4.1.3角度检测技术 角度的自然基准和圆周封闭原则 1.自然基准:360圆周角 2.圆周封闭原则:整圆周上所有角间隔的误差之和为零 (圆周内误差封闭的原理) 实现角度和角位移测量的传感器主要有: 圆光栅传感器、光电编码器、圆磁栅传感器、回转感应同步器、激 光测角仪和多齿分度盘等 一、圆光栅传感器 圆光栅-径向光栅、切向光栅、环形光栅 莫尔条纹--圆弧形、环形、辐射形
4.1.3 角度检测技术 实现 角度和角位移测量的传感器主要有: 圆光栅传感器、光电编码器、圆磁栅传感器、回转感应同步器、激 光测角仪和多齿分度盘等 一、圆光栅传感器 圆光栅 --- 径向光栅、切向光栅、环形光栅 莫尔条纹 --- 圆弧形、 环形、辐射形 角度的自然基准和圆周封闭原则 1.自然基准:360o圆周角 2.圆周封闭原则:整圆周上所有角间隔的误差之和为零 (圆周内误差封 闭的原理 )
栅距角 刻线区 刻线区 径向圆光栅 切向圆光栅
径向圆光栅 切向圆光栅 栅距角
栅距角 28 径向圆光栅
径向圆光栅 栅距角 γ
R 切向圆光栅
切向圆光栅
e 环形光栅
环形光栅
()径向光栅的圆弧形莫尔条纹 两块径向光栅-栅距角相同,以不大的偏心叠合 光栅不同区域,栅线交角不同 →不同曲率半径圆的弧形莫尔条纹 条纹宽度--随条纹位置变化 横向 偏心垂直位置上-横向莫尔条纹 -条纹近似垂直于栅线 (实际应用) 转动时,径向移动 于纵向 偏心方向上-纵向莫尔条纹 条纹近似平行于栅线 斜向 其他位置斜向莫尔条纹 特例-光闸莫尔条纹(同心、栅距角相同) 主光栅转过一个栅距角→透光量变化一个周期
⑴ 径向光栅的圆弧形莫尔条纹 两块径向光栅 --- 栅距角相同,以不大的偏心叠合 光栅不同区域,栅线交角不同 条纹宽度 --- 随条纹位置变化 偏心垂直位置上 --- 条纹近似垂直于栅线 偏心方向上 --- 条纹近似平行于栅线 --- 纵向莫尔条纹 其他位置 --- 斜向莫尔条纹 (实际应用) 特例 --- 光闸莫尔条纹(同心、栅距角相同) 主光栅转过一个栅距角→ 透光量变化一个周期 →不同曲率半径圆的弧形莫尔条纹 --- 横向莫尔条纹 转动时,径向移动
(2)· 切向光栅的环形莫尔条纹 两块切向光栅--栅距角相同/切线圆半 径不同/同心叠合 环形莫尔条纹 -以光栅中心为圆心的同心圆簇 条纹宽度--随条纹位置变化 优点:全光栅平均效应 应用:高精度角度测量和分度 (3)环形光栅的辐射形莫尔条纹 两块环形光栅(相同)-栅线相对/ 不大的偏心量 辐射形莫尔条纹 -条纹近似直线/呈辐射状 特点:条纹数目/位置--偏心量大小/ 圆心连线方向 偏心量(一个栅距)--莫尔条纹数目 增加一条(一个象限内) 光栅旋转-条纹数目/位置(不变) 应用:主轴偏移、晃动
⑵ 切向光栅的环形莫尔条纹 两块切向光栅 ---栅距角相同/切线圆半 径不同/同心叠合 环形莫尔条纹 --- 以光栅中心为圆心的同心圆簇 条纹宽度 --- 随条纹位置变化 应用:高精度角度测量和分度 优点:--- 全光栅平均效应 ⑶ 环形光栅的辐射形莫尔条纹 两块环形光栅(相同)--- 栅线相对/ 不大的偏心量 辐射形莫尔条纹 --- 条纹近似直线 /呈辐射状 特点:条纹数目 /位置 --- 偏心量大小/ 圆心连线方向 光栅旋转 --- 条纹数目 /位置(不变) 偏心量(一个栅距)--- 莫尔条纹数目 增加一条(一个象限内) 应用:主轴偏移、晃动
二、光电式编码器 1光电式绝对编码器-数字式传感器(直接) 光学码盘式传感器--用光电方法将被测角位移转化成数字电信号 特点:高精度、高分辨力、可靠性好 图6-1光学码盘式传感器工作原理 1--光源;2--柱面镜;3--码盘;4-狭缝;5-光电元件 ①原理:平行光源→码盘→光电元件→电信号输出
1 光电式绝对编码器 --- 数字式传感器(直接) 1 --- 光源;2 --- 柱面镜;3 --- 码盘;4 --- 狭缝;5 --- 光电元件 ① 原理:平行光源→码盘→ 光电元件→电信号输出 光学码盘式传感器 --- 用光电方法将被测角位移转化成数字电信号 二、 光电式编码器 特点:高精度、高分辨力、可靠性好
码盘:光学玻璃,透光和不透光的图形(同心码道)→照相腐蚀 要求:分度准确(工艺) 、 明暗交替边缘陡峭(工艺、材质) 光源:LED→光学系统→平行光→投影精确→径向排列光电元件 光电元件:硅光电池,光电晶体管光电元件输出: 亮区-1”;暗区-“0 码道数对应数码位数→每个码道对应一个光电元件(数码的一位)→分辨力 角度分辨力: 狭缝 a=360°2"n-码道数(位数) 光电元件 码道数目决定了分辨力 码盘 1”分辨力:20-21个码道(1M① 光源 对码盘的精度要求高 信号组合-编码数字量 转角大小 绝对测量-固定的数字码 图3-25 光电式绝对编码器 (不需要基准)
码盘:光学玻璃,透光和不透光的图形(同心码道)→ 照相腐蚀 要求:分度准确(工艺)、 明暗交替边缘陡峭(工艺、材质) 光源:LED → 光学系统 → 平行光 → 投影精确 →径向排列光电元件 光电元件:硅光电池,光电晶体管 码道数对应数码位数→每个码道对应一个光电元件(数码的一位)→分辨力 角度分辨力: α=360º/2 n n -码道数(位数) 光电元件输出: 亮区 --“1” ;暗区-- “0” 信号组合 --- 编码数字量 --- 转角大小 绝对测量 --- 固定的数字码 (不需要基准) 1”分辨力:20-21个码道(1M) 码道数目决定了分辨力 对码盘的精度要求高
② 编码码制: 二进制码 有权码 格雷码(循环码)对称性,无权码 R 图6-26位二进制码盘 图6-46位循环码码盘 相邻两数只有一位不同→ 直观,易与后续电路和计算机处理。 多位码同时动作→同步误差→错码 每次只有一位变化(不会产生错码) →转换为二进制码
② 编码码制: 直观,易与后续电路和计算机处理。 多位码同时动作→同步误差→错码 二进制码 有权码 格雷码(循环码)对称性,无权码 相邻两数只有一位不同→ 每次只有一位变化(不会产生错码) →转换 为二进制码