[工學(xué)]11第十一章數(shù)字式位置傳感器(編輯修改稿)
2025-02-11 20:02 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 旋轉(zhuǎn)刀庫(kù)連接 2022/2/12 36 用不同的刀具加工復(fù)雜的工件 2022/2/12 37 編碼器在伺服電機(jī)中的應(yīng)用 利用 編碼器測(cè)量 伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角，并通過(guò)伺服控制系統(tǒng)控制其各種運(yùn)行參數(shù)。 ?轉(zhuǎn)速測(cè)量 ?轉(zhuǎn)子磁極位置測(cè)量 ?角位移測(cè)量 2022/2/12 38 第三節(jié) 光柵傳感器 一、光柵的類(lèi)型和結(jié)構(gòu) 計(jì)量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類(lèi)；計(jì)量光柵按形狀又可分為長(zhǎng)光柵和圓光柵。 由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。 光柵的類(lèi)型 2022/2/12 39 在鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明暗相間 、 等間距分布的細(xì)小條紋 （ 又稱(chēng)為刻線(xiàn) ） ， 這就是光柵 ，下圖為透射光柵的示意圖 。 圖中 a為柵線(xiàn)的寬度 （ 不透光 ） ， b為柵線(xiàn)間寬 （ 透光 ） ， a+b=W稱(chēng)為光柵的柵距 （ 也稱(chēng)光柵常數(shù) ） 。 通常 a=b=W/2， 也可刻成a∶ b=∶ 。 目前常用的光柵每毫米刻成 250、 100、 250條線(xiàn)條 。 光柵的結(jié)構(gòu) 2022/2/12 40 透射光柵示意圖 2022/2/12 41 二 、 光柵測(cè)量原理 把兩塊柵距相等的光柵 （ 光柵 光柵 2） 面向?qū)ΟB合在一起 ， 中間留有很小的間隙 ， 并使兩者的柵線(xiàn)之間形成一個(gè)很小的夾角 θ， 如圖所示 ， 這樣就可以看到在近于垂直柵線(xiàn)方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋 ， 這些條紋叫 莫爾條紋 。 由圖可見(jiàn) ， 在 d——d線(xiàn)上 ， 兩塊光柵的柵線(xiàn)重合 ， 透光面積最大 ， 形成條紋的亮帶 ， 它是由一系列四棱形圖案構(gòu)成的；在 f——f線(xiàn)上 ， 兩塊光柵的柵線(xiàn)錯(cuò)開(kāi) ， 形成條紋的暗帶 ， 它是由一些黑色叉線(xiàn)圖案組成的 。 因此莫爾條紋的形成是由兩塊光柵的遮光和透光效應(yīng)形成的 。 2022/2/12 42 光柵莫爾條紋的形式 2022/2/12 43 莫爾條紋測(cè)位移具有以下三個(gè)方面的特點(diǎn)： (1) 位移的 放大作用 當(dāng)光柵每移動(dòng)一個(gè)光柵柵距 W時(shí) ， 莫爾條紋也跟著移動(dòng)一個(gè)條紋寬度 BH， 如果光柵作反向移動(dòng) ， 條紋移動(dòng)方向也相反 。 莫爾條紋的間距BH與兩光柵線(xiàn)紋夾角 θ之間的關(guān)系為： ??WWBH ??2s i n θ越小 ， BH越大 ， 這相當(dāng)于把柵距 W放大了 1/θ倍 。例如 θ=176。 ， 則 1/θ≈573， 即莫爾條紋寬度 BH是柵距 W的 573倍 ， 這相當(dāng)于把柵距放大了 573倍 ， 說(shuō)明光柵具有位移放大作用 ， 從而提高了測(cè)量的靈敏度 。 2022/2/12 44 （ 2） 莫爾條紋 移動(dòng)方向 如光柵 1沿著刻線(xiàn)垂直方向向右移動(dòng)時(shí) ， 莫爾條紋將沿著光柵 2的柵線(xiàn)向上移動(dòng)；反之 ， 當(dāng)光柵 1向左移動(dòng)時(shí) ， 莫爾條紋沿著光柵 2的柵線(xiàn)向下移動(dòng) 。 因此根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)方向就可以對(duì)光柵 1的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行辨向 。 (3) 誤差的 平均效應(yīng) 莫爾條紋由光柵的大量刻線(xiàn)形成 ， 對(duì)線(xiàn)紋的刻劃誤差有平均抵消作用 ， 能在很大程度上消除短周期誤差的影響 。 2022/2/12 45 三 、 光柵傳感器的組成 光柵傳感器作為一個(gè)完整的測(cè)量裝置包括 光柵讀數(shù)頭 、 光柵數(shù)顯表 兩大部分 。 光柵讀數(shù)頭利用光柵原理把輸入量 （ 位移量 ） 轉(zhuǎn)換成響應(yīng)的電信號(hào) 。 光柵數(shù)顯表是實(shí)現(xiàn)細(xì)分 、 辨向和顯示功能的電子系統(tǒng) 。 2022/2/12 46 1. 光柵讀數(shù)頭 光柵讀數(shù)頭 主要由標(biāo)尺光柵 、 指示光柵 、 光路系統(tǒng)和光電元件等組成 。 標(biāo)尺光柵的有效長(zhǎng)度即為測(cè)量范圍 。 指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多 ， 但兩者一般刻有同樣的柵距 ， 使用時(shí)兩光柵互相重疊 ， 兩者之間有微小的空隙 。 標(biāo)尺光柵一般固定在被測(cè)物體上 ， 且隨被測(cè)物體一起移動(dòng) ， 其長(zhǎng)度取決于測(cè)量范圍 ， 指示光柵相對(duì)于光電元件固定 。 光柵讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)下圖 。 2022/2/12 47 光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)示意圖 2022/2/12 48 前面分析的莫爾條紋是一個(gè)明暗相間的帶 。 從圖看出 ， 兩條暗帶中心線(xiàn)之間的光強(qiáng)變化是從最暗到漸暗 ， 到漸亮 ， 一直到最亮 ， 又從最亮經(jīng)漸亮到漸暗 ， 再到最暗的漸變過(guò)程 。 主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距 W， 光強(qiáng)變化一個(gè)周期 ， 若用光電元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化 ， 則將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào) ， 接近于正弦周期函數(shù) (如圖所示 )， 如以電壓輸出 ， 即 ?????? ???WxUUu moo?? 22s i n2022/2/12 49 式中： uo——光電元件輸出的電壓信號(hào)； Uo——輸出信號(hào)中的平均直流分量； Um——輸出信號(hào)中正弦交流分量的幅值。 由式可見(jiàn)，輸出電壓反映了位移量的大小。 2022/2/12 50 光柵位移與光強(qiáng)、輸出電壓的關(guān)系 2022/2/12 51 2. 光柵數(shù)顯表 光柵讀數(shù)頭實(shí)現(xiàn)了位移量由非電量轉(zhuǎn)換為電量 ，位移是向量 ， 因而對(duì)位移量的測(cè)量除了確定大小之外 ，還應(yīng)確定其方向 。 為了辨別位移的方向 ， 進(jìn)一步提高測(cè)量的精度 ， 以及實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示的目的 ， 必須把光柵讀數(shù)頭的輸出信號(hào)送入數(shù)顯表作進(jìn)一步的處理 。 光柵數(shù)
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