第七章 位移测量课件

1、第七章第七章 机械位移测量机械位移测量本章学习要求本章学习要求 了解各种机械位移传感器的原理、了解各种机械位移传感器的原理、性能指标、测量系统构成性能指标、测量系统构成位移是向量位移是向量机械位移机械位移包括线位移和角位移包括线位移和角位移常用的机械位移传感器：常用的机械位移传感器：第一节第一节 电位器式位移测量传感器电位器式位移测量传感器位移位移电位器式位移传感器电位器式位移传感器电阻值或电压电阻值或电压一、典型的电位器式位移传感器一、典型的电位器式位移传感器1 1、线绕电位器式位移传感器、线绕电位器式位移传感器2 2、非线绕式电位器位移传感器、非线绕式电位器位移传感器 导电玻璃釉电位器导电

2、玻璃釉电位器 又称金属陶瓷电位器又称金属陶瓷电位器 光电式电位器光电式电位器 是另一种非线绕式电位器。是另一种非线绕式电位器。二、电位器式位移传感器的负载特性及非线性误差二、电位器式位移传感器的负载特性及非线性误差r rY YK KL L=当当K KL L，输出与输入之间为线，输出与输入之间为线性。性。K KL L越小非线性越严重。越小非线性越严重。如何减小负载如何减小负载R RL L所造成的误差？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。正的方法补偿负载等造成的非线性误差。否则，采

3、用一些硬件措施：否则，采用一些硬件措施：（1 1）尽可能增大电位器的负载系数尽可能增大电位器的负载系数K KL L，如将传感器输出经高输，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。入阻抗放大器隔离后，再接测显电路。（2 2）用半桥差动测量电路用半桥差动测量电路当测量微小位移时，一般取当测量微小位移时，一般取R R5 5100R100R半桥差动电路半桥差动电路UiRLR R2 2-R R2 2R4R R1 1+ +R R1 1R R3 3U03110112234iRRRUURRRRRR21RR21RR 43RR 若若10112iRUUR结论结论：U U0 0与与RR1 1/R/R1

4、1成线性关系，差成线性关系，差动电桥无非线性误差；电压灵敏度动电桥无非线性误差；电压灵敏度为为U Ui i/2/2，比使用单只应变片提高了，比使用单只应变片提高了一倍。一倍。 （3 3）并联电阻并联电阻R RM M（5 5）选用选用非线性非线性电位器式位移传感器电位器式位移传感器（4 4）限制电位器的工作范围限制电位器的工作范围第二节第二节 电阻应变式位移传感器电阻应变式位移传感器应变片式位移传感器原理应变片式位移传感器原理：测量杆随试件位移测量杆随试件位移弹簧使悬臂梁根部弯曲弹簧使悬臂梁根部弯曲应变片阻值变化。应变片阻值变化。第三节第三节 电感式位移传感器电感式位移传感器原理原理优点优点缺点

5、缺点一、基本结构型式一、基本结构型式基本结构型式基本结构型式变气隙式变气隙式、变面积式变面积式、螺管式螺管式不足不足适用场合适用场合线线圈圈铁铁芯芯衔衔铁铁铁芯铁芯线圈线圈衔铁衔铁二、差动电感式传感器二、差动电感式传感器构成构成图图7-9 7-9 差动电感式传感器电桥电路差动电感式传感器电桥电路三、差动变压器式位移传感器的应用三、差动变压器式位移传感器的应用1 1、基本原理、基本原理利用线圈的利用线圈的互感作用互感作用将械位移转换为感应电动势将械位移转换为感应电动势 的变化。的变化。实质实质型式型式：变气隙式、变面积式、螺管式变气隙式、变面积式、螺管式。差动变压器的输出特性分析差动变压器的输出

6、特性分析变气隙式变气隙式灵敏度高，量程小，适于测量几灵敏度高，量程小，适于测量几微米到几百微米的位移。微米到几百微米的位移。变面积式变面积式适于测量角位移，分辨率可达适于测量角位移，分辨率可达零点几角秒，线性范围达零点几角秒，线性范围达10100 0螺管式螺管式灵敏度低，但可测量几灵敏度低，但可测量几毫米到毫米到1m1m的位移。的位移。 差动变压器的输出特性分析差动变压器的输出特性分析正弦交流电压正弦交流电压U Ui i加到初级线圈加到初级线圈两次级产生感应电势两次级产生感应电势e e1 1、e e2 2衔铁位于衔铁位于中间位置中间位置e e1 1=e=e2 2衔铁衔铁上移上移e e1 1ee

7、2 2输出输出U U0 0=e=e1 1-e-e2 2衔铁下移衔铁下移e e2 2ee1 1输出输出U U0 0=e=e1 1-e-e2 2相位互差相位互差1801800 0初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈衔铁衔铁差动变压器等效电路差动变压器等效电路11iiUIRjL初级绕组的电流：初级绕组的电流：次级绕组的感应电动势为：次级绕组的感应电动势为：11 1ej M I 22 1ej M I 01211()iUUjMMRj L 由于两个次级绕组反向串接，输出总电动势为：由于两个次级绕组反向串接，输出总电动势为：其有效值为：其有效值为：1202211()()iMMUURL差动变压器输出特性曲线差动变

8、压器输出特性曲线2 2、位移方向判别、位移方向判别差动整流电路差动整流电路 用在连接用在连接低低阻抗负载的场合，为阻抗负载的场合，为电流电流输出型输出型差动整流电路差动整流电路 用在连接用在连接高高阻抗负载的场合，为阻抗负载的场合，为电压电压输出型输出型3 3、主要技术指标、主要技术指标灵敏度灵敏度线性度线性度零点电压零点电压激励频率也叫载波频率激励频率也叫载波频率4 4、零点补偿、零点补偿5 5、微小位移测量（几微米数十微米）、微小位移测量（几微米数十微米）图图7-15 7-15 微小位移测量电路原理图微小位移测量电路原理图第四节第四节 电涡流式位移传感器电涡流式位移传感器适用场合适用场合原

9、理原理一、反射式电涡流式位移传感器一、反射式电涡流式位移传感器有关有关电涡流位移传感器电涡流位移传感器保持其他参数恒定，只反映阻抗保持其他参数恒定，只反映阻抗Zx 电涡流位移传感器组成电涡流位移传感器组成载流线圈载流线圈被测导体被测导体部分购买，部分要自己设部分购买，部分要自己设计（考虑被测导体的物理计（考虑被测导体的物理性能、几何形状和尺寸。性能、几何形状和尺寸。 电涡流位移传感器的型式：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、变面积型、螺管型变间隙型变间隙型间隙变化间隙变化电涡流效应变电涡流效应变化化线圈电感和阻抗变化线圈电感和阻抗变化变面积型变面积型 被测导体与线圈之

10、间被测导体与线圈之间相对面积相对面积变变化化电涡流效应变化电涡流效应变化线圈电感和线圈电感和阻抗变化。阻抗变化。 螺管型：螺管型：由短路套筒和螺管线圈组成。短路套筒可沿螺管线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。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，有如下如下优点：优点：126P二、透射式电涡流式位移传感器二、透射式电涡流式位移传感器L L1 1上加交流上加交流激励电压激励电压U U1 1L L2 2上上产生产生感感应电动

11、势应电动势U U2 2无金属板时，无金属板时，U U2 2最大，有金属板时，电涡流抵消了部分最大，有金属板时，电涡流抵消了部分L L1 1磁场磁场，致使，致使U U2 2减小，板厚减小，板厚越大，越大，U U2 2越小越小第五节第五节 电容式位移传感器电容式位移传感器一、极距变化型电容传感器一、极距变化型电容传感器原理：原理：二、面积变化型电容传感器二、面积变化型电容传感器三、电容式传感器信号处理电路三、电容式传感器信号处理电路图图7-24 7-24 驱动电缆原理驱动电缆原理 图图7-25 7-25 运算放大器电路运算放大器电路第六节第六节 光栅位移测量系统光栅位移测量系统2 2. .分类分类

12、3.3.光栅系统的组成光栅系统的组成光栅（标尺光栅、指示光栅）、光栅（标尺光栅、指示光栅）、光源、光电元件、测量电路光源、光电元件、测量电路二、莫尔条纹二、莫尔条纹2sin()2dBdkd)22sin(0 xdUUUmav直流分量直流分量信号变化的幅值信号变化的幅值指示光栅的位移指示光栅的位移xNd 三、辨向电路与信号细分三、辨向电路与信号细分直接细分直接细分( (位置细分位置细分) )四、光栅应用四、光栅应用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光栅的外形及结构光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长磁

13、栅防尘保护罩的内部为长磁栅光栅的外形及结构（续）光栅的外形及结构（续）可移动电缆可移动电缆扫描头扫描头（与移动部件固定）（与移动部件固定）光栅尺光栅尺为光栅设计的专用数为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数据转接器（光栅计数卡）卡）内部包含以下电路：放大、内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、报警、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。阻抗变换等。为光栅设计的专用信号为光栅设计的专用信号处理单元（光栅插补器）处理单元（光栅插补器）功能同前功能同前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 光栅扫描头光栅扫描头防护罩内为直线光栅防护罩内为直线光栅被加工工件被加工工件切削刀具

14、切削刀具角编码器安角编码器安装在夹具的装在夹具的端部端部第七节第七节 磁栅式位移测量系统磁栅式位移测量系统一、磁栅一、磁栅 优点：优点：结构简单、使用方便、测量范围大（结构简单、使用方便、测量范围大（120m）、磁）、磁信号可重新录制；信号可重新录制；缺点：缺点：需要屏蔽和防尘。需要屏蔽和防尘。二、磁栅式位移传感器的结构及工作原理二、磁栅式位移传感器的结构及工作原理动态磁头动态磁头静态磁头静态磁头磁头磁头三、检测电路三、检测电路 适合位移测量的适合位移测量的静态磁头静态磁头是成对使用的，两组磁头相距是成对使用的，两组磁头相距(n+1/4)。检测电路主要有。检测电路主要有鉴幅式鉴幅式和和鉴相式鉴

15、相式。第八节第八节 感应同步器系统感应同步器系统一、感应同步器的结构一、感应同步器的结构 感应同步器是利用感应同步器是利用电磁感应原理电磁感应原理把位移量转换成电量的传把位移量转换成电量的传感器。有直线型感器。有直线型( (测直线位移测直线位移) )和圆盘型和圆盘型( (测角位移测角位移) )两大类。两大类。定尺定尺滑尺滑尺定子定子转子转子二、感应同步器的工作原理二、感应同步器的工作原理原理：原理： 位移位移两个平面绕组两个平面绕组间的互感变化间的互感变化电量电量三、感应同步器的激励和检测方式三、感应同步器的激励和检测方式滑尺滑尺/ /定子激励，由定尺定子激励，由定尺/ /转子绕组取出感应电势

16、转子绕组取出感应电势(多用多用)定尺定尺/ /转子激励，由滑尺转子激励，由滑尺/ /定子绕组取出感应电势定子绕组取出感应电势两种激两种激励方式励方式信号检信号检测方式测方式鉴幅型鉴幅型鉴相型鉴相型1、鉴幅型感应同步器检测方式、鉴幅型感应同步器检测方式tUUKeeesccscos)cossin(利用函数变压器使利用函数变压器使激励电压的幅值激励电压的幅值满足满足: :位移变化位移变化相角相角2x/2x/变化变化感应电势的感应电势的振幅振幅E Em m变化变化数字鉴幅电路数字鉴幅电路测量出幅值变化就可以完成位移测量测量出幅值变化就可以完成位移测量2、鉴、鉴相相型感应同步器检测方式型感应同步器检测方

17、式初始时使初始时使 滑尺由初始位置移动滑尺由初始位置移动x x时，感应电动势相位变化时，感应电动势相位变化， 0当当达到一定值，即感应电动势达到一定值，门槛电路发出指令脉冲，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 ，使其跟踪，使其跟踪。当当 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由计数值，通过当量换算可得到测量位移值四、感应同步器的细分原理四

18、、感应同步器的细分原理由于工艺和结构上的原因，绕组中的由于工艺和结构上的原因，绕组中的节距节距较大，无法测量微较大，无法测量微小位移。小位移。输出感应电势周期信号输出感应电势周期信号节距节距细分电角度细分电角度x x1 1x x2 2x x1 1x x2 2E Esxsx-E-Esxsx若滑尺上只有一相绕组，感应若滑尺上只有一相绕组，感应电势电势E Ecxcx对应两个位移对应两个位移x x1 1和和x x2 2，因此位移因此位移x x和感应电势幅值无法和感应电势幅值无法建立一一对应的关系。建立一一对应的关系。若滑尺上有两个绕组，且二者在空间若滑尺上有两个绕组，且二者在空间位置上错开位置上错开9

19、0900 0。在相同的。在相同的E Ecxcx下，可由下，可由余弦曲线区分位移余弦曲线区分位移x x1 1和和x x2 2。由此可建。由此可建立位移立位移x x和感应电势幅值之间一一对应和感应电势幅值之间一一对应的关系，实现细分。的关系，实现细分。0 0E Ec cx xE Ecxcx0 0E Es s ,E,Ec cx xE Ecxcx第九节第九节 光纤位移测量系统光纤位移测量系统一、反射式光纤位移传感器的工作原理一、反射式光纤位移传感器的工作原理二、光电转换及放大电路二、光电转换及放大电路光光光敏二极管光敏二极管电信号电信号放大电路放大电路第十节第十节 轴角编码器轴角编码器解决错码的方法：解决错码的方法：方法方法1：从编码技术入手。：从编码技术入手。方法方法2：扫描技术入手。：扫描技术入手。 采用双电刷扫描技术。两组电刷，一组超前放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