位移测量--数字式传感器-my课件

位移的检测位移的检测l线位移线位移l角位移角位移1230、激光测距系统、激光测距系统-大范围远距离测距（几千大范围远距离测距（几千/几十千米）几十千米）1）脉冲测距法）脉冲测距法激光短脉冲信号（激光器激光短脉冲信号（激光器 被测目标）被测目标）测量精度：时间间隔测量精度（脉冲窄、响应速度快）测量精度：时间间隔测量精度（脉冲窄、响应速度快）远距离远距离-固体固体/二氧化碳；近距离二氧化碳；近距离-半导体半导体巨脉冲激光器巨脉冲激光器-地球地球月球距离（分辨力：月球距离（分辨力：1m）距离距离43）激光三角法）激光三角法2）相位差测距法）相位差测距法激光束调制激光束调制-相位差相位差-时间时间-距离距离特点：测量精度高、分辨力强特点：测量精度高、分辨力强5原理：原理：y=f(x)x y6Keyence 激光测距传感器激光测距传感器激光测距产品激光测距产品7特点：特点：非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高精度：光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直精度：光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面特征径大小以及被测物体的表面特征8应用：应用：910厚度测量：厚度测量：(a)参考表面：两传感器同向参考表面：两传感器同向-减小偏心误差减小偏心误差(b)相对测量：两传感器反向，无参考表面相对测量：两传感器反向，无参考表面-克服钢板本克服钢板本身上下起伏造成的误差身上下起伏造成的误差11测量范围：测量范围：16mm左右；相对测量精度：左右；相对测量精度：0.1%0.2%适用：在线测量钢板适用：在线测量钢板/铝板等板材厚度铝板等板材厚度 特点：测头对表面颜色和纹理变化以及背景光的影响不敏感特点：测头对表面颜色和纹理变化以及背景光的影响不敏感不能测量镜面不能测量镜面-漫反射原理漫反射原理12微小位移测量微小位移测量-数字式位移传感器数字式位移传感器 数字式传感器能把被测的模拟量直接转数字式传感器能把被测的模拟量直接转换成数字量。换成数字量。与模拟传感器相比的特点是与模拟传感器相比的特点是:抗干扰能力抗干扰能力强强,稳定性强稳定性强;易于微机接口易于微机接口,便于信号处便于信号处理和实现自动化测量。理和实现自动化测量。常用的数字式传感器常用的数字式传感器l光栅传感器光栅传感器l旋转式光电编码器旋转式光电编码器135.1 5.1 光栅传感器光栅传感器一一.光栅及其测量系统光栅及其测量系统1.1.光栅的结构类型光栅的结构类型 1 1）长光栅尺）长光栅尺14光栅式传感器光栅式传感器-等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件物理光栅：物理光栅：计量光栅：计量光栅：利用光的衍射现象分析光谱、测定波长利用光的衍射现象分析光谱、测定波长利用光的莫尔条纹现象测量精密位移利用光的莫尔条纹现象测量精密位移15长光栅长光栅-直线位移；圆光栅直线位移；圆光栅-角位移角位移 构成：主光栅构成：主光栅-标尺光栅，定光栅；指示光栅标尺光栅，定光栅；指示光栅-动光栅动光栅长度长度-测量范围；刻线密度测量范围；刻线密度-测量精度测量精度(10、25、50、100、125线线/mm)16172）圆光栅）圆光栅刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅盘，用来测量角度或角位移。盘，用来测量角度或角位移。根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅是径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另一种是切向光栅，其全部栅线盘的圆心；另一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切个毫米的小圆相切若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。182.2.光栅测量系统（光栅读数头）光栅测量系统（光栅读数头）19202122二二.光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理1.1.莫尔条纹的形成及其特征莫尔条纹的形成及其特征 当指示光栅和标尺光栅的刻线相交一个微当指示光栅和标尺光栅的刻线相交一个微小的夹角时小的夹角时,光源照射光栅尺，由于挡光光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的相交处形成亮带，效应，两块光栅刻线的相交处形成亮带，而在刻线彼此错开处形成暗带。在与光栅而在刻线彼此错开处形成暗带。在与光栅线纹大致垂直的方向上线纹大致垂直的方向上,产生出亮暗相间产生出亮暗相间的条纹的条纹,这些条纹称为这些条纹称为“莫尔条纹莫尔条纹”。23(1)莫尔条纹（莫尔条纹（Moire）条纹宽度：条纹宽度：W-栅距，栅距，a-线宽，线宽，b-缝宽缝宽W=a+b，a=b=W/2 特例：当特例：当 =0,w1=w2 B=光闸莫光闸莫尔条纹尔条纹 当当 =0,w1w2 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹均匀刻线均匀刻线主光栅主光栅指示光栅指示光栅夹角夹角明暗相间条纹明暗相间条纹莫尔条纹莫尔条纹移动移动2425莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征1)放大作用放大作用放大倍数为放大倍数为 1/,1/,越小越小,B B越大。越大。例如例如=0.1=0.1时时 =0.1=0.12/360 =0.1=0.12/360 =0.00175432rad=0.00175432radW=0.02mm BH=11.4592mmW=0.02mm BH=11.4592mm。262)2)对应关系对应关系2728莫尔条纹特性：莫尔条纹特性：方向性方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直与光栅移动方向垂直同步性同步性：光栅移动一个栅距：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距一方向对应莫尔条纹移动一个间距一方向对应放大性放大性：夹角：夹角很小很小 BW 光学放大光学放大 提高灵敏度提高灵敏度可调性可调性：夹角：夹角 条纹间距条纹间距B 灵活灵活准确性：准确性：大量刻线大量刻线 误差平均效应误差平均效应 克服个别误差克服个别误差 提高精度提高精度(2)光栅传感器分类与结构原理光栅传感器分类与结构原理 按运动形式分：按运动形式分：直线型直线型-主光栅为直尺形主光栅为直尺形直线移动直线移动 旋转型旋转型-主光栅为圆盘形主光栅为圆盘形旋转运动旋转运动按光学形式分：按光学形式分：透射式透射式-光源与光电元件在两侧光源与光电元件在两侧透射光透射光 反射式反射式-光源与光电元件同一侧光源与光电元件同一侧反射光反射光2930 3）误差的平均效应误差的平均效应光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。莫莫尔尔条条纹纹由由光光栅栅的的大大量量刻刻线线形形成成,对对线线纹纹的的刻刻划划误误差差有有平平均均抵抵消消作作用用,几几条条刻刻线线的的栅栅距距误误差差或或断断裂裂对对莫莫尔尔条条纹纹的的位位置置和和形形状状影影响响甚甚微微。能能在在很很大大程程度度上上消除短周期误差的影响。消除短周期误差的影响。例例W=0.02mm,接接收收元元件件尺尺寸寸1010mm2,在在10mm范范围围内内有有500条条刻刻线线参参与与工工作作，某某几几条条刻刻线线误误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。312.2.辨向原理及辨向电路辨向原理及辨向电路1 1）为什么要辨向）为什么要辨向 当可动光栅（主光栅）无论向前或向后移当可动光栅（主光栅）无论向前或向后移动时，在一固定点安装的光电元件只能接动时，在一固定点安装的光电元件只能接收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数收到莫尔条纹明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量法辨别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向电路。测量电路中加入辨向电路。322 2）辨向原理与辨向电路）辨向原理与辨向电路33辨向电路辨向电路34设计数器记得脉设计数器记得脉冲数为冲数为N，位移，位移 x=N W 光栅测量位移属光栅测量位移属于于增量式增量式测量。测量。35三三.细分技术细分技术l目的：目的：提高分辨力提高分辨力（测量比栅距更小的位移（测量比栅距更小的位移量）。量）。l细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹信号细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内变化周期内,发出发出n n脉冲脉冲,每个脉冲代表原每个脉冲代表原来栅距的来栅距的1/n1/n。由于细分后计数脉冲频率提。由于细分后计数脉冲频率提高了高了n n倍倍,因此也称之为因此也称之为n n倍频。倍频。l细分类型：细分类型：电子细分电子细分又分为四倍频直接细分和电位器桥又分为四倍频直接细分和电位器桥细分。细分。361.四倍频细分四倍频细分在在相相差差B/4B/4位位置置上上安安放放两两个个光光电电元元件件，得得到到两两个个相相差差/2/2电电压压信信号号（S S和和C C），将将这这两两个个信信号号整整形形、反反相相得得到到四四个个依依次次相相差差/2/2的的电电压压信信号号。0 0（S S），9090（C C）180180（S S）270270（C C）。）。在在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。372.2.电位器桥（电阻链）细分电位器桥（电阻链）细分实现方法及原理实现方法及原理 四细分后得到的四个相位差为四细分后得到的四个相位差为9090度的交流信号度的交流信号U Um msinsin,U Um mcoscos和和-U Um msin,-Usin,-Um mcoscos。以这四以这四个交流信号为原函数（两原函数间各接几个电位个交流信号为原函数（两原函数间各接几个电位器，构成电位器桥，把器，构成电位器桥，把=0-360=0-360度度,（x=0-Wx=0-W）分成四个象限。分成四个象限。每一个象限，由于电压的合成与电位器的移相作每一个象限，由于电压的合成与电位器的移相作用，电阻链上各电位器中间抽头得到幅值各不相用，电阻链上各电位器中间抽头得到幅值各不相同同的一系列移相信号（新函数）。的一系列移相信号（新函数）。3839四四.光栅数显装置光栅数显装置40l主要芯片简介主要芯片简介1.1.光栅信号处理芯片光栅信号处理芯片(HKF710502)(HKF710502)主要功能：信号的同步、整形、四细分、主要功能：信号的同步、整形、四细分、辨向、加减控制、参考零位信号的处理、辨向、加减控制、参考零位信号的处理、记忆功能的实线和分辨率的选择等。记忆功能的实线和分辨率的选择等。2.2.逻辑控制芯片（逻辑控制芯片（HKE701314HKE701314）主要功能：为整机提供高频和低频脉冲；主要功能：为整机提供高频和低频脉冲；完成完成BCDBCD译码；译码；XJXJ校验及超速报警。校验及超速报警。3.3.可逆计数与零位记忆芯片（可逆计数与零位记忆芯片（HKE701201)HKE701201)主要功能：接收从光栅信号处理芯片传来主要功能：接收从光栅信号处理芯片传来的计数脉冲，完成可逆计数；接收参考零的计数脉冲，完成可逆计数；接收参考零位脉冲，使计数器确定参考零位的数值，位脉冲，使计数器确定参考零位的数值，同时也完成清零、置数、记忆等功能。同时也完成清零、置数、记忆等功能。41五五.光栅传感器的应用光栅传感器的应用4243445.2 5.2 旋转式光电编码器旋转式光电编码器一一.增量式增量式旋转光电编码器旋转光电编码器 1.1.工作原理工作原理452.2.增量式光电盘增量式光电盘46474.旋转方向的判别旋转方向的判别48二二.绝对式光电编码器绝对式光电编码器1.1.测量原理测量原理492.2.绝对式光电码盘绝对式光电码盘50513.3.循环码盘循环码盘1）编码规则）编码规则将二进制码右移将二进制码右移 一位并舍去最末位一位并舍去最末位与原二进制做不进与原二进制做不进位加法。位加法。2）特点）特点相邻两个数码之间相邻两个数码之间只有一位变化。只有一位变化。524.提高分辨率的方法插值法提高分辨率的方法插值法53三三.光电编码器的应用光电编码器的应用1.1.在数控机床中的应用在数控机床中的应用542.2.电机控制电机控制-角度及转速的测量角度及转速的测量 脉冲频率法脉冲频率法5556脉冲周期法脉冲周期法5758(4)光栅传感器特点光栅传感器特点 精度高：测长精度高：测长(0.2+210-6L)m，测角测角0.1量程大：透射式量程大：透射式-光栅尺长（米），反射式光栅尺长（米），反射式-几十米几十米响应快：可用于动态测量响应快：可用于动态测量增量式：增量码测量增量式：增量码测量 计数计数 断电断电数据消失数据消失要求高：对环境要求高要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、移动精度温度、湿度、灰尘、振动、移动精度成本高：电路复杂成本高：电路复杂 59二、激光干涉测量系统二、激光干涉测量系统单频激光干涉系统单频激光干涉系统60双频激光干涉系统双频激光干涉系统-信噪比高，抗干扰能力强，大位移测量（信噪比高，抗干扰能力强，大位移测量（200m以上）以上）61双频激光干涉测量系统双频激光干涉测量系统62