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10检测教案数字式位置检测 《传感器与技术项目

发布日期:2020-12-04 15:27

  10检测教案,数字式位置检测 《传感器与检测技术项目教程》梁森(授课教案..

  传感器与检测技术项目教程授课教案 模块十、数字式位置检测授课教案 课程名称:检测技术 班级: 性质:考试课 授课人: 课题:模块十、数字式位置检测 课时安排:3 课次编号:15、16 教材分析 难点 误差。重点: 角编码器的M法测速。 教学目的和要求 1.掌握位置检测的基本概念 2.熟悉角编码器的组成和工作原理。 3.掌握绝对式角编码器的码道与分辨力的关 4.掌握绝对式角编码器的输出编码与旋转角度的关系。 5.熟悉增量式角编码器的刻线数与分辨力的 关系。 6.熟悉增量式角编码器的辨向原理及零位标 记的作用。 7.掌握增量式角编码器的M法测速。 8.熟悉光栅的结构和工作原理。 9.熟悉光栅的莫尔条纹的光学放大作用和特 10.熟悉光栅刻线.熟悉光栅的关系辨向与细分技术。 13.了解磁栅的结构与工作原理。 14.了解介绍容栅的结构与工作原理。 15.了解老机床改造的步奏。 采用教学方法和实施步骤 讲授、课堂互动、分析、 教具:各种角编码器、光栅、磁栅 10-1数字式位置检测传感器的分类及特点 工作原理测量范围 最高 分辨力 磁阻式旋转变压器 磁阻效应,输出 电压随转子的角 位移而变化 360 价廉,输出信号与旋转的角度成线性关系;模拟输出信号易受干扰;在同步随动系统及数字随动系统中可用于传递转 角或电信号,可实现函数解算功能 感应同步器 电磁感应。定 子、转子的间隙为 0.2~0.3mm 200mm 0.02mm 价廉;模拟输出信号微弱,易受干扰,碳素结构钢底板较 重。每块直线mm,如超过该上限, 需要用多块定尺接长。接长时,需要用激光干涉仪校准两块 定尺之间的间隙 相电感线圈与钢球之间的电磁 感应 10m 又称球感尺,价廉,全密封,不受灰尘、油污影响;模拟输出信号易受干扰;可用于准确度要求不高的直线位移测量 传感器与检测技术项目教程 授课教案 接触电位360 5.6 价廉;码道数小于6;易磨损,适合于静态测量 磁阻式角编 磁阻效应3604096 0.35 价廉;码道数小于10;适用于要求不高的角位移测量光电式角编 光电效应3604096 0.3 分辨力较高,响应频率快;适合于普通机床等的角位移 测量或转速测量 长光栅 光电效应 3m 准确度和分辨力高;易折断;用于直线位移的精密测量圆光栅 光电效应 360 0.1 分辨力高;适合于精密机床等要求较高的角位移测量或转 速测量 磁电感应30m 磁电感应360 分辨力较高,响应频率较快;适合于普通机床等的角位移测量或转速测量 直线μm 价廉;分辨力不高,响应频率慢;可用于百分尺、千分尺、 标高尺等 静电感应360 0.6 价廉;分辨力较高,响应频率慢;可用于百分表、千分表 一、直接测量和间接测量图10-1 直接测量和间接测量示意图 a)直接测量 b)间接测量 1-导轨 2-运动部件 3-直线式位置传感器的随动部件 4-直线式位置传感器的固定部件 5-旋转式位置传感器 6-丝杠-螺母副 7-电动机 例10-1 若丝杠的螺距t =6.00mm(当丝杠转一圈360时,“单线螺母”或“单头螺 母”移动的直线mm),旋转式位置传感器测得丝杠的旋转角度θ 为7290, 求螺母的直线位移x。 螺母的直线.用直线式位置传感器进行直线位移的直接测量时,传感器的行程与什么有 关?有何优点? 2.旋转式间接测量时,有何优点? 3.能够将旋转运动转换成直线运动的机械传动装置有哪些? 二、增量式测量与绝对式测量 例10-2 在图10-1a 中,若增量式测量系统的每个脉冲代表0.01mm,在10s 时间 里,长光栅传感器发出2000 个脉冲,求: 1)工作台的直线位移x(机床行业习惯使用的单位为:mm)。 2)运动速度v(机床行业习惯使用的单位为:m/min)。 传感器与检测技术项目教程 授课教案 1)根据题意,工作台每移动0.01mm,长光栅传感器便发出1个脉冲,计数器 或减1。当计数值为2000时,工作台移动了x =20000.01mm =20.0mm。 2)v=x/t=20.0mm/(10s)=2.00mm/s=0.12m/min。 提问:为什么增量式位置传感器必须有一个零位标志? 【丝杠-螺母副位移转换填表训练】 丝杠-螺母副(单线s 时间里运动的数据如下,请分析、填空 (最少保留三位有效数字)。 螺母的螺距t /mm 2(细牙) 丝杠的旋转角度θ/180 360 450 -90 1003600 丝杠转速/rmin -1 6.00 -1.67 螺母的位移x/mm -1.00 6.00 螺母的线速度 v/mmin -1 0.0600.150 -0.030 0.360 负号表示旋转机械元件作逆时针运动,直线机械元件向左运动,以下同。 项目一 角编码器 【项目教学目标】 知识目标1.了解接触式角编码器的原理与编码方法。 2.了解绝对式和增量式光电角编码器的工作原理。 技能目标1.掌握绝对式角编码器的分辨率与分辨力的计算。 2.掌握增量式角编码器的分辨率与分辨力的计算。 3.掌握增量式角编码器的 M法测速计算。 一、绝对式角编码器 1.接触式角编码器的结构 图10-2 位二进制接触式码盘a)电刷在自然二进制码盘上的位置 2-转轴3-导电体 4-绝缘体 5-电刷 6-激励公用轨道(接电源正极) 2.接触式角编码器的分辨力与分辨率 α=360/2 (10-1)分辨率=1/2 (10-2)提问:位数(码道的圈数)M 与分辨的角度α 的关系?要提高分辨力的措施是什么? 传感器与检测技术项目教程 授课教案 例10-3求12 码道的绝对式角编码器的分辨力α。 12码道的绝对式角编码器的圆周被均分为 12=4096 个位置数,所以能分辨的 角度 α=360/2 12 =5.27 位十进制数与自然二进制码以及格雷码的对照表十进制数 自然二进制码 十进制数自然二进制码 00000000 10001100 00010001 10011101 00100011 10 1010 1111 00110010 11 1011 1110 01000110 12 1100 1010 01010111 13 1101 1011 01100101 14 1110 1001 01110100 15 1111 1000 【绝对式角编码器分辨率、分辨力填表训练】 (最少保留3 位有效值) 码道数目n 1011 12 16 22 位置数目 16分辨率 1/256 1/1 024 1/2 048 1/4 096 1/8 192 1/4 194 304 分辨力 0.35 0.33′ 0.309″ 3.绝对式光电角编码器的结构 图10-3 绝对式光电角编码器 a)12 码道光电码盘的平面结构 码道光电码盘与光源、光敏元件的对应关系c)外形 提问:码盘上的低位与高位刻痕如何安排? 10-3GP50S8-1024-3F-2 型绝对式角编码器的主要技术参数 参数名称 电源电压/VDC12~245% 消耗电流/ mA 100 分辨率 1/1024 输出码 输出形态集电极开路NPN 最高响应频率/kHz35 允许最高机械转速/rmin -1 3000 使用环境温度/ -10~70 保存环境温度/ -25~85 传感器与检测技术项目教程 授课教案 使用环境湿度(%)35~85RH(不结露) 防护等级 IP64 振动耐久性(10~55Hz)/mm 1.5(振幅,x/y/z 各向2h) 允许冲击/g 50 外形参数/mm 外径 50 长度 55.5(不含轴) 15重量/g 380 输出类型 NPN 型集电极开路 5.绝对式角编码器的接线 码道角编码器的接线V 颜色白色 黑色 橙色图10-4 绝对式角编码器与用户端的RS485 通信电路 二、增量式角编码器 1.增量式光电角编码器的结构 传感器与检测技术项目教程 授课教案 图10-5增量式光电角编码器结构示意图 a)外形 b)内部结构 c)扫描孔板与码盘、光电接收器之间的对应关系 1-转轴 2-发光二极管 3-扫描孔板(光栏板) 4-零位标志光槽(Z) 5-零位光敏元件 7-电源及信号线 光电元件分别起什么作用?2.增量式光电角编码器的分辨力与分辨率 增量式光电角编码器的测量准确度与码盘圆周上的狭缝条纹数(分度数)M 有关, 最小分辨的角度α α=360/M(10-3) 分辨率=1/M (10-4) 例10-4 某增量式角编码器的技术指标为1024 个脉冲/r(即分度数M=1024P/r), 求:分辨力α。 按题意,码盘边缘的透光槽数为1024个,则能分辨的最小角度为 α=360/M=360/1024=0.352 提问:如何判断码盘旋转的方向?必须设置什么元件? 图10-6 绝对式角编码器的输出信号 a)TTL 电平信号 b)正弦波信号 图10-7 绝对式角编码器的差分输出电路 提问:屏蔽线的外壳金属软线能否两端分别接到两端的大地?为什么(可以从两端 大地存在电位差来分析)? 3.增量式光电角编码器的旋转角度计算 θ=360(m/M) (10-5) 提问:增量式角编码器的分度数M 越大,同样的的m 值,所对应的旋转角度就越? 例10-5 某增量式角编码器的分度数M=1024,从零位信号Z 之后的10s 内,计数 器对角编码器的一路信号(图10-6 中的A信号)计数,得到m=1024+128 个脉冲。求: 码盘旋转的角度θ 和转速n(r/min)。 传感器与检测技术项目教程 授课教案 按题意,码盘边缘的透光槽数为1024个,码盘旋转的角度 θ=360(m/M)=360(1152/1024)=3601.125=405 n=60r/s=60[(405/360)/10s]=6.75r/min 【增量式角编码器分辨率、分辨力填表训练】 增量式码盘在10s 时间里输出脉冲数目如下,请根据式(10-3)、式(10-5)分析、填空。 (最少保留三位有效数字)。 外缘狭缝条纹数分度数M 1024 4096 分辨力/() 0.352 计数脉冲数(A 超前B) 256 512 65536 1024 2048 41984 码盘的旋转角度θ/() 360 360 码盘的转速v/rmin -1 3.0061.5 计数脉冲数(B 超前A) 1024 2048 10496 4096043008 码盘的旋转角度θ/() 0 -720 旋转状态 正转1024,反转2048 正转1024,反转256 正转1024,反转2048 正转1024,反转256 码盘最终的旋转角度θ/() -90 5.增量式光电角编码器的接线 增量式角编码器的差分输出的接线WLF 系列角编码器的主要技术指标 参数名称 电源电压/VDC5 ~30消耗电流/mA <60mA 分辨率 1/1024 输出形态 推拉型或集电极开路NPN 上升、下降时间/ns100 最高响应频率/kHz 150 允许最高机械转速/rmin -1 6000 允许角加速度/rads -2 110 1.310-5 25时的起动力矩/Nm 510 -2 使用环境温度/ -10~70 保存环境温度/ -25~85 使用环境湿度(%) 35~85RH(不结露) 防护等级 IP54,IP65 传感器与检测技术项目教程 授课教案 出线方式电缆侧出,电缆后出 插座侧出,插座后出 任务二 角编码器的应用 一、角编码器在数字测速中的应用 1.M法测速 图10-9 (10-6)则转速n(单位为r/min)为 6060 (10-7)提问:1.M法测速适合于怎样转速的场合? 2.当转速较慢时,测量误差怎样变化? 3.闸门时间t 的长短有何影响?例10-6 某角编码器的技术指标为1024P/r(即M=1024P/r =1K),在0.2s 时间内 测得100 个脉冲,即t =0.2s,m1=100,求:1)转速n。 误差引起的转速测量误差为多少转每分钟?3)如果将t 10060 60 r/min 29.3r/min 0.2 1024 2)由于存在1误差,在t 时间段里,计数得到的脉冲数m1=1001个脉冲,则 100 60r/min (29.3 0.29) r/min 0.2 1024 延长到1s,m1'必然增加到500,则传感器与检测技术项目教程 授课教案 60r/min (29.3 0.06) r/min 结论:计算得到的转速不变,但1个脉冲引起的误差显著缩小。 二、绝对式角编码器在工位编码及刀库选刀控制中的应用 1.绝对式角编码器在工位编码中的应用 由于绝对式角编码器每一转角位置均有一个固定的编码输出,若角编码器与转盘同 轴相连,则转盘上每一工位安装的被加工工件均可以有一个编码相对应,转盘加工工位 的编码如图10-10 所示。当转盘上某一工位转到加工点时,该工位对应的编码由角编码 器输出给控制系统。 图10-10 转盘加工工位的编码 1-绝对式角编码器 2-电动机 3-同步带 4-转轴 5-转盘 6-工件 7-刀具 例10-7 设图10-10 中的角编码器为4 码道绝对式码盘,工件1~8 的编码从0000 到1110。图10-10 中的工位1(0000)已完成加工,要使处于工位2 上的工件转到加工 点等待钻加工,计算机应如何控制电动机和转盘? 由于工位的编码是从0000开始到1110,所以每个工位的变化为0010。工位2 上的编码为0010,工位3 上的编码为0100,以此类推。当工件1 完成加工后,电动机 通过“同步带”驱动转盘顺时针旋转。当角编码器的输出从0001 跳变到0010 时,计算 机命令电动机停转并自锁,开始加工工件2„„直到第8 个工位(1110)加工完成后, 转盘上的工件全部卸下,重新开始新的8 个工件的加工。 提问:如果采用3 码道角编码器,若工位1 的编码是000 时。则到工位2 的编码是 多少? 项目二 光栅传感器 【项目教学目标】 知识目标1.了解计量光栅的类型、结构及工作原理。 2.了解莫尔条纹的光学放大原理。 技能目标传感器与检测技术项目教程 授课教案 10 1.掌握光栅的分辨率与分辨力计算。 2.掌握光栅的辨向与细分方法。 3.掌握光栅的应用。 一、光栅的类型和结构 图10-15 光栅的分类 a)透射式光栅光路 b)反射式光栅光路 c)敞开式反射钢带长光栅外形 d)圆光栅 1-LED 光源 2-聚光透镜 3-扫描光栅(指示光栅) 4-主光栅(标尺光栅) 5-栅状光电接 收元件 6-扫描掩膜 7-窗口 8-圆光栅 9-零位标记 提问:光栅如何分类? 图10-16 长光栅的结构及外观 a)内部结构剖面图 b)安装示意图 1-铝合金定尺 2-读数头(动尺) 3-电缆 4-带聚光镜的LED 5-主光栅(标尺光栅,固定在定尺尺身上) 6-指示光栅(随读数头及溜板移动) 7-光敏元件 8-密封唇 9-信号调理电路 10-压缩空气入口 11-安装槽 12-电缆拖链 提问:图10-16 中,压缩空气用来做什么? 传感器与检测技术项目教程 授课教案 11 图10-17 直线透射式长光栅测量原理图 1-光源 2-透镜 3-指示光栅 4-主光栅(标尺光栅) 5-零位光栅 6-细分辨向用光敏元件(2 7-零位光敏元件透射式光栅的几个重要参数: 提问:1.如果某直线光栅在每毫米里刻线.如果某圆光栅在一个圆周刻线,则角节距为多少度? 二、光栅的工作原理 1.莫尔条纹 图10-18 等栅距黑白透射光栅形成的莫尔条纹 传感器与检测技术项目教程 授课教案 12 图10-19 sin 和cos 光敏元件的输出电压波形及细分脉冲 a)光栅位移与光强及输出电压的关系 b)整形后的方波 细分脉冲(1)亮带和暗带;(2)莫尔条纹的识别;3)莫尔条纹的放大栅距作用;4)莫尔 条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线.如果圆光栅旋转一圈产生100 2.设置sin和cos 两个光敏元件的目的是什么? 3.图10-19b 中,矩形波是怎样得到的? 3.图10-19c 中,尖脉冲波是怎样得到的? 2.莫尔条纹的特征 1)莫尔条纹是由光栅的大量刻线)莫尔条纹移动的方向;3)莫尔 条纹的间距。 L=W/sinθW/θ (10-11) L——莫尔条纹间距;W——光栅栅距; θ——两光栅刻线夹角(rad)。 提问:从式(10-11)可知,θ 越小,L就怎样? 例10-8 某长光栅的刻线 线/mm,指示光栅与主光栅刻线, 求:栅距W和莫尔条纹间距L。 1mm0.04mm 25 0.017rad180 由于夹角θ较小,所以莫尔条纹间距 传感器与检测技术项目教程 授课教案 13 0.04mm =2.35mm0.017 2sin 提问:主光栅与指示光栅之间的夹角越小,莫尔条纹的间距就越?。3.辨向及细分 (1)辨向原理;(2)细分技术。 提问:细分是指分频还是倍频? 例10-9 某长光栅的刻线 根/mm,细分数s=4,求:细分后光栅的分辨力 =0.01mm/4=0.0025mm=2.5μm。由上例可见,光栅信号通过4 细分技术处理后,相当于将光栅的分辨力提高了3 必须指出的是,分辨力与最大允许误差是两个概念,分辨力通常远小于绝对误差。直线式光栅的测量准确度取决于刻线的质量、光学扫描计数、电子处理技术、安装技术、 光栅尺热胀系数与机床导轨热胀系数的吻合度等。在机床加工中,当计数器清零之后, 在温度、振动变化不大的短时间内,可以认为以“清零点”为起点的位移xNΔ。 4.零位标记 提问:光栅中设置零位标记是干什么的? 例10-10 增量式长光栅的栅距W=0.01mm,细分数s=16。当铣刀向下运动,电路 出现零位信号后,又计得N=4096 个脉冲,求:零位之后铣刀的位移x 约为多少毫米? 10-6FAGOR-SV 系列长光栅尺的主要技术指标 参数名称 栅距(周期)/μm20(玻璃光栅尺) 玻璃板热胀系数/K -1 810 -6 最大允许误差/μm 最大线(带加强板) 移动阻力/N 工作温度/0~50 存储温度/ -20~70 相对湿度(%) 20~80RH 重量/kg 0.2+0.5/m 密封等级标准 IP53 通入干净压缩空气:IP64 读数头 电缆30 10-7RESR-RGH20-52 圆光栅的主要技术指标 参数名称 读数头尺寸(长宽高)/mm 最大转速/rmin-1 3000 磁头与磁尺的间隙/mm 0.80.08 最大抗振性/g 10 移动阻力/N 传感器与检测技术项目教程授课教案 14 外径/mm 52 角节距(周期)/() 4096 刻划准确度/(″) 细分数4~40 电缆弯曲半径/mm 75 重量/kg 0.2 密封等级 IP53 连接压缩空气时,IP64 工作温度/ 0~50 存储温度/ -20~70 相对湿度(%) 20~80RH 图10-20 长光栅尺的安装与调整 1-床身(安装面) 2-长光栅尺 3、4-百分表 5-安装螺栓 项目三 磁栅传感器 【项目教学目标】 知识目标1.了解磁栅传感器的结构及工作原理。 2.了解磁栅数显表的原理。 技能目标1.掌握磁栅的分辨率与分辨力计算。 2.掌握磁栅的辨向方法。 3.掌握磁栅的应用。 图10-24 长磁栅结构 2-滑尺(读数头)3-密封唇 4-电缆 5-信号调理盒 6-接插口 传感器与检测技术项目教程 授课教案 15 提问:图10-24 中的密封唇用于防止什么? 一、磁栅结构及工作原理 提问:磁栅传感器主要由什么组成? 图10-26 静态磁头的结构及输出信号与磁尺的关系 2-sin磁头 3-cos 磁头 4-磁极铁心 5-可饱和铁心 6-励磁绕组 7-感应输出绕组 8-低通滤波器 9-匀速运动时sin 磁头的输出波形(基波为2 倍励磁频率) 10-保护膜 11-载波 12-包络线.为何设置两个磁头? 2.磁栅传感器是接触式还是非接触式传感器? 3.图10-26 是AM还是FM波形?图10-27 磁栅尺、磁头与数显表套件 1-20m不锈钢磁尺 2-磁头 3-信号转换器 4-计算机接口 5-三维主显示器 6-操作显示器 提问:图10-27 的显示器有3 排数码管(X、Y、Z),分别用于测量什么的位移? 10-8XCCB 长磁栅的主要技术指标 参数名称 传感器与检测技术项目教程授课教案 16 全长 L+143mm 有效长度L/mm 100~900 最大行程 L+22mm 最大响应速度/mmin -1 60 刻线 脉冲(细分前)/(个mm -1 20(TTL电平) 细分前分辨力/μm 50 细分后分辨力/μm 0.5 最大误差/μm (5+5L/1000) 激励源/kHz 10 移动寿命/km 9000 电缆最大长度/m 30 二、磁栅数显表 图10-28 ZCB-101 鉴相型磁栅数显表的原理框图 1-磁尺基底 2-录磁后的硬磁性薄膜 提问:图10-28 中,可逆计数器用于什么目的? 2.老机床改造 改造的步骤:深入了解原有机床的工作过程;了解对现有机床的测量、控制、 操作的改进方案;确定所需要的输入/输出设备;设计数字式位移传感器的I/O 电路, 编制 分配表、I/O接线图;设计步进电动机传动系统;安装直线磁栅和角编码 器;安装人工对话设备,包括数显表和键盘等。 传感器与检测技术项目教程 授课教案 17 图10-30 改造后的数控铣床 1-进给手柄 2-x 5-电源开关6-主轴电动机 7-角编码器 8-三维数显表 提问:机床数显改造后具有哪些功能? 项目四 容栅传感器 【项目教学目标】 知识目标1.了解容栅的结构及工作原理。 2.了解容栅转换电路原理。 技能目标掌握容栅的的应用。 任务一 认识容栅传感器 提问:容栅传感器是一种基于什么原理(变极距/变面积/变介电常数)的电容式传 传感器与检测技术项目教程授课教案 18 图10-31 直线容栅传感器结构简图 a)动尺和定尺上的电极透视图 b)定尺、动尺的位置关系 c)发射电极和反射电极的相互关系 1-发射电极 2-反射电极 3-接收电极 4-屏蔽电极 任务二 容栅传感器的应用 一、直线HLP 直线容栅尺的主要技术指标 参数名称 最大线 最大允许误差/mm 0.05 分辨力/mm 0.01 显示 位LCD显示范围/mm -199.99~199.99 通信方式 RS485 网卡电源/V DC 环境温度/-10~50 环境湿度(%) 10~90RH 传感器与检测技术项目教程 授课教案 19 图10-33 容栅数显测高仪 二、容栅数显卡尺 图10-34 容栅数显卡尺 2-游标3-紧固螺钉 4-液晶显示器 5-串行接口 6-电池盒 7-复位按钮 8-公/英制转换按钮 提问:在多数情况下,容栅数显卡尺处于不用状态,需要设置什么电路使得容栅数 显卡尺的电池可以使用一个月以上? 三、容栅数显千分尺 图10-35 容栅数显千分尺 图10-36 圆容栅的结构 a)旋转容栅 b)固定容栅 传感器与检测技术项目教程 授课教案 20 1-屏蔽电极 2-反射电极 3-发射电极 4-接收电极 课外学习 上网查阅有关光栅、磁栅、容栅、球栅的资料,写出其中一种的 主要技术指标。 课后作业 检测教学目标实现程度 1.考察学生能否根据在一定的时间间隔内得到角编码器输出的脉冲数 目计算被测旋转体的转速。 2.考察学生能否掌握辨向、细分技术。

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