第4章 位移的测量

第四章 位移的测量

4.1 位移检测 位移是向量，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。 因此位移的度量除要确定其大小外，还 要确定其方向。

第四章 位移的测量一、位移测量的分类： 按被测量，位移的测量分为线位移测量和角位移测量。

按测量参数的特性，位移测量分为静态位移测量和动态位 移测量。二、位移测量注意问题： 测量方向与位移方向重合 位移是指物体上某一点在一定方向上的位置变动，是矢量。 如果测量方向与位移方向不重合，则测量结果仅仅反映该 而不能真实反映需测位移的大小。 测量方向上的分量， 位移测量时，应当根据不同的测量对象，选择适当的测量 点、测量方向和测量系统。

第四章 位移的测量三、 常用的位移传感器

电阻：应变、压阻、变阻。 电感：自感：变气隙、螺线管； 互感：差动变压器； 涡流。 电容：变面积、变极距、变介电常数。 霍尔元件。 光栅、光电编码盘、磁尺、激光干涉仪。 根据环境、动态特性、量程、精度、价格等参数选择。

4.1 常用位移传感器型 式 电阻式 滑线式 线位移 角位移 变阻器 线位移 角位移 应变式 非粘贴式的 粘贴的 半导体的 测量范围 1~300 mm 0°~360° 1~1000 mm 0~60 rad 精确度 ±0.1% ±0.1% ±0.5% ±0.5%

第四章 位移的测量直线性 特 点

±0.1% 分辨率较好，可用于 ±0.1% 静态或动态测量。机 械结构不牢固 ±0.5% 结构牢固，寿命长， 但分辨率差，电噪声 ±0.5% 大

±0.5%应变 ±0.1% ±0.3%应变 ±2%~3% ±0.25%应 ±2%~3% 变

±1% 满刻度 ±20%

不牢固 牢固，使用方便，需 温度补偿和高绝缘电 阻输出幅值大，温度 灵敏性高

第四章 位移的测量型 式 测量范围 ±0.2 mm 1.5~2 mm 300~2000 mm ±0.08~ ±75 mm ±2.5~ ±250 mm 同步机 ±0.1°~± 0.7° ±0.5% ±0.0% ±1%~3% <3% 精确度 ±1% 直线性 ±3% 特 点

电感式 自感式 变气隙型螺管型 特大型 差动变压器 涡电流式

0.15%~0.1 %

±0.5%

360°微动同步器 旋转变压器 10° 60° ±1% ±0.05% ±0.1%

只宜用于微小位移 测量 测量范围较前者宽， 使用方便可靠，动 态性能较差 分辨率好，受到磁 场干扰时需屏蔽 分辨率好，受被测 物体材料、形状、 加工质量影响 可在1200 r/min 的 转速下工作，坚固、 对温度和湿度不敏 感 非线性误差与变压 比和测量范围有关

第四章 位移的测量型 式 电容式 变面积 变间距 测量范围 精确度 直线 性 特 点

10-3~100 mm 10-3~10 mm

±0.005% 0.1%

±1% 介电常数受环境温度、 湿度变化的影响 分辨率很好，但测量范 围很小，只能在小范围 内近似地保持线性

霍尔元件 感应同步 器 直线式

±1.5 mm

0.5%

结构简单

,动态特性好

10-3~100 mm

2.5µ m/250 mm

0°~360°旋转式 ±0.5"

模拟和数字混合测量 系统，数字显示(直线 式感应同步器的分析率 可达1 µ m)

第四章 位移的测量型 式 测量范围 精确度 直线 性 特 点

计量光栅 长光栅 圆光栅 磁栅 长磁栅 圆磁栅角度编码 器 接触式 光电式

10-3~1000 mm 0°~360° 10-3~10000 mm 0°~360° 0°~360° 0°~360°

3µ m/1 mm ±1" 5µ m/1 mm ±1" 10-6 r 10-8 r

模拟和数字混合测量 系统，数字显示(长光 栅分辨率0.1~1 µ m)测量时工作速度可达 12 m/min 分辨率好，可靠性高

第四章 位移的测量4.2 光栅式位移检测装置数字信号检测系统的组成 数字信号检测系统的组成

传 感 器

放 大 器

细 分 电 路

整 形 电 路

细 分 电 路

脉冲 当量 变 换 电 路

计 数 器

寄 存 器

计 算 机

显示 执行 机 构

辨向电路数字信号检测系统的组成

数字信号检测系统的组成

第四章 位移的测量

光栅数字式传感器 光栅是由很多等节距的透光的缝隙或不透光的刻 线均匀、相间排列而成的光电器件。 W 透 射 式 20线-150线/mm 反 射 式W

25线-50线/mmW 为光栅常数，也称光栅栅距。

第四章 位移的测量光栅的分类按用途分物理光栅 利用光的衍射现象，主要用于光谱分 析、光波长测量。 计量光栅 利用莫尔条纹现象，主要用于长度、 角度、速度、加速度、振动等物理量 的测量。 长光栅 用于长度测量 计量光栅 圆光栅 用于角度测量 透射式光栅 按光的走向 反射式光栅 按栅线的形式 黑白光栅(幅值光栅) 径向光栅 切向光栅 环形光栅

闪耀光栅(相位光栅)

第四章 位移的测量光栅传感器的结构和工作原理光栅传感器的结构 长光栅 --- 直线位移 圆光栅 --- 角位移 构成： 主光栅 --- 标尺光栅，定光栅 指示光栅 --- 动光栅 长度 --- 测量范围； 刻线密度 --- 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm )

第四章 位移的测量光栅传感器的结构和工作原理光栅传感器的结构 透镜光源 主光栅 指示光栅 光电元件

光栅副 光 路

第四章 位移的测量光栅传感器的结构和工作原理光栅传感器的结构

按运动形式分： 直线型---主光栅为直尺形→直线移动 旋转型---主光栅为圆盘形→旋转运动按光学形式分： 透射式---光源与光电元件在两侧→透射光 反射式---光源与光电元件同一侧→反射光

第四章 位移的测量光栅传感器的工作原理 莫尔条纹的形成

+

位移

正弦波

第四章 位移的测量莫尔条纹(Moire)主光栅指示光栅 均匀刻线 夹角

移动

明暗相间条纹

莫尔条纹

条纹宽度：

B

W

W-栅距， a-线宽， b-缝宽

W=a+b ,a=b=W/2特例：当 =0, w1=w2 → B= → 光闸莫尔条纹 当 =0, w1

≠w2 → 纵向莫尔条纹

第四章 位移的测量莫尔条纹(Moire)的特性方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 → 与光栅移动方向垂直 同步性：光栅移动一个栅距 → 莫尔条纹移动一个间距 →方向对应 放大性：夹角θ很小 → B>>W → 光学放大 → 提高灵敏度 可调性：夹角θ↓ → 条纹间距B↑ → 灵活 准确性：大量刻线 → 误差平均效应 → 克服个别/局部误差 → 提高精度

第四章 位移的测量光栅传感器的工作原理

被 莫 测 尔 正 物 通过光栅 条 通过光电 弦 整 形 体 转 换 纹 元件转移 波 转 换 位 移 移 动

方 逻辑电压 脉 波 转 换 冲

故

被测物体位移=栅距×脉冲数

第四章 位移的测量光栅传感器的结构和工作原理 光栅传感器的工作原理

第四章 位移的测量光栅传感器的结构和工作原理 光栅传感器的工作原理 光栅传感器特点

精度高： 测长±(0.2+2×10-6L)μm, 测角±0.1″ 量程大： 透射式---光栅尺长(米), 反射式---几十米 响应快： 可用于动态测量 增量式： 增量码测量 → 计数 断电→数据消失 要求高： 对环境要求高→温度、 湿度、灰尘、振动、 移动精度 成本高： 电路复杂

第四章 位移的测量信号 光栅传感器的测量电路 方波信号

信 号 转 换

放 大

细 分

整 形

四 倍 频 、 判 向

加 减 计 数 数 字 信 号

正弦(余弦)信号 各种接口

第四章 位移的测量光栅传感器的测量电路 信号的形成与转换

W

s in x

cos x

s in xn1W 1 4 W n 2W 2 4 W n 3W 3 4 W

cos x