
教具教学辅助活动
教具:
多媒体课件、角编码器实物、习题册
教学辅助活动:
提问、学生讨论
一节教学过程安排
复习
1、光电传感器的分类
2、简述光电传感器的应用
3、简述遮断与反射式光电开关、光电断路器的检测应用
5分钟
讲课
1.直接测量和间接测量的区别;
2.绝对式和增量式角编码器的原理;
3.掌握角编码器的分辨力、分辨率计算;
4、光栅的原理和细分计算;
5.磁栅、容栅的原理和计算
73分钟
小结
小结见内页,之后利用10分钟时间与学生互动答疑
10分钟
作业
习题册第十一章数字式位置传感器传感器习题
2分钟
任课教师:
叶睿2011年2月7日
审查教师签字:
年月日
教案附页
【复习提问】
上节课知识点:
1、光电传感器的分类
2、简述光电传感器的应用
3、简述遮断与反射式光电开关、光电断路器的检测应用
第十一章数字式位置传感器
【章节导入】:
在用普通机床进行零件加工时,操作人员要控制进给量以保证零件的加工尺寸,如长度、高度、直径、角度及孔距,数字式传感器能直接检测直线位移和角位移,并用数字形式显示出来。
【本章要点】:
1、常用数字式位置传感器的结构、原理
2、掌握角编码器的分辨力以及辨向、细分技术
3、角编码器、光栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器等在直线位移和角位移中测量、控制的应用。
第一节位置测量的方式
【本节内容设计】
通过课件与教师讲授位置测量的方式,为学习数字式位置传感器做准备。
【授课内容】
位置测量主要指直线测量和角位移的精密测量,数字式位置测量就是将被测的位置以数字的形式表现出来,具有以下特点:
1、将被测的位置量直接转变为脉冲个数或编码,便于显示和处理。
2、测量精度取决于分辨力,和量程基本无关。
3、输出脉冲的抗干扰能力强。
数字式位置传感器可以单独组成数字显示装置专门用于位置测量和显示,也可以和数控系统组成位置控制系统。
一、直接测量和间接测量
位置传感器有直线式和旋转式两大类。
(一)直接测量
若位置传感器所测量的对象就是被测量本身则该测量方式为直接测量。
优点是误差小
用直线式传感器测直线位移。
例如直接用于直线位移测量的直线光栅和长磁栅等。
用旋转式传感器测角位移。
直接用于角度测量的角编码器、圆光栅、圆磁栅等。
(二)间接测量
若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值,再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移,则该测量方式为间接测量。
1、丝杠—螺母装置
在间接测量中,多使用旋转式位置传感器。
测量到的回转运动参数仅仅是中间值,但可由这中间值再推算出与之关联的移动部件的直线位移。
例如:
丝杠螺距t=6mm,旋转式位置传感器测得丝杠旋转角度为72900,则螺母的直线位移为(6mm×3600)/72900=121.50mm
2、齿轮-齿条装置
齿轮-齿条副等传动机构能够将旋转运动转换成直线运动。
但应设法消除传导过程产生的间隙误差。
3、两种装置的比较
滚珠丝杠螺母副能够将减小传动磨檫力,延长使用寿命,减小间隙误差。
二、增量式和绝对式测量
在增量式测量中,移动部件每移动一个基本长度单位,位置传感器便发出一个测量信号,此信号通常是脉冲形式。
这样,一个脉冲所代表的基本长度单位就是分辨力,对脉冲计数,便可得到位移量。
例如:
增量式测量系统的分辨力为0.01mm,移动部件每移动0.01mm,位置传感器发出一个脉冲,计数器加1或减1.计数器为200时,工作台移动了0.1×200=2.00mm
绝对式测量的特点是:
每一被测点都有一个对应的编码,常以二进制数据形式来表示。
绝对式测量即使断电之后再重新上电,也能读出当前位置的数据。
典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。
第二节数字式角编码器
【本节内容设计】
通过实物展示课件与教师讲授数字式角编码器的工作过程分析、结构分类以及应用,为工程位置测量与检测做知识与技能的储备
【授课内容】
从角编码器(码盘):
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。
一、绝对式编码器
绝对式编码器按照角度直接进行编码,可直接把被测转角用数字代码表示出来。
根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等形式。
1、绝对式接触编码器:
a)电刷在码盘上的位置b)4位8421二进制码盘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)
分辨的角度α(即分辨力)为α=360°/2n分辨率=1/2n
码道越多,位数n越大,所能分辨的角度α就越小
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。
2、绝对式光电编码器的分辨力及分辨率
特点:
没有接触磨损,允许转速高。
码盘材料:
不锈钢薄板、玻
璃码盘。
分辨力:
绝对式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度,而这与码盘上的码道数n有关,即最小能分辨的角度及分辨率为:
α=360°/2n分辨率=1/2n
二、增量式光电编码器
1、增量式光电编码器的结构:
光电码盘与转轴连在一起。
码盘可用玻璃材料制成,表面镀上一层不透光的金属铬,然后在边缘制成向心的透光狭缝。
透光狭缝在码盘圆周上等分,数量从几百条到几千条不等。
这样,整个码盘圆周上就被等分成n个透光的槽。
增量式光电码盘也可用不锈钢薄板制成,然后在圆周边缘切割出均匀分布的透光槽。
2、增量式光电编码器的分辨力及分辨率
增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度,而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关,即最小能分辨的角度及分辨率为:
举例:
盘边缘的透光槽数为1024个,则能分辨的最小角度α=360°/1024=0.352°
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
3、光电编码器的输出波形
为了判断码盘旋转的方向,在上图的光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个狭缝距离的(m+1/4)倍,m为正整数,并设置了两组光敏元件A、B,有时又称为sin、cos元件。
光电编码器的输出波形如图所示。
有关A、B信号如何用于辨向、细分的原理将在本章第三节中论述。
为了得到码盘转动的绝对位置,还须设置一个基准点,如前图中的“零位标志槽”。
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”,见图中的C0脉冲。
4、辨向信号和零标志
光电编码器的光栏板上有A组与B组两组狭缝,彼此错开1/4节距,两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90相位,用于辩向。
当编码正转时,A信号超前B信号90;当码盘反转时,B信号超前A信号90。
在图的码盘里圈,还有一根狭缝C,每转能产生一个脉冲,该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲,作为测量的起始基准。
三、角编码器的应用
角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外,可用于数字测速、工位编码、伺服电机控制等。
1、数字测速:
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。
角编码器可代替测速发电机的模拟测速,而成为数字测速装置。
数字测速头可分为M法测速和T法测速。
a)M法测速b)T法测速
M法测速举例:
量式光电编码器,其参数为1024p/r,在5s时间内测得65536个脉冲,则转速(r/min)为:
n=60×65536/(1024×5)r/min=768r/min
T法测速举例:
有一增量式光电编码器,其参数为1024p/r,测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000,时钟频率fc为1MHz,则转速(r/min)为:
n=60fc/(Nm2)=60×1000000/(1024×3000)=19.53r/min
2、编码器在伺服电机中的应用
利用编码器测量伺服电机的转速、转角,并通过伺服控制系统控制其各种运行参数。
例如:
通过F/V转换电路提供速度反馈信号进行转速测量;转子磁极位置测量;传动系统的角位移测量
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,转盘工位编码如前图所示。
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。
例:
要使处于工位4上的工件转到加工点等待钻孔加工,计算机就控制电动机通过带轮带动转盘逆时针旋转。
与此同时,绝对式编码器(假设为4码道)输出的编码不断变化。
设工位1的绝对二进制码为0000,当输出从工位3的0100,变为0110时,表示转盘已将工位4转到加工点,电动机停转。
第三节光栅传感器
【本节内容设计】
通过实物展示课件与教师讲授光栅传感器的分类、变向与细分技术以及光栅传感器的应用,为实际工程测量与检测做知识与技能的储备
【授课内容】
光栅可分为物理光栅和计量光栅物理光栅利用光的衍射,分析光谱和光波定长测试,在检测中使用计量光栅。
一、光栅的类型和结构
计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成;栅副由标尺光栅和指示光栅构成;敏元件可以使光敏二极管也可以是光电池。
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,如图a所示;
反射式式光栅:
使用不锈钢作基体,在其上用化学方法制出黑白相间的条纹,形成反光区和不反光区,如图b所示。
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
计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。
长光栅用于直线位移测量标尺光栅固定不动,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
圆光栅用于角位移测量,指示光栅通常固定不动,而标尺光栅随轴转动。
二、光栅的有关概念
栅距W:
称为光栅常数。
栅线密度:
10线/mm、25线/mm、50线/mm、100线/mm和200线/mm等几种。
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,每周的栅线数从较低精度的100线到高精度等级的21600线不等。
例:
某一长光栅的栅线密度为:
25线/mm,求栅距W(可视为分辨力)
解:
1mm/25线=0.04mm/线=4μm/线
三、光栅副的工作原理:
1、莫尔条纹
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;在两光栅刻线的错开处,由于相互挡光作用而形成暗带。
由亮暗带形成
2、演示莫尔条纹
3、莫尔条纹放大作用举例
有一直线光栅,每毫米刻线数为50,主光栅与指示光栅的夹角=1.8,则:
分辨力=栅距W=1mm/50=0.02mm=20m(由于栅距很小,因此无法观察光强的变化)
L≈W/θ=0.02mm/(1.8×3.14/180)=0.02mm/0.0314=0.637mm
莫尔条纹的宽度是栅距的32倍,由于较大,因此可以用小面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。
三、辨向及细分
1、辨向技术
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,无法分辨位移的方向
例:
某1024p/r圆光栅,正转10圈,反转4圈,若不采取辨向措施,则计数器将错误地得到14336个脉冲,而正确值为:
(10-4)×1024=6144个脉冲。
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。
通常可以在沿光栅线的y方向上相距(m±1/4)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,这样就可以得到两个相位相差π/2的电信号uos和uoc经放大、整形后得到u‘os和u’oc两个方波信号,分别送到计算机的两路接口
计算机判断两路信号的相位差。
当指示光栅向右移动时,uos滞后于uoc;当指示光栅向左移动时,uos超前于uoc。
计算机据此判断指示光栅的移动方向。
2、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。
通常采用的细分方法有4倍频法、16倍频法等,可通过专用集成电路来实现。
举例:
线光栅,每毫米刻线数为50,细分数为4细分,则:
分辨力=W/4=(1mm/50)/4=0.005mm=5m
结论:
分技术,在不增加光栅刻线数(成本)的情况下,将分辨力提高了3倍。
四、光栅传感器的应用:
1、为光栅设计的专用数据转接器(光栅计数卡)
2、自由度光栅数显表
3、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。
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光敏三极管数显表
第四节磁栅、容栅传感器
【本节内容设计】
通过实物展示课件与教师讲授磁栅、容栅传感器结构、测量原理及应用,工程位置测量与检测做知识与技能的储备
【授课内容】
磁栅是一种新型传感器。
价格低于光栅,且录磁方便、易于安装,测量范围宽可超过十几米,抗干扰能力强。
磁栅可分为长磁栅和圆磁栅。
长磁栅主要用于直线位移测量,圆磁栅主要用于角位移测量。
磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成。
一、磁栅结构:
磁尺、磁头和信号处理电路组成。
1.磁尺:
尺按基体形状有带状磁尺、线状磁尺(又称同轴型)和圆形磁尺,如图所示。
通过录磁磁头在磁尺上录制出节距严格相等的磁信号作为计数信号。
节距(栅距)W通常为0.05mm、0.1mm、0.2mm。
2.磁头
为了辨别磁头运动的方向,采用两只磁头(sin、cos磁头)来拾取信号。
它们相互距离为(m1/4)W,m为整数。
为了保证距离的准确性,通常将两个磁头做成一体。
二、鉴相型磁栅数显表的原理框图
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。
ZCB-101鉴相型磁栅数显表的原理框图
功能:
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。
三、容栅传感器:
新型大位移传感器。
基于变面积工作原理的电容传感器,它的电极排列如同栅状。
与其他大位移传感器,如光栅、磁栅等相比,虽然精度稍差,但体积小、造价低、耗电省,广泛应用于电子数显卡尺、千分尺、高度仪、坐标仪等几百毫米以下行程的测量中。
一、结构及工作原理
容栅传感器可分为三类:
直线型容栅、圆容栅和圆筒形容栅。
其中,直线型和圆筒形容栅传感器用于直线位移的测量,圆形容栅传感器用于角位移的测量。
二、型容栅结构及用途
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。
1、数显卡尺
功能:
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。
2、百分表
3、测高仪
【知识小结】:
通过对以下知识的学习
1.了解测量和间接测量的区别;
2.了解绝对式和增量式角编码器的原理;掌握两种编码器的分辨力计算
3.掌握光栅的原理和变向技术与细分技术计算;
4.了解光栅、磁栅、容栅传感器的原理和应用
为实际检测和测量工程作知识与技能储备。
【教学后记】:
通过课堂习题的检验,作业的批改,第二堂课的提问,检验出学生对本节课的知识掌握良好,可以顺利地进行下一阶段的学习.
【板书设计】:
如下
第十一章数字式位置传感器
第一节位置测量的方式
一、直接测量和间接测量
二、增量测量
第二节数字式角编码器
一、绝对式编码器
二、增量式编码器
三、角编码器的应用
第三节光栅传感器
一、光栅的类型与结构
二、光栅的工作原理
三、变向与细分
四、光栅传感器的应用
第四节磁栅、容栅传感器
一、磁栅结构及工作原理
二、磁栅数显表及其应用
三、容栅传感器的结构及工作原理
四、容栅传感器在数显尺的应用
【知识小结】
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
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- 关 键 词:
- 第十一 数字式 位置 传感器