【工程测试与信号处理课件】尺寸、线位移测量

1、长度及线位移测量长度及线位移测量长度及线位移测量长度及线位移测量 在机械加工等生产领域，线位移在机械加工等生产领域，线位移/尺寸测量是最为常见的被测尺寸测量是最为常见的被测量。尺寸测量大多定义为两点、两线或两面之间的距离，如轴量。尺寸测量大多定义为两点、两线或两面之间的距离，如轴径、孔径、工件的长宽高等。根据尺寸的测量范围又可划分为径、孔径、工件的长宽高等。根据尺寸的测量范围又可划分为常规尺寸测量（常规尺寸测量（1mm1m）,大尺寸测量（大于大尺寸测量（大于1m）和微小尺）和微小尺寸测量（小于寸测量（小于1mm）。随着技术的快速发展以及数控机床的需）。随着技术的快速发展以及数控机床的需要，被加

2、工尺寸的在线监测也日趋成熟。加工中测量仪用在进要，被加工尺寸的在线监测也日趋成熟。加工中测量仪用在进给式工序的加工机床上，每道工序刀具的进给量均由测得的被给式工序的加工机床上，每道工序刀具的进给量均由测得的被加工尺寸的实际大小确定。加工尺寸的实际大小确定。 线位移测量从物理学定义就是质点在直线方向位置的变化量，线位移测量从物理学定义就是质点在直线方向位置的变化量，就测量值而言，线位移测量与尺寸测量实质是一样的。亦即用就测量值而言，线位移测量与尺寸测量实质是一样的。亦即用于尺寸测量的方法、传感器和仪器大多能用于线位移的测量。于尺寸测量的方法、传感器和仪器大多能用于线位移的测量。长度及线位移测量长

3、度及线位移测量类类 型型测量范围测量范围精确度精确度性能特点性能特点模模拟拟式式滑线电阻器滑线电阻器1300mm0.1%结构简单、使用方便，输出信号大，不宜于用结构简单、使用方便，输出信号大，不宜于用于频率较高的动态测量于频率较高的动态测量电阻应变片电阻应变片250m2%结构牢固、性能稳定、动态特性好结构牢固、性能稳定、动态特性好电感电感式式变气隙式变气隙式0.2mm结构简单、工作可靠，仅用于小位移测量结构简单、工作可靠，仅用于小位移测量差动变压器差动变压器0.08300mm3%分辨力较高、输出信号大，动态特性稍差分辨力较高、输出信号大，动态特性稍差涡流式涡流式05000m3%非接触，灵敏度高

4、，动态特性好非接触，灵敏度高，动态特性好电容电容式式变面积式变面积式10-3100mm0.005%结构非常简单，动态特性好结构非常简单，动态特性好变极距式变极距式0.01200m0.1%分辨力很高，线性范围小，结构简单，动态特分辨力很高，线性范围小，结构简单，动态特性好性好霍尔式霍尔式1.5mm0.5%结构简单，动态特性好，受温度影响大结构简单，动态特性好，受温度影响大数数字字式式感应同步器感应同步器10-3十米十米1.5m/1m结构简单，体积较大，适合大位移静、动态测结构简单，体积较大，适合大位移静、动态测量，用于自动检测和数控机床量，用于自动检测和数控机床计量光栅计量光栅10-3几米几米（

5、0.53）m/3m测量精度、分辨力高，适合大位移静、动态测测量精度、分辨力高，适合大位移静、动态测量，对环境要求较高，价格较贵，用于自动检量，对环境要求较高，价格较贵，用于自动检测和数控机床测和数控机床磁栅磁栅10-3几米几米1m/1m分辨力比光栅和感应同步器低，对环境要求比分辨力比光栅和感应同步器低，对环境要求比感应同步器低，制作工艺简单，容易小型化感应同步器低，制作工艺简单，容易小型化容栅容栅10-3几米几米5m/1m结构简单，动态特性好，功耗小，价格便宜，结构简单，动态特性好，功耗小，价格便宜，环境适应能力强，容易小型化，广泛用于数显环境适应能力强，容易小型化，广泛用于数显量具量具电感测

6、微仪：电感测微仪：测量范围测量范围:1mm;分辨力：分辨力：1m电感式长度及线位移测量电感式长度及线位移测量1-1-差动线圈差动线圈 2-2-铁心铁心 3-3-衔铁衔铁 4-4-测杆测杆 5-5-工件工件 探头探头测量测量电桥电桥交流交流放大放大相敏相敏检波检波指示器指示器振荡器振荡器电感测微头实物图电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置 1 1气缸气缸 2 2活塞活塞 3 3推杆推杆 4 4被测滚柱被测滚柱 5 5落料管落料管 6 6电感测电感测微器微器 7 7钨钢测头钨钢测头 8 8限位挡板限位挡板 9 9电磁翻板电磁翻板 1010容器（料斗）容器（料斗） 差动变压器式位移传感器1-

7、测头；测头；2-轴套；轴套；3-测杆测杆3；4-衔铁；衔铁；5-线圈线圈组；组；6-电插座；电插座；7-屏蔽筒（增加灵敏度和防屏蔽筒（增加灵敏度和防止外磁场的干扰）止外磁场的干扰）8-测杆导向圆片弹簧；测杆导向圆片弹簧；9-弹簧；弹簧；10-防尘罩防尘罩副0EsEs1Es2x副原线圈电涡流效应电涡流效应 当电涡流线当电涡流线圈与金属板的距圈与金属板的距离离x 减小时，电涡减小时，电涡流线圈的等效电流线圈的等效电感感L 减小，等效减小，等效电阻电阻R 增大。感增大。感抗抗XL 的变化比的变化比 R 的变化的变化 大大 得得 多，多，流过电涡流线圈流过电涡流线圈的电流的电流 i1 增大。增大。 涡

8、流式位移传感器 1电涡流线圈电涡流线圈 2探头壳体探头壳体 3壳体上的位置调节螺纹壳体上的位置调节螺纹 4印制印制线路板线路板 5夹持螺母夹持螺母 6电源指电源指示灯示灯 7阈值指示灯阈值指示灯 8输出屏输出屏蔽电缆线蔽电缆线 9电缆插头电缆插头 电涡流探头内部结构CZF-1系列传感器的性能 调幅式（调幅式（AM）电路测量电路）电路测量电路 石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz1MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，

9、最起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如两者之间的距离等参数）。两者之间的距离等参数）。调频（FM）式电路(100kHz1MHz） 当电涡流线圈与被测体的距离当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时，电涡流线圈的电改变时，电涡流线圈的电感量感量L 也随之改变，引起也随之改变，引起LC 振荡器的输出频率变化，此频率振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将必须使用鉴频

10、器，将 f转换为电压转换为电压 Uo 。 涡流位移测量仪 位移测量包含：位移测量包含： 偏心、间隙、位置、偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等等。率、冲程、宽度等等。来自不同应用领域的许来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或多量都可归结为位移或间隙变化。间隙变化。数显数显位移测量仪及探头位移测量仪及探头420mA电涡流位移传感器外形V系列电涡流位移传感器外形齐平式齐平式V系列电涡流位移传感器性能一览表某V系列电涡流位移传感器的机械图 电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响，例如电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响，例如金

11、属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁导率、金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁导率、表面因素、距离等。只要固定其他因素就可以用电表面因素、距离等。只要固定其他因素就可以用电涡流传感器来测量剩下的一个因素。因此电涡流传涡流传感器来测量剩下的一个因素。因此电涡流传感器的应用领域十分广泛。但也同时带来许多不确感器的应用领域十分广泛。但也同时带来许多不确定因素，一个或几个因素的微小变化就足以影响测定因素，一个或几个因素的微小变化就足以影响测量结果。所以电涡流传感器多用于定性测量。量结果。所以电涡流传感器多用于定性测量。 即使即使要用作要用作 定定 量量 测量，也必须采用逐点标定、计算机测量，也必须采

12、用逐点标定、计算机线性纠正、温度补补偿等措施。线性纠正、温度补补偿等措施。 偏心和振动检测通过测量间隙来测量径向跳动测量弯曲、波动、变形 对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。须使用多个传感器。测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪 测量冷轧板厚度测量冷轧板厚度测量尺寸、公差及零件识别 通过测量间隙来通过测量间隙来测定热膨测定热膨胀引起的上下平移胀引起的上下平移测量封口机工作间隙间隙越大，间隙越大，电涡流越小电涡流越小测量注塑机开合模的间隙间距间距镀层厚度测量 由于存在集肤效应，镀层或箔层越厚，电涡流由于存在集肤效应，镀层或箔层越厚，电涡流越小。测量

13、前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的越小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出镀层和铜箔作出“厚度厚度- -输出输出”电压的标定曲线，电压的标定曲线，以便测量时对照。以便测量时对照。 电涡流涂层厚度仪 电感式不圆度计电感式不圆度计 该圆度计采用该圆度计采用旁向式电感测微头旁向式电感测微头 电感式不圆度测量系统外形电感式不圆度测量系统外形测量头测量头旋转盘旋转盘不圆度测量打印电感传感器在粗糙度测量中的应用 手持式粗糙度仪 触针触针: : 金刚石圆锥；金刚石圆锥；针尖圆弧半径：针尖圆弧半径：5m5m；可存储可存储500500个粗糙度参数值及个粗糙度参数值及4 4组轮廓数据；组轮廓数据

14、；可进行粗糙度参数的打印；可进行粗糙度参数的打印；可对外圆、内孔、轴肩、圆锥面等各种复杂表可对外圆、内孔、轴肩、圆锥面等各种复杂表面进行测试；面进行测试；粗糙度仪外形金刚石测头金刚石测头粗糙度测量结果打印（2）长度及线位移测量长度及线位移测量 感应同步器感应同步器 感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理制成的用来测直线或转角位移的传感器。测量直线位移的原理制成的用来测直线或转角位移的传感器。测量直线位移的称为长感应同步器，测量转角位移的称为圆感应同步器。感的称为长感应同步器，测量转角位移的称为圆感应同步器。感应同步器具有如

15、下优点：应同步器具有如下优点：（1）具有较高的测量精度和分辨力。目前直线式感应同步器的）具有较高的测量精度和分辨力。目前直线式感应同步器的精度可达精度可达1.5m，分辨力达，分辨力达0.05m；直径；直径300mm的圆感应同的圆感应同步器精度达步器精度达1，分辨力达，分辨力达0.05。（2）感应同步器基于电磁感应原理，感应电势仅取决于磁通量）感应同步器基于电磁感应原理，感应电势仅取决于磁通量的变化率，几乎不受环境因素如温度、油污、尘埃等的影响。的变化率，几乎不受环境因素如温度、油污、尘埃等的影响。（3）工作时无接触摩擦、磨损，使用寿命长，工作可靠，抗干）工作时无接触摩擦、磨损，使用寿命长，工作

16、可靠，抗干扰能力强，非常适合于恶劣的工作环境，便于维护。扰能力强，非常适合于恶劣的工作环境，便于维护。（4）直线式感应同步器的测量范围，可以根据需要将若干个定）直线式感应同步器的测量范围，可以根据需要将若干个定尺接长使用，长度可达尺接长使用，长度可达20m。（5）工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。）工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。长度及线位移测量长度及线位移测量直线式感应同步器结构示意图直线式感应同步器结构示意图 典型周期为典型周期为2mm 长度及线位移测量长度及线位移测量 圆感应同步器结构示意图圆感应同步器结构示意图定子定子 转子转子长度及线位移测量长度及线位移测量长度及线位移

17、测量长度及线位移测量正、余弦绕组在定尺中的正、余弦绕组在定尺中的感应电动势分别写成感应电动势分别写成 sincossmcmeEeE/x W其其中中长度及线位移测量长度及线位移测量感应同步器的信号处理与测量电路感应同步器的信号处理与测量电路1.鉴相法信号处理鉴相法信号处理sinsmuUtcoscmuUt正弦绕组激励正弦绕组激励余弦绕组激励余弦绕组激励cossinsincosssmccmek Utek Ut 定尺绕组定尺绕组上的感应上的感应sincoscossinosccmsmeeek Utk Ut定尺绕组定尺绕组输出为输出为sin()sin()ommekUtEt长度及线位移测量长度及线位移测量2

18、.鉴幅法信号处理鉴幅法信号处理coscossmuUtsincoscmuUt正弦绕组激励正弦绕组激励余弦绕组激励余弦绕组激励定尺绕组输出为定尺绕组输出为sinsincossincossinsin()sinsin()sinocsmmmmeeekUtkUtkUtEt长度及线位移测量长度及线位移测量1测杆；测杆；2膜片；膜片；3、5开槽簧片；开槽簧片；4活动电极筒；活动电极筒；6-接线座；接线座；7-调节螺钉；调节螺钉；8-引线；引线；9-弹簧；弹簧；10、11-固定固定电极筒电极筒电容式电容式长度及线位移测量长度及线位移测量总电容为总电容为Cx=C1+C2，作，作为一个桥臂，为一个桥臂，C Cx x

19、与固定与固定电容电容C0、变压器、变压器T的次的次级级L1和和L2构成电桥，音构成电桥，音频信号经变压器耦合为频信号经变压器耦合为电桥提供交流电源。电桥提供交流电源。如果带材只是上下波动，如果带材只是上下波动，电容的增量一个增加一电容的增量一个增加一个减少，总的电容量个减少，总的电容量Cx=C1+C2不变；如果带不变；如果带材的厚度变化，则电容材的厚度变化，则电容Cx将随之变化，电桥将将随之变化，电桥将该信号变化转换为电压，该信号变化转换为电压，经放大、整流等处理电经放大、整流等处理电路后，输出的直流信号路后，输出的直流信号指示厚度变化值指示厚度变化值 光栅位移传感器光栅位移传感器(Optic

20、al gratings) 在一块长条形在一块长条形( (圆形圆形) )光学玻璃光学玻璃( (或金属或金属) )上进行均匀刻划，上进行均匀刻划，可得到一系列密集刻线，如图所示，这种具有周期性刻线分可得到一系列密集刻线，如图所示，这种具有周期性刻线分布的光学元件称为光栅。布的光学元件称为光栅。图中，图中，a为光栅刻线宽度，为光栅刻线宽度，b为光栅缝隙宽度为光栅缝隙宽度，a+b=W 称为光称为光栅的栅距栅的栅距( (也称光栅常数也称光栅常数( (Grating period) ) )。为了方便处理，。为了方便处理，通常取通常取a=b=W/2。 光栅式传感器有如下的特点：光栅式传感器有如下的特点：(1

21、) (1) 大量程兼有高分辨力和高精度。在大量程长度与直线位移测大量程兼有高分辨力和高精度。在大量程长度与直线位移测量方面，长光栅测量精度仅低于激光干涉传感器；圆分度和角位量方面，长光栅测量精度仅低于激光干涉传感器；圆分度和角位移测量方面，圆光栅测量精度最高。一般长光栅测量精度达移测量方面，圆光栅测量精度最高。一般长光栅测量精度达(0.5(0.53)/3000 mm3)/3000 mm，分辨力达，分辨力达0.10.1m m，圆光栅测量精度达，圆光栅测量精度达0.150.15，分辨力达分辨力达0.10.1。(2) (2) 可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化。可实现动态测量，易于实现测

22、量及数据处理的自动化。(3) (3) 具有较强的抗干扰能力，适合一般实验室条件和环境较好的具有较强的抗干扰能力，适合一般实验室条件和环境较好的车间现场。车间现场。 光栅式传感器在几何量测量领域有着广泛的应用，所有与长度光栅式传感器在几何量测量领域有着广泛的应用，所有与长度( (位移位移) )和角度和角度( (角位移角位移) )测量有关的精密仪器中都经常使用光栅式测量有关的精密仪器中都经常使用光栅式传感器，此外，在测量振动、速度、应力、应变等机械测量中也传感器，此外，在测量振动、速度、应力、应变等机械测量中也常有应用。常有应用。 一、一、计量光栅的种类计量光栅的种类 利用光栅的莫尔条纹利用光栅的

23、莫尔条纹(现象进行精密测量的光现象进行精密测量的光栅称为计量光栅。根据基材不同，分为金属光栅与玻璃光栅；栅称为计量光栅。根据基材不同，分为金属光栅与玻璃光栅；根据刻划形式不同，分为振幅光栅与相位光栅；根据光线的走根据刻划形式不同，分为振幅光栅与相位光栅；根据光线的走向，分为透射光栅与反射光栅；根据用途不同，分为长光栅与向，分为透射光栅与反射光栅；根据用途不同，分为长光栅与圆光栅。圆光栅。1 1长光栅长光栅 刻划在玻璃尺上的光栅称为长光栅，也称为刻划在玻璃尺上的光栅称为长光栅，也称为光栅尺光栅尺( (Grating ruler) )，用于测量长度或直线位移。其刻线相互平行，一般以每，用于测量长度

24、或直线位移。其刻线相互平行，一般以每毫米长度内的栅线数毫米长度内的栅线数( (即栅线密度即栅线密度) )来表示长光栅的特性。来表示长光栅的特性。 根据栅线型式的不同，长光栅分根据栅线型式的不同，长光栅分黑白光栅黑白光栅和和闪耀光栅闪耀光栅。黑白光。黑白光栅是指只对入射光波的振幅或光强进行调制的光栅，所以又称振栅是指只对入射光波的振幅或光强进行调制的光栅，所以又称振幅光栅。闪耀光栅是对入射光波的相位进行调制，也称相位光栅。幅光栅。闪耀光栅是对入射光波的相位进行调制，也称相位光栅。振幅光栅的栅线密度一般为振幅光栅的栅线密度一般为2020125125线线/mm/mm，相位光栅的栅线密度，相位光栅的栅

25、线密度通常在通常在600600线线/mm/mm以上。以上。Grating ruleropaquetransparentGrating ruler glass plateLight sourcePhoto-detectorreflectiveNon-reflective steel plateGrating rulerLight sourcePhoto-detector2 2圆光栅圆光栅刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅，也称光栅盘刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅，也称光栅盘( (Grating disk) )，用来测量角度或角位移。圆光栅的参数多数是以整圆上刻线数用来测量角度或角位移。圆光栅的参数多

26、数是以整圆上刻线数或栅距角或栅距角( (也称为节距角也称为节距角)来表示，它是指圆光栅上相邻两栅来表示，它是指圆光栅上相邻两栅线之间的夹角，如图所示。线之间的夹角，如图所示。根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种是径向光栅，另一种是切向光栅，一种是径向光栅，另一种是切向光栅，切向光栅适用于精度要求较高的场合。切向光栅适用于精度要求较高的场合。二、莫尔条纹二、莫尔条纹(Moir Patterns)长光栅莫尔条纹的宽度为长光栅莫尔条纹的宽度为122212122cosWWBWWWW式中：式中：W W1 1为标尺光栅为标尺光栅1(1(也称也称为主光栅为主光栅) )的光

27、栅常数；的光栅常数；W W2 2为为指示光栅指示光栅2 2的光栅常数；的光栅常数；为为两光栅栅线的夹角。两光栅栅线的夹角。 1. 1.莫尔条纹的特性莫尔条纹的特性 莫尔条纹有如下的重要特性：莫尔条纹有如下的重要特性： 1) 1) 运动对应关系运动对应关系 莫尔条纹的移动量与移动方向与两光栅的相对位移量和位移方莫尔条纹的移动量与移动方向与两光栅的相对位移量和位移方向有着严格的对应关系。当主光栅向右运动一个栅距向有着严格的对应关系。当主光栅向右运动一个栅距W W1 1时，莫尔时，莫尔条纹向下移动一个条纹间距条纹向下移动一个条纹间距B B ；如果主光栅向左运动，则莫尔；如果主光栅向左运动，则莫尔条纹

28、向上移动。所以，光栅传感器在测量时，可以根据莫尔条条纹向上移动。所以，光栅传感器在测量时，可以根据莫尔条纹的移动量和移动方向，来判定主光栅纹的移动量和移动方向，来判定主光栅( (或指示光栅或指示光栅) )的位移量的位移量和位移方向。和位移方向。 2) 2) 位移放大作用位移放大作用若两光栅栅距若两光栅栅距W W相同，两光栅栅线的夹角相同，两光栅栅线的夹角很小，则有很小，则有sinWWB可明显看出，莫尔条纹有位移放大作用，放大倍数为可明显看出，莫尔条纹有位移放大作用，放大倍数为1/1/ 3) 3) 误差平均效应误差平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均作莫尔条纹由光栅的大

29、量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均作用，几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚用，几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微，从而提高了光栅传感器的测量精度。微，从而提高了光栅传感器的测量精度。 2 2莫尔条纹的种类莫尔条纹的种类 1) 1) 长光栅的莫尔条纹长光栅的莫尔条纹 (1) (1) 横向莫尔条纹。横向莫尔条纹。两光栅的光栅栅距相等，即两光栅的光栅栅距相等，即W W= =W W1 1= =W W2 2，以夹，以夹角相交形成的莫尔条纹称为横向莫尔条纹。角相交形成的莫尔条纹称为横向莫尔条纹。(2) (2) 光闸莫尔条纹。光闸莫尔条纹。两光栅的光栅栅距相等，栅线的夹

30、角两光栅的光栅栅距相等，栅线的夹角= =0 0时，时，莫尔条纹宽度莫尔条纹宽度B B趋于无穷大。两光栅相对移动时，对入射光就像趋于无穷大。两光栅相对移动时，对入射光就像闸门一样时启时闭，故称为光闸莫尔条纹。两光栅相对移动一闸门一样时启时闭，故称为光闸莫尔条纹。两光栅相对移动一个栅距，视场上的亮度明暗变化一次。个栅距，视场上的亮度明暗变化一次。 (a) (a) 刻线对齐刻线对齐 (b) (b) 错开错开W W/4 (c) /4 (c) 错开错开W W/2 (d) /2 (d) 错开错开3 3W W/4/4 2) 2) 圆光栅的莫尔条纹圆光栅的莫尔条纹 (1) (1) 径向光栅的莫尔条纹。径向光栅

31、的莫尔条纹。在几何量的测量中，径向光栅主要使在几何量的测量中，径向光栅主要使用两种莫尔条纹：圆弧形莫尔条纹和光闸莫尔条纹。用两种莫尔条纹：圆弧形莫尔条纹和光闸莫尔条纹。 圆弧形莫尔条纹。两块栅距角圆弧形莫尔条纹。两块栅距角相同的径向光栅以不大的偏相同的径向光栅以不大的偏心叠合，在光栅的各个部分，栅线的夹角均不同，便形成了不心叠合，在光栅的各个部分，栅线的夹角均不同，便形成了不同曲率半径的圆弧形莫尔条纹。同曲率半径的圆弧形莫尔条纹。 光闸莫尔条纹。两块栅距角光闸莫尔条纹。两块栅距角相同的两块圆光栅同心叠合时，相同的两块圆光栅同心叠合时，得到与长光栅中类似的光闸莫尔得到与长光栅中类似的光闸莫尔条纹

32、。主光栅每转过一个栅距角，条纹。主光栅每转过一个栅距角，透光亮度就变化一个周期。透光亮度就变化一个周期。(2) (2) 切向光栅的莫尔条纹。两块切向光栅的莫尔条纹。两块切向相同、栅距角相同的切线光切向相同、栅距角相同的切线光栅线面相对同心重合时，形成的栅线面相对同心重合时，形成的莫尔条纹是以光栅中心为圆心的莫尔条纹是以光栅中心为圆心的同心圆簇，称为环形莫尔条纹，同心圆簇，称为环形莫尔条纹，如图所示。环形莫尔条纹的突出如图所示。环形莫尔条纹的突出优点是具有全光栅的平均效应，优点是具有全光栅的平均效应，因而用于高精度测量和圆光栅分因而用于高精度测量和圆光栅分度误差的检验。度误差的检验。 三、三、光

33、栅式传感器光栅式传感器 光栅式传感器有多种不同的光学系统，其中，比较常见的有光栅式传感器有多种不同的光学系统，其中，比较常见的有透射式光栅传感器和反射式光栅传感器。透射式光栅传感器和反射式光栅传感器。1 1透射式光栅传感器透射式光栅传感器 光电元器件输出电信号的幅值可用光栅位移量光电元器件输出电信号的幅值可用光栅位移量x的正弦函数的正弦函数表示，以电压输出而言有：表示，以电压输出而言有：0m2sin()2xUUUW式中：式中：U U0 0为输出信号中的平均直流分量，对应莫尔条纹的平均光为输出信号中的平均直流分量，对应莫尔条纹的平均光强；强；U Um m为输出信号的幅值，对应莫尔条纹明暗的最大变

34、化。为输出信号的幅值，对应莫尔条纹明暗的最大变化。将输出的电压信号经过放大、整形变为方波，经微分电路转换将输出的电压信号经过放大、整形变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经过辨向电路和可逆计数器计数，就可以数字成脉冲信号，再经过辨向电路和可逆计数器计数，就可以数字形式实时地显示出位移量的大小。形式实时地显示出位移量的大小。 若指示光栅采用若指示光栅采用裂相光栅裂相光栅，一般由，一般由4 4个部分构成，每一部分的个部分构成，每一部分的刻线间距与对应的标尺光栅完全相同，但各个部分之间在空间刻线间距与对应的标尺光栅完全相同，但各个部分之间在空间上依次错开的距离上依次错开的距离( (n n为整数为整

35、数) )，若用光电器件分别接收裂相光栅，若用光电器件分别接收裂相光栅4 4个部分的透射光，可以得到相位依次相差的个部分的透射光，可以得到相位依次相差的4 4路信号如下：路信号如下：10m20m0m30m0m40m0m2sin()22sin()cos()222sin()sin()322sin()cos()2xUUUWxxUUUUUWWxxUUUUUWWxxUUUUUWW将将4 4路信号中路信号中U U1 1与与U U3 3、U U2 2与与U U4 4分别相减，消除信号的直流电平，分别相减，消除信号的直流电平，可得到两路相位差为可得到两路相位差为9090的信号，然后将它们送入细分和辨向的信号，然

36、后将它们送入细分和辨向电路，即可实现对位移的测量。电路，即可实现对位移的测量。 2 2反射式光栅传感器反射式光栅传感器 如图所示，平行光以一定的角度射向裂相指示光栅，莫尔条如图所示，平行光以一定的角度射向裂相指示光栅，莫尔条纹是由标尺光栅的反射光与指示光栅作用形成，光电器件接收纹是由标尺光栅的反射光与指示光栅作用形成，光电器件接收莫尔条纹的光强。反射式光栅传感器一般用在数控机床上，主莫尔条纹的光强。反射式光栅传感器一般用在数控机床上，主光栅为金属光栅，它坚固耐用，而且线膨胀系数与机床基体的光栅为金属光栅，它坚固耐用，而且线膨胀系数与机床基体的接近，能减小温度误差。接近，能减小温度误差。3 3光

37、栅测量辨向原理光栅测量辨向原理1 1、2 2光电元件；光电元件；3 3指示光栅；指示光栅；4 4莫尔条纹莫尔条纹4 4细分技术细分技术 为了进一步提高光栅传感器分辨力，测量比栅距更小的位移量，为了进一步提高光栅传感器分辨力，测量比栅距更小的位移量，在测量系统中往往采用细分技术。细分技术的基本思想是，在一在测量系统中往往采用细分技术。细分技术的基本思想是，在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内，发出个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内，发出n n个脉冲，每个脉个脉冲，每个脉冲代表原来栅距的冲代表原来栅距的1/1/n n，由于细分后计数脉冲频率提高了，由于细分后计数脉冲频率提高了n n倍，因倍，因此

38、也称为此也称为n n倍频。以电子四倍频细分为例来说明细分原理。倍频。以电子四倍频细分为例来说明细分原理。 前述辨向原理中，在前述辨向原理中，在B B/4/4的位置上安放了两个光电元件，得的位置上安放了两个光电元件，得到两个相差到两个相差/2/2的电压信号的电压信号U U0101和和U U0202( (设为设为S S和和C C) )，将这两个信号，将这两个信号整形、反相得到整形、反相得到4 4个依次相差个依次相差 /2/2的电压信号的电压信号0 0(S)(S)，9090( (C C) )，180180( )( )，270270( )( )，将，将4 4个信号送入电路中，进行与、或个信号送入电路中

39、，进行与、或逻辑运算。在正向移过一个光栅栅距时，可得到逻辑运算。在正向移过一个光栅栅距时，可得到4 4个加计数脉个加计数脉冲；反向移过一个光栅栅距时，得到冲；反向移过一个光栅栅距时，得到4 4个减计数脉冲，从而实个减计数脉冲，从而实现了四倍频细分。现了四倍频细分。SC 图为利用光图为利用光栅传感器直接栅传感器直接测量数控机床测量数控机床工作台位移量工作台位移量的现场照片。的现场照片。 工作台工作台光栅光栅工作台运动方向工作台运动方向光栅在机床上的安装位置（光栅在机床上的安装位置（3个自由度）个自由度）数显表数显表 安装有直线光栅的数控机床加工实况安装有直线光栅的数控机床加工实况 防护罩内为直线

40、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件被加工工件切削刀具切削刀具磁栅式传感器磁栅式传感器 一、一、 磁栅式传感器的工作原理和结构磁栅式传感器的工作原理和结构 磁栅式传感器主要由磁栅和磁头组成。磁栅上录有等间距的磁栅式传感器主要由磁栅和磁头组成。磁栅上录有等间距的磁信号，它是利用磁带录音的原理将等节距的周期变化的电信磁信号，它是利用磁带录音的原理将等节距的周期变化的电信号号( (正弦波或矩形波正弦波或矩形波) )用录磁的方法记录在磁性尺子或圆盘上而用录磁的方法记录在磁性尺子或圆盘上而制成的。装有磁栅传感器的仪器或装置工作时，磁头相对于磁制成的。装有磁栅传感器的仪器或装置工作时，磁头

41、相对于磁栅有一定的相对位置，在这个过程中，磁头把磁栅上的磁信号栅有一定的相对位置，在这个过程中，磁头把磁栅上的磁信号读出来，这样就把被测位置或位移转换成电信号。读出来，这样就把被测位置或位移转换成电信号。1 1磁栅磁栅1) 1) 磁栅的结构磁栅的结构长磁栅的节距长磁栅的节距W一般为一般为0.05 mm或或0.02 mm 2) 2) 磁栅的类型磁栅的类型磁栅分为长磁栅和圆磁栅两大类，分别用于测量直线位移和角磁栅分为长磁栅和圆磁栅两大类，分别用于测量直线位移和角位移。位移。长磁栅又可分为尺型、带型和同轴型三种。长磁栅又可分为尺型、带型和同轴型三种。 磁栅式传感器实物图磁栅式传感器实物图 2 2磁头

42、及其工作原理磁头及其工作原理磁头的作用是读取磁栅上的记录信号，按读取方式不同，磁头磁头的作用是读取磁栅上的记录信号，按读取方式不同，磁头可分为动态磁头和静态磁头两种。可分为动态磁头和静态磁头两种。 1) 1) 动态磁头动态磁头 动态磁头又称速度响应磁头。它由铁镍合金材料制成的铁心和动态磁头又称速度响应磁头。它由铁镍合金材料制成的铁心和一组线圈组成，如图。一组线圈组成，如图。 2) 2) 静态磁头静态磁头 静态磁头是一种调制式磁头，又称磁通响应式磁头，它由铁心静态磁头是一种调制式磁头，又称磁通响应式磁头，它由铁心和两组线圈组成，如图所示。它与动态磁头的根本不同就是在和两组线圈组成，如图所示。它与

43、动态磁头的根本不同就是在磁头与磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出。磁头与磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出。0msin(2/)cos2ekx Wt二、磁栅式传感器的信号处理方法二、磁栅式传感器的信号处理方法动态磁头只有一个磁头和一组线圈，利用磁栅与磁头间以一定动态磁头只有一个磁头和一组线圈，利用磁栅与磁头间以一定速度的相对移动读出磁栅上的信号，将此信号进行处理后使用。速度的相对移动读出磁栅上的信号，将此信号进行处理后使用。检测电路也较为简单。检测电路也较为简单。静态磁头在实际应用中总是成对使用，即用两个间距为的磁头，静态磁头在实际应用中总是成对使用，即用两个间距为的磁头，其中其中n

44、 n为正整数，为磁信号节距，也就是两个磁头布置成在空间为正整数，为磁信号节距，也就是两个磁头布置成在空间相差相差9090。其信号处理方式分为鉴幅和鉴相型两种，其中鉴相。其信号处理方式分为鉴幅和鉴相型两种，其中鉴相型信号处理方式应用广泛，型信号处理方式应用广泛， 将一组磁头的励磁信号移相将一组磁头的励磁信号移相4545( (或把其输出信号移相或把其输出信号移相9090) )，则两磁头输出电压分别为则两磁头输出电压分别为1msin(2/)cos2eUx Wt2mcos(2/)sin2eUx Wt两电压相加得总输出电压为两电压相加得总输出电压为 012msin(2/2)eeeUx Wt输出信号是一个

45、幅值不变、相位随磁头与磁栅相对位置而变化输出信号是一个幅值不变、相位随磁头与磁栅相对位置而变化的信号，可由鉴相型检测电路测量出来。的信号，可由鉴相型检测电路测量出来。 容栅式传感器容栅式传感器 容栅传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一容栅传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。它的电极不止一对，电极排列呈梳状，故称为种新型传感器。它的电极不止一对，电极排列呈梳状，故称为容栅传感器。同组中有多个电极或多个电极并联，极大地提高容栅传感器。同组中有多个电极或多个电极并联，极大地提高了灵敏度。了灵敏度。 容栅传感器可实现直线位移和角位移的测量，根据结构形式，容栅传感器可实现直线位移和角位移的测量，根据结构形式，容