现代检测技术及应用-数字式位移检测技术

6.1位移检测

位移(displacement)是指物体或其某一部分的位置相对参考点在一定方向上产生的位置变化量。 位移是向量。因此位移的度量除要确定其大小外，还要确定其方向。6.1.1位移检测方法位移一般分为线位移和角位移。线位移测量包括长度、厚度、高度、距离、镀层厚度等，角位移包括旋转角、倾斜角、方向偏角等。常用位移测量方法：（1）速度积分法（2）回波法（3）线位移和角位移转换法（4）物理参数法

（1）速度积分法 测量运动体的速度或加速度，经过积分或二次积分求得运动体的位移。例如在惯性导航中，就是通过测量载体的加速度，经过二次积分而求得载体的位移。（2）回波法从测量起始点到被测面是一种介质，被测面以后是另一种介质，利用介质分界面对波的反射原理测位移。比如激光测距仪、超声波液位计等。（3）线位移和角位移转换法被测量是线位移时，若测量角位移更方便，则可用间接测量方法，通过测角位移再换算成线位移。

同样，被测量是角位移时，也可先测线位移再进行转换。例如汽车的里程表，是通过测量车轮转数再乘以周长而得到汽车的里程的。（4）物理参数法

利用各种位移检测装置，将被测位移的变化转换成电、光、磁等物理量的变化来测量，这是应用最广泛的一种方法。可利用的检测转换原理很多，根据检测装置信号输出形式，有模拟和数字式两大类。6.1.2线位移检测电位器式位移传感器

1光栅式位移检测装置

2感应同步器

3激光测距

41.电位器式位移传感器如图，测量轴与内部电位器电刷相连，当其与被测物相接触，有位移输入时，测量轴便沿导轨移动，同时带动电刷在滑线电阻上移动，因电刷的位置变化会有电阻变化，由电路转换成电压输出，就可以判断位移的大小。如要求同时测出位移的大小和方向，可将图中的精密无感电阻和滑线电阻组成桥式测量电路。

在A、C两端接上激励电压Ui，则当电刷在输入位移驱动下移动时，B、C两端就会有电压输出Uo。设电位器为线性，长度为l，总电阻为R，电刷位移为x，相应电阻为Rx，负载电阻为RL，根据电路分压原理，电路的输出电压为：

电位器式位移传感器测量原理与电路模型

若负载电阻为RL→∞，则有：

优点缺点结构简单,价格低廉,性能稳定,对环境条件要求不高,输出信号大，便于维修。电刷与电阻元件之间存在摩擦,易磨损，易产生噪声，分辨力有限,精度不够高,要求输入的能量大，动态响应较差，仅适于测量变化较缓慢的量。⑴光栅位移传感器结构光栅位移传感器由光源、光路系统、光栅副(标尺光栅+指示光栅)和光敏元件组成。

当被测物体运动时，光源发出的光透过光栅缝隙形成的光脉冲被光敏元件接收并计数,即可实现位移测量，被测物体位移=栅距×脉冲数。2.光栅位移传感器（2）光栅位移传感器的光路(透射式）1-光源2-准直透镜3-主光栅4-指示光栅5-光电元件（3）

莫尔条纹在用光栅测量位移时，由于刻线很密，栅距很小，而光敏元件有一定的机械尺寸，故很难分辨到底移动了多少个栅距。因此，实际的计量光栅一般利用莫尔条纹来进行测量。莫尔条纹的特点a.放大作用

b.误差平均作用

c.方向对应与同步性（4）位移测量原理用光敏元件接收莫尔条纹移动时光强的变化并转换为电信号输出。光敏元件接收的光强变化近似于正弦波，其输出电压信号的幅值U为光栅位移量x的正弦函数，即：

U=U0+Umsin(2πx/W)

式中U0—输出信号中的直流分量；Um—输出信号中正弦交流分量的幅值；x—两光栅间的相对位移将该电压信号放大、整形为方波，再由微分电路转换成脉冲信号，经过辨向电路后送可逆计数器计数，就可得出位移量的大小，位移量为脉冲数与栅距的乘积，测量分辨力为光栅栅距W。（5）位移方向的辨别

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。 为了确定移动方向，可以在相差1/4栅距的位置安装另一个光电元件，这样可以得到相位相差90的两个正弦信号。辨向电路正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。辨向电路各点波形图（6）光栅位移传感器特点

优点缺点测量量程范围大(可达数米)且同时具有高分辨力(可达0.01μm)和高精度；可实现动态测量；输出数字量，易于实现数字化测量和自动控制；具有较强的抗干扰能力。对使用环境要求较高，怕振动，怕油污、灰尘等的污染；制造成本高。⑴直线感应同步器结构直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，其结构如图所示

3.感应同步器直线感应同步器绕组结构示意图。图中上部为定尺绕组，下部为W型滑尺绕组。为了减小由于定尺和滑尺工作面不平行或气隙不均匀带来的误差，各正弦和余弦绕组交替排列。滑尺位置定尺时间定尺感应电动势UsUca位置b位置c位置d位置UC励磁的感应电动势Us励磁的感应电动势abdc(2)直线感应同步器工作原理

采用滑尺绕组励磁，从定尺绕组取出感应电势的激励方式。定尺绕组中感应电势的波形图见图12-9

正弦或余弦绕组在定尺上产生的相应感应电势分别为：

可见：定尺的感应电势取决于滑尺的相对位移x，故通过感应电势可测量位移。(3)感应同步器信号的检测

鉴幅法在滑尺的正、余弦绕组上施加频率和相位相同、但幅值不同的正弦激励电压

利用函数电压发生器使激励电压的幅值满足

感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，可得定尺绕组输出的总感应电势为式中kUmsin(

－θ)为感应电势的幅值，其值随位移相位角θ(即位移x)而变化。若调整给定激励电压的相位角，使输出感应电动势e的幅值为0，则此时有()=0。由于==2x/W，所以位移x=W/2，这就是鉴幅法测位移x的原理。鉴相法在滑尺的正、余弦绕组上加频率相同、振幅相等、相位相差90的交流电压。具有较高的精度与分辨力。测量长度范围不受限制。抗干扰能力强。使用寿命长，维护简单。工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。输出信号较弱，需要高放大倍数的前置放大器。(4)感应同步器的特点

利用激光器向目标发射单次激光脉冲或脉冲串，光脉冲从目标反射后被接收，通过测量激光脉冲在待测距离上往返传播的时间，计算出待测距离。（渡越时间法）换算公式为：

式中，L—待测距离；c—光速，t—光波往返传输时间。测量传输时间t，有脉冲式(直接测定时间)和相位式(间接测定时间)两种方法。4.激光测距⑴脉冲式激光测距激光脉冲到目标的往返传输时间测得t即可计算出被测距离（2）相位式激光测距用相位延迟的间接方法测定光在待测距离上往返传播所需的时间，相位式激光测距方法的原理如图12-11所示。激光脉冲往返传输时间为：

又则待测距离L为：相位法测距就像用尺量距离，测尺长度为λ/2，N为整尺长，∆N为不足整尺的零数。但是，任何测量交变信号相位移的方法都不能确定出相位移的整周期数N，而只能测定其中不足2的∆

。所以，当距离L大于测尺长λ/2时，是无法测定距离的。如果测尺长度λ/2大于待测距离L，N＝0，故：

测出相位差∆就能够测出距离。如果被测距离较长，则可选择较低的调制频率f，使相应的测尺长度大于待测距离，这样就可保证距离测量的确定性。但是过大的测尺长度会导致误差增大。实际的相位式激光测距系统经常采用从大到小多个测尺来解决测量范围和测量精度之间的矛盾。激光测距系统内部组成示意图扩展阅读KTC线性位移传感器KTC拉杆系列传感器用于对位移或者长度进行精确测量。量程长达1250mm，线性度0.05%（型号大于350mm），重复精度±0.01mm。典型应用于注塑机、压铸机、橡胶机、鞋机、EVA注射机、木工机械、液压机械等。

类型：位移传感器量程：

0～75～425mm0～450～1250mm精确度：

±0.05%电阻：

±50%KΩ±50%～±200%KΩ供电电源：

≤10μA工作温度：

-60～150℃最大工作速度：10m/s特点：

KTC是一般通用型，适合各类型设备的位置检测典型应用：注塑机、压铸机、橡胶机、鞋机、EVA注射机、木工机械、液压机械等技术指标扩展阅读6.1.3角位移检测很多测量线性位移的检测装置，在结构上做适当变动，就可以用于角位移的测量。

图1是一种变气隙式电感角位移传感器；图2是一种测量角位移的旋转电位器；图3是圆感应同步器。

6.1.3角位移检测图1变隙式自感角位移传感器图2电位器式角位移传感器图3圆感应同步器几种常用的角位移传感器1.旋转变压器2．微动同步器式角位移传感器3.数字式角编码器6.1.3角位移检测旋转变压器是一种基于电磁感应原理工作的精密角度位置检测装置，又称分解器（Resolver)。⑴结构类型旋转变压器由定子和转子组成，定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。交流激磁电压接到定子绕组上，感应电动势由转子绕组输出。右图为二极旋转变压器绕组结构。

1.旋转变压器⑵工作原理设加在定子绕组的励磁电压为：U1=Umsinωt，由于旋转变压器在结构上保证了定子和转子间气隙内的磁通分布呈正(余)弦规律，所以转子绕组产生的感应电势为：

式中，Um—励磁电压幅值；k—变压比(即转、定子绕组匝数比）；ω—励磁电压圆频率；θ—转子转角。

因此，转子输出电压大小取决于定子和转子两绕组轴线的空间相互位置，两者垂直时θ=0，U3为零；两者平行时θ=90°，U3最大。鉴相式测量

转子绕组中的感应电压为：可知感应电压的相位角就等于转子的机械转角θ。因此只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角。

鉴幅式

转子绕组中的感应电压为：若已知励磁电压的相位角

，则只需测出转子感应电压U的幅值kUmcos(

-θ)，便可间接求出转子与定子的相对位置θ；若不断调整励磁电压的相位角

，使幅值U的幅值kUmcos(

-θ)为0，跟踪θ的变化，即可由求得角位移θ。

由四极定子和两极转子组成。定子的每个极上有两个绕组，将各极中的一个绕组串联，组成初级励磁回路；将各极中的另一个绕组串联，组成次级感应回路。

2.微动同步式角位移传感器次级绕组总感应输出电压为：

转子转到对称于定子的位置时，定子和转子之间的四个气隙几何形状完全相同，各极的磁通相等，使I、III极上的感应电压与II、IV级上的感应电压相等，总输出电压为零。

若转子偏离零位一个角度，则四个气隙不再相同，造成各极磁通的变化量不同，其中一对磁级的磁通量减小，另一对磁级的磁通量增加。这样，次级就有一个正比于转子角位移的电压输出。微动同步器的灵敏度大约为每度0.2~5V，测量范围约±5°~±40°，线性度优于0.1％。

2.微动同步式角位移传感器角编码器在结构上主要由可旋转的码盘和信号检测装置组成。

增量式绝对式增量式编码器的输出是一系列脉冲，用一个计数装置对脉冲进行加或减计数，再配合零位基准，实现角位移的测量。

绝对式编码器的输出是与转角位置相对应的、唯一的数字码，如果需要测量角位移量，则只需将前后两次位置的数字码相减就可以得到要求测量的角位移。

常用的码盘主要有光电式和电磁式两大类。3.角度编码器(AngularEncoder)⑴光电式绝对编码器结构与工作原理光电式绝对编码器的码盘如图12-21所示

在360°范围内可编数码数为24=16个，在圆周内的每一个角度方位对应于不同的编码，只要根据码盘的起始和终止位置,就可以确定角位移3.数字式角编码器绝对位置的二进制编码的产生

绝对编码器的角度分辨率

如何保证高分辨率和测量精度

标准二进制编码的码盘的缺点

3.数字式角编码器改进方法：采用二进制循环码盘(格雷码盘)，它的相邻数的编码只有一位变化，因此就把误差控制在最小单位内，避免了非单值性误差。3.数字式角编码器⑵光电式绝对编码器特点优点：直接把被测转角或角位移转换成唯一对应的代码，无需记忆，无需参考点，无需计数；在电源切断后位置信息也不会丢失，而且指示没有累积误差；大大提高了编码器的抗干扰能力和数据的可靠性；无磨损，码盘寿命长，精度保持性好缺点：结构复杂，价格高，码盘基片为玻璃，抗冲击和振动能力差；随着分辨率的提高信号引出线较多3.数字式角编码器扩展阅读

HGD-256光电单圈绝对编码器HGD-256型光电式绝对编码器是集光、机、电技术于一体的数字化传感器，可以高精度测量转角或直线位移。通过光电转换，将输出轴的角位移转换成相应的数字量。1、信号输出方式有：a.并行格雷码输出b.485串行信号输出c.4-20mA电流输出d.SSI同步串行信号输出2、根据用户要求可设定并控制测量范围的上、下限3、可以直接连接PLC或上位机4、铝合金外壳，特殊表面处理特点：6.1位移检测

6.2速度检测6.3加速度检测

物体运动速度的测量分两种：

线速度测量

旋转速度的测量

6.2速度检测如弹丸的飞行速度、机构振动速度的测量，线速度的计量单位是米/秒(m/s)，工程上也用千米/小时(km/h)表示

如电机轴的旋转速度，常称其为转速测量，单位是转/分(r/min)，而在被测转速很小时，测量单位时间内物体转过的角度，称为角速度测量，单位是弧度/秒(rad/s)

6.2.1速度测量方法微、积分测速法

线速度和角速度相互转换测速法

利用物理参数测速法(速度传感器法)

时间、位移计算测速法

（1）微、积分测速法 对测得的物体运动的位移信号微分可以得到物体运动速度，或对测得的物体运动的加速度信号作时间积分也可以得到速度。

例如在振动测量时，应用加速度计测得振动体的振动加速度信号，或应用振幅计测得振动体的位移信号，再经过电路进行积分或微分运算而得到振动速度。6.2.1速度测量方法（2）线速度和角速度相互转换测速法

线速度与角速度在同一运动体上是有固定关系的，在测量时可以采用互换的方法达到方便测量的目的。例如测火车行驶速度时，直接测线速度不方便，可通过测量车轮的转速，换算出火车的行驶速度6.2.1速度测量方法（3）利用物理参数测速法(速度传感器法)

利用各种速度传感器测量与速度大小有确定关系的各种物理量来间接测量物体的运动速度，将速度信号变换为电、光等易测信号。这是最常用的一种方法。可利用物理效应很多，如电磁感应原理、多普勒效应、流体力学、声学定律等等。6.2.1速度测量方法（4）时间、位移计算测速法

这种方法是根据速度的定义测量速度，即测量物体经过的距离L和经过该距离所需的时间t，来求得物体运动的平均速度。根据这种测量原理，在确定的距离内利用各种数学方法和相应器件可延伸出许多测速方法，如相关测速法、空间滤波器测速法等等。6.2.1速度测量方法

常用速度检测装置性能与特点类型原理测量范围精度特点线速度测量磁电式工作频率10~500Hz≤10%灵敏度高，性能稳定，移动范围±（1~15）mm，尺寸重量较大空间滤波器1.5~200km/h±0.2%无需两套特性完全相同的传感器6.2.1速度测量方法转

速

测

量交流测速发电机400~4000r/min<1%满量程示值误差在小范围内可调整预扭弹簧转角直流测速发电机1400r/min1.5%有电刷压降形成不灵敏区，电刷及整流子磨损影响转速表精度离心式转速表30~24000r/min±1%结构简单，价格便宜，不受电磁干扰，精度较低频闪式转速表0~1.5×105r/min1%体积小，量程宽，使用简便，精度高，是非接触测量光电式反射式转速表30~4800r/min±1脉冲非接触测量，要求被测轴径大于3mm直射式转速表1000r/min

在被测轴上装有测速圆盘激光式测频法转速仪几万~几十万r/min±1脉冲/s适合高转速测量，低转速测量误差大测周法转速仪1000r/min

适合低转速测量汽车发动机转速表70-9999r/min0.1%n±1r/min(n≤4000r/min)0.2%n±1r/min(n>4000r/min)利用汽车发动机点火时，线圈高压放电，感应出脉冲信号，实现对发动机不剖体测量6.2.2线速度测量霍尔效应与霍尔元件1皮托管测速2空间滤波器测速34磁电感应式测速弹丸飞行速度测量1.电磁感应式测速

原理：导体和磁场发生相对运动时，导体上会产生感应电动势，感应电动势与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关

E=NBLv感应电动势E与线圈相对磁铁的运动速度v成正比，所以这种传感器能直接测量速度

6.2.2线速度测量2.皮托管测速图12-25为皮托管结构和工作原理：测量时，将皮托管对准流体流动方向(如图示)，就可同时测出流体总压力和静压力，并由导出管分别导出至测压装置。流体总压力与静压力的差值与流体流速有关，因而可以通过用皮托管测出流体差压的方法来测量流体流速。6.2.2线速度测量6.2.2线速度测量设流体密度为ρ，流速为v，测出的流体总压力为Pz，静压力为Pj，则根据流体流动的伯努利方程有：由式可求出流速v：所以用皮托管测出差压∆P就可测出流体流速。皮托管风速仪空速管3.空间滤波器测速空间滤波技术是对物体的移动进行非接触连续测量以探知其长度、运动速度的有效手段之一。

v=f/M

响应速度很快，可以用来检测传送带、钢板、车辆等的运动速度，检测范围为1.5～250km/h，测量精度可达0.2%

6.2.2线速度测量4.弹丸飞行速度测量常用时间位移计算测速法，测量原理如图12-27所示

v=L/t

6.2.2线速度测量产生测时脉冲信号的区截装置：接触型

非接触型

6.2.2线速度测量对于大口径武器，则可以采用光电靶和天幕靶等区截装置来测量弹丸速度。6.2.2线速度测量转速的检测方法很多，按照输出信号的特点可分为模拟式和数字式两大类。

1.模拟式转速测量仪表

⑴直流测速发电机6.2.3转速测量定子产生恒定磁通Φ0，当转子在磁场中旋转时，转子绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成与转速成正比的直流电势：

当Ce、Φ0、r及RL都不变时，输出电压U0与转速n成线性关系。对于不同的负载电阻RL，输出电压不同，负载电阻越小，输出电压也越小。

输出斜率大、线性好，但由于有电刷和换向器，因而结构复杂，维护不便，摩擦转距大，有换向火花，输出特性不稳定。直流测速发电机的特点6.2.3转速测量⑵离心式转速表离心式转速表由转动轴、重锤、弹簧、连杆、套筒以及转速指示机构等组成，其结构与工作原理如图12-34所示测速原理惯性较大，不适合测量快速变化的转速，测量精度也受到多力面的限制，一般在1%~2%。特点结构简单、成本低，可靠、耐用、不怕冲击振动，无需电源就可工作，测量范围较宽6.2.3转速测量⑶频闪式转速表频闪式转速表利用频闪效应原理来测量转速，检测的原理如图12-35所示测量方法

①若已知被测转速范围是n~n′，则先将闪光频率调到大于n~n′，然后从高频逐渐下降，直到第一次出现标记不动时，此时就可以读出被测实际转速；

②若无法估计被测转速时，则调整闪光频率，当旋转的圆盘上连续出现两次标记停留现象时，分别读出对应的转速值，然后按下式计算出真实被测转速n：6.2.3转速测量2.数字式转速检测方法

在指定的时间T内，对转速传感器的输出脉冲信号进行计数。若在时间T(s)内计数值为N，转速传感器每周产生的脉冲数为Z，则被测转速n为：测量原理测定传感器脉冲信号频率f就可求出转速n。

6.2.3转速测量⑴电磁感应式6.2.3转速测量

⑵电容式

⑶霍尔式6.2.3转速测量⑷光电式6.2.3转速测量5)计数方法根据式(12-36)

测出的脉冲信号频率求出待测转速的方法称为测频法，比较适合于高转速测量。测频法有一个字计数误差，在转速较低时会引起较大相对误差，故在低转速时，脉冲信号的计数方法应改用测周期法。测周期法的原理见图(12-40)

转速(r/min)为：6.2.3转速测量6.1位移检测

6.2速度检测6.3加速度检测

加速度是表征物体空间运动的一个物理量。加速度的计量单位为m/s2(米/秒2)。在工程应用中常用重力加速度g=9.81m/s2作计量单位。

加速度测量应用很广泛，如在振动试验、地震监测、工程爆破、航天、航空、武器制导、机械制造以及很多电子产品中都有应用。6.3加速度检测6.3.1加速度测量原理加速度测量的原理是基于对质量块感受加速度时所产生的惯性力的测量。测量时采用绝对法，把测量装置安装在运动体上进行测量。系统运动的微分方程：

有位移关系x=y+z,若令；则有：

测出位移y，或者测出质量块作用在弹簧上的惯性力就可以测出被测运动物体的加速度。6.3.2位移式加速度传感器1.霍尔加速度传感器

霍尔式加速度传感器的测量原理与结构如图12-42

所示：传感器固定在被测对象上并与其一起作加速运动时，质量块感受到加速度而产生与之成比例的惯性力，使悬臂梁发生弯曲变形，其自由端的霍尔元件H就产生与加速度成比例的位移，输出与加速度成比例的霍尔电势UH，从UH与加速度的关系曲线上可求得加速度。2.电位器式加速度传感器

电位器式加速度传感器的测量原理与结构如图12-43所示：传感