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时间:2018-07-25
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1、光栅传感器的工作原理光栅数字传感器,通常由光源5(聚光镜4)、计量光栅、光电器件3及测量电路等部分组成,如图12.1.2所示。计量光栅由标尺光栅1(主光栅)和指示光栅2组成,因此计量光栅又称光栅副,它决定了整个系统的测量精度。一般主光栅和指示光栅的刻线密度相同,但主光栅要比指示光栅长得多。测量时主光栅与被测对象连在一起,并随其运动,指示光栅固定不动,因此主光栅的有效长度决定了传感器的测量范围。1.莫尔条纹 将主光栅与标尺光栅重叠放置,两者之间保持很小的间隙,并使两块光栅的刻线之间有一个微小的夹角θ,如图12.1.3所示。当有光源照射时,由于挡光效应
2、(对刻线密度≤50条/mm的光栅)或光的衍射作用(对刻线密度≥100条/mm的光栅),与光栅刻线大致垂直的方向上形成明暗相间的条纹。在两光栅的刻线重合处,光从缝隙透过,形成亮带;在两光栅刻线的错开的地方,形成暗带;这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹有如下几个重要特性:(1)莫尔条纹的运动与光栅的运动一一对应 当指示光栅不动,主光栅的刻线与指示光栅刻线之间始终保持夹角θ,而使主光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时,莫尔条纹将沿光栅刻线方向移动;光栅反向移动,莫尔条纹也反向移动。主光栅每移动一个栅距W,莫尔条纹也相应移动一个间距S。因此通过测量莫尔条
3、纹的移动,就能测量光栅移动的大小和方向,这要比直接对光栅进行测量容易得多。(2)莫尔条纹具有位移放大作用 当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W时,莫尔条纹移动一个条纹间距。当两个光栅刻线夹角θ较小时,由式(12.1.1)可知,W一定时,θ愈小,则B愈大,相当于把栅距W放大了1/θ倍。例如,对50条/mm的光栅,W=0.02mm,若取,则莫尔条纹间距,K=573,相当于将栅距放大了573倍。因此,莫尔条纹的放大倍数相当大,可以实现高灵敏度的位移测量。(3)莫尔条纹具有误差平均效应 莫尔条纹是由光栅的许多刻线共同形成的,对刻线误差具有平均效应,能在
4、很大程度上消除由于刻线误差所引起的局部和短周期误差影响,可以达到比光栅本身刻线精度更高的测量精度。因此,计量光栅特别适合于小位移、高精度位移测量。(4)莫尔条纹的间距S随光栅刻线夹角θ变化 由于光栅刻线夹角θ可以调节,因此可以根据需要改变θ的大小来调节莫尔条纹的间距,这给实际应用带来了方便。当两光栅的相对移动方向不变时,改变θ的方向,则莫尔条纹的移动方向改变。2.光电转换 主光栅和指示光栅的相对位移产生了莫尔条纹,为了测量莫尔条纹的位移,必须通过光电器件(如硅光电池等)将光信号转换成电信号。 在光栅的适当位置放置光电器件,当两光栅作相对移动时,
5、光电器件上的光强随莫尔条纹移动,光强变化为正弦曲线,如图12.1.4所示。在a位置,两个光栅刻线重叠,透过的光强最大,光电器件输出的电信号也最大;在c位置由于光被遮去一半,光强减小;位置d的光被完全遮去而成全黑,光强最小;若光栅继续移动,透射到光电器件上的光强又逐渐增大。光电器件上的光强变化近似于正弦曲线,光栅移动一个栅距W,光强变化一个周期。光电器件的输出电压通过整形电路,将正弦信号转变成方波脉冲信号,则每经过一个周期输出一个方波脉冲,这样脉冲总数N就与光栅移动的栅距数相对应,因此光栅的位移为旋转式光电编码器的设计动向作者:上海工业自动化仪表研究所
6、张永江光电编码器是机械运动控制中测量转动物体位置(角度)与速度的传感器,它有旋转式与直线式两种,其中旋转式光电编码器由于精度高、安装方便,已获得广泛应用。随着运动控制产品的快速发展,我国对高精度的编码器需求大,但主要依靠进口。目前,活跃在我国编码器市场上的主要是外商,如德国的海德汉(Heidenhain)、梅尔(Meyle)、倍加福(P+F)、图尔克(Turck),美国(GPI),日本多摩川,英国雷尼绍(Renishaw),韩国(Metronix)、奥托尼克斯(Autonics),瑞士堡盟(Baumer),土耳其(OPKON),以及我国的中达电通等。
7、纵观近几年来旋转式光电编码器的发展,其设计动向列举以下4方面进行阐述。 第一,设计新产品。首先是发展基型产品,上述编码器厂商先以设计、生产增量式编码器和单圈绝对式旋转编码器居多,近年来随着应用领域的拓展,设计多圈绝对式编码器与混合式编码器增多。如多摩川推出的混合式编码器,其包含增量式编码器和输出24位编码信号的单圈绝对式编码器,具有磁极定位功能,在用于伺服运动控制时,能快速检测伺服电机转子磁极位置角,特别对大功率伺服电机既能提高初始化的定位精度,又可使伺服电机提高输出力矩,同时对位置控制和速度计算也都极为方便。其次是设计专用产品。例如,中达电通(台达
8、集团)设计了CNC专用增量式编码器和伺服电机专用型编码器,新推出CNC主轴专用的CS7系列编码器,设计的结构
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