《传感器》-项目5 位移检测

位移测量从被测量来的角度可分为线位移测量和角位移测量；从测量参数特性的角度可分为静态位移测量和动态位移测量。许多动态参数，如力、扭矩、速度、加速度等都是以位移测量为基础的。自动化生产与工程自动控制中经常需要测量位移。测量时应当根据不同的测量对象选择测量点、测量方向和测量系统，其中位移传感器精度起重要作用。2026/6/221任务一电阻位移传感器传统发动机节气门（油门）操纵机构是通过拉索（软钢丝）或者拉杆，一端联接油门踏板（加速踏板），另一端连接节气门连动板而工作。这种传统油门应用范畴受到限制并缺乏精确性。在现代汽车控制中，采用电子油门控制踏板位移量就能控制可燃混合气的流量，改变发动机的转速和功率，以适应汽车行驶的需要。2026/6/222【任务导入】2026/6/223

电子油门的核心是位移传感器。位移传感器的输出控制一只微型电机，电机可驱动节气门开度，即可控制油门的大小。电阻式位移传感器为电子油门控制器中的常用传感器。那么电阻式位移传感器的工作原理是什么？其结构、特点、适用场所如何？这就是我们本课题的任务目标。2026/6/224电阻式传感器是将非电量如力、位移、速度和加速度等的变化量变换成有一定关系的电阻值的变化，再通过对电阻值的测量达到对上述非电量测量的目的。电阻式电阻传感器又分为线绕式和非线绕式两种，它们主要用于非电量变化较大的测量场合，如线位移、角位移等。

2026/6/225【相关知识】一、线绕电位器结构和工作原理2026/6/226电阻位移传感器由电阻体和电刷(也称可动触点)两部分组成，可作为变阻器使用，也可作为分压器使用。当电刷沿电阻体的接触表面从b端移向a端时，在电刷两边的电阻体阻值随之发生变化。设电阻体全长为L，总电阻为R，则电刷移动距离为x时，变阻器的电阻值为

2026/6/227若在分压器的两端施加电压u，电阻体b端接地，则分压器输出电压Uo为2026/6/228由上可见，电阻位移传感器的输出信号均与电刷的位移量成正比，实现了位移与输出电信号的对应转换关系。线绕式电位计是通过电阻百分比来分配外加电源的电压，因此输出要注意阻抗的匹配。线绕电位器具有精度高、性能稳定、线性好等优点，但分辨率低、耐磨性差、寿命短。因此，可以使用一些非线绕式电位器。2026/6/229按照材料的不同，除了线绕式电位器外还有以下三类常见的电位器：1、膜式电位器膜式电位器通常分碳膜电位器和金属膜电位器。碳膜电位器是在绝缘骨架表面涂一层均匀电阻液，烘干聚合后形成电阻膜。优点是分辨率高、耐磨性好、工艺简单、低成本，但接触电阻大。金属膜电位器是在玻璃等绝缘基体上喷涂一层铂铑、铂铜合金金属膜制成。这种电位器温度系数小，适合高温工作，但功率小较、耐磨性差、阻值小。二、非线绕式电位器2026/6/2210２.导电塑料电位器又称有机实心电位器。采用塑料和导电材料（石墨、金属合金粉末等）混合模压而成。特点是分辨率高、使用寿命长、旋转力矩小、功率大。缺点是接触电阻大、耐热、耐湿性能差。2026/6/2211３.光电电位器光电电位器是非接触电位器，采用光束代替电刷。光束在电阻带、光电导层上移动时，光电导层受到光束激发，使电阻带和集电带导通，在负载电阻两端便有电压输出。光电电位器特点是阻值范围宽(500Ω～15MΩ)、无磨损、寿命长、分辨率高。缺点是不能输出大电流，测量电路复杂。

2026/6/2212电位器式传感器主要用来测量直线位移和角位移。和弹性元件相结合也可以测量压力、力、加速度等量。2026/6/2213四、电阻式传感器电子油门控制系统主要由油门踏板、踏板电位计角位移传感器、ECU（电控单元）、数据总线、伺服电动机和节气门执行机构组成。位移传感器安装在油门踏板内部，随时监测油门踏板的位置。2026/6/2214【任务实施】当监测到油门踏板高度位置有变化，会瞬间将此信息送往ECU，ECU对该信息和其它系统传来的数据信息进行运算处理，计算出一个控制信号，通过线路送到伺服电动机继电器，伺服电动机驱动节气门执行机构。由于电子油门系统是通过ECU来调整节气门的，因此电子油门系统可以设置各种功能来改善驾驶的安全性、舒适性、油耗及尾气排放质量。2026/6/2215任务二光栅式位移传感器

无论是先进的数控机床，还是旧机床的改造，都需要精确测量位移、长度、零件尺寸。在机电一体化设备中常常将光栅数显测量系统作为各种长度计量仪器的重要配件，是用微电子技术改造传统工业的方向之一。2026/6/2216【任务导入】2026/6/2217

那么光栅式位移传感器的工作原理是什么？其结构、特点如何？这就是我们本课题的任务目标。

由于光栅数显测量系统具有精度高，安装及操作容易，价格低，回收投资快等优点而得到大量使用。

一、光栅式位移传感器

2026/6/2218【相关知识】代表性产品：

德国Heidenhain（海德汉）：封闭式：量程3000mm，分辨力0.1m开放式：量程1440mm，分辨力0.01m开放式：量程270mm

分辨力1nm2026/6/2219英国Renishaw（雷尼绍）：量程：任意分辨力：0.1m0.01m中国长春光机所：量程：1000mm分辨力：0.01m精度：2

m2026/6/2220

在玻璃基体上刻有均匀分布细小条纹，这些条纹黑白相间、间隔相同，没有刻划的白的地方透光，刻划的发黑，不透光,这就是光栅。

2026/6/2221二、光栅式位移传感器工作原理2026/6/2222

将栅距相同的两块光栅的刻线面相对重叠在一起，并且使二者栅线有很小的交角，这样就可以看到在近似垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。

当光栅付中任一光栅沿垂直于刻线方向移动时，莫尔条纹就会沿近似垂直于光栅移动的方向上下运动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量，莫尔条纹具有光学放大作用。当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹就移动一个条纹间隔B：

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当光栅改变运动方向时，莫尔条纹也随之改变运动方向，两者具有相对应的关系。因此可以通过测量莫尔条纹的运动来判别光栅的运动。2026/6/2224

通过光电元件，可将莫尔条纹移动时的明暗强弱变化转换为电量输出，光强的变化近似正弦变化的电信号，如图所示。

其电压为：三、光栅传感器的结构

通常光栅传感器是由光源、透镜、标尺光栅、指示光栅和光电接收元件组成。在测量时，一般指示光栅固定不动，标尺光栅随测量工作台(或主轴)一起移动。但在使用长光栅尺的数控机床中，标尺光栅往往固定在床身上不动，而指示光栅随拖板一起移动。标尺光栅的尺寸常由测量范围确定，指示光栅则为一小块，只要能满足测量所需的莫尔条纹数量即可。2026/6/2225

光栅线位移传感器的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位。一般将主尺（标尺）安装在机床的工作台（滑板）上，随机床走刀而动，读数头固定在床身上。必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。尽可能使读数头安装在主尺的下方。如果由于安装位置限制必须采用读数头朝上的方式安装时，则必须增加辅助密封装置。2026/6/2226四、光栅线位移传感器安装方式

1.安装基面安装光栅线位移传感器时，不能直接将传感器安装在粗糙不平的机床身上，更不能安装在打底涂漆的机床身上。光栅主尺及读数头分别安装在机床相对运动的两个部件，用千分表检查机床工作台的主尺安装面与导轨运动的方向平行度，要求达到平行度为0.1mm/1000mm以内。如果不能达到这个要求，则需设计加工一件光栅尺基座。

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2.主尺安装

将光栅主尺用螺钉上在机床安装的工作台安装面上，但不要上紧，把千分表固定在床身上，移动工作台（主尺与工作台同时移动）。用千分表测量主尺平面与机床导轨运动方向的平行度，调整主尺螺钉位置，使主尺平行度满足0.1mm/1000mm以内时，再把螺钉彻底上紧。在安装光栅主尺时，应注意如下三点：

（1）在装主尺时，如安装超过1.5M以上的光栅时，不能象桥梁式只安装两端头，尚需在整个主尺尺身中有支撑。

（2）在有基座情况下安装好后，最好用一个卡子卡住尺身中点（或几点）。

（3）不能安装卡子时，最好用玻璃胶粘住光栅尺身，使基尺与主尺固定好。

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3.读数头的安装

安装读数头，首先应保证读数头的基面达到安装要求，然后再安装读数头，其安装方法与主尺相似。最后调整读数头，使读数头与光栅主尺平行度保证在0.1mm之内，其读数头与主尺的间隙控制在1~1.5mm以内。

4.限位装置

光栅线位移传感器全部安装完以后，一定要在机床导轨上安装限位装置，以免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺。另外，用户在选购光栅线位移传感器时，应尽量选用超出机床加工尺寸100mm左右的光栅尺，以留有余量。2026/6/2229

5.检查

光栅线位移传感器安装完毕后，可接通数显表，移动工作台，观察数显表计数是否正常。

在机床上选取一个参考位置，来回移动工作点至该选取的位置。数显表读数应相同（或回零）。另外也可使用千分表（或百分表），使千分表与数显表同时调至零（或记忆起始数据），往返多次后回到初始位置，观察数显表与千分表的数据是否一致。

对于一般的机床加工环境来讲，铁屑、切削液及油污较多。光栅传感器应附带加装护罩，护罩通常采用橡皮密封，使其具备一定的防水防油能力。

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光栅传感器具有安装简便，读数直观，工作稳定，抗干扰能力强等优点，在使用时要特别注意以下几点：

（1）光栅传感器与数显表插头座插拔时应关闭电源后进行。

（2）尽可能外加保护罩，并及时清理溅落在尺上的切屑和油液，严格防止任何异物进入光栅传感器壳体内部。

（3）定期检查各安装联接螺钉是否松动。

（4）为延长防尘密封条的寿命，可在密封条上均匀涂上一薄层硅油，注意勿溅落在玻璃光栅刻划面上。2026/6/2231五、光栅传感器使用注意事项

（5）为保证光栅传感器使用的可靠性，可每隔一定时间用乙醇混合液（各50%）清洗擦拭光栅尺面及指示光栅面，保持玻璃光栅尺面清洁。

（6）光栅传感器严禁剧烈震动及摔打，以免破坏光栅尺，如光栅尺断裂，光栅传感器即失效了。

（7）不要自行拆开光栅传感器，更不能任意改动主栅尺与副栅尺的相对间距，否则一方面可能破坏光栅传感器的精度；另一方面还可能造成主栅尺与副栅尺的相对摩擦，损坏铬层也就损坏了栅线，以而造成光栅尺报废。

（8）应注意防止油污及水污染光栅尺面，以免破坏光栅尺线条纹分布，引起测量误差。

（9）光栅传感器应尽量避免在有严重腐蚀作用的环境中工作，以免腐蚀光栅铬层及光栅尺表面，破坏光栅尺质量。2026/6/