第4章传感器及输入通道

速度响应：1～ 10m/min（一般数控）；
30 ～ 90m/min （高速数控）
3、分类
1、直接测量和间接测量
直线型传感器测量直线位移，回转型传感器测量角位移，则该测 量方式为直接测量。若回转型传感器测量的角位移只是中间量， 由它再推算出与之对应的工作台直线位移，那么该测量方式为间 接测量，其测量精度取决于测量装置和机床传动链两者的精度。
非单值误差，采用格莱码盘消除，格莱码盘任何 两个相邻扇形，只有一个码道发生变化。每次只 切换一位数，把误差控制在最小范围内。
二进制码盘转换成格莱码盘的法则是：
将二进制码右移一位并舍去末位，再与二进制码 作不进位相加，结果即为格莱码盘。
二、增量式脉冲编码器
分光电式、接触式、和电磁式 光电式精度和可靠性优于其他两种 常用的每转2000－3000个脉冲，多的到10万
2、组成： 敏感元件（直接感受被测量并转换为与之有
确定关系的某种物理量）——转换元件（能将其 它物理量转换为电路参量）
三、传感器的分类 1、按传感器的输入量：长度（位移、角度）；
力（力、力矩）；温度（热量） 2、按传感器的工作原理： 按某种物理效应进行变换的传感器：电阻应变、
压磁、压电效应； 利用化学反应来变换的传感器：电化学； 利用生物效应进行变换的传感器：生物传感器。
四、传感器的发展方向
1、技术动向：开放新型传感器（仿生）；开放 新材料；新工艺（微细加工技术）；集成化（将 同一类型的单个传感器排成1维或2维，同一传感 器同时检测2个以上的参数）；
2、需求动向
家用传感器（照相机，摄像机，手机；防灾报 警；生活自动化）；机器人用传感器（工业机器 人；仿生机器人（触觉、视觉、听觉、力觉））
光电式脉冲编码器的结构与原理
光电式脉冲编码器通常与电动机做在一起， 或者安装在电动机的非轴伸端。
光源、聚光镜、光电盘、圆盘、光敏元件、 信号处理电路。
光电脉冲编码器在一个圆盘的圆周上刻有相等间距线纹， 分为透明和不透明的部分，称为光电盘 (圆光栅)。光电 盘由玻璃制成，表面镀一层不透光的材料，然后在上面 做成几百条到几千条向心的透光窄缝；光电盘与工作轴 一起旋转。
光电盘与工作轴连在一起，每转过一个透光窄缝， 就发生一次光线的明暗变化，光敏元件把透过光 电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换成近似 正弦波的电信号，经整形、放大和微分处理后， 输出脉冲信号。通过纪录脉冲的数目，就可以测 出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的 数目，就可以求出速度。
为了判断旋转方向，圆盘的两个窄缝距离彼此错 开1/4节距，使两个光敏元件输出信号相位差 90°。利用两个信号的超前和滞后关系可以判别 旋转方向。
四、感应同步器的接长应用
五、感应同步器的工作原理
工作原理：当滑尺绕组通励磁电压时，定尺绕组产生感 应电压，感应电压的大小与相对位置有关。将一个节距 分成四份，不同的位置对应不同的电压值，感应电压在 定滑尺相对移动一个节距时，变化规律近似于余弦函数。
六、应用
两种工作方式：鉴相式和鉴幅式，原理与旋转变 压器相同。
与光电盘相对平行地放置一个固定的扇形薄片，称为圆 盘（指示光栅），上面刻有相差1／4节距的两个狭缝 (在同一圆周上，称为辨向狭缝)，每一条透光窄缝后面 安装一个光敏元件。
还有一个零位狭缝(一转发出一个脉冲)。脉冲编码器通 过十字连接头或键与伺服电机相连，它的法兰盘固定在 电机端面上，罩上防护罩，构成一个完整的检测装置。
每一扇形区域对应一个数，检测对象带码盘一起 转动，则每转过一个扇形区域，输出的二进制数 改变一次。
若是n位二进制码盘，就有n圈码道，分辨角为 360°/2n，码盘位数越多，所能分辨的角度越小， 测量精度越高。
接触式一般可以做到9个码道，光电式可以做到 18个码道。
用二进制做的码盘，如果电刷安装不准，会使得 个别电刷错位，而出现很大的数值误差，一般称 这种误差为非单值误差。
旋转变压器结构
从转子感应电压的输出方式来看，旋转变压器分 有刷和无刷两种类型。
无刷旋转变压器的结构图 1—电机轴;2—外壳;3—分解器定子;4—变压器定子绕组;5— 变压器转子绕组;6—变压器转子;7—变压器定子;8—分解器 转子;9—分解器定子绕组;10—分解器转子绕组;
无刷：分解器，由旋转变压器的定子和转子组成； 变压器，取代电刷和滑环，其一次绕组与分解器 的转子轴固定在一起，与转子轴一起旋转。分解 器中的转子输出信号接在变压器的一次绕组上， 变压器的二次绕组与分解器中的定子一样固定在 旋转变压器的壳体上。工作时，分解器的定子绕 组外加励磁电压，转子绕组即耦合出与偏转角相 关的感应电压，此信号接在变压器的一次绕组上， 经耦合由变压器的二次绕组输出。
说明：测量时，不断改变а(电气角)角度（可控制大小），使幅值为0，则 а＝θ
三、应用
说明：在一个采样周期内，测量角度θ，读取θ，累加θ，数 控机床上θ角一般不会超过3º。
鉴 相 式
鉴 幅 式
(二) 感应同步器
一、结构 直线式：分定尺和滑尺 测量直线位移 旋转式：分定子和转子 测量角位移(圆，美空) 应用与高精度的数控伺服系统
检测元件的好坏，直接关系到系统的控制精度 2.数控机床对位置检测装置的要求： 1）工作可靠，抗干扰能力强 2）满足精度和速度的要求 3）易于安装，维护方便，适应机床工作环境 4）成本低 5）信号易于处理，容易与系统连接
检测精度：±0.001 ～ 0.02mm/m
分辨率：0.001 ～ 0.01mm
反走时，B脉冲超前 A脉冲。这时，由C门 输出反走时的负计数脉 冲，该负脉冲也由3门 反问输出作为反走时计 数脉冲。不论正走、反 走，与非门3都为计数 脉冲输出门。反走时， C门输出的负脉冲使触 发器置“1”，作为反走 时方向控制信号。
(四)光栅
在高精度的数控机床上，目前大量使用光栅 作为反馈检测元件。光栅利用光学原理进行工作， 利用光的透射和衍射现象。常见的光栅从形状上 可分为圆光栅和长光栅。圆光栅用于角位移的检 测，长光栅用于直线位移的检测。光栅的检测精 度较高，可达1µm以上。
第四章 数控检测传感器
（检测系统）
内容
1、传感器简介 2、数控检测装置的要求 3、检测仪器 （一）旋转变压器 （二）感应同步器 （三）光栅 （四）码盘 （五）磁栅（磁尺）
传感器概述
一、传感器的作用和用途
（一）作用：用于捕获并转换信息，非电量物理参数转换 为电参数。例：速度——电压，电流 信息时代：信息的采集转换——各种传感器；信息的处 理——各种计算机
海德瀚公司
一、绝对式编码器
能表示绝对位置，没有累积误 差，断电后信息不丢失，分为 光电式、接触式、和电磁式。
接触式编码器原理
码盘、码道、导电区、不导电 区、电刷
最内圈是公用的，和所有导电 区相通
回路上的电阻有电流通过，为 “1”，否则为“0”
码道的圈数就是二进制的位数， 且高位在内，低位在外。
二、旋转变压器工作原理
两级式旋转变压器基本工作原理 旋转变压器在结构上保证了其定子和转子
（旋转一周）之间空气间隙内磁通分布符 合正弦规律，当励磁电压加到定子绕组时， 通过电磁耦合，转子绕组便产生感应电动 势。
说明：转子绕组A1A2接一高阻抗，不作为旋转变压器的 输出，主要起平衡磁场的作用，目的为了提高测量精度。
1）直接测量
安装在移动部件上，全闭环
优点：准确性高，可靠性好
缺点：要和工作台行程等长，使用受到一定限制
2）间接测量
安装在电机轴或丝杠端部，半闭环
优点：测量方便，无长度限制
缺点：精度稍差
2、增量式测量和绝对式测量
增量式测量的特点是只测量位移增量，即工作台每移动一个测量 单位，测量装置便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式。 绝对式测量的特点是被测的任一点的位置都由一个固定的零点算 起，每一测量点都有一对应的测量值。
将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈 给CNC系统，实现位置闭环控制。有物理光栅 （刻线细密，两刻线间的距离（栅距）在 0.002mm～0.005mm之间，用于光谱分析和光波 波长的测定）和计量光栅（删距0.004mm～ 0.25mm之间，用于数字检测系统，检测高精度 的直线位移和角位移），数控机床的精密检测常
用计量光栅，测量精度高、响应速度快、量程宽， 在闭环系统中应镜面上 用真空镀膜（玻璃上镀铬）的方法或光刻（钢材 上刻蚀）上平行等间隔的线条，有长光栅和圆光 栅。
HEIDENHAIN精密光栅光刻制造工艺：在 玻璃上镀坚固的铬线；在镀金钢带上蚀刻线条；
（二）用途 1、用于工业生产过程自动化
监控生产过程中的各个参量（事故报警）；保证生产 的高效率、高质量。 2、用于科学研究和实验 （三）地位 尖端技术——军工；GPS卫星定位系统；红外制导；激光
二、传感器的定义及组成
1、定义：传感器是一种以一定的精确度把被测 量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的某 种物理量的测量系统。
定尺长，安装在床身上，滑尺短，安装在移动部 件上，定尺与滑尺平行放置，保持0.25左右的间 隙。
节距：两个单元绕组之间的距离，定滑尺相同。
定尺为单向、均匀、连续的绕组，滑尺有两组绕 组，一组为正弦绕组，一组为余弦绕组。
二、直线式感应同步器的种类
三 、 感 应 同 步 器 的 安 装
1）增量式 优点：测量装置简单 缺点：一旦计数有误，以后测量结果全错，由于事故停机后找不
到事故前的正确位置。 2）绝对式 任一点的位置均由固定的零点标起，结构较复杂。
3、数字式测量和模拟式测量
数字式测量以量化后的数字形式（脉冲）表示被测的 量。数字式测量的特点是测量装置简单，信号抗干扰 能力强，且便于显示处理。模拟式测量是将被测的量 用连续的变量表示。如用电压变化、相位变化来表示。 信号处理方法较复杂
无刷旋转变压器一般为多级旋转变压器。就是增 加定子和转子的磁极对数，使电气转角为机械转 角的倍数，用来代替单级旋转变压器，不需要升 速齿轮，从而提高定位精度。另外还可用三个旋 转变压器按1：1、10：1、100：1的比例相互配 合串联，组成精、中、粗三级旋转变压器测量装 置。最后的位置精度由精旋转变压器决定。