第9课-第10课  3.3位移传感器

主要内容：（重点学习光栅尺、旋转编码器、旋转变压器）

1.讲解课前的3个案例，认识光栅尺；

光栅尺图片1.jpg

案例11光栅尺展示(0: 27 ) .mp4

案例12光栅尺的拆装(8: 14) .mp4

2. 观看视频,教师在线答疑

 3.3.2 光栅尺(20: 16) .mp4

3.讲解课前的2个案例，认识旋转编码器；

案例21编码器的工作原理(4 :41 ) .mp4

案例22编码器与PLC的接线(9: 06 ) .mp4

4.观看视频,教师在线答疑；

 3.3.3 旋转编码器( 20: 25) .mp4

5.讲解课前的3个案例，认识旋转编码器；

案例31旋转变压器原理(3: 04) .mp4

案例32旋转变压器的应用(0 : 26 ) .mp4

案例33旋转变压器动画(2: 01 ) .mp4

6.观看视频,教师在线答疑；

 3.3.5 旋转变压器(07 : 26 ) .mp4

7.  指导学生：3.3(任务实施)光栅尺精密位移检测.doc

8.完成课后作业

【任务描述】

按照运动形态分，位移传感器可分为：直线位移传感器和角位移传感器两大类。直线位移传感器包括差动变压器、电位器、光栅尺、光学式位移测定装置；角位移传感器包括旋转变压器、旋转编码器等。

位移传感器还可以分为：模拟式传感器和数字式传感器。模拟式传感器的输出是以幅值形式表示输入位移的大小，如：电容式传感器、电感式传感器等；数字式传感器的输出是以脉冲数量的多少表示位移的大小，如：光栅传感器、磁栅传感器、感应同步器等。

本任务介绍机电一体化系统中电感式位移传感器、光栅尺、光电编码器、感应同步器、 旋转变压器的工作原理及应用。完成本任务，可实现以下任务目标：

 【任务目标】

技能目标

（1）能认识电感式位移传感器、光栅尺、光电编码器、感应同步器、 旋转变压器等位移传感器；

（2）会使用电感式位移传感器、光栅尺、光电编码器、感应同步器、 旋转变压器等位移传感器。

知识目标

（1）了解电感式位移传感器、光栅尺、光电编码器、感应同步器、 旋转变压器等位移传感器的结构与原理；

（2）了解电感式位移传感器、光栅尺、光电编码器、感应同步器、 旋转变压器等位移传感器的应用领域。

建议学时：重点讲4个学时（其余内容自学）

在开始学习本节知识之前，同学们观看以下图片与视频，从直观上来认识位移传感器的应用。

大家也说说你所接触到的位移传感器吧！

（注：本部分所有视频只用于辅助教学，不产生任何经济效益，如有侵权，请告知）

观看视频：案例1 光栅尺展示（0：27）

观看视频：案例2 光栅尺的拆装（8：14）

旋转编码器

观看视频：案例1  旋转编码器工作原理（4：41）

观看视频：案例2  编码器与PLC的接线（9：09）

观看视频：案例1 旋转变压器原理（3：04）

观看视频：案例2  旋转变压器的应用（画面小0：46）

观看视频：案例3 旋转变压器动画（2：01）

以下4个视频感兴趣的同学选择性观看，都是关于光栅尺的视频：

视频1 光栅尺读数头的拆装（14：36）

（视频只用于教学，不产生其他经济效益）

视频2 磁栅尺的安装（59s）

（视频只用于教学，不产生其他经济效益）

视频3 光栅尺的结构原理动画（7：20）

（视频只用于教学，不产生其他经济效益）

视频4 光栅尺数显表（2：56）

         （视频只用于教学，不产生其他经济效益）

3.3.1电感式位移传感器

电感式传感器是一种把被测量的变化转换成线圈电感参数（自感系数、互感系数、等效阻抗）变化的传感器，其工作原理是基于电磁感应。按变换方式的不同，电感式传感器分为可变磁阻式、变压器式、涡流式三种。

观看视频：3.3.1 电感式位移传感器（12：08）

3.3.2光栅尺：

光栅尺，也称为光栅尺位移传感器（光栅尺传感器），是一种非接触式光电测量系统，利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有精度高（可达1μm以上）、响应快、量程大的特点。

观看视频： 3.3.2 光栅尺（20：16）

3.3.3 光电编码器

光电编码器是一种通过光电转换，将被测轴上的机械角位移量转换成脉冲或数字量的传感器。主要用于机器人、数控机床等伺服轴或运动部件的位移（角位移）和移动速度的检测。是目前角位移检测中应用最多的传感器。

光电编码器根据工作原理与用途不同，分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器两类。

观看视频：3.3.3 旋转编码器（20：25）

3.3.4 感应同步器

感应同步器是一种电磁式的位移检测元件，按其结构特点分为直线式和旋转式（圆盘式）两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于全闭环伺服系统中直线位移的测量；旋转式感应同步器由定子和转子组成，用于半闭环伺服系统中角位移的测量。

观看视频： 3.3.4 感应同步器（10：28）

3.3.5 旋转变压器

旋转变压器（resolver / transformer）是一种电磁式传感器，又称同步分解器，是一种测量角度用的小型交流电动机。 当变压器的一次侧外施单相交流电压激磁时，其二次侧的输出电压将与转子转角严格保持某种函数关系。在控制系统中它可以作为解算元件，用于坐标变换、三角运算等；也可用于随动系统中，传输与转角相应的电信号。

观看视频： 3.3.5 旋转变压器（7：23）

【任务实施】  光栅尺精密位移检测

测试系统由光栅尺位移传感器和导轨定位装置组成，通过装配调试和使用，了解光栅尺的工作特性和使用方法，并结合光栅尺使用的注意事项，总结光栅尺使用时的安全措施，以期达到基本能够使用光栅尺实现精密检测的目的。

1. 搭建检测平台  

应用光栅尺和机械滑台搭建一个检测平台，用于精确定位一维轴线上的位置，机械滑台可采用如图3.51所示的手动平移滑台，滑台驱动主要依靠中部滚动丝杆，两端使用线性导轨确定位移方向，中间手轮起动力作用，其行程一般为300～400 mm。采用位移行程在250 mm左右的光栅尺在手动平移滑台上搭建一个检测系统，并能够在数显表中显示。

在安装光栅尺时，首先要注意使用百分表检测安装位置的平行度，如果安装平面在滑台移动的过程中不能达到平行度要求（一般在0.2 mm以下），则需要修改光栅尺定尺和安装面的相对位置。按照光栅尺定尺的安装说明，在滑台连接基础面上打孔攻丝安装光栅尺，然后在滑台台面上架设磁力表架和百分表头，移动平移滑台使百分表头在光栅尺的基准面（安装基准），如图3.52所示，观察百分表指针的偏移情况是否超过允许误差，若超过则调整垫片厚度或者安装面。然后利用连接件将光栅尺的动尺部分和滑台台面连接在一起。以上工作完成后，缓慢地通过手轮移动滑台，观察光栅尺是否有卡住或其他阻滞现象，如果出现则立即停止手轮。

在工程上，以上装配完成后，可在光栅尺的上方加装盖板，以防止灰尘、油污、水滴等飞溅进入光栅尺尺身内部，引起光栅尺检测的不稳定。

在光栅尺安装完毕后，可通过9芯插头连接数显表头，检查无误后，可上电缓慢转动手轮，观察目前光栅尺动尺所在位置以及变化情况。

 使用百分表表头检测移动量，如图3.53所示，当移动到某个位置时，使用磁力表架固定百分表，记录百分表数值和光栅尺数显表头数值，然后缓慢移动滑台带动光栅尺动尺移动2～3 mm，这时的滑台台面一直顶住百分表，然后记录百分表数值和光栅尺数显表头数值，将两次检测的结果相减进行对比，观察所得差值的规律。并在不同滑台位置进行以上试验。以上对比试验没有严格的精度检查意义，但是对于光栅尺本身而言，可以检测其中的光栅信号是否有问题。根据以上试验过程填写表3.5。

 表3.7 百分表位移与数显表显示数字的关系

2.需用器材

试验需用器材如表3.8所示。

      表3.8 试验需用器材清单

3.操作步骤

（1）使用螺栓或者螺钉将滑台固定到一个平面上，并调整使得滑台的滑动面水平。

（2）将光栅尺比对至一个适当位置，使得光栅尺可以在滑台移动轴线方向自由移动并且能够基本覆盖滑台的移动范围，以此作为光栅尺运动轴线，使用图3.52所示的方法试验光栅尺的平行度并使用垫片等加以调整，达到0.15 mm的要求后，使用记号笔沿光栅尺定位孔在如图3.53所示的滑台侧面位置进行标记（中间可使用502胶水等粘连光栅尺定尺和滑台侧面的不动部分以方便调试），在滑台侧面钻孔和攻丝。同样，使用如图3.54所示的弯板作为连接滑台移动面和光栅尺动尺部分的连接件，用螺栓固定动尺和滑台，使滑台移动时，光栅尺动尺随之移动产生脉冲信号并传递给光栅尺数显表头。

（3）使用螺钉安装光栅尺，在连接过程中注意不要强迫安装光栅尺的动尺部分，如果连接不成功，则拆卸后重新安装。安装完毕后，轻缓移动滑台并观察光栅尺状态，如果出现光栅尺阻塞现象，则分析产生阻塞的原因并拆卸重新安装。

 （4）将光栅尺和专用数显表通过连接接头连接，并通电和移动光栅尺的动尺测试光栅尺的检测稳定性，观察缓慢运动时，光栅尺专用数显表头示值变化的稳定性，如果出现示值突变，则可反复在突变处来回移动动尺，确定是操作原因还是设备原因，如果确定是设备原因，则更换光栅尺。

（5）将光栅尺和专用数显表头作为检测工具，对比检测百分表的检测结果，并重复试验。填写表3.7，观察和分析误差的来源和对安装的要求。

4.注意事项

（1）尽量选择加工面作为安装面，即在安装时尽可能选择加工过的基准面作为安装面。

 （2）安装时需要注意光栅尺开口方向避开铁屑、油污、水和粉尘，如果无法避免，则需要加装防尘盖，如图3.55所示，可避免污物直接进入光栅尺内部。

（3）信号线固定要可靠，在滑台全部范围内，信号线不能脱落或受力，一般在安装时将其固定于中间部位，然后使用扎带固定。

（4）在安装时应接地可靠，接地电阻要小于1 Ω。

（5）调校光栅尺时，必须以光栅尺的长度中心取两边对称点作为调校基准点。

简答题

1.叙述电感式位移传感器的工作原理；

2.叙述光栅尺的工作原理。

3.增量式光电编码器与绝对式光电编码器的区别？

4.感应同步器按其结构特点分为哪两种？

5.感应同步器的工作方式分哪两种？

6.旋转变压器的工作原理及应用。

7.在数控机床位置控制中，为提高分辨率，采用倍频技术。例如，当选用2000p/r脉冲编码器时，进给伺服电动机直接驱动滚珠丝杠带动刀架或工作台，丝杠螺距L₀若为8mm，经四倍频细分后，光电编码器每转多少脉冲？位置反馈分辨率或反馈精度为多少？

教师根据学生阅读记录结果及接线情况给予评价，见表3.9。

                 表3.9  任务评价表

参考答案 

1.叙述电感式位移传感器工作原理；

电感式传感器是一种把被测量的变化转换成线圈电感参数（自感系数、互感系数、等效阻抗）变化的传感器，其工作原理是基于电磁感应。按变换方式的不同，电感式传感器分为可变磁阻式、变压器式、涡流式三种。

2.叙述光栅尺的工作原理。

光栅尺的指示光栅与主光栅平行安装，它们之间保持很小距离（0.05-0.1mm），并使它们的刻线互相倾斜小角度θ，当主光栅随工作台移动时，在光源照射下，由于主、副光栅刻线的挡光作用和光的衍射作用，在与刻线垂直的方向上产生明暗交替、上下移动、间隔相等的干涉条纹，称为莫尔条纹，光栅尺每移过一个栅距w，莫尔条纹也恰好移动一个节距B。若用光敏器件将这种干涉条纹明暗相间的变化接收、转换成电脉冲数，用计数器记录脉冲数，测得莫尔条纹移过的数目，便得到主光栅尺移动的距离，即被测机械移动的距离。若光栅尺向相反的方向移动，则莫尔条纹也反方向移动。所以根据莫尔条纹移动的数目，可以计算出光栅尺移动的距离；根据莫尔条纹移动的方向来判断移动部件的运动方向。

3.增量式光电编码器与绝对式光电编码器的区别？

增量式光电编码器是通过与被测轴一起转动时， 对产生的方波脉冲计数来检测被测轴的旋转角度，增量式光电编码器是相对某个基准点的相对位置增量，不能直接检测出轴的绝对位置信息。

绝对式光电编码器是一种直接编码式的测量元件。它能把被测转角转换成相应代码指示的绝对位置信息，没有累积误差。

4.感应同步器按其结构特点分为哪两种？

感应同步器是一种电磁式的位移检测元件，按其结构特点分为直线式和旋转式（圆盘式）两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于全闭环伺服系统中直线位移的测量；旋转式感应同步器由定子和转子组成，用于半闭环伺服系统中角位移的测量。

5.感应同步器的工作方式分哪两种？

按照供给滑尺两个正交绕组励磁信号的不同，感应同步器的测量方式分为鉴相式和鉴幅式两种工作方式。

6.旋转变压器的工作原理及应用。

旋转变压器（resolver / transformer）是一种电磁式传感器，又称同步分解器，是一种测量角度用的小型交流电动机。 当变压器的一次侧外施单相交流电压激磁时，其二次侧的输出电压将与转子转角严格保持某种函数关系。

在控制系统中它可以作为解算元件，用于坐标变换、三角运算等；也可用于随动系统中，传输与转角相应的电信号。旋转变压器一般安装在电动机尾端轴上，随电动机旋转，输出电压随转子转角变化，通过传动机械间接反映机械运动角位移，检测坐标轴的进给速度和位置、工作台转角等。

7.在数控机床位置控制中，为提高分辨率，采用倍频技术。例如，当选用2000p/r脉冲编码器时，进给伺服电动机直接驱动滚珠丝杠带动刀架或工作台，丝杠螺距L₀若为8mm，经四倍频细分后，光电编码器每转多少脉冲？位置反馈分辨率或反馈精度为多少？

 光电编码器每转脉冲