第七章运动参量的测量讲述.ppt

透射光栅是在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条。 图6－10中a为刻线宽度，b为刻线间的缝隙宽度，a+b=w称为光栅的栅距（或光栅常数） 指示光栅一般比主光栅短得多，通常刻有与主光栅同样密度的线纹。 光源一般用钨丝灯泡。光电元件包括光电池和光敏三极管等部分。 b a W 刻线密度： （ 10，25，50，100线）/mm 1000线/mm a：刻线宽度 b:刻线间的缝隙宽度 W：栅距，光栅常数 尺身 尺身安装孔 反射式扫描头 （与移动部件固定） 扫描头安装孔 可移动电缆 光栅的外形及结构 防尘保护罩的内部为长磁栅 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺 可移动电缆 光栅的外形及结构（续） 透射式直光栅 反射式光栅 莫尔条纹演示 莫尔条纹形成的原理及特点 两光栅平行-----竖条纹 标尺光栅移动一个W，光电管接受光线亮暗一次 缺点：无法辨向 两光栅成微小角度θ-----横条纹 （莫尔条纹） 形成黑白相间的条纹 光栅左右移动，条纹上下移动-----可辨向 每移动一个栅距W，条纹移动一个间距BH 莫尔条纹的重要特性: 运动对应关系 莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角θ固定后，两光栅相对左右移动一个栅距W时，莫尔条纹上下或下上移动一个节距B，因此，可以通过检测莫尔条纹的移动条数和方向来判断两光栅相对位移的大小和方向。 位移放大关系 误差平均效应 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻线误差有平均作用。 光强近似于正弦变化 莫尔条纹的光学放大作用 在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角θ。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处，由于相互挡光作用而形成暗带。 光栅的刻线宽度W 莫尔条纹的宽度L L≈W/θ ，（θ为主光栅和指示光栅刻线的夹角，弧度） 莫尔条纹光学放大作用举例 有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角? =1.8?，则： 分辨力? =栅距W =1mm/50=0.02mm=20?m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） 莫尔条纹的宽度是栅距的32倍： L ≈W/θ = 0.02mm/（1.8? *3.14/180? ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。 辨向电路及波形: 在实际应用中，大部分被测物体的移动往往不是单向的，既有正向运动，也可能有反向运动。单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移。 辨向电路及波形 细分技术 脉冲细分 细分技术能在不增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅的分辨力。细分前，光栅的分辨力只有一个栅距的大小。采用4细分技术后，计数脉冲的频率提高了4倍，相当于原光栅的分辨力提高了3倍，测量步距是原来的1/4，较大地提高了测量精度。 细分前 细分后 有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细分数为4细分，则： 分辨力? =（1mm/50）/4 =0.005mm=5?m 采用细分技术，在不增加光栅刻线数（成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。 光栅在机床上的安装位置（2个自由度） 光栅在机床上的安装位置（3个自由度） 数显表 安装有直线光栅的数控机床加工实况 防护罩内为直线光栅 光栅扫描头 被加工工件 切削刀具 角编码器安装在夹具的端部 补充:电容式位移传感器 工作原理： 电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置。它实质上是一个具有可变参数的电容器。 从物理学可知，由两个平行极板组成的电容器其电容量为： 式中εr——极板间介质的相对介电常数，在空气中εr=1； εo——真空中介电常数，εo＝8.85×10-12F／m； d——极板间距离； S——极板间相互覆盖面积。 当被测量使d、S或ε发生变化时，都会引起电容C的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为电容量的变化。 根据电容器变化的参数，可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三类。在实际中，极距变化型与面积变化型在位移测量中应用较为广泛。 (一)面积变化型 在