1、5.3 光栅位置检测装置,光栅检测装置的结构,执行部件带着标尺光栅相对指示光栅移动，通过读数头的光电转换，发送出与位移量对应的数字脉冲信号，用作位置反馈信号或位置显示信号,返回,下一页,上一页,光栅检测装置的结构,透射光栅,光栅分为物理光栅和计量光栅。物理光栅：刻线细而密，栅距(两刻线间的距离) 在0.0020.005mm之间，用于光谱分析和光波波 长的测定。计量光栅：刻线较粗，栅距在0.0040.25mm之 间，用于数字检测系统，用来检测高精度直线位 移和角位移，是数控机床上应用较多的一种检测 装置。下面介绍计量光栅。,光栅种类,玻璃透射光栅 制作方法：在玻璃表而上制成透明与不透明间隔相等的
2、线纹。 制造工艺：在玻璃表面感光材料的涂层上或金属镀膜上刻成光栅线纹，也可刻蜡、腐蚀、涂黑工艺的。 特 点： 1）光源可以采用垂直入射，光电元件可直接接受光信号，信号幅度大，读数头结构简单。 2）刻线密度较大，常用100条线mm，栅距0.0lmm，经过电路细分，可做到微米级的分辨率。,金属反射光栅,制作方法：在钢尺或不锈钢带的镜面上用照相腐蚀工艺制作，或用钻石刀直接刻划制作光栅线纹。常用的刻线密度为：4、10、25、40、50条mm。 特 点： 1）标尺光栅的线膨胀系数可做到与机床材料一致。 2）标尺光栅的安装和调整方便。 3）易于接长或制成整根的钢带长光栅。 4）不易碰碎。 5）分辨率比透射
3、光栅低。,5.3.1光栅检测的工作原理,透射直线式光栅原理图 (a) 结构图 (b)输出波形 1-灯泡 2-透镜 3-指示光栅 4-标尺光栅 5-光电元件 6-读数头,若标尺光栅和指示光栅的栅距相等，指示光栅在其自身平面内相对于标尺光栅倾斜一个很小的角度，两块光栅的刻线就会相交。当灯光通过聚光镜呈平行光线垂直照射在标尺光栅上，在两块光栅线相交的钝角平分线上，出现明暗交替、间隔相等的粗短条纹，称之为横向莫尔条纹。 原因：挡光积分效应 原理：由于两光栅间有一个微小的倾斜角，使其线纹相互交叉，在交叉近旁墨线重叠，减少了挡光面积，挡光效应弱，在这个区域内出现亮带，光强最大。相反，离交叉点远的地方，两光
4、栅不透明墨线重叠部分减少，挡光面积增大，挡光效应增强，由光源发出的光几乎全被挡住而出现暗带，光强为0，这就形成了粗光栅的横向莫尔条纹节距W。,莫尔条纹,返回,下一页,上一页,摩尔条纹,W,W、之间的关系,BC=ABsin(/2),其中 BC=/2 ，AB=W/2 ，,因此 W=/sin(/2),由于很小，单位为rad时，,Sin(/2) ,故 W / ,下一页,上一页,摩尔条纹的作用,1.放大作用,2.误差均化作用,返回,摩尔条纹的移动距离与光栅的移动距离成比例， 光栅横向移动一个节距，摩尔条纹正好沿刻线上 下移动一个节距W，或者说在光栅刻线的某一位 置，摩尔条纹明-暗-明变化一个周期，这为光
5、 元件的安装与信号检测提供了良好的条件。,利用脉冲变换电路可以提高光栅检测装置的读数分辨率，有四倍、八倍、十倍、二十倍等。,返回,3. 测量位移,下一页,上一页,5.3.2 光栅测量装置的数字变换,从上分析可知，光栅移动一个栅距，莫尔条纹移动了一个条 纹间距W。电压输出按正弦函数周期变化，通过电路整形处理， 变成脉冲输出。脉冲数和条纹数与移过的栅距数一一对应。故 有： X=N 其中： X位移量 N条纹数 栅距 光栅传感器实现了位移量由非电量到电量的转换，但为了辨 别位移的方向，提高测量精度及数字显示，要把传感器输出的信 号输入显示表做进一步处理。 1）辨向原理 位移是有方向的，当工作台正向移动
6、时，得到的脉冲数累 加，反向移动时从已累加的脉冲数减去反向移动的脉冲数。,为了实现这一想法，在相距W/4（条纹间距）的位置上设置光栅元件1和2，得到两个相位差90的正弦信号u1和u2插入到辨向电路中。,辨向点路原理图,工作原理： 设正向位移时，u1比u2输出电压超前90相位角， u1、u2经整形放大后，得到两个方波信号u1,u2。从正向移动各点方波可得，Y1输出为0，Y2有信号输出，该信号对应于移过莫尔条纹数。,Y1、Y2输入到触发器，使触发器 Q=1， =0；在触发器控制下，可逆计数器做加法计算。H输入到可逆计数器时钟输入端，记录正向位移量。当测量反向位移时，u2超前u190相位角。 Y1有
7、信号输出，Y2输出为0；触发器 Q=0， =1，计数器做减法计数。反向位移量由Y1输入到可逆计数器的时钟输入端，以记录反向位移量。,Q,Q,光栅测量系统图,光栅四倍频电路,当指示光栅相标尺光栅相对移动时，四个硅光电池Pl，P2、 P3、P4产生四路相差90相差的正弦信号。将两组相差180 两 个正余弦信号1、3和2、4分别送入两个差动放大器，输出经放大 整形后，得两路相差90 的方波信号A和Bo。A和B两路方波一 路经微分器微分后，得到前沿的两路尖脉冲A和B；另一路经 反向器，得到分别与A和B相差180 的两路等宽脉冲C和D。C 和D再经微分器微分后，得两路尖脉冲C和D。四路尖脉冲按相 位关系
8、经与门和A、B、C、D相与，再输出给或门，输出正反向 信号其中AB、AD、CD、BC分别通过Y1、Y2、Y3、Y4输 出给或门H 1，得正向脉冲，而BC、AB、AD、CD通过Y5、 Y6、Y7、Y8输出给或门H2，得反内脉冲。当正向运动时，H1 有脉冲信号输出，H2则保持低平；而反向运动时，H2有脉冲信 号输出，H1则保持低电平。这样，当栅距为l/50mm(20m)时： 四倍额后每个脉冲当员为5m，即分辨率提高了4倍。,2）细分技术（倍频技术）,光栅输出给数控装置的信号有两种，方波信号和正弦波号。对方波信号，可进行二倍频和四倍频处理，但最高为四倍频；对连续变化的正弦波信号，可采用相位跟踪细分，
9、进一步提高分辨率。其原理是将输出信号与相对相位基难信号比较，当相位差超过一定门槛时，移相脉冲门输出移相脉冲，同时使相对相位基准信号跟踪测量信号变化。这样每一移相脉冲使相对相依基准移相360n度，即可实现n倍细分，有八倍频、十倍频、二十倍频或更高。,5.3.3 光栅读数头 光栅读数头是位置信号的检出装置，是光栅与电子线路转换的部件。由光源、指示光栅、光学系统及光电元件等组成。有以下几种形式： 1 分光读数头,分光读数头,即细光栅的莫尔条纹因光线通过线纹衍射后，产生干涉结果。光栅法向以角入射的光线，在标尺光栅G1分为0级和1级衍射光后，指示光栅G2再次衍射分为4种组合；相互干涉形成莫尔条纹。这种光
10、栅莫尔条纹反差较强，但栅距小。,直射读数头,2 直射读数头 这种读数头用于25-125线/mm的玻璃透射光栅系统。光源Q发出的光经透镜L变成平行光，照射在光栅G1和G2上，把G2形成的莫尔条纹聚集在焦平面上的光电管P上。,5-4反射读数头,3 反射读数头（如图5-4所示） 这种读数头用于2550线/mm以下的反射光栅系统。平行光以与光栅法平面成入射角照射在光栅G1反射面上，反射光在G2上形成莫尔条纹经L2聚焦在焦平面的光电管P上。,4 等倍透镜系统（如图5-5所示） 光栅栅距很小，两光栅间距也很小，如果不能保证标尺光栅和指示光栅之间的安装间距，就不能得到正确的信号，因此在实际使用中常采用等倍透
11、镜系统，它是在指示光栅和标尺光栅之间装上等倍透镜L3和L4，这样G1的象以同样大小投影在G2上形成莫尔条纹，满足安装要求。,图5-5 等倍透镜系统,5.3.4 光栅使用特点 由于光栅的刻线可以制作十分精确，同时莫尔条纹对刻线局部误差有均化作用，因此，栅距误差对测量精度影响较小。 在检测过程中，标尺光栅与指示光栅不直接接触，没有磨损，因而精度可以长期保持。 光线刻线要求很精确，两光栅之间的间隙及倾斜角都要求保持不变，制造调试比较困难。光学系统易受外界的影响产生误差，同时又有灰尘、油、冷却液等污物的侵入，易使光学系统变质。,5.4 磁尺位置检测装置 组成：磁性标尺、磁头和检测电路组成。 原理：利用
12、录磁原理将一定周期变化的方波、正弦波或脉冲电信号，用录磁磁头记录在磁性标尺的磁膜上，作为测量的基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转换成电信号，经过检测电路处理后，用以计量磁头相对磁尺之间的位移量。 分类：直线和圆形磁尺，分别用于直线和角度位移的测量。 特点： 1）制造简单，安装调整方便； 2）对使用环境的条件要求较低； 3）对周围磁场的抗干扰能力较强； 4）在油污、粉尘较多的地方使用有好的稳定性。,磁尺位置检测装置,5.4.1 磁性标尺,磁性标尺是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻 璃或其他合金材料的基体上，用涂敷、化学沉积 或电镀的一层1020um的导磁材料（Ni-Co或 Fe-Co合金
13、），在它的表面上录制相等节距周期 变化的磁信号。为了防止磁头对磁性膜的磨损， 通常在磁性膜上涂一层厚12mm的耐磨塑料保护 层。,磁性标尺：,表面录有相等节距（一般为0.05，0.1，0.2，1mm）周期变化的磁信号。,返回,下一页,上一页,圆型磁尺,5.4.2 磁头 磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号输送到检测电路中去。普通录音机上的磁头输出电压幅值与磁通变化率成比例，属于速度响应型磁头。根据数控机床的要求，为了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁通响应型磁头。,速度响应型磁头,磁通响应型磁头,磁通响应型磁头原理：在速度响应型磁头的铁心回路中，加入带有激磁线圈的饱
14、和铁心，在激磁线圈中通以高频激磁电流，使读取线圈的输出信号振幅受到调制。 两个磁回路：绕有激磁线圈的密封磁回路叫激磁回路； 绕有读取线圈的磁回路叫读取回路。 读取回路中的磁通受磁尺上的漏磁大小和激磁回路磁饱和状态影响。 当激磁回路的铁心处在磁饱和状态时，铁心磁阻无穷大，无论磁尺的漏磁有多大，读取回路都无磁力线通过，这时无输出信号。 当激磁电流处在峰值时，激磁回路处在磁饱和状态，这时输出为零；当激磁电流从峰值变化到零时，读取回路能够检测到磁尺上的漏磁，线圈的输出端有输出。 磁尺上的漏磁是按正弦规律变化的，若磁化节距为，最大漏磁为0，则x处的漏磁为：,5.4.3 检测线路,磁尺检测是模拟量测量，必
15、须和检测电路相配合才能检测。它由激磁电路、读取信号滤波、放大、整形、倍频、细分、数字化和计数等线路组成。检测方法不同，可分为鉴幅、鉴相两种。,1 鉴幅型系统工作原理 两组磁头通以同频、同相、同幅值的激磁电流，由于两组磁头的安装位置相差（n+1/4）,因此检波整形后的方波相差90相位。得：,将其中一组方波微分变成脉冲信号，另一组方波作为与门G1、G2的开门信号，送入计数器计数，则可把检测信号数字化。鉴幅电路检测的脉冲数等于磁头在磁尺上移动的节距数。其分辨率受录磁节距限制，为进一步提高分辨率要采用复杂的倍频电路，故不常采用。,2 鉴相型系统工作原理 两组通以同频、同幅值但相位相差/2的激磁电流，两
16、组磁头的安装位置相差（n+1/4）。,输出为出电压为：,u的相位与x有关，将它放大整形变成方波后，进入鉴相电路，在鉴相电路中，把它和基本方波的相位相比较，,u1、u2在求和的电路中相加得,鉴相内插电路原理图,若相位不同，则在两方波的上升沿之间插入频率为2MHz的脉冲；两波相位差越大，插入脉冲越多，两波相位差为零，无插入脉冲，这样就可检测位移量x的值，检测精度可达10.1m。,下一页,上一页,返回,3 多间隙磁头,5.5 旋转变压器位移检测装置,旋转变压器是一种角度测量元件，它是一种小型交流 电机。 组成：在结构上与两相绕组式异步电动机相似，由定 子和转子组成，定子绕组为变压器的原边，转子绕组
17、为变压器的副边。 激磁电压接定子绕组，激磁频率通常为400H、500H、 1000H、3000H、5000H； 特点：1）结构简单、动作灵敏；2）对环境无特殊要求，维护方便；3）输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。,旋转变压器结构简图,5.5.1 组成及工作原理,1转子轴， 2外壳，3分解器定子， 4分解器定子绕组， 5变压器一次线圈， 6变压器转子，7分解器转子绕组，8分解器转子，9变压器二次线圈， 10定子线轴,工作原理： 当激磁电压U1加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组中将产生感应电压，由于转子是可以旋转的，当转子绕组磁轴转到与定子绕组磁轴垂直时，如图（a）所示，激磁磁通不穿过转子
18、绕组的横截面，因此，感应电压U2为0。当转子绕组磁轴自垂直位置转过任意角度时，转子绕组的产生的感应电压U2为： 激磁电压：U1=Um sint 感应电压：U2=KU1sin= K Um sint sin,旋转变压器作为位置检测装置有两种应用方式： 鉴相方式和鉴幅方式。,在旋转变压器定子的两相正交绕组，又称为正弦 和余弦绕组上，分别加上幅值相等、频率相同的 正弦、余弦激磁电压。Us=Um sint Uc=Um cost,5.5.2 相位工作方式（鉴相）,下一页,上一页,转子旋转后，两个激磁电压在转子绕组中产生的 感应电压线性叠加得总感应电压为：U=kUssin +kUccos =kUmcos(t
19、-),由上式可知感应电压的相位角就等于转子的机 械转角。因此只要检测出转子输出电压的相位角 ，就知道了转子的转角，而且旋转变压器的转子 是和伺服电机或传动轴连接在一起的，从而可以求 得执行部件的角位移。,下一页,上一页,返回,给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅值不同，即调幅的少许磁电压（为机械转角）。Us=UmsinsintUc=Umcossint,则在转子绕组上得到感应电压为： U =kUssin +kUccos =kUm sint (sin sin +cos cos )=kUm cos(-) sint,5.5.3 鉴幅工作方式,在实际应用中，不断修改激滋调幅电压幅值的电气角，使之跟踪的变化，并测量感应电压幅值即可求得机械角位 。,习题6：,1）接触式码盘码道10个，当前位置输出 的编码数为1001100010，求相对0点转过多少角度？ 2）用光栅测量位移，光栅发出50000时，测得距离为225mm，光栅的分辨率是多少？,
