机械测试技术机械位移测量

机械测试技术机械位移测量第一页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日第一节电位器式位移测量传感器位移电位器式位移传感器电阻值或电压一、典型的电位器式位移传感器1、线绕电位器式位移传感器绝缘骨架电刷引出去掉绝缘皮（1）组成结构

（2）线绕电位器的阻值范围在100Ω～100kΩ

（3）优点：结构简单、使用方便；缺点：存在摩擦和磨损、有阶梯误差、分辨率低、寿命短等。阶梯误差分辨率：如果电位器总匝数为1000匝，对应的工作行程为40mm，两固定端上加的电压为12V，则电压分辨率为12/1000=0.012V，位移分辨率为0.04mm第二页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日2、非线绕式电位器位移传感器

（1）组成结构：目前常见的非线绕式电位器位移传感器是在绝缘基片上制成各种薄膜元件，如合成膜式、金属膜式、导电塑料和导电玻璃釉电位器等。（2）优点：分辨率高、耐磨、寿命长和易校准等。缺点：易受温度、湿度影响，难以实现高精度。（3）独立线性度指标：是针对高精密电位器给出的。它是在不考虑电位器两个端点附近线性度较差的区段而特指中间工作区间的线性度。经过修刻的电位器可达0.1～0.025%。●导电玻璃釉电位器

又称金属陶瓷电位器★制作以合金、金属氧化物或难溶化合物等为导电材料，以玻璃釉粉为粘合剂，经混合烧结在陶瓷或玻璃基体上制成。★优点：耐高温性好、耐磨性好、有较宽的阻值范围、电阻温度系数小、且抗湿性强。第三页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日★缺点：接触电阻变化大、噪声大、不易保证测量的高精度。●光电式电位器

是另一种非线绕式电位器。★结构原理一般采用氧化铝作基体，其上沉积一条带状电阻薄膜和一条高传导导电带，电阻带和导电带之间留有一条很窄的间隙，在间隙上沉积一层光导电体（硫化镉或硒化镉）。当窄光束在电阻带、导电带和光电导体层上照射并移动时，导电体和电阻带导通。★优点：完全没有摩擦、磨损，不会对仪表系统附加任何力或力矩，提高了仪表精度、寿命、可靠性，且分辨率也很高。★缺点：输出阻抗较高，需要匹配高输入阻抗放大器。因为需要光源和光路系统，体积、重量增大，结构复杂，同时，线性度不易做的很高。光电导体基体电阻薄膜窄光束导电带第四页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日二、电位器式位移传感器的负载特性及非线性误差一般的测量电路设电阻的相对变化率电位器负载系数电刷的相对行程相对输出电压此式为电位器式传感器的负载特性表达式第五页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日rYKL=∞当KL→∞，Y与r之间才为线性，即空载情况下，输出电压U0才与机械位移x成线性关系。KL越小非线性越严重。如何减小负载RL所造成的误差？★如果是计算机辅助测量系统，可以在标定过程中采用软件校正的方法补偿负载等造成的非线性误差。★否则，采用一些硬件措施：1）尽可能增大电位器的负载系数KL，如将传感器输出经高输入阻抗放大器隔离后，再接测显电路。第六页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日2）用半桥差动测量电路当测量微小位移时，要增大R5,一般取为电位器总电阻的100倍，即R5≈100RR5半桥差动电路UiRLR2-ΔR2R4R1+ΔR1R3U0当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为：若结论：U0与ΔR1/R1成线性关系，差动电桥无非线性误差；电压灵敏度为Ui/2，比使用单只应变片提高了一倍

第七页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日3）并联电阻RM4）限制电位器的工作范围

负载误差：RL≠∞的电位器输出特性曲线与空载特性曲线之差。通过求负载误差的极值可知在r=2R/3附近，负载误差最大。第八页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日5）选用非线性电位器式位移传感器空载时传感器输出电压U与位移x为非线性负载RL产生的非线性二者综合，减小非线性误差

为避免产生最大负载误差，最简单的做法就是限制电位器的工作范围，使之不超过2L0/3。此外，为了不浪费电位器1/3的资源，可以用一个电阻R0=R/2来代替电位器被限制使用的部分。为保持原来的灵敏度，可提高工作电压。第九页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日第二节电阻应变式位移传感器特点：线性好、分辨率高、结构简单和使用方便等。测量范围：0.1μm～0.1mm

测量精度：＜2％线性度：0.1%～0.5%应变片式位移传感器原理：测量头悬臂梁弹簧外壳测量杆调整螺母应变片1）拉伸弹簧和悬臂梁串联作为弹性元件。2）矩形截面悬臂梁根部正反两面贴4片应变片。3）拉伸弹簧一端与测量杆连接。测量杆随试件位移→弹簧使悬臂梁根部弯曲→应变片阻值变化。第十页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日悬臂梁式位移传感器：引出线插头应变片外壳等宽悬臂梁调整螺钉顶杆弹簧应变式角位移传感器：第十一页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日第三节电感式位移传感器位移线圈自感变化电磁感应原理测量电路电压/电流/频率原理：特点：优点：结构简单可靠、没有摩擦、灵敏度高、输出功率大、测量精度高(与电容式位移传感器相近)。 电压灵敏度一般可达数百毫伏/mm

测量范围一般为±25μm～±50mm

可测量0.1μm甚至更小线位移和0.1”角位移缺点：1）灵敏度、线性度和测量范围相互制约；2）传感器本身频率响应低，不宜于高频动态测量；3）对传感器线圈供电电源的频率和振幅稳定度要求较高。第十二页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日一、基本结构型式★变气隙式、变面积式、螺管式三种基本结构型式。★基本结构型式的不足：1）由于线圈中流过负载的电流不等于零，存在起始电流，非线性较大，且有电磁吸力作用于活动衔铁。2）易受外界干扰，如电源电压和频率的波动、温度变化等都将使输出产生误差。★不适于精密测量，只用于一些继电信号装置。线圈铁芯衔铁变气隙式铁芯线圈衔铁变面积式铁芯线圈螺管式第十三页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日二、差动电感式传感器★构成：两个相同的电感线圈按差动方式联接，共用一个衔铁★传感器的两个线圈接在交流电桥的两臂，由交流电源供电。★三种型式：变气隙式、变面积式、螺管式。变气隙式变面积式螺管式★衔铁位于中间位置时，电桥平衡，输出u0=0。衔铁偏离中间位置时，造成两个线圈的电感量一个增加另一个减小，电桥失去平衡，有电压输出。第十四页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日★差动电感式传感器优点：1）与单线圈电感传感器比较：输出非线性得到改善，起始零位信号不大，灵敏度提高一倍。2）由于采用差动电桥输出，对外界干扰，如温度变化、电源频率变化等的抵抗能力强。铁心对活动磁铁的电磁吸力大为减小，因为两线圈铁心对衔铁的吸力方向正好相反，在中间位置时，吸力为零。★差动电感式传感器电桥电路的其他联接方法：可用一对电容、电感或带中间抽头的激励源变压器副级线圈的一半代替图中的一对R0。第十五页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日1、基本原理三、差动变压器式位移传感器的应用★利用线圈的互感作用将械位移转换为感应电动势的变化。★实质上，它就是一个特制的变压器。工作时初级线圈输入交流电压激励源，结构及各种参数完全相同的两个次级线圈按电动势反相串接，输出的是两个次级线圈感应电动势的差值，因此也称为差动变压器。★三种型式：变气隙式、变面积式、螺管式。变气隙式灵敏度高，量程小，适于测量几微米到几百微米的位移。第十六页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日变面积式适于测量角位移，分辨率可达零点几角秒，线性范围达±100螺管式灵敏度低，但可测量几毫米到1m的位移。第十七页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日★差动变压器的输出特性分析正弦交流电压Ui加到初级线圈两次级产生感应电势e1、e2衔铁位于中间位置e1=e2衔铁上移e1>e2输出U0=e1-e2衔铁下移e2>e1输出U0=e1-e2相位互差1800初级线圈次级线圈衔铁差动变压器等效电路e1e2UiU0初级绕组的电流：次级绕组的感应电动势为：第十八页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日

★U0的实线为理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。U01为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。

U01的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差。其大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。由于两个次级绕组反向串接，输出总电动势为：其有效值为：差动变压器输出特性曲线实际理想

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实际上，差动变压器在正弦交流激励源作用下的输出是一高频正弦信号，它的幅值是由衔铁位移的低频移动调节的，因此在测量位移时需要检波差动变压器的输出，再用低通滤波器把激励源的高频成分去掉。第十九页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日2、位移方向判别二极管电桥差动相敏检波电路相敏检波电路要求比较电压与差动变压器输出电压的频率相同，相位相同或相反。另外还要求比较电压的幅值尽可能大，一般情况下，其幅值应为信号电压的3~5倍。比较电压相敏检波电路u2的极性反映衔铁的位移方向、但含有激励源高频成份，通过低通滤波器可得到反映衔铁位移大小的有效信号。第二十页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日差动整流电路用在连接低阻抗负载的场合，为电流输出型差动整流电路用在连接高阻抗负载的场合，为电压输出型第二十一页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日3、主要技术指标(1)灵敏度用单位位移输出的电压或电流表示，当测量电路输入阻抗低时，用电流灵敏度来表示。灵敏度一般可达0.1～5V/mm，或100mA/mm。(2)线性度表明输出电压与位移是否成线性关系以及在活动衔铁位移多大范围内保持线性关系。

例如，常用的螺管式差动变压器线性范围一般在±2μm～±500mm，线性可达0.1%～0.5%。

（3）零点电压是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。U01的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差。

（4）激励频率也叫载波频率对灵敏度和线性度有影响。当激励频率不很高时，灵敏度正比于激励频率，而当激励频率很高时，灵敏度反而下降。这是由于：频率很高时，导线有效电阻增加，涡流损耗、磁滞损耗增加等原因。一般取频率比10:1第二十二页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日4、零点补偿第二十三页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日微小位移测量电路原理图5、微小位移测量（几微米～数十微米）

一般的测量电路不能满足灵敏度和零点漂移等要求，输出信号须经放大后再进行测量。放大电路中加入深度负反馈，以提高放大器的稳定性和线性关系

与其他位移传感器相比，差动变压器式位移传感器有如下优点：不存在机械过载问题，因为衔铁与变压器的其他部件完全分开；对高温、低温和温度变化不敏感；输出信号比较高；可反复使用、价格适中。

缺点：铁心质量大；过高的激励频率对灵敏度、线性度等的影响较大；故不适于高频动态测量。第二十四页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日第四节电涡流式位移传感器★对于机械运动中的高速旋转或振动位移的测量，适合采用电涡流式位移传感器进行非接触测量。★原理电涡流是在有限的区域范围内形成1)电涡流区域：内径为2r，外径为2R，高为h的圆套筒区域2)区域大小与激励线圈外径D的关系：2R=1.39D，2r=0.525D。因此，被测金属导体的表面尺寸不应小于2D，否择灵敏度下降3)电涡流强度I2正比于激励电流I1，并随2x/D的增加而迅速减小。一般取2x/D=0.05～0.15能获得较好的线性和灵敏度。第二十五页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日一、反射式电涡流式位移传感器线圈阻抗、电感和品质因数的变化①导体的几何尺寸、导电率、导磁率、有关；②线圈的几何尺寸、激励电流和频率③线圈到被测导体的距离x有关电涡流位移传感器保持其他参数恒定，只反映阻抗Z↔x第二十六页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日★电涡流位移传感器组成载流线圈被测导体部分购买，部分要自己设计（考虑被测导体的物理性能、几何形状和尺寸。★电涡流位移传感器的型式：变间隙型、变面积型、螺管型变间隙型间隙变化→电涡流效应变化→线圈电感和阻抗变化变面积型被测导体与线圈之间相对面积变化→电涡流效应变化→线圈电感和阻抗变化．其测量线性范围比间隙型大而且线性度较高，适于轴向位移测量。第二十七页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日

螺管型：由短路套筒和螺管线圈组成。短路套筒可沿螺管线圈轴向移动，引起螺管线圈电感的变化，从而测量位移。

以上三种型式的电涡流式位移传感器，与其他传感器相比，有如下优点：①结构简单、体积小、抗干扰能力强、不受介质污染等的影响、可进行非接触测量、灵敏度高等。量程一般为0～80mm。②也可用于测量厚度尺寸、物体表面粗糙度、无损探伤等。第二十八页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日二、透射式电涡流式位移传感器L1上加交流激励电压U1L2上产生感应电动势U2

无金属板时，U2最大，有金属板时，电涡流抵消了部分L1磁场，致使U2减小，板厚δ越大，U2越小δδL2L1U2L1U2第二十九页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日

不同激励频率f下，感应电压U2与金属板厚度δ的关系曲线。f1＜f2＜f3

测量薄板时，应选择相对高些的激励频率；测量较厚的金属板时应选择较低的激励频率。

可见，激励频率f较低时，线性较好，因此应选择较低的激励频率，一般在1kHz左右较好。第三十页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日第五节电容式位移传感器优点：①结构简单；②非接触测量，只要极小的输入力即可使极板移动，几乎没有摩擦和反作用力；③灵敏度高、分辨率强，可分辨0.01μm甚至更小；④动态响应好；⑤能在恶劣条件（高温、低温、各种形式的辐射等）下工作缺点：主要是输出特性的非线性和绝缘电阻要求较高，为了克服寄生电容的影响，降低电容传感器的内阻抗，要求对传感器及输出导线采取屏蔽措施和采用较高的电源频率等。★新工艺、新技术构简单亿大大改进了电容式传感器的性能，如北京机床所研制了测量位移±0.0025μm～±300μm，误差＜5％的传感器。★常用变极距型和变面积型测位移，变介电常数型测厚度。第三十一页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日初始位置时动极板上移：定极板δ2定极板动极板C2C1δ1差动电容传感器一、极距变化型电容传感器当△δ/δ0＜＜1时：第三十二页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日电容量的相对变化略去高次项非线性误差为：灵敏度：（提高一倍）（减小）第三十三页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日二、面积变化型电容传感器一般用于测量角位移或较大的线位移。三、电容式传感器信号处理电路

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传感器本身电容很小（几微法～几十微法），易受外界寄生电容干扰甚至淹没。

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如何解决问题？第三十四页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日

它是把整个电桥(包含电源电缆等)一起屏蔽起来，设计的关键点在于接地点的合理设置。采用把接地点放在两个平衡电阻R1、R2之间，与整体屏蔽共地。这样，传感器公共极板与屏蔽之间的寄生电容C1与测量放大器的输入阻抗并联，从而可把C1视作放大器的输入电容。由于放大器的输入阻抗应该很大，C1的并联也不希望存在，但它只是影响灵敏度而已。另两个寄生电容C3、C4并联在桥臂R1、R2上，会影响电桥的初始平衡和整体灵敏度，并不影响电桥的正常工作。因此寄生参数对传感器电容的影响基本消除。1）整体屏蔽法电源放大器公共极板第三十五页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日

2）采用驱动电缆技术——实质上是一种等电位屏蔽法。在电容传感器与测量电路的前置级之间采用双层屏蔽电缆，并接入增益为1的驱动放大器。这种接线法：1）使内屏蔽与芯线等电位，消除了芯线对内屏蔽的容性漏电，克服了寄生电容的影响；2）内、外层屏蔽之间的电容变成了驱动放大器的负载。因此驱动放大器是一个输入阻抗很高、具有容性负载、放大倍数为1的同相放大器。

采用驱动电缆技术消除寄生电容，要在很宽的频带上严格实现放大倍数等于1，且输入输出的相移为零，这是设计的难点尤其当Cx很小时，难以实现，故只适于Cx较大的电容传感器。用于Cx较大驱动电缆技术基本原理：是使电缆屏蔽层电位与连接有传感器电容极板的电缆的电位保持一致，两个电位如在幅值和相位上均一致，则可消除电缆分布电容的影响。第三十六页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日

采用运算放大器驱动法可有效的解决这一难题。(-Aa)为驱动电缆放大器，其输入是(-A)放大器的输出，(-Aa)放大器的输入电容为(-A)放大器的负载，因此无附加电容和Cx并联，传感器电容Cx两端电压为：

UCX=U01-U02=U01-(-A•U01)=（1+A)•U01

放大器(-Aa)的输出电压为：

U03=-AaU02=AAaU01

为实现电缆芯线和内层屏蔽等电位，应使UCX=U03；于是可以得到(1+A)U01=AAaU01，即Aa＝1+(1/A)

运算放大器驱动法无任何附加电容，特别适用于传感器电容Cx很小的检测电路。

用于Cx较小第三十七页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日几种常用的(微小电容变化)/(电压、电流或频率)转换电路1、运算放大器式电路

★设运算放大器的开环增益K=∞，输入阻抗Zi=∞，则输入与输出之间的关系为＋－U0与δ成线性关系，从原理上解决了位移输入与电压输出间的非线性问题。

★若把Cx和C0交换一下连接位置，适合于变面积型电容传感器，输出电压U0与位移间的关系也为线性关系。A转到分母上第三十八页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日★适用于差动电容传感器的电路几点注意：1）实际运算放大器，K≠∞，Zi≠∞，U0和输入位移有线性误差，只要K和Zi足够大，非线性误差很小。2）U0和Ui直接相关，故要求Ui稳定高精度。3）U0仍为交流电压，需要精密整流附加电路将其转化为直流电压第三十九页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日2、电桥电路（1）阻容电桥两差动电容精密电阻★当动极板位于中间位置C1=C2，电桥平衡，输出为零★当动极板位移δ，C1≠C2，输出电压U0的幅值与δ成比例，电压极性反映位移方向。（2）变压器电桥USCZ1=1/jωC1Z2=1/jωC2输出交流电压：成线性关系注意：输入电压U必须稳定；该电桥输出阻抗高，后续处理电路应有很高的输入阻抗。第四十页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日（3）双T电桥电路正半周→VD1导通→C1充电紧接着的负半周→VD1截止→C1经R1、RL、R2、VD2放电→RL电流i1负半周内→VD2导通→C2充电在下一个半周→C2经R2、RL、R1、VD1放电→RL电流i2若C1=C2，R1=R2电流i1和i2大小相等、方向相反，流过RL的平均电流为零若C1或C2有任何变化i1≠i2，RL上有直流输出信号电流I0激励电源频率输出电压U0=I0RL高频电源Ui：提供幅值E的对称方波VD1和VD2有相同特性传感器电容平衡电容第四十一页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日★电路的最大灵敏度发生在1/k1=1/k2=0.57的情况下。如果不追求最大灵敏度，选择适当的激励源频率，使k1>5和k2>5，则式中的指数项所占比例不超过1％，将其忽略，得输出电压电路特点：1）Ui、C1、C2及输出电路都接地。2）工作电平很高，VD1和VD2都工作在特性曲线的线性区。3）输出电压较高。4）输出阻抗为R1或R2（1～100kΩ)，且实际上与电容C1和C2无关，适当选择电阻R1和R2，则输出电流就可以用毫安表或微安表直接测量。5）输出信号的上升时间取决于负载电阻，对1kΩ的负载电阻，上升时间约20μs，因此能用来测量高速机械运动。第四十二页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日3、脉冲宽度调制电路（也称差动脉冲调宽电路）比较器比较器当触发器输出A点为高电平通过R1对C1充电UM=Uf比较器A1

产生一脉冲触发器翻转，B点高，A点低C1经VD1从Uf快速放电B点高电平经R2对C2充电UN=Uf比较器A2

产生一脉冲触发器翻转，A点高，B点低C2经VD2从Uf快速放电

★差动电容C1和C2的交替充放电过程，在触发器的两端各自产生一宽度受C1和C2调制的脉冲方波。第四十三页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日★当C1＝C2，电路上有关点的电压波形如图（a)，A、B间电压平均值为零★当C1>C2，C1充放电时间大于C2，电压波形如图(b)，A、B间电压均值不为零。经滤波器后得到的直流电压输出（a)（b)U1不变，U0随T1和T2变化，实现了输出电压的调压。要求的基本条件是参考电压Uf＜U1★此外，由电路得到R1=R2可见，1)输入与输出成线性关系，且不需相敏解调即可获得直流输出。2)适当选配R1和R2，使触发器输出方波的频率在100kHz～1MHz范围内，再只需通过低通滤波器即可获得直流输出，而且输出与方波频率无关。3)只需要一个稳定性高的直流参考电压Uf第四十四页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日第六节光栅位移测量系统第四十五页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日光栅副：指示光栅＋主光栅d一、光栅的结构和分类a+b=d称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，a=b=d/2

ab第四十六页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日3）按物理原理和刻线形状不同，可分为黑白光栅(或称幅值光栅)和闪耀光栅(或称相位光栅)光栅有多种，有不同的分类方法：1）按用途和形状可分为测量线位移的直线光栅和测量角位移的圆盘形光栅2）按光路系统不同可分为透射式光栅和反射式光栅两类。光栅传感器组成：由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。第四十七页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日透射式光栅

特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。光源准直透镜主光栅指示光栅光电元件第四十八页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日透射式圆光栅第四十九页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日该光路适用于黑白反射光栅。反射式光栅反射主光栅指示光栅场镜反射镜聚光镜光源物镜光电电池

第五十页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日二、模尔条纹Bd指示光栅——比较短，由高质量的光学玻璃制成。主光栅（标尺光栅）——长度决定量程大小，由透明材料（对于透射式光栅）或高反射率的金属或镀有金属层的玻璃（对于反射式光栅）制成。刻线密度——由测量精度来确定，闪耀式光栅为100～2800条/mm，黑白光栅为25、50、100、250条/mm。第五十一页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日dθgggghhhhhB横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距ddabc莫尔条纹的宽度B由光栅常数d与光栅夹角θ决定莫尔条纹放大系数K=1/θ第五十二页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日莫尔条纹技术的特点1)调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。2)莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术”。这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。3)莫尔条纹对光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。第五十三页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日U0UavUm光电元件输出电信号与位移的关系:光电池阵列直流分量信号变化的幅值指示光栅的位移第五十四页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日三、辨向电路与信号细分1、辨向电路★辨向是以两路相位互差900的正弦信号为基础。

★单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移。

★如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。第五十五页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日uu1u1u2u2u2au2au1au1aubwubwuawuawy1与门Y1：uaw处于高电平时，u2a是低电平，脉冲被阻，输出为零。Hy2与门Y2：ubw处于高电平时，u2a是高电平，允许脉冲通过，并触发加减控制器使之置“1”，可逆计数器对与门Y2输出的脉冲进行加法计数。同理，当指示光栅反方向移动时，输出波形u2超前u1900，与门Y2阻塞，Y1输出脉冲信号使触发器置“0”，可逆计数器对与门Y1输出的脉冲进行减法计数。u1超前u2900u1bu1b第五十六页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日2、信号细分

★为什么细分?提高分辨力。尽管光栅尺的刻线密度可以很高，但在高精度测量中需要测量比栅距d更小的位移。

★什么是细分?

细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲。例如，使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的n个脉冲，从而使分辨能力提高到d/n。

★上述测量电路的分辨率为一个栅距，即指示光栅每移动一个栅距，辨向电路只输出一个脉冲，计数器所计的脉冲数N与位移x的关系：x=N*d。第五十七页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日（1）直接细分★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。★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。（2）间接细分★A/D转换细分法★电阻链移相细分法第五十八页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日四、光栅应用第五十九页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日第六十页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日尺身尺身安装孔反射式扫描头（与移动部件固定）扫描头安装孔可移动电缆光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长磁栅第六十一页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日光栅的外形及结构（续）可移动电缆扫描头（与移动部件固定）光栅尺第六十二页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。为光栅设计的专用信号处理单元（光栅插补器）功能同前第六十三页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日光栅在机床上的安装位置（2个自由度）第六十四页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日光栅在机床上的安装位置（3个自由度）数显表第六十五页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日安装有直线光栅的数控机床加工实况

光栅扫描头防护罩内为直线光栅被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部第六十六页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日第六十七页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日第六十八页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日第六十九页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日第七十页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日第七十一页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日2自由度光栅数显表X位移显示Z（Y）位移显示第七十二页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日3自由度光栅数显表第七十三页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日光栅数显表（续）三座标数显表SDS8-3E光栅数显箱功能★公制/英制转换★绝对/相对转换★线性误差补偿★正反方向计算★归零★插值补偿★到达目标值停机★PCD圆周分孔★200组零位记忆★电蚀深度目标值显示★实时工作位置显示★掉电记忆

第七十四页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日第七节磁栅式位移测量系统磁栅原理演示(n+1/4)λ第七十五页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日

★磁栅也是一种测量位移的数字传感器。磁栅可分为长磁栅（测直线位移）和圆磁栅（测角位移）两大类。一、磁栅

★磁栅制作——在非磁性体的光滑表面上镀一层磁性薄膜，通过录磁磁头在磁栅上录制出节距严格相等的磁信号作为计数信号。最后在磁尺表面还要涂上一层1～2mm厚的保护膜，以防磁头频繁接触而造成磁膜磨损。

★N到N之间的距离称为节距λ，通常为0.05、0.1、0.2mm等。在N和N、S与S重叠部分的磁感应强度的绝对值最大，磁头的输出电压包络线也最高。若磁尺的磁化从N到S的磁感应强度是呈正弦波变化，则磁头的输出电压也呈受调制波形。

★优点：结构简单、使用方便、测量范围大（1～20m）、磁信号可重新录制；缺点：需要屏蔽和防尘。第七十六页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日二、磁栅式位移传感器的结构及工作原理检测电路磁尺（磁栅）磁头动态磁头：其上只有一个输出绕组，只有当磁头和磁尺相对运动时才有信号输出。因此，又称为速度响应磁头。静态磁头：其上只有两个绕组，一个是激励绕组，另一个是输出绕组。即使磁头与磁尺之间处于相对静止，也会因为有交流激励信号使磁头仍有信号输出。磁头允许最高工作速度12m/min精度可达0.01mm/m最小指示值0.001mm温度范围0～400C第七十七页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日磁通响应型磁头的结构及其输出波形λλ/4

磁头拾磁原理：磁头的铁心使磁尺的磁通有效地通过输出绕组。由于电磁感应在输出绕组中将产生电压，该电压将随磁尺磁场强度的周期变化而变化。磁头输出信号经检测电路转换成电脉冲信号，并以数字形式显示。第七十八页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日

适合位移测量的静态磁头是成对使用的，两组磁头相距(n+1/4)λ。检测电路主要有鉴幅式和鉴相式。1、鉴幅式检测电路两磁头的激励绕组输入为同一激励电压，两磁头输出相位差为900的信号磁头磁栅相对位移激励电压角频率分别放大、检波和滤波，消除信号中载波成分辨向、细分处理，得到数字量输出的位移测量结果第七十九页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日2、鉴相式检测电路

当用相位相差π/4的两个激励电压分别输入到两个激励绕组，两磁头的输出信号为将两信号送入减法器用鉴相器可测出此调相信号的相位2πx/λ，然后计算出位移x。第八十页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日

★感应同步器是利用电磁感应原理把位移量转换成电量的传感器。有直线型(测直线位移)和圆盘型(测角位移)两大类。

●它是基于电磁感应原理，感应电势取决于磁通的变化率，受油污、尘埃、温度等环境因素影响很小。第八节感应同步器系统原理：位移两个平面绕组间的互感变化电量

●它的基板一般使用铸铁和钢制造，和机械设备使用的材料一致。环境温度变化对测量精度的影响很小。

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输出信号是由滑尺与定尺间的相对位移产生，中间不经过任何传动机构，故测量精度较高。

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感应同步器的测量长度，可根据需要任意接长至20m

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感应同步器的相对位移是非接触式的，故它的使用寿命长、便于维护。特点第八十一页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日一、感应同步器的结构定尺滑尺定子转子正弦绕组余弦绕组直线型圆盘型固定部分运动部分连续绕组正弦、余弦断续绕组第八十二页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日电磁感应二、感应同步器的工作原理交变磁场中的导体也将产生感应电势通有交变电的单匝线圈与另一单匝线圈靠近，后者会产生感应电势正弦绕组余弦绕组××××××××××××××××正弦绕组余弦绕组××××××××××××××××λλ/4定尺滑尺定尺——连续绕组，绕组间距λ滑尺——U字型分段绕组，连成两组，分别为正弦绕组和余弦绕组。它们在空间位置分布上互相错开λ/4Em-Emλ/2λ0xe第八十三页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日

当滑尺绕组加上激励电压时，定尺绕组产生的感应电势随着滑尺耦合位置的改变作周期性变化。相对位置移动λ，感应电势变化一周。因此，机械位移转换成了感应电势变化。设加到正、余弦绕组上的激励电压为则正、余弦绕组在定尺绕组上产生的感应电势分别为感应同步器的最大电磁耦合系数es——单正弦绕组激励时，定尺绕组产生的感应电势ec——单余弦绕组激励时，定尺绕组产生的感应电势第八十四页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日三、感应同步器的激励和检测方式两种激励方式滑尺/定子激励，由定尺/转子绕组取出感应电势(多用)定尺/转子激励，由滑尺/定子绕组取出感应电势信号检测方式鉴幅型鉴相型1、鉴幅型感应同步器检测方式

滑尺上的正弦绕组和余弦绕组在空间位置分布上互相错开λ/4。两绕组分别加上频率和相位均相同、但幅值不同的正弦激励电压。根据定尺绕组输出感应电势的振幅来鉴别位移大小。假设加在正、余弦绕组上的激励电压分别为第八十五页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日对应产生的感应电动势分别为定尺绕组输出的感应电动势利用函数变压器使激励电压的幅值满足激励电压的相角幅值位移变化相角θ＝2πx/λ变化感应电势的振幅Em变化数字鉴幅电路测量出幅值变化就可以完成位移测量位置相位角第八十六页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日初始时使φ＝θ滑尺由初始位置移动△x时，感应电动势相位变化△θ，△β＝θ－φ≠0当△β达到一定值，即感应电动势达到一定值，门槛电路发出指令脉冲，转换计数器开始计数并控制函数电压发生器，调节激励电压幅值的相位φ，使其跟踪θ。当θ＝φ时，感应电势幅值降到门槛电压以下，撤销指令脉冲，停止计数由计数值，通过当量换算可得到测量位移值第八十七页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日2、鉴相型感应同步器检测方式

滑尺上的正弦绕组和余弦绕组在空间位置分布上互相错开λ/4。两绕组分别加上频率和相位均相同、但相位相差900的交流电压分别加到正弦绕组和余弦绕组上，根据定尺绕组输出感应电势相位的变化来测量滑尺位移的大小。假设加在正、余弦绕组上的激励电压分别为对应产生的感应电动势分别为总感应电动势位置相位角定尺绕组感应电动势幅值感应动势的位置相角θ与位移x呈线性关系。每经过一个节距，θ变化一个周期，故可通过θ变化来测位移。第八十八页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日四、感应同步器的细分原理

由于工艺和结构上的原因，绕组中的节距λ较大，无法测量微小位移。输出感应电势周期信号节距λ细分电角度λx1x2x1x2Esx-Esx若滑尺上只有一相绕组，感应电势Ecx对应两个位移x1和x2，因此位移x和感应电势幅值无法建立一一对应的关系。若滑尺上有两个绕组，且二者在空间位置上错开900。在相同的Ecx下，可由余弦曲线区分位移x1和x2。由此可建立位移x和感应电势幅值之间一一对应的关系，实现细分。0EcxEcx0Es,EcλxEcx第八十九页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日

光纤传感器(FOSFiberOpticalSensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。

①电绝缘性能好。②抗电磁干扰能力强。

③非侵入性。④高灵敏度。

⑤容易实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量。第九节光纤位移测量系统第九十页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日

光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯(纤芯)和玻璃包皮(包层)两个同心圆柱的双层结构组成。纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤心折射率n1比包层折射率n2稍大些。两层之间形成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。

第九十一页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日

★以电为基础的传统传感器是一种把被测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接

★光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。第九十二页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日1）功能型（全光纤型）光纤传感器

利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。1）根据光纤在传感器中的作用分为功能型、非功能型和拾光型三大类。2）根据光受被测对象的调制形式分为：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制光纤传感器分类第九十三页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日2）非功能型（或称传光型）光纤传感器

光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。3）拾光型光纤传感器

用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等第九十四页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日光纤传感器的分类第九十五页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日一、反射式光纤位移传感器的工作原理原理：由输入光纤出射的光投射到反射面上，其反射光的一部分进入输出光纤，进入多少与反射面位置有关。反射面输出光纤输入光纤a2r

反射镜面的移动方向是与光纤探头端面垂直的，反射镜面在其背面距离d处形成输入光纤的虚像，因此，光强调制作用是与虚光纤和输出光纤的耦合相联系的。输入光纤的虚像

设两光纤皆为阶跃折射率光纤，芯径为2r，数值孔径为NA，两光纤垂直距离为ａ，并定义dd第九十六页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日

当d≥(d+2r)/(2T)时，两光纤耦合最强，输出光强达最大值，此时输入光纤的像发出的光维底面积πr2

将输出光纤端面积全部遮盖，是一个常数，光维底面积为π(dT)2

当距离d<a/(2T),即a/(2d)>T

时，两光纤的耦合为零，无反射光进入输出光纤。光纤位移传感器的输出特性实际应用中，常把位移的原点移至曲线的dm处，这样就把曲线分为左右两边，左边的曲线为近程位移测量曲线；右边为远程位移测量曲线。dm二、光电转换及放大电路光光敏二极管电信号放大电路第九十七页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日

★轴角编码器又称码盘，是测量轴角位置/位移的一种数字式传感器。第十节轴角编码器★轴角编码器有两种类型：绝对式编码器和增量式编码器

★光电式编码器具有非接触、体积小、分辨率高（旋转一周可输出数百万个脉冲）等特点，是目前应用最广泛的编码器。第九十八页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。第九十九页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日其他角编码器外形（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）第一百页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日一、绝对式编码器

(又称直接编码器）

绝对式码盘与增量式码盘有何区别？10码道光电绝对式码盘

绝对式编码器按照角度直接进行编码，可直接把被测转角用数字代码表示出来。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等形式。透光区不透光区零位标志第一百零一页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日

绝对式接触式编码器演示4个电刷

4位二进制码盘+5V输入公共码道最小分辨角度为α=360°/2n信号的取出有两种方式：接触式（利用电刷）和光电式接触式光电式第一百零二页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日

提高分辨率和精确度的方法：方法1：增大码盘的尺寸，以容纳更多的码道。方法2：采用变速装置，利用多个码盘来获得需要的码道数，而不必要求太大的码盘尺寸，同时降低码盘的制作精度要求。但同步电路的能力、变速装置及机械加工装配误差等将影响编码器的精确度。★绝对式编码器的错码问题由于信号检测元件不同步、或着码道制作中的不精确所引起。

绝对式编码器的测量精度取决于码盘的精确度。分辨率则取决于码盘上的码道数n有关，即最小分辨角度为α=3600/2n，分辨率为1/2n第一百零三页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日码盘在作顺时针旋转时，从位置0000码变为1111码时，四个光电检测元件（或电刷）必须同步改变它们的状态。否则，发生错码。00001111错码产生的原因：从一个码变为另一个码时存在着几位码需要同时改变状态，一旦不能满足，即发生错码第一百零四页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日解决错码的方法：方法1：从编码技术入手采用循环码

(例如格雷码)优点：从一个码变为另一个码时只有一位码改变状态，可消除错码现象缺点：不是有权代码，每一位码不代表固定的十进制数方法2：采用双电刷扫描技术。两组电刷，一组超前放置，一组滞后放置，还需要两组识别控制逻辑。二进制码是有权代码，每一位代表一固定的十进制数解决方法：利用循环码转换电路将循环码变为二进制数，再与十进制数对应。第一百零五页，共一百一十四页，编辑于2023年，星期日二、增量式编码器（又称脉冲盘式数字传感器）转轴光栏板及透光狭缝码盘及狭缝LEDABC光敏元件零位标志基准码道A(最外圈）：只有一条狭缝，为码盘基准位置，产生的脉冲供计数系统清零（初始化）增量码道B（中圈）：等角距分布着m组透光与不透光的扇形区，m决定了码盘的分辨率△θ＝3600/m辨向码道C（最内圈）：等角距分布着m组透光与不透光的扇形区，但与B码道彼此错开半个扇形区，即900/m2、旋转方向的判别

利用相位互差900的增量脉冲和辨向脉冲实现辨向1、结构与工作原理第一百零六页，共