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《传感器技术与应用》教学课件6-6 光栅传感器用于数控机床的位移检测

光栅传感器用于数控机床的位移检测
光栅传感器测量位移的原理
传感器技术与应用
将长度与测量范围一致的主光栅固定在运动零件上，随零件一起运动，短的指示光栅与光电元件固定不动。如下图所示。当两块光栅相对移动时，可以观测到莫尔条纹的光强的变化。设初始位置为接收亮带信号，随着光栅的移动，光强的变化由亮进入半亮半暗，全暗，半暗半亮，全亮，光栅移动了一个栅距，莫尔条纹也经历了一个周期，移动了一个条纹间距。光强的变化需要通过光电转换电路转换为输出电压的变化，输出电压的变化曲线近似为正弦
术 3．标尺光栅固定在机床的工作台上，随机床的走刀而动，它的有效与长度即为测量范围。如长度超过1.5米，需在标尺中部设置支撑。
应 4．读数头固定在机床上，安装在标尺光栅的下方，与标尺光栅的间用隙控制在1～1.5毫米以内，并尽可能避开切屑和油液的溅落。
5．在机床导轨上要安装限位装置，以防机床工作时标尺撞到读数头。
光栅传感器用于数控机床的位移检测
检查与评价
传感 1．在使用环境有油污、铁屑等情况时，建议采用防护罩，防护罩应器将主尺全部防护。技 2．应关闭电源后，插拔光栅传感器的电源。术与 3．经常检查安装螺钉是否松动。应 4．及时清理溅落在光栅传感器表面上的切屑和油液，尽可能外加保用护罩，定期清洗光栅表面。
由于细分后计数脉冲频率提高了，因此细分又称为倍频。
常用的细分方法是直接细分，细分数为4，故又称四倍频细分。
光栅传感器用于数控机床的位移检测
传
感器
决策与计划
技
数控机床的线位移检测，根据光栅传
术感器的相关知识，可选用直线光栅位移传
与感器。
应
用
光栅传感器用于数控机床的位移检测

位移检测传感器之光栅传感器PPT课件

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•课堂练习
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4、在下述位移传感器中，适宜于测量大位移的传感器是（单一）
A、电阻式传感器 B、电感式传感器 C、压电式传感器 D、光栅式传感器
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4、在下述位移传感器中，适宜于测量大位移的传感器是（单一）
D、光栅式传感器
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• 光栅条纹密度有25条/mm，50条/mm、100 条/mm或更密，栅线长度一般为6～12mm。
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光栅的构造：
3 2 1
4
1.标尺光栅 2.指示光栅 3.光电元件 4.光源
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2. 长光栅位移传感器根据不同的设计要求，光栅可以制成透射光栅
和反射光栅。透射光栅的栅线刻制在透明材料上，要求较高
1、若光栅式位移传感器的光栅栅距为0.04mm, 栅线的夹角为1.80，则相邻莫尔条纹的间距为（单一）
A、0.022mm B、0.07mm C、1.27mm D、3.99mm
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11、若光栅式位移传感器的光栅栅距为0.04mm, 栅线的夹角为1.80，则相邻莫尔条纹的间距为（单一）
C、1.27mm
BH
W
1.8
0.04 /180
*
1.27mm
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23、四倍细分式光栅式位移传感检测系统，当用4个光
电元件接收莫尔条纹的移动信号时，分辨力为
0.004/mm脉冲，则光栅的栅距为（
）（模拟一）
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23、四倍细分式光栅式位移传感检测系统，当用4个光

位移传感器PPT课件

2021
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电涡流强度与距离的关系
电涡流强度随着距离与线圈外径比值的增加而减少,
当线圈与导体之间的距离大于线圈半径时，电涡流强度已
经很微弱。为了能够产生相当强度的电涡流效应，通常
取距离与线圈外径的比值为0.05～0.15。
非被测金属物的影响
由于任何金属物体接近高频交流线圈时都会产生涡流，
为了保证测量精度，测量时应禁止其他金属物体接近传感
光电式编码器按照编码旋转的规律可以分为绝对式编码器和增量式编码器。
➢ 绝对式编码器：检测转角的绝对值
➢ 增量式编码器：不仅检测转角的大小，还可以检测到转角的方向。
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增量式编码器的结构
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数字式位置传感器的应用
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光栅位移传感器
光栅位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或者角位移的检测。
器线圈。
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电涡流涂层厚度仪
电涡流表面探伤
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数字位移传感器
数字式位置传感器主要测量轴的旋转角度位置、速度变化和直线位移等。现在主要介绍以下几种数字式位移传感器。
➢ 旋转编码器 ➢ 光栅位移传感器 ➢ 磁栅位移传感器 ➢ 容栅位移传感器
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旋转编码器
旋转编码器也称为脉冲编码器，是一种位置检测元件，用以测量轴的旋转角度位置和速度变化，其输出为电脉冲。
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电涡流作用原理图
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涡流可以用来测量各种形式的位移量。(a)为汽轮机主轴的轴向位移测量示意图；(b)为磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图，(c)为金属试件的热膨胀系数测量示意图。

《位移传感器》课件2

响应速度快
磁致伸缩位移传感器具有较快的响应速度，能够实时监测物体的位移变化。
磁致伸缩位移传感器的优缺点
• 可靠性高：磁致伸缩位移传感器具有较高的可靠性，能够在恶劣环境下稳定工作。
磁致伸缩位移传感器的优缺点
STEP 03
对振动敏感
STEP 02
磁致伸缩位移传感器容易受到振动的影响，需要采取相应的减震措施。
根据测量精度要求选择高精度或一般精度的位移传感器，以满足实际测量误差的要求。
环境因素考虑
考虑工作环境对位移传感器的影响，如温度、湿度、振动等，选择适合恶劣环境的传感器型号。
位移传感器的安装与调试
安装位置确定
根据测量需求确定传感器的安装位置，确保传感器能够准确测量目标物体的位移变化。
注意事项
位移传感器广泛应用于各种领域，如机械、电子、航空航天、汽车、医疗等，是实现自动化控制和检测的关键元件之一。
位移传感器的分类
电容式位移传感器
利用电容器原理，通过测量电容量的变化来检测位移量。具有精度高、响应速度快、稳定性好等优点，但易受环境温度和湿度的影响。
光学位移传感器
利用光学原理，通过测量光束的偏移或光强的变化来检测位移量。具有精度高、抗干扰能力强、可靠性高等优点，但成本较高且对环境要求较高。
详细描述
超声波位移传感器利用超声波的传播特性，通过测量超声波在空气中传播的时间或相位差来推算出被测物体的位移量。具体来说，传感器发出超声波，当遇到被测物体后反射回来，通过测量超声波的传播时间和相位差，可以计算出被测物体的位移量。
Part
03
位移传感器的优缺点
电容式位移传感器的优缺点
高精度测量
位移传感器的应用领域

光栅式传感器ppt课件

在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确
一、光栅的类型和结构
光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种脉冲输出数字式传感器，它广泛应用于数控机床等闭环系统的线位移和角位移的自动检测以及精密测量方面，测量精度可达几微米。只要能够转换成位移的物理量，如速度、加速度、振动、变形等，均可测量。
安装有直线光栅的数控机床加工实况
角编码器安装在夹具的端部
切削刀具被加工工件
光栅扫描头
防护罩内为直线光栅
在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确
五、细分技术
当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进行位移测量时，最小分辨力为1个栅距。为了提高测量的精度，提高分辨力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分.
直接细分
❖又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可用
4个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现了四细分。如图5-54所示。
❖ 优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统。
❖ 缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确
在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确
由于光栅的遮光作用，透过光栅
的光强随莫尔条纹的移动而变化，
变化规律接近于一直流信号和一交
流信号的叠加。固定在指示光栅一

光栅位移传感器

光栅位移传感器产品名称: 光栅位移传感器、光栅电子尺、光学尺产品型号: SMW-GSC-S产品展商: 深圳市斯铭威科技有限公司产品价格:1000〜3000元(具体以产商报价为准)光栅尺参数：栅距：0.01mm(100线对/mm) 0.02mm(50线对/mm)、0.04mm(25线对/mm)精度：土0.008mm ± 0.01mm ± 0.015mm (20 C 1000mm)响应速度：60m/min(0.005mm) 25m/min(0.001mm)测量范围：10mm〜30000mm以内任意选择分辨率为：0.5u-1u-5u-10u-25u输出讯号：TTL方波、HTL方波、RS422信号、正弦电压信号1Vp供应电压：5V、12V、15V、24V参考标记：间隔25mm 50mm 100mm 200mm或全行程任意位置设一个绝对位置参考点(ABS)工作温度：0-55C 存储温度：-40C -55C产品特点：1 、最先进的光学测量系统，采用可靠耐用的高精度五轴承系统设计，保证光学机械系统的稳定性，优异的重复定位性和高等级测量精度。

2、传感器采用密封式结构，性能可靠，安装方便。

3、采用特殊的耐油、耐蚀、高弹性及抗老化塑胶防水，防尘优异，使用寿命长。

4、具体高水平的抗干扰能力，稳定可靠。

5、光源采用进口红外发光二极管，体积小寿命长。

6、信号线采用多层隔离线网及金属软管保护，防水及抗干扰性能优良。

7、采用先进的光栅制作技术，能制作各规格的高精度光栅玻璃尺。

工作原理：光栅尺位移传感器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活动部件上，光栅读数头装在机床固定部件上，指示光栅装在光栅读数头中。

右图所示的就是光栅尺位移传感器的结构。

光栅检测装置结构：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）。

《光纤光栅传感器》课件

远程监测
由于光纤的特性，光纤光栅传感器可以实现远程监测，适用于各种复杂环境。
应用领域
1 结构监测
光纤光栅传感器在桥梁、建筑等结构监测中有广泛应用。
2 油气检测
光纤光栅传感器可以用于油气管道中的泄漏检测和流量监测。
3 环境监测
光纤光栅传感器在环境监测领域中用于气体浓度、温度等参数的监测。
制备方法
工作原理
光纤光栅传感器的工作原理基于光纤中的光栅结构。当被测量物理量发生变化时，光纤中的光栅会发生形变，从而导致光信号的改变。通过分析光信号的变化，可以确定被测量物理量的数值。
优点
高灵敏度
光纤光栅传感器具有高灵敏度，可以检测微小的物理量变化。
抗干扰性强
光纤光栅传感器对外界干扰的影响较小，具有良好的抗干扰性能。
1
光纤制备
选择适合的光纤材料，并通过预拉伸等工艺制备光纤。
2
光栅制备
使用光刻、激光干涉等方法制备光栅结构。
3
光纤光栅组装
将光纤与光栅结构组装在一起，形成光纤光栅传感器。
实验室案例分享
实验室搭建
我们在实验室中搭建了一个光纤光栅传感器测试平台。
传感器测试，我们验证了其性能和准确性。
《光纤光栅传感器》PPT 课件
欢迎大家来到《光纤光栅传感器》PPT课件。在本课程中，我们将介绍光纤光栅传感器的定义、工作原理、优点、应用领域、制备方法，还会分享一些实验室案例。让我们一起探索这一领域的知识和技术。
什么是光纤光栅传感器
光纤光栅传感器是一种利用光纤光栅结构对物理量进行测量的传感器。通过监测光纤中的光信号变化，可以获得被测量物理量的信息。
我们还展示了一些光纤光栅传感器在实际应用中的示例。

项目二光栅传感器2

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项目二光栅传感器2
2、分类
• 按应用类型：长光栅和圆光栅
➢ 长光栅：刻划在玻璃尺上的光栅，也称为光栅尺，刻线相互平行；用于测量长度或线位移
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项目二光栅传感器2
•构成：主光栅 --- 标尺光栅，定光栅；指示光栅 --- 动光栅 •长度 --- 测量范围；刻线密度 --- 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm )
• AB为主信号,CD为门控信号。
– 当主光栅作正向运动时,CD产生的信号只允许AB产生的正脉冲通过,门电路在可逆计数器中作加法运算；
– 当主光栅作反方向移动时,则CD产生的负值信号只让AB产生的负脉冲通过,门电路在可逆计数器中作减法运算。
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项目二光栅传感器2
辨向电路
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•光闸莫尔条纹：当栅线的夹角θ＝0, 且两光栅栅距相等时产生的莫尔条纹。
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项目二光栅传感器2
•横向莫尔条纹 •光闸莫尔条纹
纵向莫尔条纹
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项目二光栅传感器2
2) 莫尔条纹的特征 ①、位移放大作用 •相邻两条莫尔条纹间距B与栅距w及两光栅夹角 θ的关系为：
•B
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项目二光栅传感器2
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2021/1/7
项目二光栅传感器2
2、分类
• 按原理和用途：物理光栅和计量光栅
– 物理光栅：刻线细密,利用光的衍射现象,主要用于光谱分析和光波长等量的测量。
– 计量光栅：主要利用莫尔现象实现长度、角度、速度、加速度、振动等几何量的测量。
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项目二光栅传感器2
•特点：光电元件采用四极硅光电池构成四细分直读式分光系统，输出的四路电信号相位依次相差π/2，相当于对莫尔条纹信号进行四细分。

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在量具、数控机床的闭环反馈控制、工作母机的坐标测量等方面。
? 请问莫尔莫尔条纹测位移具有哪三个特点？
W2
W2 W
BH ?
?
sin
?
?
2
B
C A
BH BH
θ越小，BH越大，这相当于把栅距 W 放大大了 1/θ 倍。例如 θ=0.1° ，则 1/θ≈573 ，即莫尔条纹宽度 BH是栅距 W 的573倍，这相当于把栅距放大了 573倍，说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。
用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的距离，也就测得了被测物体的位移量。
主光栅
U
其电压为：
U0
m
U
U ? U 0 ? U m sin 2 ? x
W
o
x
W/2
W
3W/2 2W
光栅位移传感器的结构原理图
莫尔条纹
由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件称为光栅，如图7-7所示。
这样，可把肉眼看不见的光栅位移变成为清晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的移动来检测光栅的位移。从而实现高灵敏的位移测量。
(3) 误差的平均效应：莫尔条纹具有平均光栅误差的作用
光栅位移传感器的应用 ? 光栅位移传感器： ? 测量精度高（分辨率为 0.1μm）， ? 动态测量范围广（0～1000mm）， ? 可进行无接触测量， ? 容易实现系统的自动化和数字化。 ? 在机械工业中得到了广泛的应用，特别是
莫尔条纹（ Moire）
主光栅指示光栅
均匀刻线
夹角移动明暗相间条纹
莫尔条纹
条纹宽度： B ?
W
W ?
2 sin( ? / 2 ) ?
1 k?
?
W-栅距， a-线宽， b-缝宽 W=a+b，a=b=W/2
特例：当 ? =0, w1=w2 → B=? → 光闸莫尔条纹当 ? =0, w1≠w2 → 纵向莫尔条纹
(2) 位移的放大作用：当主光栅沿与刻线垂直方向移动
一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距B。当两
个等距光栅的栅间夹角 θ较小时，主光栅移动一个栅
距W，莫尔条纹移动 KW距离，K为莫尔条纹的放大
系数：
K
?

B /W
?
1
?
条纹间距与栅距的关系为：
B ? W?
当θ角较小时，例如θ=30′，则K=115，表明莫尔条纹的放大倍数相当大。
用玻璃制成的光栅称为透射光栅，它是在透明玻璃上刻出大量等宽等间距的平行刻痕，每条刻痕处是不透光的，而两刻痕之间是透光的。光栅的刻痕密度一般为每厘米10、25、 50、100线。刻痕之间的距离为栅距W。
图7-7 光栅结构放大图
? 如果把两块栅距W相等的光栅面平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹。如图7-8所示。
光栅位移传感器
光栅尺位移传感器
GWC系列光栅位移传感器
长光栅 --- 直线位移；圆光栅 --- 角位移
长度 --- 测量范围；刻线密度 --- 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm )
光栅位移传感器的结构及工作原理
如图7-9所示，由主光栅、指示光栅、光源和光电器件等组成。
主光栅固定在被测物体上，它随被测物体的直线位移而产生移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移。
莫尔条纹动画
单播击放准播中备放…演动…示画
圆弧莫尔条纹
光闸莫尔条纹
播放中播…放…动画
环形莫尔条纹
播放播中放…动…画单击准备演示
辐射形莫尔条纹
单击播准放备动演画示
长光栅莫尔条纹
播放动画
长光栅光闸莫尔条纹
播放动画
结论：莫尔条纹测位移具有三个特点
(1) 莫尔条纹的移动方向：当指示光栅不动，主光栅左右平移时，莫尔条纹将沿着指示栅线的方向上下移动。查看莫尔条纹的上下移动方向，即可确定主光栅左右移动方向。
? 莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成，如图
7-8中d－d线区所示。
? 图7-8中f－f线区则是由于光栅的遮光效应形成的。
图7-8 莫尔条纹
长光栅莫尔条纹
主光栅
指示光栅
位移的放大作用
当光栅每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹
宽度BH。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角θ之间的关系为