光栅位移传感器:光栅位移传感器

2021/11/02 12:25 · 传感器知识资讯 ·  · 光栅位移传感器:光栅位移传感器已关闭评论
摘要:

光栅位移传感器:光栅位移传感器光栅传感器作为最重要的数控装备和数控系统功能部件,广泛应用于数控机床、精密仪器、机器人等领域,为当前国家振兴装备制造业重点突破的关键核心功能部件。长期以来,国内产品只能跟随国外产品

光栅位移传感器:光栅位移传感器  第1张

光栅位移传感器:光栅位移传感器

光栅传感器作为最重要的数控装备和数控系统功能部件,广泛应用于数控机床、精密仪器、机器人等领域,为当前国家振兴装备制造业重点突破的关键核心功能部件。长期以来,国内产品只能跟随国外产品进行二次复制。。该项目组开展了以下研究工作:
(1)高密度光栅精密测试技术:针对目前国内光栅系统随速度增大信号幅值下降问题,研究高速高精度光电信号处理方法;研究光栅系统综合误差模型,研发误差补偿模块。基于纳米测量的需要,目前设计光栅长度200mm,周期1100线/mm,全长度相位误差小于λ/100。
(2)绝对式光栅测量技术研究:开展绝对式光栅编码、解码原理研究,研究单码道无限长编码与解码技术,开发绝对式光栅测量系统,填补国内空白。目前对完成对单码道绝对式光栅编码规则与方法进行研究,完成了1.5长光栅尺的编码工作,并成功进行了制作。目前测试解码速度为0.5m/S,解码分辨率5um。
(3)二维光栅纳米测量技术研究
基于干涉相位测量技术以及SPM技术,研究创新型光栅纳米传感原理,研发一维、二维光栅纳米测量系统,研究纳米驱动与控制方法,开发纳米工作台。目前该传感器可在30mm*30mm范围内实现20nm的测量重复性。
光栅位移传感器:光栅位移传感器  第2张

光栅位移传感器:光栅尺

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光栅尺
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光栅尺,也称为光栅尺位移传感器(光栅尺传感器),是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,具有检测范围大,检测精度高,响应速度快的特点。例如,在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测,来观察和跟踪走刀误差,以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。光栅尺按照制造方法和光学原理的不同,分为透射光栅和反射光栅。
中文名
光栅尺
外文名
Grating ruler
别 名
光栅尺位移传感器
利用原理
光栅的光学原理
组 成
标尺光栅和光栅读数头
目录
1
结构
2
工作原理
?
莫尔条纹
?
检测与数据处理
3
安装指导
4
使用注意事项
5
总结
光栅尺结构
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语音
光栅尺是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。图1所示的就是光栅尺的结构。光栅检测装置的关键部分是光栅读数头,它由光源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成。光栅读数头结构形式很多,根据读数头结构特点和使用场合分为直接接收式读数头(或称硅光电池读数头、镜像式读数头、分光镜式读数头、金属光栅反射式读数头)。
图1 光栅检测装置
光栅尺工作原理
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语音
光栅尺莫尔条纹
图2 莫尔条纹
以透射光栅为例,当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度θ,并且两个光栅尺刻面相对平行放置时,在光源的照射下,位于几乎垂直的栅纹上,形成明暗相间的条纹。这种条纹称为“莫尔条纹” (图2所示)。严格地说,莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度,以W表示。W=ω /2* sin(θ /2)=ω /θ 。莫尔条纹具有以下特征:(1)莫尔条纹的变化规律两片光栅相对移过一个栅距,莫尔条纹移过一个条纹距离。由于光的衍射与干涉作用,莫尔条纹的变化规律近似正(余)弦函数,变化周期数与光栅相对位移的栅距数同步。(2)放大作用在两光栅栅线夹角较小的情况下,莫尔条纹宽度W和光栅栅距ω、栅线角θ之间有下列关系。式中,θ的单位为rad,W的单位为mm。由于倾角很小,sinθ很小,则W=ω /θ若ω=0.01mm,θ=0.01rad,则上式可得W=1,即光栅放大了100倍。(3)均化误差作用莫尔条纹是由若干光栅条纹共用形成,例如每毫米100线的光栅,10mm宽度的莫尔条纹就有1000条线纹,这样栅距之间的相邻误差就被平均化了,消除了由于栅距不均匀、断裂等造成的误差。
光栅尺检测与数据处理
电子细分与判向法光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。高分辨率的光栅尺一般造价较贵,且制造困难。为了提高系统分辨率,需要对莫尔条纹进行细分,光栅尺传感器系统多采用电子细分方法。当两块光栅以微小倾角重叠时,在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹,随着光栅的移动,莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量。在一个莫尔条纹宽度内,按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与判向功能。例如,栅线为50线对/mm的光栅尺,其光栅栅距为0.02mm,若采用四细分后便可得到分辨率为5μm的计数脉冲,这在工业普通测控中已达到了很高精度。由于位移是一个矢量,即要检测其大小,又要检测其方向,因此至少需要两路相位不同的光电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波,通常采用由低漂移运放构成的差分放大器。由4个光敏器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端,从差分放大器输出的两路信号其相位差为π/2,为得到判向和计数脉冲,需对这两路信号进行整形,首先把它们整形为占空比为1:1的方波。然后,通过对方波的相位进行判别比较,就可以得到光栅尺的移动方向。通过对方波脉冲进行计数,可以得到光栅尺的位移和速度
[1]

光栅尺安装指导
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光栅尺线位移传感器的安装比较灵活,可安装在机床的不同部位。一般将主尺安装在机床的工作台(滑板)上,随机床走刀而动,读数头固定在床身上,尽可能使读数头安装在主尺的下方。其安装方式的选择必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。如果由于安装位置限制必须采用读数头朝上的方式安装时,则必须增加辅助密封装置。另外,一般情况下,读数头应尽量安装在相对机床静止部件上,此时输出导线不移动易固定,而尺身则应安装在相对机床运动的部件上(如滑板)。1、光栅尺线位移传感器安装基面安装光栅尺传感器时,不能直接将传感器安装在粗糙不平的机床身上,更不能安装在打底涂漆的机床身上。光栅主尺及读数头分别安装在机床相对运动的两个部件上。用千分表检查机床工作台的主尺安装面与导轨运动的方向平行度。千分表固定在床身上,移动工作台,要求达到平行度为0.1mm/1000mm以内。如果不能达到这个要求,则需设计加工一件光栅尺基座。基座要求做到:(1)应加一根与光栅尺尺身长度相等的基座(最好基座长出光栅尺50mm左右)。(2)该基座通过铣、磨工序加工,保证其平面平行度0.1mm/1000mm以内。另外,还需加工一件与尺身基座等高的读数头基座。读数头的基座与尺身的基座总共误差不得大于±0.2mm。安装时,调整读数头位置,达到读数头与光栅尺尺身的平行度为0.1mm左右,读数头与光栅尺尺身之间的间距为1~1.5mm左右。2、光栅尺线位移传感器主尺安装将光栅主尺用M4螺钉上在机床安装的工作台安装面上,但不要上紧,把千分表固定在床身上,移动工作台(主尺与工作台同时移动)。用千分表测量主尺平面与机床导轨运动方向的平行度,调整主尺M4螺钉位置,使主尺平行度满足0.1mm/1000mm以内时,把M2螺钉彻底上紧。在安装光栅主尺时,应注意如下三点:(1) 在装主尺时,如安装超过1.5M以上的光栅时,不能象桥梁式只安装两端头,尚需在整个主尺尺身中有支撑。(2)在有基座情况下安装好后,最好用一个卡子卡住尺身中点(或几点)。(3)不能安装卡子时,最好用玻璃胶粘住光栅尺身,使基尺与主尺固定好。3、光栅尺线位移传感器读数头的安装在安装读数头时,首先应保证读数头的基面达到安装要求,然后再安装读数头,其安装方法与主尺相似。最后调整读数头,使读数头与光栅主尺平行度保证在0.1mm之内,其读数头与主尺的间隙控制在1~1.5mm以内。4、光栅尺线位移传感器限位装置光栅线位移传感器全部安装完以后,一定要在机床导轨上安装限位装置,以免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端,从而损坏光栅尺。另外,用户在选购光栅线位移传感器时,应尽量选用超出机床加工尺寸100mm左右的光栅尺,以留有余量。5、光栅尺线位移传感器检查光栅线位移传感器安装完毕后,可接通数显表,移动工作台,观察数显表计数是否正常。在机床上选取一个参考位置,来回移动工作点至该选取的位置。数显表读数应相同(或回零)。另外也可使用千分表(或百分表),使千分表与数显表同时调至零(或记忆起始数据),往返多次后回到初始位置,观察数显表与千分表的数据是否一致。通过以上工作,光栅尺线位移传感器的安装就完成了。但对于一般的机床加工环境来讲,铁屑、切削液及油污较多。因此,传感器应附带加装护罩,护罩的设计是按照传感器的外形截面放大留一定的空间尺寸确定,护罩通常采用橡皮密封,使其具备一定的防水防油能力
[2]

光栅尺使用注意事项
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语音
(1)光栅尺传感器与数显表插头座插拔时应关闭电源后进行。(2)尽可能外加保护罩,并及时清理溅落在尺上的切屑和油液,严格防止任何异物进入光栅尺传感器壳体内部。(3)定期检查各安装联接螺钉是否松动。(4)为延长防尘密封条的寿命,可在密封条上均匀涂上一薄层硅油,注意勿溅落在玻璃光栅刻划面上。(5) 为保证光栅尺传感器使用的可靠性,可每隔一定时间用乙醇混合液(各50%)清洗擦拭光栅尺面及指示光栅面,保持玻璃光栅尺面清洁。(6) 光栅尺传感器严禁剧烈震动及摔打,以免破坏光栅尺,如光栅尺断裂,光栅尺传感器即失效了。(7) 不要自行拆开光栅尺传感器,更不能任意改动主栅尺与副栅尺的相对间距,否则一方面可能破坏光栅尺传感器的精度;另一方面还可能造成主栅尺与副栅尺的相对摩擦,损坏铬层也就损坏了栅线,以而造成光栅尺报废。(8) 应注意防止油污及水污染光栅尺面,以免破坏光栅尺线条纹分布,引起测量误差。(9) 光栅尺传感器应尽量避免在有严重腐蚀作用的环境中工作,以免腐蚀光栅铬层及光栅尺表面,破坏光栅尺质量。
光栅尺总结
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语音
合理选取光栅尺,正确使用使其物尽其能;也有互相矛盾的一面,安装位置既要尽可能靠近驱动轴线,又要尽量远离机床的发热源(如丝杠副),这就要看机床设计师,怎样兼顾折衷考虑各方面因素,综合考虑光栅尺选型、设计、安装、捌试等因素,得到比较合理的性价比,势必取得比较好的控制检测效果。?通过以上几个步骤的调试,一台数控机床一般都能获得很好的位置精度(定位精度、重复定位精度),达到机床设计要求,能很容易满足用户的需求,对数控机床的制造厂家和使用用户有着非凡的现实意义
[3]

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光栅尺位移传感器的介绍
一、位移传感器基本原理光栅位移传感器的工作原理,是由一对光栅副中的主光栅(即标尺光栅)和副光栅(即指示光栅)进行相对位移时,在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间(或明暗相间)的规则条纹图形,称之为莫尔条纹。经过光电器件转换使黑白(或明暗)相同的条纹转换成正弦波变化的电信号...
2019-01-080
阅读51
参考资料
1.

刘岩, 龙科慧, 王立朋,等. 光栅尺动态测量仪[J]. 光学精密工程, 1993, 1(2):14-19.
2.

朱沛, 张大伟, 黄元申,等. 精密定位光栅尺的研究进展[J]. 激光杂志, 2010, 31(1):1-3.
3.

殷庆纵, 刘杰. 双光栅尺在高速高精度位移测量中的应用[J]. 机床与液压, 2012, 40(17):107-111.

光栅位移传感器:永磁同步电机和直流励磁同步电机有什么区别?含结构原理特性应用

在机械设备的运动轴中,最常见的是直线运动。
对于直驱,我们一般用直线位移传感器,比如光栅尺来检测运动部件的位置。
而对于旋转变直线的运动轴,有时也可以用旋转编码器来检测位置,速度等参数。
上次,我分享了光栅尺和旋转编码器的原理。
光栅尺原理,横屏更好看
旋转编码器原理
今天,我想分享一下另外一种常用的直线位移传感器:LVDT。
什么是LVDT?
我查了一下,LVDT是Linear Variable Differential Transformer的缩写,表面意思是,线性可变差动变压器。
乍一看怎么是变压器,吓坏了。
原来是因为,它也是利用变压器的磁感应原理,来产生电压,再通过电路转换,得到被测位移。
为了方便理解,我们这里就叫LVDT传感器。
变压器原理:在主线圈通入交流电,在副线圈感应出电压
1. LVDT的结构
LVDT的内部主要结构,包括一个初级绕组和一对次级绕组,初级绕组位于中间,而次级绕组则沿相反方向串联,缠绕在初级绕组的两侧。运动部件是导磁铁芯,可以在空心线圈中移动,连接到要测量位置的物体上。圆柱形的屏蔽层和不锈钢外壳可以保护绕组免受损坏,并且还可以容纳感测磁场,提供电磁屏蔽。来源:te.com。
简化的线圈和铁芯,初级绕组位于中间,次级绕组串联,缠绕在初级绕组的两侧。每个次级线圈应具有相同的匝数和长度,以免影响零位和线性度。
2. LVDT传感器的原理
先上一张动画感知一下。
LVDT工作示意图
运行时,在初级绕组上施加一个小的交流电压,称为“励磁信号”,进而在两个相邻的次级绕组中感应出电动势(变压器原理),铁芯在不同的位置,次级绕组电势差不同,进而通过感应电压确定铁芯位置。来源:Honeywell。
LVDT输出电压与铁芯位置的关系,上方图是交流电幅值与铁芯位置的关系,下方图是经过电路变化以后的直流输出与铁芯位置的关系,来源te.com。
如果铁芯恰好位于空心管的中央,则两个次级绕组中的感应电动势会相互抵消,因为它们的相位差180°,因此最终输出电压为零。
当铁芯向一侧稍微移动时,其中一个次级线圈中的感应电压,将变得大于另一个次级线圈中的感应电压,从而产生电势差,并且输出交变电压。
当铁芯通过中心位置,从一端移动到另一端时,输出电压从最大值变为零,然后再次回到最大值,但是在此过程中,其相角改变了180度。
这使LVDT能够产生交流电信号,其幅度表示铁芯从中央位置开始的移动量,并且其相位角表示铁芯的移动方向。因此,这种类型的位置传感器的输出信号,既可以用感应电压大小表示位移大小,又可以根据电压极性表示运动方向,所以说这是一种绝对式传感器。
通常,此感应出的交流电压,通过合适的电子电路,转换为更方便使用的高电平直流电压或电流。
这就是LVDT的原理。
LVDT原理概括图
LVDT原理概括图
LVDT原理概括图
3. LVDT的优缺点
1.无限寿命
与其他类型的位移传感器相比,LVDT传感器的主要优势在于坚固耐用,理论上无限寿命,因为感应元件之间没有物理接触,没有磨损。
2.无限分辨率
由于该设备依赖于磁通量的耦合,因此LVDT可以具有无限的分辨率。因此,可以通过合适的信号调节,检测很小的运动,而传感器的分辨率则取决于数据采集系统的分辨率。
3.高线性度
在测量范围内,线性度很高,精度高。
4.绝对测量
LVDT是绝对输出设备,而不是增量输出设备。
这意味着在断电的情况下,从LVDT发送的位置数据不会丢失。重新启动测量系统后,LVDT的输出值将与断电之前的输出值相同。
5.测量范围广
LVDT具有非常广的位移测量范围,可用于测量1.25mm-250mm的位移。
6.低功耗
它将线性位移转换为易于处理的电压,功率约为1W,与其他传感器相比,功耗很低。
7.缺点:对外磁场,温度敏感。
因为利用了电磁感应原理,LVDT对杂散磁场敏感,因此使用时需要考虑,保护它们免受杂散磁场的影响。
此外,LVDT易受振动和温度影响。
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光栅位移传感器:爱玖库|二手光栅尺工作原理以及维护方法简要介绍

二手光栅尺,也称为光栅尺位移传感器(光栅尺传感器),是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。那么,大家知道光栅尺工作原理以及维护方法都有哪些吗?今天,爱玖库就为大家详细介绍一下。
一、光栅尺工作原理
光栅位移传感器的工作原理,是由一对光栅副中的主光栅(即标尺光栅)和副光栅(即指示光栅)进行相对位移时,在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间(或明暗相间)的规则条纹图形,称之为莫尔条纹。经过光电器件转换使黑白(或明暗)相同的条纹转换成正弦波变化的电信号,再经过放大器放大,整形电路整形后,得到两路相差为90o的正弦波或方波,送入光栅数显表计数显示。
二、光栅尺结构
光栅尺是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床固定部件上,光栅读数头装在机床活动部件上,指示光栅装在光栅读数头中。
三、光栅尺维护
1、及时清理溅落在尺上的切屑和油液,严格防止任何异物进入光栅尺传感器壳体内部。
2、定期检查各安装联接螺钉是否松动、定期使用干燥的洁净布擦拭表。
3、不要自行拆开光栅尺位移传感器,更不能任意改动主栅尺与副栅尺的相对间距,否则可能破坏光栅尺传感器的精度。
4、光栅尺位移传感器应尽量避免在有严重腐蚀作用的环境中工作,以免腐蚀光栅铬层及光栅尺表面,破坏光栅尺质量。
上述内容就是关于二手光栅尺工作原理以及维护方法的详细介绍,希望对大家有所帮助。
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