第七章 运动参量的测量

1、第七章第七章 运动参量的测量运动参量的测量 本章所述运动参量的测量是指描述物体运动状态的三个本章所述运动参量的测量是指描述物体运动状态的三个基本参量，即位移、速度、加速度的测量。在研究机器基本参量，即位移、速度、加速度的测量。在研究机器零部件的运动规律、力能关系从工艺参数等情况时，都零部件的运动规律、力能关系从工艺参数等情况时，都要涉及到运动参量的测量。此外，其它物理如力参量、要涉及到运动参量的测量。此外，其它物理如力参量、物位、温度、流量等的测量，也是不同程度地以运动参物位、温度、流量等的测量，也是不同程度地以运动参量的测量为基础的。因而运动参量的测量广泛应用于工量的测量为基础的。因而运动参

2、量的测量广泛应用于工艺参数的自动检测、控制和生产设备的自动化方面。艺参数的自动检测、控制和生产设备的自动化方面。 第一节第一节 位移的测量位移的测量 位移测量是线位移和角位移测量的统称，测量时应根据具位移测量是线位移和角位移测量的统称，测量时应根据具体的测量对象，选择或设计测量系统。体的测量对象，选择或设计测量系统。 一、滑线电阻式位移传感器一、滑线电阻式位移传感器 测量原理同电位计式传感器工作原理。测量原理同电位计式传感器工作原理。二、应变片式位移传感器二、应变片式位移传感器测量原理同电阻应变片传感器工作原理。测量原理同电阻应变片传感器工作原理。hxl332等截面梁适用于：250m的场合微小

3、位移三、差动变压器式位移传感器三、差动变压器式位移传感器 测量原理同差动变压器式传感器工作原理。测量原理同差动变压器式传感器工作原理。四、光电脉冲式位移传感器（光电编码器）四、光电脉冲式位移传感器（光电编码器）一、光电编码器的工作原理一、光电编码器的工作原理 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。光电编码器是由移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由光栅盘和光栅盘和光电检测装置光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的原板上等分地开通组成。光栅盘是在一定直径的原板上等分地开通若干个长方形孔。由于

4、光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，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，并输出若干脉冲信号，其原理示意图如下：测装置检测，并输出若干脉冲信号，其原理示意图如下：光源光源透镜透镜码盘码盘转轴转轴透镜透镜光敏元件光敏元件放大整形放大整形脉冲输出脉冲输出 通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个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。此外为判断数就能反映当前电动机的转速。此外为判断旋转方向，码盘可以提供相位相差旋转方向，码盘可以提供相位相差900

5、的两路的两路脉冲信号。脉冲信号。 编码器包括码盘和码尺编码器包括码盘和码尺。码盘用于测量。码盘用于测量角度。码尺用于测量长度，测量长度的实际角度。码尺用于测量长度，测量长度的实际应用比较少。所以在这里只讨论码盘。应用比较少。所以在这里只讨论码盘。光源光源透镜透镜码盘码盘转轴转轴透镜透镜光敏元件光敏元件放大整形放大整形脉冲输出脉冲输出信号航空插头信号航空插头 拉线式拉线式角编角编码器利用线轮，码器利用线轮，能将直线运动转能将直线运动转换成旋转运动。换成旋转运动。光电编码器包括增量编码器和绝对码编码器两大类。光电编码器包括增量编码器和绝对码编码器两大类。二、增量编码器二、增量编码器 增量式编码器是

6、直接利用光电转换原理输增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲出三组方波脉冲 A、B 和和C 相；相；A、B 两组脉冲两组脉冲相位差相位差 900，从而可方便地判断出旋转方向，从而可方便地判断出旋转方向，而而 C 相为每转一个脉冲，用于基准点定位。相为每转一个脉冲，用于基准点定位。 转轴转轴盘码及盘码及狭缝狭缝光敏元件光敏元件光栏板及辨向用的光栏板及辨向用的A、B狭缝狭缝LEDABC零位标志零位标志ABC增量式码盘增量式码盘10码码道道光电绝对式码盘光电绝对式码盘它的优点是原理构造简它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗在几万小时以上，抗干扰能力强

7、，可靠性干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传高，适合于长距离传输。其缺点是无法输输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位出轴转动的绝对位置信息。置信息。透光区透光区不透光区不透光区零位标志零位标志 增量式光电编码器的测量精度取决于增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数的狭缝条纹数n 有关，即最小能分辨的角度有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：及分辨率为： n0360n1分辨率l有多少条码道，就有多长的二进制数，工业上常用的是21码道。l从里向外读数l亮：定义为高电平1l暗：定义为低电平0l零位（全黑）：00000011

8、0000缺点：码道多，要求制造精度高，否则，会产生很大的误差。三、三、 绝对式编码器绝对式编码器显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N 位位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有二进制分辨率的编码器，其码盘必须有 N 条码道。目条码道。目前国内已有前国内已有 16 位的绝对编码器产品。绝对式编码器位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编

9、码器可在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是：它的特点是：1.2.1 可以直接读出角度坐标的绝对值；可以直接读出角度坐标的绝对值；1.2.2 没有累积误差；没有累积误差；1.2.3 电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有也就是说精度取决于位数，目前有 10 位、位、14

10、 位等多位等多种。种。4 4个电刷个电刷 4 4位二进制位二进制码盘码盘 +5V +5V输入输入 公共码道公共码道 最小分辨角度为最小分辨角度为 =360/2n 绝对式光电编码器的测量精度取绝对式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道数盘上的码道数n 有关，即最小能分辨的有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：角度及分辨率为： =360/2n分辨率分辨率=1/2n光电编码器是一种角度（角速度）检测光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理电转换原理 转换成相应的电脉冲

11、或数字转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠量，具有体积小，精度高，工作可靠,接接口数字化等优点。它广泛应用于数控机口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。设备中。 利用利用编码器测编码器测量量伺服电机的转速、伺服电机的转速、转角，并通过伺服转角，并通过伺服控制系统控制其各控制系统控制其各种运行参数。种运行参数。转速测量转速测量转子磁极位置测量转子磁极位置测量角位移测量角位移测量11绝对式编码器绝对式编码器 2电动机电动机 3转轴转轴

12、4转盘转盘 5工件工件 6刀具刀具 u光栅的类型和结构光栅的类型和结构 光栅传感器由光源、光栅副、光敏元件三大部分组光栅传感器由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。光栅副成。光栅副是光栅传感器的主要部分。在长度计量是光栅传感器的主要部分。在长度计量中应用的光栅中应用的光栅通常称为计量光栅通常称为计量光栅，它主要由它主要由主光栅（也称标尺光栅）和主光栅（也称标尺光栅）和指示光栅指示光栅组成。组成。计量光栅可分为透射计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类。式光栅和反射式光栅两大类。当标尺当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成的光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化，利用光莫尔条

13、纹产生亮暗交替变化，利用光电接受元件，将莫尔条纹亮暗变化的电接受元件，将莫尔条纹亮暗变化的光信号光信号，转换成电脉冲信号，并与数，转换成电脉冲信号，并与数字显示，从而测量出标尺光栅的移动字显示，从而测量出标尺光栅的移动距离。距离。 透射光栅透射光栅是在一块长方形的光学玻璃上均是在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条。匀地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条。 图图610中中a为刻线宽度，为刻线宽度，b为刻线间的缝隙为刻线间的缝隙宽度，宽度，a+b=w称为光栅的栅距（或光栅常数）称为光栅的栅距（或光栅常数） 指示光栅一般比主光栅短得多，通常刻有指示光栅一般比主光栅短得

14、多，通常刻有与主光栅同样密度的线纹。与主光栅同样密度的线纹。光源一般用钨丝灯泡。光电元件包括光电池和光源一般用钨丝灯泡。光电元件包括光电池和光敏三极管等部分。光敏三极管等部分。abW刻线密度刻线密度：（ 1010，2525，5050，100100线）线）/mm/mm10001000线线/mm /mm a：刻线宽度：刻线宽度b:刻线间的缝隙宽度刻线间的缝隙宽度W：栅距，光栅常数：栅距，光栅常数 透射光栅透射光栅是在一块长方形的光学玻璃上均匀是在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条。地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条。 图图610中中a为刻线宽度，为刻线宽度，b为刻

15、线间的缝隙宽为刻线间的缝隙宽度，度，a+b=w称为光栅的栅距（或光栅常数）称为光栅的栅距（或光栅常数） 指示光栅一般比主光栅短得多，通常刻有与指示光栅一般比主光栅短得多，通常刻有与主光栅同样密度的主光栅同样密度的线纹。线纹。光源一般用钨丝灯泡。光源一般用钨丝灯泡。光电元件包括光电池光电元件包括光电池和光敏三极管等部分和光敏三极管等部分。尺身尺身尺身安装孔尺身安装孔 反射式扫描头反射式扫描头 （与移动部件固定）（与移动部件固定）扫描头安装孔扫描头安装孔可移动电缆可移动电缆防尘保护罩的内部为长磁栅防尘保护罩的内部为长磁栅扫描头扫描头（与移动部件固定）（与移动部件固定）光栅尺光栅尺可移动电缆可移动电

16、缆固定固定u莫尔条纹形成的原理及特点莫尔条纹形成的原理及特点l两光栅平行两光栅平行-竖条纹竖条纹标尺光栅移动一个标尺光栅移动一个W，光电管接受光线亮暗一次，光电管接受光线亮暗一次 缺点：无法辨向缺点：无法辨向l两光栅成微小角度两光栅成微小角度-横条纹横条纹 （莫尔条纹）（莫尔条纹）形成黑白相间的条纹形成黑白相间的条纹光栅左右移动，条纹上下移动光栅左右移动，条纹上下移动-可辨向可辨向每移动一个栅距每移动一个栅距W，条纹移动一个间距，条纹移动一个间距BHl莫尔条纹的莫尔条纹的重要特性重要特性运动对应关系运动对应关系l莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角固定后，两光栅固定后，

17、两光栅相对左右移动一个栅距相对左右移动一个栅距W时，莫尔条纹上下或下上移时，莫尔条纹上下或下上移动一个节距动一个节距B，因此，可以通过检测莫尔条纹的移动，因此，可以通过检测莫尔条纹的移动条数和方向来判断两光栅相对位移的大小和方向。条数和方向来判断两光栅相对位移的大小和方向。位移放大关系位移放大关系误差平均效应误差平均效应l莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻线误差有平均作用。线误差有平均作用。光强近似于正弦变化光强近似于正弦变化 在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一

18、起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角角。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。 光栅的刻线宽度光栅的刻线宽度W莫尔条纹的莫尔条纹的宽度宽度L L LW/ ，（为主为主光栅和光栅和指示光栅刻线的指示光栅刻线的夹角，弧度）夹角，弧度） 有一直线光栅，每毫米刻线数为有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与，主光栅与指示光栅的夹角指示光栅的夹角 =1.8 ，则：，则： 分辨力

19、分辨力 =栅距栅距W =1mm/50=0.02mm=20 m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） 莫尔条纹的莫尔条纹的宽度是栅距的宽度是栅距的32倍：倍： L W/ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察观察”莫尔条纹莫尔条纹光强的变化。光强的变化。 细分技术能在不细分技术能在不增加光栅刻线数及价增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅格的情况下提高光栅的分辨力。细分前，的分辨力。细分前，光栅的分辨力只有一光栅的分

20、辨力只有一个栅距的大小。采用个栅距的大小。采用4 4细分技术后，计数细分技术后，计数脉冲的频率提高了脉冲的频率提高了4 4倍，相当于原光栅的倍，相当于原光栅的分辨力提高了分辨力提高了3 3倍，倍，测 量 步 距 是 原 来 的测 量 步 距 是 原 来 的1/41/4，较大地提高了，较大地提高了测量精度。测量精度。细分前细分前细分后细分后 有一直线光栅，每毫米刻线数为有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细，细分数为分数为4细分细分，则：，则： 分辨力分辨力 =（1mm/50）/4=0.005mm=5 m 采用细分技术，采用细分技术，在不增加光栅在不增加光栅刻线数刻线数（成本）的情况下，将分辨力提

21、高了（成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。倍。 内部包含以下电路：放大、整形、内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。细分、辨向、报警、阻抗变换等。数显表数显表X位移位移显示显示Z（Y）位移）位移显示显示三座标三座标数显表数显表 公制公制/英制转换英制转换绝对绝对/相对转换相对转换线性误差补偿线性误差补偿正反方向计算正反方向计算归零归零插值补偿插值补偿到达目标值停机到达目标值停机PCD圆周分孔圆周分孔200组零位记忆组零位记忆电蚀深度目标值显示电蚀深度目标值显示实时工作位置显示实时工作位置显示掉电记忆掉电记忆 防护罩内为直线光栅防护罩内为直线光栅光栅扫描头光栅扫描头被加工工

22、件被加工工件切削刀具切削刀具角编码器角编码器安装在夹安装在夹具的端部具的端部第二节第二节 速度的测量速度的测量一、用测速发电机测量速度一、用测速发电机测量速度 测速发电机是一种微型电机，有直流和交流两类。直流测测速发电机是一种微型电机，有直流和交流两类。直流测速电机的励磁有永磁和电磁速电机的励磁有永磁和电磁(它激它激)两种。图两种。图718是它激测是它激测速电机的测试电路。当它的电枢随被测轴转动时，电枢电速电机的测试电路。当它的电枢随被测轴转动时，电枢电路有电压输出，其值与被测轴转速在一定范围内成正比，路有电压输出，其值与被测轴转速在一定范围内成正比，因而可根据其输出电压的大小来测定转速。因而

23、可根据其输出电压的大小来测定转速。二、用定距测时法测量速度二、用定距测时法测量速度 定距测时法是通过测量被测件经过一已知距离定距测时法是通过测量被测件经过一已知距离S所需所需的时间的时间t，然后计算出其速度。该方法的关键是如何给定已，然后计算出其速度。该方法的关键是如何给定已知距离和测出被测件经过此给定距离所需的时间。知距离和测出被测件经过此给定距离所需的时间。 最简单的是用示波器同时记录位移、时间脉冲信号的最简单的是用示波器同时记录位移、时间脉冲信号的方法，见图方法，见图71，其中图，其中图a是它的测试系统框图，图是它的测试系统框图，图b为光为光线示波器在记录纸上的记录结果。曲线线示波器在记

24、录纸上的记录结果。曲线1是位移脉冲信号，是位移脉冲信号，每个脉冲等价于线位移每个脉冲等价于线位移S或角位移或角位移，相当于给定距离。，相当于给定距离。曲线曲线2是时间脉冲信号是时间脉冲信号(即时标即时标)。若与位移。若与位移S或或，相对，相对应的时标脉冲数为应的时标脉冲数为n，时标周期为，时标周期为t0，则其时间为，则其时间为n t0而其而其速度速度(平均速度平均速度)可由下式算出可由下式算出 图图720是用计数器记录时间的方法，图是用计数器记录时间的方法，图a是其测试框图，是其测试框图，图图b是控制门输入、输出端的脉冲信号波形。其工作原理是：是控制门输入、输出端的脉冲信号波形。其工作原理是：

25、定距位移定距位移S或或经光电转换和放大整形后变成方脉冲，经光电转换和放大整形后变成方脉冲，此方脉冲的上升沿与下降沿分别作为控制门的开门与关门此方脉冲的上升沿与下降沿分别作为控制门的开门与关门的控制信号，则计数器所计的时标脉冲数的控制信号，则计数器所计的时标脉冲数n就与定距位移就与定距位移S此所经历的时间此所经历的时间t成正比，即成正比，即tnt0。其中。其中t0为时标的周为时标的周期。那么在定距期。那么在定距S或或内的平均速度可按上式求得。内的平均速度可按上式求得。 图图721是用定距测时法测量锤头打击速度的例子。是用定距测时法测量锤头打击速度的例子。 三、用磁电式速度传感器测量速度三、用磁电

26、式速度传感器测量速度 磁电式线速度传感器主要用于振动测试中振动速度的磁电式线速度传感器主要用于振动测试中振动速度的测量，有相对式和绝对式两种。相对式传感器既可用于两测量，有相对式和绝对式两种。相对式传感器既可用于两振动物体间的相对振动速度测量，也可用于绝对振动速度振动物体间的相对振动速度测量，也可用于绝对振动速度的测量，但需要的测量，但需要个静止的基座作为参考基准。绝对式也个静止的基座作为参考基准。绝对式也称惯性式速度传感器，由于个需要参考基准，使用时可直称惯性式速度传感器，由于个需要参考基准，使用时可直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量、机械接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量、机械振动的测试及振动监测与研究等方面获得了广泛的应用。振动的测试及振动监测与研究等方面获得了广泛的应用。图图722为这种绝对式速度传感器的结构简图。为这种绝对式速度传感器的结构简图。四、用微分法求速度四、用微分法求速度1、用图解微分法求速度、用图解微分法求速度2、用微分电路的方法、用微分电路的方法 第三节第三节 加速度的测量加速度的测量一、线加速度的测量一、线加速度的测量 线加速度用加速度传感器来进行测定。加速度传感器根据其线加速度用加速度传感器来进行测定。加速度传感器根据其转换器的形式分为应变片式、差动变压器式和压电式等。转换器的形式分为应变片式、差动变压器式和