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                • PLC光柵尺的應用解說
                  新聞類別:位移傳感器知識問答新聞來源:創建時間:2018-11-10 11:21:52

                一、 結構和工作原理

                    光柵尺由有標尺光柵(尺體)和讀數頭兩部分組成。尺體裝在移動部件上,讀數頭裝在固定部件上。也有人把讀數頭裝在移動部件上(針對尺體移動不方便的情況),測量效果是一樣的,不一樣的是信號線移動不方便。

                光柵尺安裝在銑床上

                尺體移動就是一對光柵中的主光柵(標尺光柵)和副光柵(指示光柵)進行相對位移,在光的干涉與衍射共同作用下產生黑白相間(或明暗相間)的規則條紋(莫爾條紋)。經過光電器件使黑白(或明暗)相同的條紋轉換成正弦波變化的電信號,再經過電路的放大和整形后,得到兩個相位差90度的正弦波或方波信號A和B。正弦波或方波的周期數與移動距離成正比。尺體正向移動時,A信號超前B信號90度,尺體反向移動時,A信號滯后B信號90度。有些光柵尺還輸出一個Z信號(回零信號)。


                二、 柵距和分辨率

                    等距的密集線紋,利用光的透射現象形成光柵,線紋的間距稱為柵距。以柵距20um(50線/mm)為例,假設不用其它措施,尺體每移動20um,讀數頭就輸出一個周期信號,輸出10個周期信號,表示移動了200um。柵距越小,測量精度越高,成本越高。在保持柵距不變的情況下,把輸出的周期信號進行4倍細分處理,那么每移動20um,就輸出4個周期信號,每個周期信號表示移動5um。廠商就稱呼這個光柵尺的分辨率是5um,但這個5um并不是指柵距是5um。如果尺體移動距離低于20um,不管是多少細分處理,結果是輸出0個周期信號。


                三、 供電方式和輸出信號

                    供電方式常見的有直流5V和24V兩種。為了方便與PLC配套使用,最好選擇24V供電的。

                    光柵尺的輸出信號多數是方波信號,常見的有兩種:一種是TTL電平信號,另一種是RS422差分信號。有些廠商還能訂做集電極開路輸出信號(NPN和PNP兩種)。對于PLC來說,不是所有信號都適用。PLC的主單元和高速計數模塊(如FX2N-1HC、FX3U-2HC、FX3U-4HSX-ADP和CC-Link計數模塊AJ65BT-D62等等)可以直接接收集電極開路輸出信號,集電極開路輸出說白了,就是電子開關。高電平表示開關導通,低電平表示開關截止。可以接通直流電路。與集電極開路輸出的旋轉編碼器的連接方法沒有區別。NPN型與PNP型的區別:開關導通時,NPN型的電流方向是從集電極流向發射極。PNP型的電流方向是從發射極流向集電極。

                    TTL電平信號輸出可以用于單片機或DSP,但不能直接用于PLC。需要加一個直流電子開關模塊(淘寶網有售),把TTL電平信號轉換成集電極開路輸出信號。對于低速移動部件,幾乎沒什么影響。但對于高速移動的部件,這會帶來信號的延遲,甚至周期信號的丟失。

                    RS422差分信號的特點是,輸出A、A反相、B、B反相等4個信號。有些還能輸出Z和Z反相信號。這種輸出方式,可以利用兩個反相信號來抵消外界的電磁干擾,特別適用于干擾惡劣的環境。PLC主單元和部分高速計數模塊(如FX2N-1HC、AJ65BT-D62)不能直接接收RS422信號,需要加一個差分信號轉集電極開路輸出模塊(淘寶網有售),把差分信號轉集電極開路輸出信號。這種轉換接收方式所帶來的問題,與TTL電平信號轉換接收是一樣的。有些高速計數模塊(FX3U-2HC、AJ65BT-D62D、AJ65BT-D62-S1等)能夠直接接收RS422差分信號。

                    PLC主單元有外部高速計數輸入端口和內置高速計數器,可用于處理光柵尺的信號。這是不是說高速計數模塊就沒用呢?答案是否定的。PLC主單元處理信號頻率不如高速計數模塊。FX2N系列接收單相信號最高60KHz,接收2相信號最高30KHz。如果使用專用比較指令,單相最高10KHz,2相信號最高5KHz。FX3U系列接收單相信號最高100KHz,接收2相信號最高50KHz。如果使用專用指令,最高不會超過60KHz。而很多高速計數模塊,可以處理單相信號最高200KHz,2相信號最高100KHz。這幾乎是主單元的兩倍。

                    我們可以計算一下,以FX3U主單元為例,假設接收2相信號(因為很多情況要根據相位差來判斷部件移動方向),不使用專用指令(編程難度加大),最高響應頻率是50KHz,表示每秒可以接收50000個脈沖信號,假設使用柵距為20um的光柵尺,移動一個柵距,輸出一個脈沖。那么50000×20um=1000mm。這就是說,部件移動速度最高不得超過1000mm/s。如果使用的光柵尺的分辨率是5um,每移動20um就輸出4個脈沖,部件移動速度最高不得超過250mm/s。如果要使用專用指令,移動速度還得進一步降低。上述分析計算是在理論狀態下進行的。實際中,還要考慮PLC主單元處理高頻信號的失真、丟失計數量、程序循環執行引起的響應延遲等情況。另外,在工業生產環境中,最好使用RS422差分信號,保證系統的抗干擾能力。而PLC主單元是不能直接接收RS422差分信號。



                位移傳感器技術支持

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