几何学量检测技术重点.ppt

1、第6章 几何学量检测技术,6.1 模拟式位移检测技术 6.2 数字式位置测量技术 6.3 厚度检测,6.1 模拟式位移检测技术,6.1.1 电位器式位移传感器 德国VOLFA位移传感器（电子尺）用导电塑料做成电阻轨， 用不锈钢轴承承托， 用稀土金属多指接触片作电刷， 操作顺滑紧密， 信号稳定， 噪音低， 寿命极高（100106次）， 测量长度为501000 mm， 重复度为0.013 mm， 线性度为0.05%。 适合位置测量及自动化控制等。 详细资料可查阅http： /,6.1.2 电阻应变式位移传感器 电阻应变式位移传感器的位移测量范围较小，在0.1 m0.1 mm之间，其测量精度小于2，

2、线性度为0.1%0.5%。 图61是应变式角位移传感器的结构图。 在悬臂梁上粘贴有应变片，悬臂梁的自由端有一触点与可转动的凸轮相接触， 当凸轮随转轴转动时， 推动悬臂梁产生应变，由电阻应变片转换成电阻值变化量， 测量电阻变化量，便可确定转轴转动角度的大小。,图6-1 应变式角位移传感器结构示意图,6.1.3 电感测微仪 图6-2为电感测微仪结构图及其测量电路框图。 电感式传感器接成桥式电路， 由振荡电路提供激励电源。 不平衡电桥输出的调幅信号经交流放大、 相敏检波后， 输出与衔铁位移成正比的电压， 送指示器显示被测位移。 使用时， 将测头接触被测物表面， 可测量位移及物体表面粗糙度等。,图6-

3、2 电感测微仪及其电路框图 （a） 轴向式测头； （b） 测量电路框图,常用的电感测微仪为CDH型，其量程分为3 m、 10 m、50 m和100 m五挡，各挡相应的指示仪表分度值为0.1m、0.5 m、1 m和5 m。 同样原理，差动变压器也常用来测量位移。表6-1列出了WY系列差动变压器式位移传感器的主要技术指标。,表6-1 WY系列位移传感器的主要技术指标,6.1.4 电容式位移传感器的实用结构T 电容式位移传感器的位移测量范围在1 m10 mm之间， 变极距式电容传感器的测量精度约为2，变面积式电容传感器的测量精度较高， 其分辨率可达0.3 m。 图6-3是一个差动变面积式电容位移传感

4、器的应用结构图。 它主要由两个固定电极6和活动电极8构成变面积式电容传感器。 活动电极8被固定在测量杆1上，并由两个带槽簧片2所定位。 为使测量杆1与被测物体可靠接触，在测量杆1的上端装有弹簧3。 当进行测量时，测量杆1带着活动电极8随被测物体的位移而移动，从而使活动电极8与固定电极6之间的遮挡面积发生变化， 使它们之间两个电容量发生大小相等、极性相反的变化。 电容量的变化由三根引线5与外接检测电路相连， 完成对物体位移量的检测。 这种传感器的线性范围宽，分辨率高，可使用在要求测量精度高的场合。,图6-3 电容式位移传感器的应用结构图,6.1.5 光电式位移传感器 如图6-4所示是反射式光电位

5、移传感器的工作原理图。 图中1为脉冲闪光灯， 由脉冲电源供电点火。 脉冲闪光灯产生的光脉冲投向反射镜2，经反射镜2再投向与被测物体4相连的返转反射镜3上。 当脉冲闪光灯闪光时， 脉冲电源还向示波器8的X轴输入端输入扫描电压， 使示波器上出现一条水平扫描线。,图6-4 反射式光电位移传感器工作原理图,由返转反射镜3反射回来的光脉冲经反射镜2、 平面反射镜5反射后，由聚焦透镜6聚焦后投射到光电倍增管7的阴极上。 光电倍增管7在光脉冲作用下产生的电脉冲经放大器放大后， 输入给示波器8的Y轴输入端。这样，在示波器的水平扫描线上就会出现一个反射信号的脉冲。由于扫描起始时间与脉冲闪光灯输出的光脉冲同用一个

6、脉冲电源工作， 它们在时间上是同步的。 所以， 从扫描的起始点到反射脉冲出现的时间就是光脉冲从发射到返回来传播所需的时间，即t2S/C。式中，S为从反射镜到被测物之间的距离；C为光在空气中的传播速度。 当被测物体产生位移时， 只要由示波器的标志脉冲和位移脉冲的时间间距， 测得发生位移后的时间变化， 即可得到物体的位移量。,6.1.6 光纤位移传感器及其应用 1. 光纤位移传感器的原理与特性 光纤位移传感器可分为元件型（FF型）和天线型（拾光型）两种型式。 天线型光纤位移传感器的工作原理如图6-5所示。 其中， （a）为传感器的工作原理。 由恒定光强的光源发出的光经耦合进入入射光纤， 并从入射光

7、纤的出射端射向被测物体， 被测物体反射的光一部分被接收光纤接收， 根据光学原理可知反射光的强度与被测物体的距离有关。 将反射光的强度通过光电转换和处理电路输出电信号， 测量电信号的变化即可得到物体的位移。,图6-5 天线式光纤位移传感器的工作原理与特性 （a） 工作原理； （b） 光反射原理； （c） 输出特性,如图6-6所示为光电转换及放大电路。 光电转换元件通常使用光敏二极管， 放大电路由两级运算放大器组成。 为保证转换的稳定性， 电路中的电阻应选用温度系数小的精密电阻， 电容器应选用漏电小的涤纶电容器。,图6-6 光纤位移传感器光电转换及放大电路,2. 光纤位移传感器的应用 如图6-7所

8、示是用光纤传感器测量立式铣床主轴变位量的装置简图。传感器由两段光纤构成。当两段光纤之间产生相对位移时，通过的光强便发生变化，从而可测量位移值。,图6-7 光纤传感器测量主轴变位量的装置,6.1.7 激光扫描测径仪 激光扫描测径仪原理图如图6-8所示。 同步电机1带动位于透镜3（能得到完全平行光和恒定扫速的透镜）焦平面上的多面反射镜2旋转， 使激光束扫描被测物体4， 扫描光束由光电器件5接收转换成电信号并被放大。 为了确定被测物轮廓边缘在光电信号中所对应的位置，采用了两次微分电路，其输出波形如图6-9所示。其中，图6-9（a）中， 由于物体轮廓的光强分布因激光衍射影响存在缓慢的过渡区而不能准确形

9、成边缘脉冲。 为了尽量减小衍射图样， 除了选取短焦距透镜外， 还采用了电路处理方法。 在一般的信号处理中， 取最大输出的半功率点（即I0/2）作为边缘信号。 这种方法受激光光强波动、 放大器漂移等影响而不易得到高的精度。,为了得到较高的测量精度， 可对光电信号通过电路二次微分，并以二次微分的过零点作为轮廓的边缘位置。这种方法在激光光束直径为0.8 mm的情况下， 可得到1 m的分辨率和3 m的测量精度。二次微分电路的输出经控制门电路， 让时钟脉冲在表征轮廓边缘的电脉冲之间通过， 经电路运算处理， 最后以数字形式显示出被测直径。,图6-8 激光扫描测径仪原理图,图6-9 检出被测轮廓边缘两次微分

10、输出波形,6.1.8 用PSD测量移动物体的位置 1. 测量原理 如图6-10所示，在被测物体上安装发光二极管LED， 通过设置在PSD前面的聚光透镜， 在受光面上得到光点。选择合适的PSD受光面积， 确保这光点进入受光面。当位于PSD前面的物体在一定范围内左右移动位置时，LED随之移动，通过聚光透镜在PSD上成像， 测量该移动点像， 根据简单的几何光学计算即可得到被测物体移动的位置。 按图中数据，光点直径为5 mm20/200= 0.05 mm，光点移动范围为1000mm20/2000=10 mm。因此，选择受光面为112 mm的一维PSD。,图6-10 测量在左右方向移动物体的位置,2.

11、信号光源与偏置电压的选择 如果被测量对象、 光源及PSD在外部有遮挡的情况下， 可采用在其敏感波长范围内的任何光源。 然而， PSD多在周围有光（白炽光、 荧光、 水银光、 太阳光等）的情况下使用， 这就要采用可见光截止型（窗口材料）的PSD， 信号光源使用红外LED及白炽灯。 还可以根据周围光的强度调整PSD的饱和电流值标准， 使PSD能在一定的周围光强度下具有位置检测功能。 电极间电阻越低， 反向偏置越大， 饱和电流越大， 在周围光为强光的情况下， PSD照样能工作。,3. 响应速度与电极间电阻和反偏置电压的关系 在PSD受光面上光点位置高速移动以及信号光源为脉冲灯光而消除周围的光成分时，

12、 PSD需要高速响应工作， 应选用电极间电阻小的PSD， 加上较大的反偏置电压，在结电容较小的状态下使用。 响应时间约为 1 s左右。,4. 位置检测误差 PSD位置检测误差最大约为全受光长度的2%3%。 若要求检测精度更高时， 可使用查表补偿或调整增益等方法。,5. 电极间电阻与位置分辨率 位置分辨率是指在PSD受光面上能检测的最小变位， 用受光面上的距离x表示为,（6-1）,式中，I0=I1+I2，(I2-I1）为x引起的(I2-I1）变化量。 若电流差为无限小，则电流I1和I2中含有的噪声电流分量决定了位置分辨率。 电路中含有的噪声电流分量主要有三种， 即电流中含有的散粒噪声电流、 电极

13、间电阻产生的热噪声电流和运放的输入换算噪声电压除以电极间电阻的电流等。,6.1.9 数字式超声波测距仪 图6-11是用数字测距专用集成电路SB5027组成的数字式超声波测距仪电路原理图。 集成电路SB5027为CMOS大规模集成电路， 电路内有动态数码信息输出电路、 键盘操作电路、 数据存储电路、 参数设定电路、 准确度校正电路等全部仪表电路功能， 而且外围电路特别简单， 是一种功能齐全的超声波测距专用电路。,图6-11 数字式超声测距仪电路原理图,SB5027采用40/44脚QFP、 DIP及PLCC封装形式， 能输出5位数码和14位符号的距离、 状态信息， 可进行人机对话。 SB5027内

14、部集成有中央处理器、 存储器、 日历、 分频器、 比较器、 标准40 kHz超声波发生器以及回波响应脉冲接收处理器。 发射频率稳定度高， 与外置振荡电路相比， 不易受温度、 湿度和元件参数一致性影响而改变频率。,该超声波测距仪采用动态跟踪数字显示方式。 它有六位数字显示和六种状态显示， 其中S为秒信号显示， B为报警信号输出显示， YJ为距离报警开关接通状态显示， SX、 ZX、 XX分别为三个限值信号输出。 全键盘共15个键， 其中09为数字键， 用来输入各预置参数的设定， 其余5个键为功能键。 在数字键中“0”、 “1”、 “2”、 “3”为双功能键。 “0”为显示消隐键， 按下此键后，

15、显示器消隐， 可节省电能。 “1”键又可作月日显示操作， “2”键可作时分显示操作， “3”键可作距离显示操作。 在五个功能键中， MUP键为进入参数设定菜单/向前翻页键， SEC键为退出设置状态键， STP为测量精度定标键， ALM为报警声开关， ENT为参数存储设定键。,当需要进行测量精度标定时，在距离检测仪工作正常的情况下， 按下MUP键， 在菜单中找出“OY”。在菜单OY下，输入从收发传感器位置平面到目标物平面的实际精确距离数值后， 按下STP键，最后按下ENT键，将定标参数存储到存储器中。 本电路采用专用的红外线前置放大电路CX20106放大超声波传感器R40（接收）输出的十分微弱的

16、信号电压，以提高其测量精度。CX20106的7脚输出，再通过两级反相器F1、F2进行整形后从第12脚输入到SB5027中。 超声波发射信号由SB5027的1脚输出，经F3缓冲和整形后， 由V1放大，通过变压器T进行阻抗变换后，由发射头T40向外发射。 报警信号由SB5027的8脚输出， 经V2放大后，由扬声器放出。,6.2 数字式位置测量技术,6.2.1 位置检测技术在机床上的应用 1. 用光电旋转编码器控制机床的纵向进给速度 如图6-12所示，将光电旋转编码器安装在机床的主轴上， 检测主轴的转速， 经脉冲分配器和数控逻辑的运算， 输出进给速度指令控制丝杆进给电机， 达到控制机床的纵向进给速度

17、的目的。 这种半闭环控制的精度受光电旋转编码器的分辨力和进给丝杆的累积误差影响较大。,图6-12 机床纵向进给速度控制原理图,2. 感应同步器在镗床上的应用 镗床在加工零件前常使用块规确定零件的加工中心以保证加工精度。 这种方法烦琐、 效率低。 在镗床的垂直方向和纵向安装感应同步器， 用感应同步器和数显表可直接准确地确定零件的加工中心， 既保证了精度又提高了效率。 如图6-13所示为国产TX611型数显卧式镗床外观图。 在主轴上上下移动的垂直坐标（y轴）装有感应同步器的定尺4和滑尺3， 在上滑座横向移动的坐标（x轴）装有感应同步器的定尺2和滑尺1。 该镗床采用最简单的半开启式防护罩， 主要防止

18、铁屑滑伤定、 滑尺绕组， 同时避免灰尘和油液的侵入。 数显表5安装在可以转动的表架上， 以便操作者调整视角。,图6-13 数显卧式镗床外观图,该镗床坐标定位准确度在全行程为0.03 mm， 加工精度可优于0.06 mm。 根据标准规定， 定位准确度是在全行程内每相距50 mm检一点。 对于0.03 mm的定位准确度要求， 在调整接长感应同步器定尺和检定精度时， 长度基准可以选用精密线纹米尺（准确度为5 m）， 用读数值为1 m的读数显微镜读数。,6.2.2 直线式感应同步器数显装置的安装与调整 1. 感应同步器的安装与调整 感应同步器安装总图如图6-14所示。 标准型直线感应同步器安装尺寸如图

19、6-15所示。,图6-14 感应同步器安装总图,图6-15 标准型直线感应同步器的外形尺寸、 安装尺寸和安装要求,1） 安装要求 安装感应同步器时应注意以下几点技术要求： （1） 定尺侧母线与机床导轨基准面A的不平行度允差0.1 mm/全长，定尺安装平面与机床导轨基准面B的不平行度允差0.04 mm/全长。 （2） 滑尺侧母线与机床导轨基准面A的不平行度允差0.02 mm/全长。 （3） 定尺基准侧面与滑尺基准侧面相距880.10 mm。,（4） 定尺与滑尺的间隙为0.250.05 mm， 在全行程中间隙变化应小于0.1 mm。 （5） 定尺与滑尺的平行度，在滑尺四角处用塞尺测得间隙差值应小于

20、0.05 mm，全行程中平行度变化应小于0.01 mm。 （6） 定、 滑尺的绕组面应垂直安装， 以防积尘。 定、 滑尺安装位置应考虑调整和维修方便， 不宜安装在易受扭动的位置。,2） 尺座和防护罩 （1） 定尺尺座： 它是安装定尺的底座。 从结构上讲， 定尺尺座应包括： 导缘和定尺的安装面。 在每块定尺的安装位置，除了三个固紧定尺的M6螺孔外，还应该有一个孔径为5 mm、深为5 mm接长用调整孔，以调整定尺间的接缝。 如果定尺尺座直接安装在机床毛面上， 必须要有调整安装面与机床导轨面不平行度的调整机构。 根据需要， 可以设销钉孔和起吊孔。,图6-16 装在机床毛面上的定尺尺座,（2） 滑尺尺

21、座： 如图6-18所示， 滑尺的尺座应考虑定、 滑尺之间的间隙调整， 一般采用调整垫调整。 调整垫装在滑尺与滑尺座之间， 如果间隙大了， 可取下调整垫磨去一些。 安装好之后应打入销钉， 防止松动。 （3） 防护罩： 为防止撞伤、 切削及切削液进入气隙， 应在定尺和滑尺的全行程中（包括两端）加防护罩。 防护罩必须有一定的强度（如用1.52.5 mm钢板）， 固定面要加防油垫。,图6-17 装在机床加工面上的定尺尺座,图6-18 滑尺尺座,3） 感应同步器在机床上的安装 （1） 在机床毛面上的安装：图6-19是直线感应同步器在机床毛面上安装定尺尺座的情况。这种安装方法虽然比较复杂， 但可安装在机床

22、毛面上，又可在机床外接长。接长的精度好， 可减少器件在机床上的安装时间，因此应用较多。 （2） 在机床加工面上的安装： 图6-20是一台卧式镗床纵向安装图。 定尺组件直接安装在机身加工面上。,图6-19 感应同步器在机床毛面上的安装,图6-20 感应同步器在机床加工面上的安装,4） 定尺接长 直线感应同步器定尺的每块长度为250 mm(名义尺寸)， 在应用中因滑尺要全部覆盖在定尺上， 在测全行程超过150 mm时， 必须使用多块定尺接长。 定尺接长应选择误差曲线偏上偏下的相间排列并调整两块定尺之间的接缝宽度， 使接长后的定尺组件在全行程上的累积误差能最大限度地减小。,为了调整接长的定位精度，

23、可用数显表显示出来的尺寸（调好滑尺的匹配及增益）和标准刻线尺（精密光学线纹尺）或块规千分表来比较。 先将第一块定尺固定好， 使滑尺和第一块定尺耦合。 按下校对开关， 即显示尺位。 稍稍移动滑尺， 精密显示为0.00， 并使m表指示最小， 记下精密量仪的读数。 移动滑尺到第二块定尺， 使精密量仪读数增加250.00 mm。 固定滑尺， 微动定尺， 使数显表也增加250.00 mm， 并使m表对零， 将第二块定尺固定。 复查（每点读三次， 重复误差在3 m内算稳定）后调第三块定尺。,5） 定、 滑尺安装注意事项 （1） 安装螺孔要与安装面垂直， 以免旋转时移动定尺。 （2） 紧固螺钉应小于孔径2

24、mm以上以便有足够的调整余量。 （3） 紧固螺钉与尺面之间应加胶木垫， 以免绝缘损伤。 （4） 接线要牢固， 对地绝缘电阻保持在1 M以上。 （5） 调整定尺时，应用如图6-21所示的专用调整杆。严禁敲打定尺端来调整，以免将绕组和绝缘面砸伤。每块定尺上有一个7 mm的调整用孔，尺座上对应位置有5 mm、深5 mm的孔。 调整时将调整杆的4.8 mm球头塞入尺座的5 mm孔内，利用6.5 mm球面，如杠杆一样来调整定尺位置。,图6-21 定尺位置调整杆,（6） 定尺在调整前应该粗定位。可用一个如图6-22所示的定位杆插入7 mm和5 mm的调整孔， 然后将中间的紧固螺钉拧紧即可。 调整该定尺时再

25、微微松开该螺钉。,图6-22 定尺定位杆,2. 数显表的安装调试 数显表应选择便于观察和操作的位置安装， 前置放大器装在定尺的一端， 匹配变压器装在滑尺架上， 电缆尽量从机床内部穿过， 交流220 V电源最好接到机床的稳压电源上以减少干扰。 定、滑尺按技术要求安装调整好、系统连接符合要求后， 数显表按下面的步骤开机调试。 （1） 接好电源：将面板上的电源开关接通，数码管应变亮。 （2） 检查置数和复零： 将拨码盘预置数（包括符号）， 按“置数”按钮， 应该显示拨码盘预置的符号和数码。 按下复零按钮， 六位数码管应全部显示零。,（3） 检查显示器计数情况： 将后面板上的检查开关拨到“正计”， 显

26、示器在“+”符号区作加计， “”符号区应作减计。 如开关拨到“反计”， 则在“+”符号区作减计， “”符号区作加计。 减计数过全零应改变符号， 同时变成加计数。 如计数正常， 则将开关放在“工作”位置。 （4） 校对尺位： 按“校对”按钮，应显示正尺位。 连续按几次，显示数字应相同。 ,（5） 调整误差放大量： 在极距零附近， 当滑尺与定尺相对位移为0.7 m时， 误差信号应超过门槛值， 使末位(0.01 mm)计一个数。 此时表头的指针应逐渐偏转摆到+7， 再突变到3（或由7突跳到+3， 视位移的方向而定）。 如误差信号大小不合适， 不能达到此要求， 可调整面板上的“增益”。 如表针指示为+

27、7到1， 说明放大量不足， 应将“增益”电位器顺时针旋转， 提高增益。 此项调整需调整到使指针的偏转达到+7到3的要求为止。 （6） 前置放大器放大倍数的调整：如定尺接长超过10 m，此时误差信号的放大量调到最大仍不够，可打开前放盒，将输入抽头改接， 前放的放大倍数可增大到2000倍左右。 ,（7） 移动滑尺， 观察显示计数及符号。 运动方向按习惯定出， 如横坐标由左到右为正向， 纵坐标由下到上为正向。此时要求显示器在“+”符号区作加计， 若实际使用中作减计，可将励磁到滑尺的正弦或余弦两对励磁接线中任意一对的两个头对调。 在任意位置复零作为坐标原点。 离开原点运动时， 计数器作加计，趋向原点时

28、， 计数器作减计。 经过原点时， “+”、 “”符号改变。 部分国产感应同步器数显表的技术特性见表6-2。,表6-2 部分国产感应同步器数显表的技术特性,3. 安装变形误差及其补偿 1） 安装变形误差 理想的标尺是绝对平直的，其安装平面也是绝对平直的， 这时不产生变形误差。 但是，如果定尺底面不平， 或者安装面不平， 将引起定尺弯曲；另外一种情况是定尺在自由状态下弯曲， 安装时又未压紧，最后也呈弯曲状。 设定尺长为L， 厚度为H， 弯曲量为，则弯曲变形偏差为,（6-2）,可见， 弯曲变形偏差与标尺长度成反比，与厚度和弯曲变形成正比。 当绕组面凸起变形时， 偏差为正， 表示伸长； 当绕组面凹曲变

29、形时， 偏差为负， 表示缩短。,2） 误差补偿 （1） 位置测量误差的主要来源如下： 测量系统带来的误差：包括标尺误差和细分误差。 标尺误差，如光栅系统的标尺光栅误差，感应同步器定尺零位误差；细分误差指数字系统细分标尺一个周期时的内插误差。 阿贝误差： 阿贝原理指出 “只有当被测量轴线与基准轴线重合， 或在其延长线上时， 由于导轨的直线度或间隙引起的测量误差为最小”。 由于位置测量系统是作为基准安装在机床、 仪器或机械上的， 因此， 必然存在阿贝误差。 , 机械变形误差：由于机械的刚性（包括接触刚性）不足，产生变形误差，该项误差常常在阿贝误差中综合反应出来。 热误差： 该误差是由于测量标尺材料

30、和被测工件材料不同， 且存在温度差(温度梯度)和温度偏离标准恒温20引起的。 除非是局部热温度影响， 一般情况热误差是线性误差。,（2） 位置测量误差补偿方法 位置测量精度的上限取决于机械(几何精度、刚性)、测量系统(精度、安装位置)和温度因素。 即使不考虑温度的影响， 要达到5 m/1000 mm的位置准确度也是很难的，因这时阿贝误差的影响已很明显。对普通精度的机械无需加补偿。 而要求有足够重复精度的，必须进行补偿才能实现。一般说补偿脉冲的当量应该与重复误差值相当。例如，在进行位置测量时， 两次测量的对应点差值和回零误差如果是2 m的话， 则补偿脉冲当量可取为2 m。,6.2.3 数显表 1

31、. 光栅数显表 光栅测量系统， 主要是用长光栅作为检测元件的直线位置测量系统，用圆光栅测角系统和测量圆的分度。 圆光栅配以齿轮、齿条或摩擦轮等， 也可以用于长度测量系统。 不论是长光栅测量系统， 还是圆光栅测量系统， 数显表的基本构成是类似的。 1） 光栅数显表的基本构成 如图6-23所示为光栅数显表的基本原理框图。一般光栅数显表的主要组成部分有：细分电路，方向判别电路（辨向电路），计数、显示电路，绝对零位电路，功能电路。,图6-23 光栅数显表的基本原理框图,2） 光栅数显表的基本电路 目前， 光栅传感器的输出信号通常有两种：第一种是相位差为90的两路方波信号，根据激励源的幅值不同，又分为3

32、5 V和1012 V两种；第二种是相位依次相差90的四路正弦波信号，幅值为1 Vp-p，除此之外，还有一个绝对零位脉冲信号输出。它通常是一个脉宽略窄于光栅栅距的矩形波。上述信号分别由方向判别和细分电路进行处理。 （1） 辨向电路：光栅传感器的信号可表示为,（6-3）,图6-24 方向判别电路原理,（2） 细分电路： 光栅传感器的栅距比感应同步器的周期、 磁栅的波长要小得多。 目前， 常用的长光栅的栅距是0.04 mm、 0.02 mm、 0.01 mm和0.008 mm， 相当于25线/mm、 50线/mm、 100线/mm和125线/mm； 圆光栅的线纹数为129250、 600线/周。 虽

33、然光栅有很高的刻线密度， 但是在高精度的测量中， 要求获得更高的分辨率。 虽然可以采用更小的光栅节距来实现， 但是这种方法在技术上难点较多， 在经济上也是不合算的。 因此， 采用电子技术对光栅莫尔条纹进行细分来提高分辨率是目前应用最广的方法， 经细分后， 在相同的工作速度下， 计数脉冲的频率相应地提高了， 故习惯上又称为倍频。,电子细分技术的基本原理是正/余弦信号组合技术。 由光源、 光栅副、光电元件和前置放大器组成的光栅读数头输出的信号可以写成正/余弦函数， 将它们进行不同的组合可以构成多种细分方案。主要有：直接细分，一般为四倍频细分；电桥细分与电位器链细分，对光栅输出信号要求严格，且消耗一

34、定的功率； 复合细分，细分数可以做到4080，有较高的细分精度， 但是电路比较复杂； 相位调制细分， 细分数可以很高， 通常为2001000， 但对电路中的滤波器有相应的要求； 锁相倍频， 在实现高细分数时有明显的优越性。 带有单片机的数显表， 还可用软件实现任意的细分数。,最简单的方法是通过四相光电元件获得的四路相位差依次为90的正弦信号， 是早期采用的细分方法， 目前仍广泛应用于光栅测量系统中。 对于25线/mm的光栅， 其分辨力为0.04 mm， 四倍频细分后可得到0.01mm的数字读数（分辨力）。 典型的四倍频细分电路如图6-25所示。,图6-25 四倍频细分和辨向电路 （a） 电原理

35、图； （b） 波形图,2.兼容式数显表原理 兼容式数显表的原理方框图如图6-26所示。,图6-26 兼容式数显表的原理框图,感应同步器、 光栅和磁栅兼容式数显表电路的主要部分是兼容的。 以光栅数显表为基础， 在主机上仅增加了为感应同步器和磁栅设置的滤波和放大整形电路。 因此， 其价格可以与目前国内生产的光栅数显表相当。 兼容式数显表用于感应同步器或磁栅测量系统时， 需要再配备一个前放盒， 它在整机成本中只占很小的一部分， 而且它可以根据用户的需要来决定是否必须配置。 图6-27为一种兼容式数显表的外形图。,图6-27 POSITIP808兼容式数显表的外形图,6.2.4 数显量具 1. 数显量

36、具的特点 1） 功能、性能和精度 （1）LCD数字显示： 大多用液晶显示， 读数方便准确， 免除了机械量具的游标读数误差， 并可提高检测效率， 对于大批量生产条件下的量限检测优点更为明显。 （2）分辨率高和测量精度高： 例如电子卡尺分辨率都可达0.01 mm，测量准确度达0.020.03 mm；电子千分尺分辨率可达0.001 mm，测量准确度达0.002 mm，能满足精密加工测量的要求。 （3） 具有公英制转换功能： 这是机械量具无法实现的。,（4） 浮动置零功能： 零位任选， 即浮动置零， 因此可以作比较测量， 即在标称尺寸位置置零时， 便可读出一批零件的尺寸的正负偏差值， 这对于测锥度和壁

37、厚等尺寸尤为方便， 不再需要进行运算。 （5） 有数据存储功能。 （6） 有多种报警功能： 显示方式有符号显示或闪光报警。 可具有电源欠压报警、 超速报警、 干扰报警、 传感器玷污报警等。 （7） 抗干扰功能强： 能在车间条件下使用。 ,（8） 功耗小： 采用CMOS大规模集成电路和LCD液晶显示， 功耗小， 并有定时断电功能， 在显示读数后23 min即自行切断电源， 延长了电池使用寿命， 当采用二粒1.5 V氧化银钮扣电池时可连续工作3000 h。 （9） 带有运算功能： 有的数显量具带有运算功能。 如日本NSK公司的DIGITRIX数显千分尺能对256个被测数据进行统计处理， 并打印输出

38、各被测数据及平均值、 极大值和极小值。,2） 电气和机械方面的特点 （1） 采用各种新型位置检测元件： 数显量具的核心部件都采用接触式增量编码器、 光缝码盘、 透射光栅、 反射光栅、 磁栅、 容栅等新型位置检测元件。 （2） 材料性能好： 由于测量精度高， 对主要机械零件的平行性、 平面性和配合精度要求也相应提高了， 有的材料采用不锈钢。,（3） 接口电路：测量元件到数字显示的接口电路主要有： 信号电路。一般为整形、细分、辨向等典型电路。 控制电路。可用一个或多个按钮控制。 微处理器。可完成公英制转换、 数值存储、 置零、 置数、报警。 输出部分。数字和符号显示用LED或LCD七段显示器， 可

39、显示五位数字。 电源电池。 有用24节氧化银电池， 用蓄电池， 用交流供电几种。 交流供电仅用于高度规。,2. 容栅数显卡尺 图6-28为SYLVAC的数显量具外观图。数显游标卡尺量程为1501000 mm； 数显内径千分尺的内径测量范围为2308 mm； 内外径测量游标卡尺测量范围为外径01000 mm，内径501050 mm。,图6-28 SYLVAC的数显量具外观图 （a） 数显游标卡尺； （b） 电子数字式量角器； （c） 电子内径千分卡尺； （d） 水平方向内外径游标卡尺,3. 数显千分尺 图6-29是采用光缝盘编码器的数显千分尺外观图。 由于其耗电较大， 近期的产品较少采用。,图6

40、-29 三丰数显千分尺外观图,用容栅传感器取代光缝式传感器构成的容栅数显千分尺， 由旋转容栅（感应容栅）和固定容栅（激磁容栅）两个元件组成， 如图6-30所示。 旋转容栅上面有5块独立的、 互相隔离且均匀分布的金属导片， 其余部分的金属连成一片和地相通， 形成感应极， 如图6-30（a)JP所示。 固定容栅是激磁容栅， 它的外圈均匀分布着40条金属导片， 共分成8组， 每组5条导片， 通过金属化小孔， 从背面每隔4条连成一组， 形成发射极， 如图6-30（b)所示。 它的中间有两圈金属环是接收极， 里圈的金属环接地。 安装时固定容栅不动， 旋转容栅随螺杆旋转， 由接收极送出角位移信号。 这种容

41、栅传感器只有两个元件， 结构简单； 但只有5组40条导片， 精度稍低。,图6-30 数显千分尺用容栅 （a） 感应容栅； （b） 激磁容栅,4. 数显高度规 较先进的数显高度尺可测量工件的高度、长度、内孔直径、 孔距尺寸和形状位置公差（直线度、 垂直度），在高度尺上装有系统误差自动补偿机构，测量结果由液晶显示，这种数显尺采用玻璃光栅作检测元件。高度尺底座中装有空气轴承，当按开关时，气泵打气使底座和检验平台之间形成几个微米的气垫， 以使移动轻快，便于操作，同时也减少了磨损。 图6-31是TRIMOS公司的高度尺外观图。,图6-31 TRIMOS的高度尺 （a） 电子高度测量和垂直检测仪；（b）

42、电子高度测量和划线仪 （c） 电子工具预调和二轴向测量仪,5. 数显百分表（千分表） 图6-32是数显千分表的外观图。 它具有数字和模拟两种显示功能， 数字读数表示零位偏差， 模拟显示表示测量情况。 模拟显示扇形显示刻度值， 超差时闪光显示， 有六个功能开关自动对零， 还有上下定位和测杆限位信号， 采用碱性电池供电， 量杆为淬硬不锈钢。,图6-32 数显千分表外观图,6.3 厚 度 检 测,6.3.1 电容测厚仪 如图6-33所示，设电容传感器两极板间距离固定为d0， 被测金属带材上、下两表面与两侧电容极板间距离为dx1、dx2， 它们分别构成两个电容C1和C2， 把两电容极板连接起来，总电容为Cx=C1+ C2 。当带材厚度发生变化时， 电容值也随之变化。,图6-33 电容测厚仪结构示意图,如图6-34所示为频率型差动式电容测厚传感器系统组成框图。将被测电容C1和C2与电感L构成变换振荡器，则dx1和dx2与振荡频率的关系为,（6-4）,式中，r为极板间介质的相对介电常数； A为极板面积； C0为耦合和寄生电容。 那么，被测金属板材厚度为,d0-(dx1+dx2),（6-5）,图6-34 频率型差动式电容测厚传感器系统组成框图,6.3.2 电