工程测试与信号处

长度度及及线线位位移移测测量量长度度及及线线位位移移测测量量在机机械械加加工工等等生生产产领领域域，，线线位位移移/尺尺寸寸测测量量是是最最为为常常见见的的被被测测量量。。尺尺寸寸测测量量大大多多定定义义为为两两点点、、两两线线或或两两面面之之间间的的距距离离，，如如轴轴径径、、孔孔径径、、工工件件的的长长宽宽高高等等。。根根据据尺尺寸寸的的测测量量范范围围又又可可划划分分为为常常规规尺尺寸寸测测量量（（1mm~1m））,大大尺尺寸寸测测量量（（大大于于1m））和和微微小小尺尺寸寸测测量量（（小小于于1mm））。。随随着着技技术术的的快快速速发发展展以以及及数数控控机机床床的的需需要要，，被被加加工工尺尺寸寸的的在在线线监监测测也也日日趋趋成成熟熟。。加加工工中中测测量量仪仪用用在在进进给给式式工工序序的的加加工工机机床床上上，，每每道道工工序序刀刀具具的的进进给给量量均均由由测测得得的的被被加加工工尺尺寸寸的的实实际际大大小小确确定定。。线位位移移测测量量从从物物理理学学定定义义就就是是质质点点在在直直线线方方向向位位置置的的变变化化量量，，就就测测量量值值而而言言，，线线位位移移测测量量与与尺尺寸寸测测量量实实质质是是一一样样的的。。亦亦即即用用于于尺尺寸寸测测量量的的方方法法、、传传感感器器和和仪仪器器大大多多能能用用于于线线位位移移的的测测量量。。长度度及及线线位位移移测测量量电感感测测微微仪仪：：测量范围:±1mm;分分辨力：1µµm电感式长度及及线位移测量量1-差动线圈圈2-铁铁心3-衔铁4-测杆5-工件探头测量电桥交流放大相敏检波指示器振荡器电感测微头实实物图电感式滚柱直直径分选装置置1—气缸2—活塞3—推推杆4—被测滚滚柱5——落料管6—电电感测微器7—钨钢测头8—限位挡板9—电磁翻板10—容器（料斗））变气隙式电感感测微仪差动变压器式式位移传感器器1-测头；2-轴套；3-测杆3；；4-衔铁；；5-线圈组组；6-电插插座；7-屏屏蔽筒（增加加灵敏度和防防止外磁场的的干扰）8-测杆导向圆圆片弹簧；9-弹簧；10-防尘罩罩副Ⅰ0EsEs1Es2x副Ⅱ原线圈电涡流效应当电涡流线圈圈与金属板的的距离x减小时，电涡涡流线圈的等等效电感L减小，等效电电阻R增大。感抗XL的变化比R的变化大得得多，流流过电涡流线线圈的电流i1增大。涡流式位移传传感器1—电涡流线线圈2——探头壳体3—壳体体上的位置调调节螺纹4—印制线线路板5—夹持螺母母6——电源指示灯灯7——阈值指示灯灯8—输输出屏蔽电缆缆线9——电缆插头电涡流探头内部结构CZF-1系列传感器的的性能调幅式（AM）电路测量量电路石英振荡器产产生稳频、稳稳幅高频振荡荡电压(100kHz~1MHz））用于激励电电涡流线圈。。金属材料在在高频磁场中中产生电涡流流，引起电涡涡流线圈端电电压的衰减，，再经高放、、检波、低放放电路，最终终输出的直流流电压Uo反映了金属体体对电涡流线线圈的影响（（例如两者之之间的距离等等参数）。调频（FM））式电路(100kHz~1MHz）当电涡流线圈圈与被测体的的距离x改变时，电涡涡流线圈的电电感量L也随之改变，，引起LC振振荡器的输输出频率变化化，此频率可可直接用计算算机测量。如如果要用模拟拟仪表进行显显示或记录时时，必须使用用鉴频器，将将f转换为电压Uo。涡流位移测量量仪位移测量包含含：偏心、间隙、、位置、倾斜斜、弯曲、变变形、移动、、圆度、冲击击、偏心率、、冲程、宽度度等等。来自自不同应用领领域的许多量量都可归结为为位移或间隙隙变化。数显位移测量仪及及探头4~20mA电涡流位移传传感器外形V系列电涡流位移传感器外形齐平式V系列电涡流位移传感器性能一一览表某V系列电涡涡流位移传感感器的机械图图电涡流探头线线圈的阻抗受受诸多因素影影响，例如金金属材料的厚厚度、尺寸、、形状、电导导率、磁导率率、表面因素素、距离等。。只要固定其其他因素就可可以用电涡流流传感器来测测量剩下的一一个因素。因因此电涡流传传感器的应用用领域十分广广泛。但也同同时带来许多多不确定因素素，一个或几几个因素的微微小变化就足足以影响测量量结果。所以以电涡流传感感器多用于定定性测量。即即使要用作作定量测测量，也必必须采用逐点点标定、计算算机线性纠正正、温度补补补偿等措施。。偏心和振动检检测通过测量间隙隙来测量径向向跳动测量弯曲、波波动、变形对桥梁、丝杆杆等机械结构构的振动测量量，须使用多多个传感器。。测量金属薄膜膜、板材厚度度电涡流测厚厚仪测量冷轧板厚厚度测量尺寸、公公差及零件识识别通过测量间隙隙来测定热膨胀引引起的上下平平移测量封口机工工作间隙间隙越大，电电涡流越小测量注塑机开开合模的间隙隙间距镀层厚度测量量由于存在集肤肤效应，镀层层或箔层越厚厚，电涡流越越小。测量前前，可先用电电涡流测厚仪仪对标准厚度度的镀层和铜铜箔作出“厚厚度-输出”电压的的标定曲线，，以便测量时时对照。电涡流涂层厚厚度仪电感式不圆度度计该圆度计采用用旁向式电感测测微头电感式不圆度度测量系统外外形测量头旋转盘不圆度测量打打印电感传感器在在粗糙度测量量中的应用———手持式粗糙度度仪•触针:金刚刚石圆锥；••针尖圆弧弧半径：5μμm；

•可可存储500个粗糙度参参数值及4组组轮廓数据；；

•可进行行粗糙度参数数的打印；••可对外圆圆、内孔、轴轴肩、圆锥面面等各种复杂杂表面进行测测试；粗糙度仪外形形金刚石测头粗糙度测量结结果打印（2）长度及线位移移测量感应同步器感应同步器是是利用两个平平面形绕组的的互感随位置置不同而变化化的原理制成成的用来测直直线或转角位位移的传感器器。测量直线线位移的称为为长感应同步步器，测量转转角位移的称称为圆感应同同步器。感应应同步器具有有如下优点：：（1）具有较较高的测量精精度和分辨力力。目前直线线式感应同步步器的精度可可达±1.5µm，分辨辨力达0.05µm；直直径300mm的圆感应应同步器精度度达±1″，，分辨力达0.05″。。（2）感应同同步器基于电电磁感应原理理，感应电势势仅取决于磁磁通量的变化化率，几乎不不受环境因素素如温度、油油污、尘埃等等的影响。（3）工作时时无接触摩擦擦、磨损，使使用寿命长，，工作可靠，，抗干扰能力力强，非常适适合于恶劣的的工作环境，，便于维护。。（4）直线式式感应同步器器的测量范围围，可以根据据需要将若干干个定尺接长长使用，长度度可达20m。（5）工艺性性好，成本较较低，便于复复制和成批生生产。长度及线位移移测量直线式感应同同步器结构示示意图典型周期为2mm长度及线位移移测量圆感应同步器器结构示意图图定子转转子长度及线位移移测量长度及线位移移测量正、余弦绕组组在定尺中的的感应电动势势分别写成其中长度及线位移移测量感应同步器的的信号处理与与测量电路1.鉴相法信信号处理正弦绕组激励励余弦绕组激励励定尺绕组上的的感应定尺绕组输出出为长度及线位移移测量2.鉴幅法信信号处理正弦绕组激励励余弦绕组激励励定尺绕组输出出为长度及线位移移测量1－测杆；2－膜片；3、5－开槽槽簧片；4－－活动电极筒筒；6-接线线座；7-调调节螺钉；8-引线；9-弹簧；10、11-固定电极筒筒电容式长度及线位移移测量总电容为Cx=C1+C2，作为一个桥桥臂，Cx与固定电容容C0、变压器T的次级L1和L2构成电桥，音音频信号经变变压器耦合为为电桥提供交交流电源。如果带材只是是上下波动，，电容的增量量一个增加一一个减少，总总的电容量Cx=C1+C2不变；；如果果带材材的厚厚度变变化，，则电电容Cx将随之之变化化，电电桥将将该信信号变变化转转换为为电压压，经经放大大、整整流等等处理理电路路后，，输出出的直直流信信号指指示厚厚度变变化值值光栅位位移传传感器器(Opticalgratings)在一块块长条条形(圆形形)光光学玻玻璃(或金金属)上进进行均均匀刻刻划，，可得得到一一系列列密集集刻线线，如如图所所示，，这种种具有有周期期性刻刻线分分布的的光学学元件件称为为光栅栅。图中，a为光栅刻线宽度，b为光栅缝隙宽度，a+b=W称为光栅的栅距(也称光栅常数(Gratingperiod))。为了方便处理，通常取a=b=W/2。光栅式式传感感器有有如下下的特特点：：(1)大大量程程兼有有高分分辨力力和高高精度度。在在大量量程长长度与与直线线位移移测量量方面面，长长光栅栅测量量精度度仅低低于激激光干干涉传传感器器；圆圆分度度和角角位移移测量量方面面，圆圆光栅栅测量量精度度最高高。一一般长长光栅栅测量量精度度达(0.5～～3)/3000mm，分分辨力力达0.1µm，圆圆光栅栅测量量精度度达0.15″″，分分辨力力达0.1″。。(2)可可实现现动态态测量量，易易于实实现测测量及及数据据处理理的自自动化化。(3)具具有较较强的的抗干干扰能能力，，适合合一般般实验验室条条件和和环境境较好好的车车间现现场。。光栅式式传感感器在在几何何量测测量领领域有有着广广泛的的应用用，所所有与与长度度(位位移)和角角度(角位位移)测量量有关关的精精密仪仪器中中都经经常使使用光光栅式式传感感器，，此外外，在在测量量振动动、速速度、、应力力、应应变等等机械械测量量中也也常有有应用用。一、计量光光栅的的种类类利用光光栅的的莫尔尔条纹纹(Moirepatterns)现象象进进行行精精密密测测量量的的光光栅栅称称为为计计量量光光栅栅。。根根据据基基材材不不同同，，分分为为金金属属光光栅栅与与玻玻璃璃光光栅栅；；根根据据刻刻划划形形式式不不同同，，分分为为振振幅幅光光栅栅与与相相位位光光栅栅；；根根据据光光线线的的走走向向，，分分为为透透射射光光栅栅与与反反射射光光栅栅；；根根据据用用途途不不同同，，分分为为长长光光栅栅与与圆圆光光栅栅。。1．长光栅刻划在玻璃尺上的光栅称为长光栅，也称为光栅尺(Gratingruler)，用于测量长度或直线位移。其刻线相互平行，一般以每毫米长度内的栅线数(即栅线密度)来表示长光栅的特性。根据栅线型式的不同，长光栅分黑白光栅和闪耀光栅。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20～125线/mm，相位光栅的栅线密度通常在600线/mm以上。GratingruleropaquetransparentGratingrulerglassplateLightsourcePhoto-detectorreflectiveNon-reflectivesteelplateGratingrulerLightsourcePhoto-detector2．．圆圆光光栅栅刻划划在在玻玻璃璃盘盘上上的的光光栅栅称称为为圆圆光光栅栅，，也也称称光光栅栅盘盘(Gratingdisk)，，用用来来测测量量角角度度或或角角位位移移。。圆圆光光栅栅的的参参数数多多数数是是以以整整圆圆上上刻刻线线数数或或栅栅距距角角(也也称称为为节节距距角角)γγ来来表表示示，，它它是是指指圆圆光光栅栅上上相相邻邻两两栅栅线线之之间间的的夹夹角角，，如如图图所所示示。。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，切向光栅适用于精度要求较高的场合。二、、莫莫尔尔条条纹纹(MoirééPatterns)长光栅莫尔条纹的宽度为式中：W1为标尺光栅1(也称为主光栅)的光栅常数；W2为指示光栅2的光栅常数；θ为两光栅栅线的夹角。1.莫莫尔尔条条纹纹的的特特性性莫尔尔条条纹纹有有如如下下的的重重要要特特性性：：1)运运动对应应关系莫尔条纹纹的移动动量与移移动方向向与两光光栅的相相对位移移量和位位移方向向有着严严格的对对应关系系。当主主光栅向向右运动动一个栅栅距W1时，莫尔尔条纹向向下移动动一个条条纹间距距B；如果主主光栅向向左运动动，则莫莫尔条纹纹向上移移动。所所以，光光栅传感感器在测测量时，，可以根根据莫尔尔条纹的的移动量量和移动动方向，，来判定定主光栅栅(或指指示光栅栅)的位位移量和和位移方方向。2)位移放大作用若两光栅栅距W相同，两光栅栅线的夹角θ很小，则有可明显看出，莫尔条纹有位移放大作用，放大倍数为1/θ

3)误误差平均均效应莫尔条纹纹由光栅栅的大量量刻线形形成，对对线纹的的刻划误误差有平平均作用用，几条条刻线的的栅距误误差或断断裂对莫莫尔条纹纹的位置置和形状状影响甚甚微，从从而提高高了光栅栅传感器器的测量量精度。。2．莫尔尔条纹的的种类1)长长光栅的的莫尔条条纹(1)横横向莫莫尔条纹纹。两光栅的的光栅栅栅距相等等，即W=W1=W2，以夹角角相交形形成的莫莫尔条纹纹称为横横向莫尔尔条纹。。(2)光光闸莫莫尔条纹纹。两光栅的的光栅栅栅距相等等，栅线线的夹角角=0时，莫莫尔条纹纹宽度B趋于无穷穷大。两两光栅相相对移动动时，对对入射光光就像闸闸门一样样时启时时闭，故故称为光光闸莫尔尔条纹。。两光栅栅相对移移动一个个栅距，，视场上上的亮度度明暗变变化一次次。(a)刻刻线对对齐(b)错错开W/4(c)错错开W/2(d)错错开3W/42)圆圆光栅的的莫尔条条纹(1)径径向光光栅的莫莫尔条纹纹。在几何量量的测量量中，径径向光栅栅主要使使用两种种莫尔条条纹：圆圆弧形莫莫尔条纹纹和光闸闸莫尔条条纹。①圆弧弧形莫尔尔条纹。。两块栅栅距角γ相同的径径向光栅栅以不大大的偏心心叠合，，在光栅栅的各个个部分，，栅线的的夹角均均不同，，便形成成了不同同曲率半半径的圆圆弧形莫莫尔条纹纹。②光闸闸莫尔条条纹。两两块栅距距角相同同的两块块圆光栅栅同心叠叠合时，，得到与与长光栅栅中类似似的光闸闸莫尔条条纹。主主光栅每每转过一一个栅距距角，透透光亮度度就变化化一个周周期。(2)切向光栅的莫尔条纹。两块切向相同、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，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，因而用于高精度测量和圆光栅分度误差的检验。三、光栅栅式传感感器光栅式传传感器有有多种不不同的光光学系统统，其中中，比较较常见的的有透射射式光栅栅传感器器和反射射式光栅栅传感器器。1．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x的正弦函数表示，以电压输出而言有：式中：U0为输出信号中的平均直流分量，对应莫尔条纹的平均光强；Um为输出信号的幅值，对应莫尔条纹明暗的最大变化。将输出的的电压信信号经过过放大、、整形变变为方波波，经微微分电路路转换成成脉冲信信号，再再经过辨辨向电路路和可逆逆计数器器计数，，就可以以数字形形式实时时地显示示出位移移量的大大小。若指示光光栅采用用裂相光栅栅，一般由由4个部部分构成成，每一一部分的的刻线间间距与对对应的标标尺光栅栅完全相相同，但但各个部部分之间间在空间间上依次次错开的的距离(n为整数)，若用用光电器器件分别别接收裂裂相光栅栅4个部部分的透透射光，，可以得得到相位位依次相相差的4路信号号如下：：将4路信信号中U1与U3、U2与U4分别相减减，消除除信号的的直流电电平，可可得到两两路相位位差为90°的的信号，，然后将将它们送送入细分分和辨向向电路，，即可实实现对位位移的测测量。2．反射射式光栅栅传感器器如图所示示，平行行光以一一定的角角度射向向裂相指指示光栅栅，莫尔尔条纹是是由标尺尺光栅的的反射光光与指示示光栅作作用形成成，光电电器件接接收莫尔尔条纹的的光强。。反射式式光栅传传感器一一般用在在数控机机床上，，主光栅栅为金属属光栅，，它坚固固耐用，，而且线线膨胀系系数与机机床基体体的接近近，能减减小温度度误差。。3．光栅栅测量辨辨向原理理1、2——光电元元件；3—指示示光栅；；4—莫莫尔条纹纹4．细分分技术为了进一一步提高高光栅传传感器分分辨力，，测量比比栅距更更小的位位移量，，在测量量系统中中往往采采用细分分技术。。细分技技术的基基本思想想是，在在一个栅栅距即一一个莫尔尔条纹信信号变化化周期内内，发出出n个脉冲，每个个脉冲代表原原来栅距的1/n，由于细分后后计数脉冲频频率提高了n倍，因此也称称为n倍频。以电子子四倍频细分分为例来说明明细分原理。。前述辨向原理中，在B/4的位置上安放了两个光电元件，得到两个相差/2的电压信号U01和U02(设为S和C)，将这两个信号整形、反相得到4个依次相差/2的电压信号0°(S)，90°(C)，180°()，270°()，将4个信号送入电路中，进行与、或逻辑运算。在正向移过一个光栅栅距时，可得到4个加计数脉冲；反向移过一个光栅栅距时，得到4个减计数脉冲，从而实现了四倍频细分。图为利用光栅栅传感器直接接测量数控机机床工作台位位移量的现场场照片。工作台光栅工作台运动方方向光栅在机床上上的安装位置置（3个自由度）数显表安装有直线光光栅的数控机机床加工实况况防护罩内为直直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具磁栅式传感器器一、磁栅式式传感器的工工作原理和结结构磁栅式传感器器主要由磁栅栅和磁头组成成。磁栅上录录有等间距的的磁信号，它它是利用磁带带录音的原理理将等节距的的周期变化的的电信号(正正弦波或矩形形波)用录磁磁的方法记录录在磁性尺子子或圆盘上而而制成的。装装有磁栅传感感器的仪器或或装置工作时时，磁头相对对于磁栅有一一定的相对位位置，在这个个过程中，磁磁头把磁栅上上的磁信号读读出来，这样样就把被测位位置或位移转转换成电信号号。1．磁栅1)磁栅的的结构长磁栅的节距距W一般为0.05mm或0.02

mm2)磁栅的的类型磁栅分为长磁磁栅和圆磁栅栅两大类，分分别用于测量量直线位移和和角位移。长磁栅又可分分为尺型、带带型和同轴型型三种。磁栅式传感器器实物图2．磁头及其其工作原理磁头的作用是是读取磁栅上上的记录信号号，按读取方方式不同，磁磁头可分为动动态磁头和静静态磁头两种种。

1)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一组线圈组成，如图。2)静态磁磁头静态磁头是一一种调制式磁磁头，又称磁磁通响应式磁磁头，它由铁铁心和两组线线圈组成，如如图所示。它它与动态磁头头的根本不同同就是在磁头头与磁栅之间间没有相对运运动的情况下下也有信号输输出。二、磁栅式式传感器的的信号处理理方法动态磁头只只有一个磁磁头和一组组线圈，利利用磁栅与与磁头间以以一定速度度的相对移移动读出磁磁栅上的信信号，将此此信号进行行处理后使使用。检测测电路也较较为简单。。静态磁头在在实际应用用中总是成成对使用，，即用两个个间距为的的磁头，其其中n为正整数，，为磁信号号节距，也也就是两个个磁头布置置成在空间间相差90°。其信信号处理方方式分为鉴鉴幅和鉴相相型两种，，其中鉴相相型信号处处理方式应应用广泛，，将一组磁头的励磁信号移相45°(或把其输出信号移相90°)，则两磁头输出电压分别为

两电压相加得总输出电压为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。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