位置检测装置 - 图文

图4—8光栅读数头

光栅尺是用真空镀膜的方法光刻上均匀密集线纹的透明玻璃片或长条形金属镜面。对于长光栅，这些线纹相互平行，各线纹之间的距离相等，称此距离为栅距。对于圆光栅，这些线纹是等栅距角的向心条纹。栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。常见的长光栅的线纹密度为25、50、100、250条/mm。对于圆光栅，若直径为70mm，一周内刻线达100～768条；若直径为110 mm，一周内刻线达600～1024条，甚至更高。同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相同。

光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动电路组成，如图4—8所示。读数头的光源一般采用白炽灯泡。白炽灯泡发出的辐射光线，经过透镜后变成平行光束，照射在光栅尺上。光敏元件是一种将光强信号转换为电信号的光电转换元件，它接收透过光栅尺的光强信号，并将其转换成与之成比例的电压信号。由于光敏元件产生的电压信号一般比较微弱，在长距离传送时很容易被各种干扰信号所淹没、覆盖，造成传送失真。为了保证光敏元件输出的信号在传送中不失真，应首先将该电压信号进行功率和电压放大， 然后再进行传送。驱动电路就是实现对光敏元件输出信号进行功率和电压放大的电路。

如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度β，这样两块光栅的刻线相交，当平行光线垂直照射标尺光栅时，则在相交区域出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为莫尔条纹。由于两块光栅的刻线密度相等，即栅距λ相等，使产生的莫尔条纹的方向与光栅刻线方向大致垂直。其几何关系如图4—9所示。当β很小时，莫尔条纹的节距为

p=λ/β

图4—9光栅的工作原理

这表明，莫尔条纹的节距是栅距的1／β倍。当标尺光栅移动时，莫尔条纹就沿与光栅移动方向垂直的方向移动。当光栅移动一个栅距λ时，莫尔条纹就相应准确地移动一个节距声，也就是说两者一一对应。因此，只要读出移过莫尔条纹的数目，就可知道光栅移过了多少个栅距。而栅距在制造光栅时是已知的，所以光栅的移动距离就可以通过光电检测系统对移过的莫尔条纹进行计数、处理后自动测量出来。

如果光栅的刻线为100条，即栅距为0.01mm时，人们是无法用肉眼来分辨的，但它的莫尔条纹却清晰可见。所以莫尔条纹是一种简单的放大机构，其放大倍数取决于两光栅刻线的交角β，如λ=0.01 mm，p=5mm，则其放大倍数为1/β=p/λ=500倍。这种放大特点是莫尔条纹系统的独具特性。莫尔条纹还具有平均误差的特性。

光栅测量系统的组成示意图如图4—10所示。光栅移动,莫尔条纹两岸交替变化，光强度分布近似余弦曲线，由光电元件变为同频率电压信号，经光栅位移数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。

图4—10 光栅测量系统组成示意图

4.4光电脉冲编码器

脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，把机械转角变成电脉冲，是一种常用的角位移传感器，同时也可作速度检测装置。

脉冲编码器分为：光电式、接触式和电磁感应式。脉冲编码器是一种增量检

测装置，它的型号是由每转发出的脉冲数来区分。2000P/r、2500 P/r和3000 P/r等。

1、光电脉冲编码器的结构和工作原理

光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为了判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的两路脉冲信号。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。

图4—11 光电脉冲编码器的结构 1-光源 2-圆光栅 3-指示光栅 4-光电池组

5-机械部件 6-护罩 7-印刷电路板

光电脉冲编码器的结构如图4—11所示。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，称为圆光栅。圆光栅与工作轴一起旋转。与圆光栅相对平行地放置一个固定的扇形薄片，称为指示光栅，上面刻有相差l／4节距的两个狭缝(在同一圆周上，称为辨向狭缝)。此外，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动机相连，它的法兰盘固定在电动机端面上，罩上防护罩，构成一个完整的检测装置。

下面对光电编码器的工作原理进行介绍。当圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明暗相间的条纹。光电元件接收这些明暗相问的光信号，并转换为交替变化的电信号，该信号为两路近似于正弦波的电流信号A和B，如图4—12所示。A和B信号相位相差90。，经放大和整形变成方波。通过光栅的两个电流信号，还有一个“一转脉冲”，称为Z相脉冲，该脉冲也是通过上述处理得来的。A脉冲用来产生机床的基准点。

脉冲编码器输出信号A、A、B、B、Z、Z等信号，这些信号作为位移测量脉冲，以及经过频率一电压变换作为速度反馈信号，进行速度调节。

图4—12 脉冲编码器输出的波形

2、光电脉冲编码器的应用

在数控机床上，光电脉冲编码器常被用在数字比较的伺服系统中，作为位置检测装置，将检测信号反馈给数控装置。

光电脉冲编码器将位置检测信号反馈给CNC装置有两种方式：一种是适合于有加减计数要求的可逆计数器，形成加计数脉冲和减计数脉冲；另一种是适合于有计数控制和计数要求的计数器，形成方向控制信号和计数脉冲。 应用一：

适应带加减计数要求的可逆计数器，形成加计数脉冲和减计数脉冲

应用二：