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1、项目二 位移检测传感器,位移是指物体的某个表面或某点相对于参考表面或参考点位置的变化。 位移有线位移和角位移两种。线位移是指物体沿着某一条直线移动的距离；角位移是指物体绕着某一定点旋转的角度。 在机械工程中经常要精确测量零部件的位移或位置，并且力、压力、扭矩、速度、加速度、温度、流量等参数也可经转换为位移进行测量。位移测量时，首先要根据不同的测量对象，选择适当的测量点、测量方向和测量仪器。,位移传感器的分类,一、电阻式位移传感器,电位器是人们常用到的一种电子元件， 它作为传感器可以将机械位移或其他能变换成位移的非电量变换为电阻值的变化， 并容易转换成电压的变化。 电位器式传感器具有结构简单，
2、价格低廉， 性能稳定， 对环境条件要求不高， 输出信号大， 易于转换， 便于维修的优点。 其缺点是存在摩擦， 分辨力有限， 精度不够高， 动态响应较差，仅适于测量变化较缓慢的量， 常用作位置信号发生器。 图3-1(a)和(b)分别为直线位移和角位移传感器的外形图。,线绕电位器,结构和工作原理 线圈绕于绝缘骨架上，滑动触点(电刷)在移动过程中, 从一匝滑到另一匝时，电阻值随位移发生变化。,电阻体是由电阻系数很高的极细均匀导线，按照一定的规律整齐地绕在一个绝缘的骨架上制成的。在它与电刷相接触的部分，将导线表面的绝缘去掉，然后加以抛光，形成一个电刷可在其上滑动的接触道。电刷通常是由具有弹性的金属薄片
3、或金属丝制成，其末端弯曲成弧形，利用电刷与电阻本身的弹性变形产生的弹性力，使电刷与电阻元件有一定的接触压力，以使两者在相对滑动过程中保持可靠的接触和导电。电位器常用的电阻丝材料为铜镍合金（铜60、镍40），电刷为磷青铜，骨架为陶瓷酚醛树脂等。,电位器式传感器的转换原理 根据电工知识，我们很容易理解电位器的电压转换原理。 电位器的位移电压转换原理如图3-1（c）所示。 设电阻体的长度为l，电阻值为R，两端所加（输入）电压为Ui，则滑动端输出电压为,(3-1),式中，x为位移量。,电位器式传感器的结构与类型 如图3-2所示，电位器由电阻元件、 电刷、 骨架等组成。 其形式有直滑式和旋转式， 旋转式
4、有单圈和多圈两种。 电刷由触头、 臂、 导向及轴承等装置组成； 触头常用银、 铂铱、 铂铑等金属； 电刷臂用磷青铜等弹性较好的材料； 骨架常用陶瓷、 酚醛树脂及工程塑料等绝缘材料。 电阻元件有线绕电阻、 薄膜电阻、 导电塑料电阻、 导电玻璃釉电阻等。,图3-2 电位器的原理图 （a） 直滑式； (b) 单圈旋转式； (c) 多圈旋转式,二、线绕电位器式传感器,1. 线绕电位器 线绕电位器电阻元件由康铜丝、铂铱合金及卡玛丝等电阻丝绕制， 因而能承受较高的温度， 常被制成功率型电位器， 其额定功率范围一般为0.2550 W， 阻值范围为100 100 k。 线绕电位器的突出优点是结构简单， 使用方
5、便； 缺点是分辨率低， 这是由于电阻丝是一匝一匝地绕在骨架上的， 当接触电刷从这一匝移到另一匝时， 阻值的变化呈阶梯式。,1、线绕电位器的结构,2、线绕电位器的输出特性,电阻灵敏度,电压灵敏度,（1）空载下,（2）负载下,令,分压系数,负载系数,负载误差,相对负载误差,一定，对K求一阶导数，并令其= 0，得：,令,分压系数,负载系数,例2-1 设电位器总电阻 ，要求负载误差 0.1%，确定负载电阻 。,4、阶梯特性、误差和分辨率,阶梯误差,电压分辨率,行程分辨率,三、电位器式传感器的应用,1、航空飞行高度传感器,2、液面高度测试仪,3、电位器式位移传感器,感应同步器,圆感应同步器与角度数显表外
6、形图,优点：具有精度高、抗干扰能力强、工作可靠、对工作环境要求低、维护方便、寿命长、制造工艺简单。,用途：可用来测量直线或转角位移。,分类：测量直线位移的称长感应同步器，测量转角位移的称圆感应同步器。,一、感应同步器的结构和类型,圆盘式感应同步器示意图,直线式感应同步器示意图,1结构,定尺与滑尺绕组关系图,感应同步器的解剖图,2类型,直线式,旋转式（圆盘式）,带型,标准型,窄型,直线式感应同步器的尺寸和精度一览表,带型感应同步器外形图,二、感应同步器的工作原理,感应同步器原理,在定尺绕组上加上激励电流，于是滑尺绕组中便产生感应电势，其值为,设感应线圈 A的中心从励磁线圈中心右移的距离为x ，则
7、感应电动势为,上式中：Em=K0Um,K主要与两绕组的相对位置等因素有关,如图滑尺绕组有两组，相差1/4个周期，则有,从励磁形式来说一般可分为二大类： 一类是以滑尺(或转子)励磁，由定尺(或定子)取感应电动势， 另一类则相反。 依信号处理方式而言，一般可分为鉴相型、鉴幅型和脉冲调宽型三种，而脉冲调宽型本质上也是一种鉴幅。,1鉴相方式,在滑尺的正弦、余弦绕组上供给幅值和频率相同、相位差900的励磁电压us和uc，两个励磁绕组在定尺绕组上感应电势分别为：,定尺上的总感应电势为：,2鉴幅方式,在滑尺的正弦、余弦绕组上供以同频、反相，但幅值不等的交流励磁电压us和uc，即：,两个励磁绕组在定尺上感应电
8、势分别为：,定尺上的总感应电势为：,式中：,感应同步器数显表,鉴幅型滑尺励磁定位控制原理框图,三、感应同步器的应用,1定位控制系统,鉴相型滑尺励磁随动控制原理框图,2随动控制系统,轮廓仪外形图,磁栅式传感器,磁栅优点： 价格低于光栅、制作简单、复制方便； 测量范围宽（从几十毫米到数十米）、不需接长； 易安装和调整、抗干扰能力强。,大尺寸磁栅尺外形图,一、磁栅的组成及类型,1磁栅的组成,磁栅传感器是由磁栅（磁尺）、磁头、检测电路组成。,l磁尺； 2尺基； 3磁性薄膜； 4铁心； 5磁头,磁栅的外形及结构图,2磁栅的类型,长磁栅,圆磁栅,（测量直线位移）,（测量角位移）,尺形,带形,同轴形,1磁头
9、 2磁栅 3屏蔽罩 4基座 5软垫,磁尺,磁栅外观图,磁头,德国SIKO 磁栅尺,磁头与磁尺相对运动时的输出波形,二、磁栅传感器的工作原理,1基本工作原理,磁栅传感器工作原理,磁栅传感器由磁栅（简称磁尺）、 磁头和检测电路组成。 磁尺是用非导磁性材料做尺基， 在尺基的上面镀一层均匀的磁性薄膜， 然后录上一定波长的磁信号而制成的。 磁信号的波长（周期）又称节距， 用W表示。 磁信号的极性是首尾相接， 在N、 N重叠处为正的最强， 在S、S重叠处为负的最强。 磁尺的断面和磁化图形如图所示。,1基本工作原理,磁栅传感器示意图,这里以静态磁头为例，简要说明磁栅传感器的工作原理。 静态磁头的结构如上图所
10、示，它有两组绕组N1和N2。其中， N1为励磁绕组，N2为感应输出绕组。在励磁绕组中通入交变的励磁电流，一般频率为5 kHz或25 kHz， 幅值约为200 mA。 励磁电流使磁芯的可饱和部分（截面较小）在每周期内发生两次磁饱和。磁饱和时磁芯的磁阻很大，磁栅上的漏磁通不能通过铁芯，输出绕组不产生感应电动势。只有在励磁电流每周两次过零时，可饱和磁芯才能导磁，磁栅上的漏磁通使输出绕组产生感应电动势e。可见感应电动势的频率为励磁电流频率的两倍，而e的包络线反映了磁头与磁尺的位置关系，其幅值与磁栅到磁芯漏磁通的大小成正比。,式中：Em感应电势的幅值 W磁栅信号的节距 x机械位移量,磁头输出的电势信号经
11、检波，保留其基波成分，可用下式表示：,2信号处理方式,当两只磁头励磁线圈加上同一励磁电流时，两磁头输出绕组的输出信号为：,式中： 机械位移相角，,图5-4-3双磁头结构,双磁头是为了识别磁栅的移动方向而设置的，其结构如图5-4-3所示。两磁头按(m14)配置（m为正整数），它们的输出电压分别是,为增大输出，实际使用时常采用多间隙磁头。多间隙磁头的输出是许多个间隙磁头所取得信号的平均值，有平均效应作用，因而可提高测量精度。,图5-4-4双磁头结构,将第二个磁头的电压读出信号移相900，两磁头的输出信号则变为：,将两路输出相加，则获得总输出：,（1）鉴相方式,磁尺与磁头接触，使用寿命 不如光栅，数
12、年后易退磁。,设置两个磁头的 意义何在？,利用输出信号的幅值大小来反映磁头的位移量或与磁尺的相对位置的信号处理方式。经检波器去掉高频载波后可得 ：,（2）鉴幅方式,与光栅的信号辨向、细分一致。,鉴幅型磁栅传感器的原理框图,磁栅数显装置的结构示意图 1磁性标尺 2磁头 3固定块 4尺体安装孔 5泡沫垫 6滑板安装孔 7磁头连接板 8滑板,三、磁栅数显装置,国产磁栅数显装置的LSI芯片组成：,1磁头放大器（SF023）,2磁尺检测专用集成芯片（SF6114）,主要功能：两输入信号的放大；通道B信号移相 900；通道A和通道B信号求和放大；补 偿两只磁头特性所需的调整和来自数显 表供给两只磁头的励磁
13、信号。,主要功能：对磁尺励磁信号的低通滤波和功率放大； 供给磁头的励磁信号；对放大器输出信号 经滤波后进行放大、限幅、整形为矩形 波；接受反馈信号对磁尺检出信号进行相 位微调。,4可逆计数芯片（WK50395）,3磁尺细分专用集成芯片（SIM011）,主要功能：对磁尺的节距W200m实现200或40 或20等分的电气细分，从而获得1、5、 10m的分辨力（最小显示值）。,该芯片带有比较寄存器和锁存器的P沟道MOS六位十进制同步可逆计数/显示驱动器。可以逐位用BCD码置数，及有异步清零功能。,1磁栅测量系统,压板,磁头,磁尺,四、磁栅式传感器的应用,数显,磁栅在磨床测长系统中的应用,磁尺,2应用
14、实例,编码器,1 认识编码器 2 编码器的测量对象 3 编码器测量直线位移的方式 4 绝对式测量 5 增量式测量 6 编码器在数字测速中的应用 7 编码器在主轴控制中的应用,1 认识编码器（编码器在机器人控制中的应用）,编码器,伺服电机,伺服电机,编码器,伺服电机,伺服电机,编码器,编码器,编码器,播放,2 编码器的测量对象,编码器,轴式,套式,电信号,二进制编码,脉冲,3 编码器测量直线位移的方式（1）编码器装在丝杠末端,编码器,通过测量滚珠丝杠的角位移，间接获得工作台的直线位移x，构成位置半闭环伺服系统。,xt/360 ,（2）丝杠螺距,编码器,螺母,丝杠,螺距,x=？,设:螺距t=4mm
15、，丝杠在4s时间里转动了10圈，求:丝杠的平均转速n(r/min)及螺母移动了多少毫米？螺母移动的平均速度v又为多少？,螺距,编码器,（3）编码器和伺服电动机同轴安装,xt/360 ,（4）编码器和伺服电动机同轴安装,编码器,工作台,丝杠,伺服电动机,编码器,导轨,（5）编码器和伺服电动机同轴安装,编码器,光电编码器,伺服电动机,联轴器,滚珠丝杠,滑块,光电编码器信号输出,伺服电动机电源,（6）编码器两种安装方式比较,编码器,x,x,4 增量式测量（INC）（1）信号性质,编码器,输出信号为一串脉冲，每一个脉冲对应一个分辨角，对脉冲进行计数N，就是对 的累加，即，角位移 N。 如： 0.352
16、，脉冲N1000，则： 0.3521000 352,（2）增量式光电编码器的结构,编码器,码盘,光栏板,LED,零位标志 （一转脉冲）,光敏元件,360条纹数,36010240.352,透光条纹,（3）辨向,编码器,光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90相位，用于辨向。 当码盘正转时，A信号超前B信号90；当码盘反转时，B信号超前A信号90。,（4）辨向信号,编码器,A,B,A,B,A 超前于B 90，正向,A 滞后于B 90，反向,（5）倍频（细分）,编码器,/4,细分前,4细分后,在现有编码器的条件下，通过细分技术能提高编码器的分辨力。细分前，编码器的分辨力只有一个分辨角的大小。采用4细分
17、技术后，计数脉冲的频率提高了4倍，相当于将原编码器的分辨力提高了3倍，测量分辨角是原来的1/4，提高了测量精度。,（6）零标志（一转脉冲）,编码器,一转（360）,C,C,在码盘里圈，还有一条狭缝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。,（7）零标志在回参考点中的作用,编码器,Z 轴参考点,X 轴参考点,Y 轴参考点,回参考点方式,SINUMERIK数控系统工作方式开关,（8）回参考点减速开关,编码器,限位开关,参考点减速开关,滑块,（9）回参考点示意图,编码器,减速寻找零标志,零标志找到,参考点位置,速度,慢速,快速,行程,碰到参考点减速开关,播放
18、,5 绝对式测量（ABS）（1）信号性质,编码器,0 0 0 0 0 0 0 0 1 22.5 0 0 1 0 45 ,1 1 1 1 337.5 ,输出n位二进制编码，每一个编码对应唯一的角度。,（2）接触式绝对码盘,编码器,4个电刷,4位二进制码盘,最小分辨角 3602n,当n4，3602422.5,导电为“1”，非导电为“0”,4位二进制码与循环码的对照表,（3）绝对式光电码盘,编码器,LED,光敏元件,6 编码器在数字测速中的应用（1）模拟测速和数字测速的比较,编码器,M,TG,U,测速发电机,n,Un,（2）M法测速（适合于高转速场合）,编码器,m1,T,有一增量式光电编码器，其参数
19、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）=768 r/min,编码器每转产生 N 个脉冲，在T 时间段内有 m1 个脉冲产生，则转速（r/min)为: n = 60m1/（NT）,（3）T法测速（适合于低转速场合）,编码器,编码器每转产生 N 个脉冲，用已知频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为m2，则转速(r/min)为： n = 60fc / （Nm2 ）,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/mi
20、n)为 ：,n = 60fc /（Nm2 ） =60106/（10243000）=19.53 r/min,7 编码器在主轴控制中的应用(1)主轴编码器,编码器,（2）主轴编码器用于C 轴控制,编码器,主轴编码器,回转刀盘,自驱刀头,C,Z,n,工件,卡盘,主轴,（3）主轴编码器用于螺纹车削,编码器,车削螺纹时，为保证每次切削的起刀点不变，防止“乱牙”，主轴编码器通过对起刀点到退刀点之间的脉冲进行计数来达到车削螺纹的目的。,播放,小 结,编码器,1. 编码器用来测量角位移。在数控机床直线进给运动控制中，通过测量角位移间接测量出直线位移，表达式为 xt/360 。 2. 绝对式编码器输出二进制编码，增量式编码器输出脉冲。 3. 增量式编码器输出信号要进行辨向、零标志和倍频等处理。 4. 编码器用于数字测速，有M法和T法等方式；在数控车床中用于C 轴控制和螺纹切削。,