现代测试技术第10章 力、扭矩、压力的

第10章力、扭矩、压力的测量10.1力的测量

通过对机械零件和机械结构的力、扭矩和压力的测量，可以分析其受力状况和工作状态，验证设计计算，确定工作过程和某些物理现象的机理。对设备的安全运行、自动控制及设计理论的发展等都有重要指导作用。10.1.1应力(stress)的测量

应力是重要的机械量，应力状况可由某点主应力的大小和方向来表示。

测量应力可以分析研究零件、机构的受载情况、负荷水平和强度能力，验证设计计算结果的正确性。

应力测试任务是正确确定零件主应力的大小、方向及分布规律。

应力测试方法采用电阻应变测量法。主应力方向已知时的应力测量

为测量简单应力状态下的主应力方向已知的单向应力，可采用沿主应力方向粘贴电阻应变片的方法。测量前，要求电桥处于平衡状态，无输出。测量时，电桥应愈不平衡愈好，这样可获得最大的输出信号。组桥的同时，还需考虑电桥的温度补偿。10.1.1应力、应变的测量常用的力测量方法是用应变片和应变仪测量构件的表面应变，根据应变和应力、力之间的关系，确定构件的受力状态。应变仪采用交流电桥时，输出特性与直流电桥类似。应变片的布置和电桥组接（简称布片组桥）应根据被测量和被测对象受力分布来确定。还应利用适当的布片组桥方式消除温度变化和复合载荷作用的影响。测量拉伸(压缩)应变时要采用适当的布片组桥方式，以便达到温度补偿、消除弯矩影响和提高测量灵敏度的目的。当试件受到弯矩作用时，其上、下表面会分别产生拉应变或压应变。可通过应变测量求得弯矩，布片接桥时要注意利用电桥特性，在输出中保留弯应变的影响，消除轴向拉、压力产生的应变成分。10.1.2电阻应变式测力装置测量力时可以直接在被测对象上布片组桥，也可以在弹性元件上布片组桥，使力通过弹性元件传到应变片。常用的弹性元件有柱式、梁式、环式、轮辐等多种形式。

柱式弹性元件

通过柱式弹性元件表面的拉(压)变形测力。应变片的粘贴和电桥的连接应尽可能消除偏心和弯矩的影响，一般将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱表面中部。柱式力传感器可以测量0.1~3000吨的载荷，常用于大型轧钢设备的轧制力测量。由材料力学知

联立以上各式解得：

令称实心柱式力传感器的灵敏度。则

在设计柱式传感器时，圆柱的直径（主要参数）要根据所选用的材料的许用应力来计算：而因此由上式可知，要想提高应变力传感器的灵敏度K’=K/ES，必须减小截面积S，但S减小，抗弯能力也减弱，并对横向干扰力敏感。为了解决此矛盾，在对较小的集中力测量时，多采用空心圆筒或采用承弯膜片，空心圆筒在相同横截面下，好象刚度大，横向稳定性好

空心圆柱力传感器

由于

所以

弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性都有影响，由材料力学可知，高度对沿其横截面的变形有影响。当高度与直径之比H/D》1时，沿其中间断面上的应力状态和变形状态与其端面上作用的载荷性质和接触条件无关。试验研究结果建议：我国的BLR-1型电阻应变式拉力传感器、BHR型荷重传感器都采用这种结构，其量程在0.1~100t之间。--为应变片的基长

对空心圆柱则取弹性元件的粘贴应变片和桥路的连接，应尽可能消除偏心和弯矩的影响，如图所示。梁式力传感器

等截面梁式力传感器

对端点的弯矩M=F对端点的应力

抗弯截面系数

联立以上各式解得：

端点的应变为：

其中S=bh为梁的截面积。贴片处的应变为

电阻变化为

当结构确定后，令

常数则悬臂梁力传感器的应变电阻的相对变化与外力成正比。梁式弹性元件制作的力传感器，适用于测量500kg以下的载荷，最小可测几十克重的力，这种传感器具有结构简单、加工容易、应变片易粘贴、灵敏度高等优点。常数等强度梁应变式传感器这种弹性元件的特点是：其截面沿梁强度方向按一定规律变化，当集中力F作用在自由端时，距作用力任何距离的截面上的应力均相等。因此，沿之中梁的程度方向上的截面抗弯模量W的变化与弯矩的变化成正比，即在等强度两的设计中，往往采用矩形截面，保持截面厚度h不变，只改变梁的宽度b。设沿梁长度方向上某一截面到力的作用点的距离为x，则常数等强度梁的应变值为：

相应的电阻变化量为：

当结构确定后，应变片的电阻相对变化与外力F成正比。双端固定梁应变式力传感器梁的二端都固定，中间加载荷，应变片R1、R2、R3、R4粘贴在中间位置，梁的宽度为b．厚度为h，长度为l，梁的应变为这种梁的结构在相同力F的作用下产生的挠度比悬臂粱小，并在梁受到过载应力后，容易产生非线性。由于两固定端在工作过程中可能滑动而产生误差，所以一般都是将梁和壳体做成一体。环式弹性元件环式弹性元件

在圆环上施加径向力Fy时，圆环各处的应变不同，其中与作用力成39.6°处(图中B点)应变等于零。在水平中心线上则有最大的应变式中R为圆环外径，h为圆环壁厚，b为圆环宽度。将应变片贴在1、2、3和4处，1、3处受拉应力；2、4处受压应力。如果圆环一侧固定，另一侧受切向力Fx时，与受力点成0°处(图中A点)应变等于零。将应变片贴在与垂直中心线成39.6°的5、6、7、8处，则5、7处受拉应力，6、8处受压应力。这样，当圆环上同时作用着Fx和Fy时，将1～4处和5～8处的应变片分别组成电桥，就可以互不干扰地测力Fx和Fy。圆环方式不易加紧固定，实际上常用八角环代替，如图所示。八角环厚度为h，平均半径为r。当h/r较小时，零应变点在39.6°附近。当h/r=0.4时，零应变点在45°处，故一般八角环测力Fx时，应变片贴在45°处。切削测力仪的弹性元件是由整体钢材加工成八角状结构，如图(切削测力仪，切削测力仪的布片组桥)所示。车削时进给抗力Fx使八角环受到切向推力，切深抗刀Fy使八角环受到压缩，主切削力Fz使八角环上面受拉伸下面受压缩。对不同的受力情况，在八角环上适当地布置应变片就可在相互极小干扰的情况下分别测出各个切削分力。当测力仪受进给抗力Fx作用，则应变片R5、R7受拉应力，R6、R8受压应力。当圆环同时受Fy、Fx作用时，把应变片R1～R4，R5～R8组成如图所示的电桥，就可互不干扰地分别测得Fy和Fx。由于八角环易于固定夹紧，所以常用它代替圆环。当测力仪受主切削力Fz的作用时，其八角环既受到垂直向下的力，又受到由于Fz引起的弯矩Mz的作用。力Fz与各应变片轴向垂直不起作用，Mz使测力仪上部环受拉应力，下部环受压应力，因此将应变片组成如图所示电桥就可测出Fz。车削测力仪在结构和贴片方式上作些适当的改变，还可用于测试铣削、钻削、磨削、滚齿等加工过程中的切削力。10.1.3

其它测力传感器1.电容式力传感器其特点是结构简单，灵敏度高，动态响应快，但是由于电荷泄漏难于避免，不适宜静态力的测量。在矩形的特殊弹性元件上，加工若干个贯通的圆孔，每个圆孔内固定两个端面平行的丁字形电极，每个电极上贴有铜箔，构成由多个平行板电容器并联组成的测量电路。在力F作用下，弹性元件变形使极板间矩发生变化，从而改变电容量。2.压电式力传感器前面章节介绍过压电式传感器的原理和压电式振动加速度传感器，测力传感器的结构类似。其特点是体积小，动态响应快，但是也存在电荷泄漏，不适宜静态力的测量。使用中应防止承受横向力和施加予紧力。压磁式测力装置的原理其特点是硅钢材料受力面加大后，可以测量数千吨的力，且输出电势较大，甚至只需滤波整流，无需放大处理。常用于大型轧钢机的轧制力测量。使用中应防止因侧向力干扰而破坏硅钢的叠片结构

某些铁磁材料受到外力作用时，引起导磁率变化现象，称作压磁效应。其逆效应称作磁致伸缩效应。硅钢受压缩时，其导磁率沿应力方向下降，而沿应力的垂向增加；在受拉伸时，导磁率变化正好相反。如果在硅钢叠片上开有4个对称的通孔，孔中分别绕有互相垂直的两个线圈，如左图(图压磁元件工作原理)所示，一个线圈为励磁绕组，另一个为测量绕组。无外力作用时，磁力线不和测量绕组交链，测量绕组不产生感应电势。当受外力作用时，磁力线分布发生变化，部份磁力线和测量绕组交链，并在绕组中产生感应电势，且作用力愈大，感应电势愈大。4.差动变压器式测力传感器

其特点是工作温度范围较宽,为了减小横向力或偏心力的影响，传感器的高径比应较小。差动变压器式力传感器的弹性元件是簿壁圆筒，在外力作用下，变形使差动变压器的铁芯介质微位移，变压器次极产生相应电信号。10.2扭矩的测量

扭矩由力和力臂的乘积来定义，单位是Nm。扭矩的测量以测量转轴应变和测量转轴两横截面相对扭转角的方法最常用。10.2.1应变式扭矩测量由材料力学知，当受扭矩作用时，轴表面有最大剪应力τmax。轴表面的单元体为纯剪应力状态，在与轴线成45度的方向上有最大正应力σ1和σ2，其值为｜σ1｜=｜σ2｜=τmax。相应的变形为ε1和ε2，当测得应变后，便可算出τmax。测量时应变片沿与轴线成45°的方向粘贴。若测得沿45°方向的应变ε1，则相应的剪应变为

式中：E—材料的弹性模量；μ—材料的泊松比；于是，轴的扭矩为式中：Wn—材料的抗扭模量。对于实心圆轴测扭时，电阻应变计须沿主应变ε1及ε2的方向(与轴线成45°及135°夹角)。应变计的布置及组桥方式应考虑灵敏度、温度补偿及抵消拉、压及弯曲等非测量因素干扰的要求。几种布片及组桥方案

(a)为双片集中轴向对称(横八字)布置，应变片R1及R2互相垂直，其敏感栅中心分别处于同一母线的两个邻近截面的圆周上，组成半桥的相邻两臂。这种布置方式的贴片及引线较为简单，但不能完全抵消弯曲影响，可用于轴体不受弯曲的场合。(b)为双集中径向对称(竖八字)布置，与(a)之不同之处仅在于R1及R2处于同一截面周边的邻近两个点上，其适用条件同(a)。(c)为四片径端对称的双横八字布置，应变片各按(a)的方式分别布置再在同一直径两个端点的邻近部位。在轴体表面展开图中，互相垂直的两个应变片的中心共线，四片可组成半桥或全桥。组成全桥时，输出灵敏度为(a)的二倍。无论组成半桥或全桥皆可抵消拉(压)及弯曲的影响。(d)为四片径端对称的双竖八字布置，可视为(b)的复合。应变片分别处于同一截面同一直径两个端点的邻近部位，且在轴体表面展开图中四个敏感栅的中心共线。(e)为四片均布的双竖八字布置，与(d)的区别仅在于四片圆周均布。(d)与(e)可组成全桥或半桥方式，其灵敏度及抵抗非测力因素的性能同(c)。10.2.2扭矩测量信号的传输1.扭矩测量的集电装置旋转件如转轴的应变测量，需要解决信号传送的问题。粘贴在旋转件上的应变片和电桥导线随旋转件转动，而应变仪等测量记录仪器是固定的。除采用遥测方式以外，需要有集电装置。集电装置由两部份组成：与应变片相连，随旋转件转动的集流环（滑环）和与外部测量仪器相连，压靠在滑环上的电刷（拉线）。集流装置应准确可靠地传递应变信号，防止干扰减少测量误差。集流环与电刷之间接触电阻的变化是产生干扰，影响正常测量的主要因素。集电装置种类、形式很多，其原理、结构与电机的集电装置相同。常用的集电装置有拉线式和电刷式两种形式。电刷式集电装置的结构如左图(电刷式集电装置)所示。为了保证电刷与滑环接触良好，减少接触电阻,在每条滑道上应对称配置多个并接在一起的电刷，且使各电刷用弹簧压紧滑道。其压紧力应适当，一般应在0.2～0.6MPa。电刷材料多用含银石墨，也可用铍青铜片。

拉线式集电装置的结构如左图（拉线式集电装置）,将两个半圆形尼龙滑环4用螺栓9固定在转轴上。滑环的外圆加工有4条沟槽，槽内嵌有黄铜或铍青铜带5。两个半圆形滑环上的4条铜带端部对头焊接，并将转轴上粘贴的应变片电桥端点引线焊接至该处。拉线6置于滑环之上，并经绝缘子7用弹簧8拉紧固定，在拉线6上焊接引线连至测量仪。拉线6多采用裸钢丝编织扁线(从屏蔽电缆线上剥离下的屏蔽网)。2.无线传输方式无线传输方式可以克服有线传输的缺点，得到越来越多的应用。它分为电波收发方式和光电脉冲传输方式。这两种方式从使用的角度来看都取消了中间接触环节，导线和专门的集流装置。电波收发方式测量系统要求可靠的发射、接收和遥测装置，且其信号容易受到干扰；而光电脉冲测量抗干扰能力较强，它是把测试数据数字化后以光信号的形式从转动的测量盘传送到固定的接收器上，然后经解码器后还原为所需的信号。工程技术中所称的“压力”，实质上就是物理学中的“压强”，是指介质垂直均匀作用于单位面积上的力。压力常用字母p表示，其表达式为p=F/S式中F,S―分别为作用力和作用面积。单位：压力的国际单位为“帕斯卡”，简称“帕”（Pa）。工程界长期使用许多不同的压力计量单位。如“工程大气压”、“标准大气压”、“毫米汞柱”等。1Pa=1N/m2，1个标准大气压=101325Pa=1.01325工程大气压。10.3压力的测量10.3压力的测量10.3.1压力测量的弹性元件压力测量弹性元件通常有波登管、膜片、波纹管等。在流体压力作用下，弹性元件产生应变，其应变可以由应变片或微位移传感器及相应测量电路转换成电信号输出，有时也可通过杠杆或齿轮副把应变转化成指针偏转角来表示被测压力的大小。弹性元件的结构形式及输出特性

10.3.2压力测量装置1.应变式压力传感器膜片应变式压力传感器的主要元件是采用扩散工艺制成的含有半导体应变片的特殊膜片，利用压阻效应工作。常用作局部区域（如油路、气路中的某部位）的压力测量。这种特殊膜片灵敏度高、体积小、动态响应快。膜片直径甚至可以小到零点几毫米，频率特性可以达到几十千赫。但温度对膜片性能影响较大，流体温度变化会改变膜片的弹性模量及泊桑比，引起附加应变和应力，改变工作状态和灵敏度。膜板式压力传感器

结构组成外壳应变花压紧螺丝膜板圆筒式压力传感器

是一个薄壁筒，在它的外表面上，沿圆周方向上粘贴应变片（工作片）。薄壁筒的顶端（实心圆柱部分）无变形，故在其外表面上，粘贴补偿片，它和工作片一起组成单臂工作电桥。2.压电式压力传感器压电式压力传感器是利用压电晶体（如石英、云母等）的压电效应而制成的。压电式压力传感器对温度变化较为敏感，因此必须采取补偿措施防止温度的影响。目前常用的办法有两种：一种是用水冷的办法；另一种是在晶片的前面安装一块用线膨胀系数大的如纯铝等金属制成的薄片，当温度变化时补偿片的线膨胀可以弥补晶体与金属线膨胀之间的差值，以保证预紧力的稳定。这两种办法常同时使用。压电式压力传感器具有灵敏度高、线性好、刚度大、频率范围宽、稳定性好等特点。位移是物体上某一点在一定方向上的位置变动，因此位移是矢量。测量方向与位移方向重合才能真实地测量出位移量的大小。若测量方向与位移方向不重合，则测量结果仅是该位移量在测量方向上的分量。位移测量从被测量来的角度可分为线位移测量和角位移测量；从测量参数特性的角度可分为静态位移测量和动态位移测量。许多动态参数，如力、扭矩、速度、加速度等都是以位移测量为基础的。机械工程中经常要求测量位移。测量时应当根据不同的测量对象选择测量点、测量方向和测量系统，其中传感器对测量精度影响很大，必须特别重视。Displacemeasurement第七章

位移的测量7.1常用位移传感器

根据传感器的变换原理，常用的位移测量传感器类型有：电阻式、电阻应变式、电感式、电容式、霍尔元件、感应同步器、光栅、磁栅和角度编码器等位移计以及电动千分表等。表7-1a电阻式位移传感器的性能及特点型式滑线式变阻器线位移角位移线位移角位移测量范围1～300mm*0～360°1～1000mm*0～60r精确度±0.1%±0.1%±0.5%±0.5%直线性±0.1%±0.1%±0.5%±0.5%特点分辨力较好，可静态或动态测量。机械结构不牢固结构牢固，寿命长，但分辨力差，电噪声大*系指这种传感器能够达到的最大可测位移范围，而每一种规格的传感器都有其一定的，远小于此范围的工作量程。表7-1b电阻应变式位移传感器的性能及特点型式非粘贴的粘贴的半导体的测量范围±0.15%应变±0.3%应变±0.25%应变精确度±0.1%±2%～3%±2%～3%直线性±1%±1%满刻度±20%特点不牢固牢固，使用方便，需温度补偿和高绝缘电阻输出幅值大，温度灵敏性高

表7-1c电感式位移传感器的性能及特点型式自感式差动变压器涡电流式微动同步器旋转变压器变气隙型螺管型测量范围±0.2mm1.5-2mm±0.08--75mm*±2.5--±250mm*±10°±60°精确度±1%±1%±0.5％±1--3%±1%±1%直线性±3%±3%±0.5%＜3%±0.05%±0.1%特点只适用于用于微小位移测量测量范围较宽使用方便可靠，动态性能较差分辨力好，受到磁场干扰时需屏蔽分辨力好，受被测物体材料，形状加工质量影响非线性误差与变压比和测量范围有关*系指这种传感器能够达到的最大可测位移范围，而每一种规格的传感器都有其一定的，远小于此范围的工作量程。表7-1d电容式位移传感器的性能及特点型式变面积变间距测量范围10-3～1000mm*10-5～10mm*精确度±0.005%0.1%直线性±1%1%特点受介电常数因环境温度，湿度而变化的影响分辨力很好，但测量范围很小，只能在小范围内近似地保存线性*系指这种传感器能够达到的最大可测位移范围，而每一种规格的传感器都有其一定的，远小于此范围的工作量程。表7-1e霍尔元件位移传感器的性能及特点测量范围±1.5mm精确度0.5%特点结构简单，动态特性好

表7-1g光栅、磁栅式位移传感器的性能及特点型式计量光栅磁栅长光栅圆光栅长磁尺圆磁尺测量范围10-3～1000mm*0～360°10-3～10000mm*0～360°精确度3μm/1m±0.5角秒5μm/1m±1角秒特点模拟和数字混合测量系统，数字显示(长光栅分辨力可达1μm)测量时工作速度可达12m/min7．2用光栅测量位移

随着数字技术的发展，出现了各式各样的数字式位移传感器。常用的数字位移传感器有：计量光栅、磁尺、编码器和感应同步器等。它们都有线位移测量和角位移测量两种构造型式。

7.2.1光栅测量原理

光栅是在基体上刻有均匀分布条纹的光学元件。用于位移测量的光栅称为计量光栅。一.光栅传感器的构成及原理1.光栅的构成：光栅通常是由在表面上按一定间隔制成透光和不透光的条纹的玻璃构成，称之为透射光栅，或在金属光洁的表面上按一定间隔制成全反射和漫反射的条纹，称为反射光栅。利用光栅的一些特点可进行线位移和角位移的测量。测量线位移的光栅为矩形并随被测长度增加而加长，称之为长光栅；而测量角位移的光栅为圆形，称之为圆光栅。

【演示】2.栅距：光栅的栅距Ｗ＝ａ＋ｂ，a、b分别为透光和不透光条纹的宽度，通常a=b；光栅的精度越高，栅距W就越小；一般栅距可由刻线密度算出，刻线密度为25，50，100，250条/mm。3.莫尔条纹现象当两块光栅互相靠近且沿刻线方向保持有一个夹角时，两块光栅的暗条与亮条重合的地方，使光线透不过去，形成一条暗带；而亮条与亮条重合的地方，部分光线得以通过，形成一条亮带。这种亮带与暗带形成的条纹称为莫尔条纹，如图所示。

莫尔条纹的宽度可按下式计算：设a=b=W/2，则(W/2)/B=sin(θ/2)，所以，B=W/(2sin(θ/2))，当θ很小时，sin(θ/2)=θ/2，故有：B=W/θ，称作莫尔条纹的宽度，又称为节距。光栅传感器原理(莫尔条纹)

构成：叠合主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动条纹宽度：W-栅距，a-线宽，b-缝宽W=a+b，a=b=W/2

主光栅---标尺光栅，定光栅；指示光栅---动光栅莫尔条纹特性：

方向性：垂直于角平分线→与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距→莫尔条纹移动一个间距放大性：夹角θ很小→B>>W→光学放大→提高灵敏度准确性：误差平均效应→克服个别/局部误差→提高精度4.莫尔条纹的特点①平均效应：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。②对应关系：莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角θ固定后，两光栅相对左右移动一个栅距W时，莫尔条纹上下或下上移动一个节距B，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。③放大作用：由公式B=W/θ可知，当W一定，而θ较小时，可使θ<<1，则B>>W。如：长光栅在一毫米内刻线为100条，θ＝0.5º＝0.009rad，则：B=0.01/0.009≈1mm，放大100倍。若θ=0，则不产生莫尔条纹，这时光线忽明忽暗，称作光闸效应。对于圆光栅，同样有这些特点。5.光栅传感器的结构线位移测量:两块光栅长短不等，长的随运动部件移动，称为标尺光栅，短的固定安放，称指示光栅；角位移测量:一块圆光栅固定，另一块随转动部件转动。光栅传感器结构为：光源→标尺光栅→指示光栅→光电元件，如图所示。二.光栅位移数字转换的基本原理1.光栅传感器输出信号波形当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期变化，其输出波形如图：

输出表达式：

Ｖ＝Ｖ0＋ＶmCOS[(2π/w)X]

式中，2π/W为空间角频率，W为栅距（信号周期），X为位移。由此可知，只要计算输出电压的周期数，便可测出位移量。从而实现了位移量向电量的转换。在一个周期内，V的变化是位移在一个栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题：①辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向；②精度低；分辨力只为一个栅距W。怎么解决这两个问题呢？2.辨向原理：用两个光电元件相距B/4安装（相当于相差90°空间角，B:2π=B/4:π/2），如图所示，可以解决辨向问题。当条纹上移时，V2落后于V190°。当条纹下移时，V2超前于V190°。因此，由V1、V2之间的相位关系可以判别运动方向。在图所示的光栅辨向原理中，两个相隔1／4莫尔条纹间距的光电元件，将各自得到相差π／2的电信号u1和u2。它们经整形转换成两个方波信号u1’和u2’。从图中波形的对应关系可看出，当光栅沿A方向移动时，u1经微分电路后产生的脉冲(图中充填的脉冲)正好发生在u2’处于“l”电平时，从而经Yl输出一个计数脉冲；而u1’经反相并微分后产生的脉冲(图中未充填的脉冲)则与u2’的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞，没有脉冲输出。当光栅沿C方向移动时，u1’的微分脉冲发生在u2’为“0”电平时，与门Y1无脉冲输出；而u1’的反相微分脉冲则发生在u2’的“1”电平时，与门Y2输出一个计数脉冲。u2’的电平状态实际上是与门的控制信号，移动方向不同，u1’所产生的计数脉冲的输出路线也不同。于是可以根据运动方向正确地给出加计数脉冲或减计数脉冲，再将其输入可逆计数器，即可实时显示出相对于某个参考点的位移量。3.细分技术（解决精度问题）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，其电路框图如图所示。

四倍频细分法：在辨向原理中已知，在相差BH/4位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差π/2的电信号。若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差π/2的信号，从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。也可以在相差BH/4位置上安放四只光电元件来实现四倍频细分。这种方法不可能得到高的细分数，因为在一个莫尔条纹的间距内不可能安装更多的光电元件。但它有一个优点，就是对莫尔条纹产生的信号波形没有严格要求。1234硅光电池正向脉冲反向脉冲H1H2差动放大差动放大整形整形微分微分微分微分（sin）（cos）Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8四个光电元件间隔B/4安装，1，3，2，4分别接入两个差分放大器用以消除共模干扰，这样可以得到两个相差90度的信号sin和cos，经整型等到方波信号，再反相得到A,B,C,D四路方波信号，将四路方波信号再微分，得到四个脉冲,将A,B,C,D与

进行逻辑组合，可由两个输出端输出正向位移脉冲信号和反向位移脉冲信号。当正向运动时，由正向上升沿微分得到正向脉冲，经逻辑到输出；反之亦然。利用这种方法，可在一个周期内输出四个脉冲，所以又称之为四倍频电路，其分辨率提高四倍，当栅距w=10μm时，分辨力为2.5μm，即脉冲当量为2.5μm，当w=4μm,其分辨力可为1μm。光栅传感器特点

①精度高：测长±(0.2+2×10-6)μm测角±0.1″②量程大：透射式---光栅尺长（<1米）反射式--->几十米③响应快：可用于动态测量④增量式：增量码测量→计数断电→数据消失⑤要求高：对环境要求高→温度、湿度、灰尘、振动、移动精度⑥成本高：电路复杂光栅传感器结构

1–主光栅尺（定光栅）2–指示光栅（动光栅）3–光电元件4–透镜5–光源透射式结构：反射式结构：

光源→指示光栅→透射→主光栅→光电元件光源→主光栅→反射→指示光栅→光电元件长度及线位移检测(4)代表性产品：

德国Heidenhain（海德汉）：封闭式：量程3000mm，分辨力0.1m开放式：量程1440mm，分辨力0.01m开放式：量程270mm分辨力1nm长度及线位移检测英国Renishaw（雷尼绍）：量程：任意分辨力：0.1m0.01m中国长春光机所：量程：100