機械測試技術機械位移測量

機械測試技術機械位移測量第1頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)電位器式位移測量傳感器位移電位器式位移傳感器電阻值或電壓一、典型的電位器式位移傳感器1、線繞電位器式位移傳感器絕緣骨架電刷引出去掉絕緣皮（1）組成結構

（2）線繞電位器的阻值范圍在100Ω～100kΩ

（3）優(yōu)點：結構簡單、使用方便；缺點：存在摩擦和磨損、有階梯誤差、分辨率低、壽命短等。階梯誤差分辨率：如果電位器總匝數(shù)為1000匝，對應的工作行程為40mm，兩固定端上加的電壓為12V，則電壓分辨率為12/1000=0.012V，位移分辨率為0.04mm第2頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五2、非線繞式電位器位移傳感器

（1）組成結構：目前常見的非線繞式電位器位移傳感器是在絕緣基片上制成各種薄膜元件，如合成膜式、金屬膜式、導電塑料和導電玻璃釉電位器等。（2）優(yōu)點：分辨率高、耐磨、壽命長和易校準等。缺點：易受溫度、濕度影響，難以實現(xiàn)高精度。（3）獨立線性度指標：是針對高精密電位器給出的。它是在不考慮電位器兩個端點附近線性度較差的區(qū)段而特指中間工作區(qū)間的線性度。經過修刻的電位器可達0.1～0.025%?！駥щ姴Ａв噪娢黄?/p>

又稱金屬陶瓷電位器★制作以合金、金屬氧化物或難溶化合物等為導電材料，以玻璃釉粉為粘合劑，經混合燒結在陶瓷或玻璃基體上制成?！飪?yōu)點：耐高溫性好、耐磨性好、有較寬的阻值范圍、電阻溫度系數(shù)小、且抗?jié)裥詮?。?頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五★缺點：接觸電阻變化大、噪聲大、不易保證測量的高精度?！窆怆娛诫娢黄?/p>

是另一種非線繞式電位器?！锝Y構原理一般采用氧化鋁作基體，其上沉積一條帶狀電阻薄膜和一條高傳導導電帶，電阻帶和導電帶之間留有一條很窄的間隙，在間隙上沉積一層光導電體（硫化鎘或硒化鎘）。當窄光束在電阻帶、導電帶和光電導體層上照射并移動時，導電體和電阻帶導通?！飪?yōu)點：完全沒有摩擦、磨損，不會對儀表系統(tǒng)附加任何力或力矩，提高了儀表精度、壽命、可靠性，且分辨率也很高?！锶秉c：輸出阻抗較高，需要匹配高輸入阻抗放大器。因為需要光源和光路系統(tǒng)，體積、重量增大，結構復雜，同時，線性度不易做的很高。光電導體基體電阻薄膜窄光束導電帶第4頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五二、電位器式位移傳感器的負載特性及非線性誤差一般的測量電路設電阻的相對變化率電位器負載系數(shù)電刷的相對行程相對輸出電壓此式為電位器式傳感器的負載特性表達式第5頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五rYKL=∞當KL→∞，Y與r之間才為線性，即空載情況下，輸出電壓U0才與機械位移x成線性關系。KL越小非線性越嚴重。如何減小負載RL所造成的誤差？★如果是計算機輔助測量系統(tǒng)，可以在標定過程中采用軟件校正的方法補償負載等造成的非線性誤差?！锓駝t，采用一些硬件措施：1）盡可能增大電位器的負載系數(shù)KL，如將傳感器輸出經高輸入阻抗放大器隔離后，再接測顯電路。第6頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五2）用半橋差動測量電路當測量微小位移時，要增大R5,一般取為電位器總電阻的100倍，即R5≈100RR5半橋差動電路UiRLR2-ΔR2R4R1+ΔR1R3U0當電橋開路時，不平衡電橋輸出的電壓為：若結論：U0與ΔR1/R1成線性關系，差動電橋無非線性誤差；電壓靈敏度為Ui/2，比使用單只應變片提高了一倍

第7頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五3）并聯(lián)電阻RM4）限制電位器的工作范圍

負載誤差：RL≠∞的電位器輸出特性曲線與空載特性曲線之差。通過求負載誤差的極值可知在r=2R/3附近，負載誤差最大。第8頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五5）選用非線性電位器式位移傳感器空載時傳感器輸出電壓U與位移x為非線性負載RL產生的非線性二者綜合，減小非線性誤差

為避免產生最大負載誤差，最簡單的做法就是限制電位器的工作范圍，使之不超過2L0/3。此外，為了不浪費電位器1/3的資源，可以用一個電阻R0=R/2來代替電位器被限制使用的部分。為保持原來的靈敏度，可提高工作電壓。第9頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)電阻應變式位移傳感器特點：線性好、分辨率高、結構簡單和使用方便等。測量范圍：0.1μm～0.1mm

測量精度：＜2％線性度：0.1%～0.5%應變片式位移傳感器原理：測量頭懸臂梁彈簧外殼測量桿調整螺母應變片1）拉伸彈簧和懸臂梁串聯(lián)作為彈性元件。2）矩形截面懸臂梁根部正反兩面貼4片應變片。3）拉伸彈簧一端與測量桿連接。測量桿隨試件位移→彈簧使懸臂梁根部彎曲→應變片阻值變化。第10頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五懸臂梁式位移傳感器：引出線插頭應變片外殼等寬懸臂梁調整螺釘頂桿彈簧應變式角位移傳感器：第11頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)電感式位移傳感器位移線圈自感變化電磁感應原理測量電路電壓/電流/頻率原理：特點：優(yōu)點：結構簡單可靠、沒有摩擦、靈敏度高、輸出功率大、測量精度高(與電容式位移傳感器相近)。 電壓靈敏度一般可達數(shù)百毫伏/mm

測量范圍一般為±25μm～±50mm

可測量0.1μm甚至更小線位移和0.1”角位移缺點：1）靈敏度、線性度和測量范圍相互制約；2）傳感器本身頻率響應低，不宜于高頻動態(tài)測量；3）對傳感器線圈供電電源的頻率和振幅穩(wěn)定度要求較高。第12頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五一、基本結構型式★變氣隙式、變面積式、螺管式三種基本結構型式?！锘窘Y構型式的不足：1）由于線圈中流過負載的電流不等于零，存在起始電流，非線性較大，且有電磁吸力作用于活動銜鐵。2）易受外界干擾，如電源電壓和頻率的波動、溫度變化等都將使輸出產生誤差?！锊贿m于精密測量，只用于一些繼電信號裝置。線圈鐵芯銜鐵變氣隙式鐵芯線圈銜鐵變面積式鐵芯線圈螺管式第13頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五二、差動電感式傳感器★構成：兩個相同的電感線圈按差動方式聯(lián)接，共用一個銜鐵★傳感器的兩個線圈接在交流電橋的兩臂，由交流電源供電?！锶N型式：變氣隙式、變面積式、螺管式。變氣隙式變面積式螺管式★銜鐵位于中間位置時，電橋平衡，輸出u0=0。銜鐵偏離中間位置時，造成兩個線圈的電感量一個增加另一個減小，電橋失去平衡，有電壓輸出。第14頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五★差動電感式傳感器優(yōu)點：1）與單線圈電感傳感器比較：輸出非線性得到改善，起始零位信號不大，靈敏度提高一倍。2）由于采用差動電橋輸出，對外界干擾，如溫度變化、電源頻率變化等的抵抗能力強。鐵心對活動磁鐵的電磁吸力大為減小，因為兩線圈鐵心對銜鐵的吸力方向正好相反，在中間位置時，吸力為零?！锊顒与姼惺絺鞲衅麟姌螂娐返钠渌?lián)接方法：可用一對電容、電感或帶中間抽頭的激勵源變壓器副級線圈的一半代替圖中的一對R0。第15頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五1、基本原理三、差動變壓器式位移傳感器的應用★利用線圈的互感作用將械位移轉換為感應電動勢的變化。★實質上，它就是一個特制的變壓器。工作時初級線圈輸入交流電壓激勵源，結構及各種參數(shù)完全相同的兩個次級線圈按電動勢反相串接，輸出的是兩個次級線圈感應電動勢的差值，因此也稱為差動變壓器。★三種型式：變氣隙式、變面積式、螺管式。變氣隙式靈敏度高，量程小，適于測量幾微米到幾百微米的位移。第16頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五變面積式適于測量角位移，分辨率可達零點幾角秒，線性范圍達±100螺管式靈敏度低，但可測量幾毫米到1m的位移。第17頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五★差動變壓器的輸出特性分析正弦交流電壓Ui加到初級線圈兩次級產生感應電勢e1、e2銜鐵位于中間位置e1=e2銜鐵上移e1>e2輸出U0=e1-e2銜鐵下移e2>e1輸出U0=e1-e2相位互差1800初級線圈次級線圈銜鐵差動變壓器等效電路e1e2UiU0初級繞組的電流：次級繞組的感應電動勢為：第18頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五

★U0的實線為理想的輸出特性，而虛線部分表示實際的輸出特性。U01為零點殘余電動勢，這是由于差動變壓器制作上的不對稱以及鐵心位置等因素所造成的。

U01的存在，使得傳感器的輸出特性在零點附近不靈敏，給測量帶來誤差。其大小是衡量差動變壓器性能好壞的重要指標。由于兩個次級繞組反向串接，輸出總電動勢為：其有效值為：差動變壓器輸出特性曲線實際理想

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實際上，差動變壓器在正弦交流激勵源作用下的輸出是一高頻正弦信號，它的幅值是由銜鐵位移的低頻移動調節(jié)的，因此在測量位移時需要檢波差動變壓器的輸出，再用低通濾波器把激勵源的高頻成分去掉。第19頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五2、位移方向判別二極管電橋差動相敏檢波電路相敏檢波電路要求比較電壓與差動變壓器輸出電壓的頻率相同，相位相同或相反。另外還要求比較電壓的幅值盡可能大，一般情況下，其幅值應為信號電壓的3~5倍。比較電壓相敏檢波電路u2的極性反映銜鐵的位移方向、但含有激勵源高頻成份，通過低通濾波器可得到反映銜鐵位移大小的有效信號。第20頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五差動整流電路用在連接低阻抗負載的場合，為電流輸出型差動整流電路用在連接高阻抗負載的場合，為電壓輸出型第21頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五3、主要技術指標(1)靈敏度用單位位移輸出的電壓或電流表示，當測量電路輸入阻抗低時，用電流靈敏度來表示。靈敏度一般可達0.1～5V/mm，或100mA/mm。(2)線性度表明輸出電壓與位移是否成線性關系以及在活動銜鐵位移多大范圍內保持線性關系。

例如，常用的螺管式差動變壓器線性范圍一般在±2μm～±500mm，線性可達0.1%～0.5%。

（3）零點電壓是由于差動變壓器制作上的不對稱以及鐵心位置等因素所造成的。U01的存在，使得傳感器的輸出特性在零點附近不靈敏，給測量帶來誤差。

（4）激勵頻率也叫載波頻率對靈敏度和線性度有影響。當激勵頻率不很高時，靈敏度正比于激勵頻率，而當激勵頻率很高時，靈敏度反而下降。這是由于：頻率很高時，導線有效電阻增加，渦流損耗、磁滯損耗增加等原因。一般取頻率比10:1第22頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五4、零點補償?shù)?3頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五微小位移測量電路原理圖5、微小位移測量（幾微米～數(shù)十微米）

一般的測量電路不能滿足靈敏度和零點漂移等要求，輸出信號須經放大后再進行測量。放大電路中加入深度負反饋，以提高放大器的穩(wěn)定性和線性關系

與其他位移傳感器相比，差動變壓器式位移傳感器有如下優(yōu)點：不存在機械過載問題，因為銜鐵與變壓器的其他部件完全分開；對高溫、低溫和溫度變化不敏感；輸出信號比較高；可反復使用、價格適中。

缺點：鐵心質量大；過高的激勵頻率對靈敏度、線性度等的影響較大；故不適于高頻動態(tài)測量。第24頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)電渦流式位移傳感器★對于機械運動中的高速旋轉或振動位移的測量，適合采用電渦流式位移傳感器進行非接觸測量?！镌黼姕u流是在有限的區(qū)域范圍內形成1)電渦流區(qū)域：內徑為2r，外徑為2R，高為h的圓套筒區(qū)域2)區(qū)域大小與激勵線圈外徑D的關系：2R=1.39D，2r=0.525D。因此，被測金屬導體的表面尺寸不應小于2D，否擇靈敏度下降3)電渦流強度I2正比于激勵電流I1，并隨2x/D的增加而迅速減小。一般取2x/D=0.05～0.15能獲得較好的線性和靈敏度。第25頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五一、反射式電渦流式位移傳感器線圈阻抗、電感和品質因數(shù)的變化①導體的幾何尺寸、導電率、導磁率、有關；②線圈的幾何尺寸、激勵電流和頻率③線圈到被測導體的距離x有關電渦流位移傳感器保持其他參數(shù)恒定，只反映阻抗Z?x第26頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五★電渦流位移傳感器組成載流線圈被測導體部分購買，部分要自己設計（考慮被測導體的物理性能、幾何形狀和尺寸?！镫姕u流位移傳感器的型式：變間隙型、變面積型、螺管型變間隙型間隙變化→電渦流效應變化→線圈電感和阻抗變化變面積型被測導體與線圈之間相對面積變化→電渦流效應變化→線圈電感和阻抗變化．其測量線性范圍比間隙型大而且線性度較高，適于軸向位移測量。第27頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五

螺管型：由短路套筒和螺管線圈組成。短路套筒可沿螺管線圈軸向移動，引起螺管線圈電感的變化，從而測量位移。

以上三種型式的電渦流式位移傳感器，與其他傳感器相比，有如下優(yōu)點：①結構簡單、體積小、抗干擾能力強、不受介質污染等的影響、可進行非接觸測量、靈敏度高等。量程一般為0～80mm。②也可用于測量厚度尺寸、物體表面粗糙度、無損探傷等。第28頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五二、透射式電渦流式位移傳感器L1上加交流激勵電壓U1L2上產生感應電動勢U2

無金屬板時，U2最大，有金屬板時，電渦流抵消了部分L1磁場，致使U2減小，板厚δ越大，U2越小δδL2L1U2L1U2第29頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五

不同激勵頻率f下，感應電壓U2與金屬板厚度δ的關系曲線。f1＜f2＜f3

測量薄板時，應選擇相對高些的激勵頻率；測量較厚的金屬板時應選擇較低的激勵頻率。

可見，激勵頻率f較低時，線性較好，因此應選擇較低的激勵頻率，一般在1kHz左右較好。第30頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五第五節(jié)電容式位移傳感器優(yōu)點：①結構簡單；②非接觸測量，只要極小的輸入力即可使極板移動，幾乎沒有摩擦和反作用力；③靈敏度高、分辨率強，可分辨0.01μm甚至更?。虎軇討B(tài)響應好；⑤能在惡劣條件（高溫、低溫、各種形式的輻射等）下工作缺點：主要是輸出特性的非線性和絕緣電阻要求較高，為了克服寄生電容的影響，降低電容傳感器的內阻抗，要求對傳感器及輸出導線采取屏蔽措施和采用較高的電源頻率等。★新工藝、新技術構簡單億大大改進了電容式傳感器的性能，如北京機床所研制了測量位移±0.0025μm～±300μm，誤差＜5％的傳感器?！锍Ｓ米儤O距型和變面積型測位移，變介電常數(shù)型測厚度。第31頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五初始位置時動極板上移：定極板δ2定極板動極板C2C1δ1差動電容傳感器一、極距變化型電容傳感器當△δ/δ0＜＜1時：第32頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五電容量的相對變化略去高次項非線性誤差為：靈敏度：（提高一倍）（減小）第33頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五二、面積變化型電容傳感器一般用于測量角位移或較大的線位移。三、電容式傳感器信號處理電路

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傳感器本身電容很?。◣孜⒎ā珟资⒎ǎ资芡饨缂纳娙莞蓴_甚至淹沒。

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如何解決問題？第34頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五

它是把整個電橋(包含電源電纜等)一起屏蔽起來，設計的關鍵點在于接地點的合理設置。采用把接地點放在兩個平衡電阻R1、R2之間，與整體屏蔽共地。這樣，傳感器公共極板與屏蔽之間的寄生電容C1與測量放大器的輸入阻抗并聯(lián)，從而可把C1視作放大器的輸入電容。由于放大器的輸入阻抗應該很大，C1的并聯(lián)也不希望存在，但它只是影響靈敏度而已。另兩個寄生電容C3、C4并聯(lián)在橋臂R1、R2上，會影響電橋的初始平衡和整體靈敏度，并不影響電橋的正常工作。因此寄生參數(shù)對傳感器電容的影響基本消除。1）整體屏蔽法電源放大器公共極板第35頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五

2）采用驅動電纜技術——實質上是一種等電位屏蔽法。在電容傳感器與測量電路的前置級之間采用雙層屏蔽電纜，并接入增益為1的驅動放大器。這種接線法：1）使內屏蔽與芯線等電位，消除了芯線對內屏蔽的容性漏電，克服了寄生電容的影響；2）內、外層屏蔽之間的電容變成了驅動放大器的負載。因此驅動放大器是一個輸入阻抗很高、具有容性負載、放大倍數(shù)為1的同相放大器。

采用驅動電纜技術消除寄生電容，要在很寬的頻帶上嚴格實現(xiàn)放大倍數(shù)等于1，且輸入輸出的相移為零，這是設計的難點尤其當Cx很小時，難以實現(xiàn)，故只適于Cx較大的電容傳感器。用于Cx較大驅動電纜技術基本原理：是使電纜屏蔽層電位與連接有傳感器電容極板的電纜的電位保持一致，兩個電位如在幅值和相位上均一致，則可消除電纜分布電容的影響。第36頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五

采用運算放大器驅動法可有效的解決這一難題。(-Aa)為驅動電纜放大器，其輸入是(-A)放大器的輸出，(-Aa)放大器的輸入電容為(-A)放大器的負載，因此無附加電容和Cx并聯(lián)，傳感器電容Cx兩端電壓為：

UCX=U01-U02=U01-(-A?U01)=（1+A)?U01

放大器(-Aa)的輸出電壓為：

U03=-AaU02=AAaU01

為實現(xiàn)電纜芯線和內層屏蔽等電位，應使UCX=U03；于是可以得到(1+A)U01=AAaU01，即Aa＝1+(1/A)

運算放大器驅動法無任何附加電容，特別適用于傳感器電容Cx很小的檢測電路。

用于Cx較小第37頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五幾種常用的(微小電容變化)/(電壓、電流或頻率)轉換電路1、運算放大器式電路

★設運算放大器的開環(huán)增益K=∞，輸入阻抗Zi=∞，則輸入與輸出之間的關系為＋－U0與δ成線性關系，從原理上解決了位移輸入與電壓輸出間的非線性問題。

★若把Cx和C0交換一下連接位置，適合于變面積型電容傳感器，輸出電壓U0與位移間的關系也為線性關系。A轉到分母上第38頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五★適用于差動電容傳感器的電路幾點注意：1）實際運算放大器，K≠∞，Zi≠∞，U0和輸入位移有線性誤差，只要K和Zi足夠大，非線性誤差很小。2）U0和Ui直接相關，故要求Ui穩(wěn)定高精度。3）U0仍為交流電壓，需要精密整流附加電路將其轉化為直流電壓第39頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五2、電橋電路（1）阻容電橋兩差動電容精密電阻★當動極板位于中間位置C1=C2，電橋平衡，輸出為零★當動極板位移δ，C1≠C2，輸出電壓U0的幅值與δ成比例，電壓極性反映位移方向。（2）變壓器電橋USCZ1=1/jωC1Z2=1/jωC2輸出交流電壓：成線性關系注意：輸入電壓U必須穩(wěn)定；該電橋輸出阻抗高，后續(xù)處理電路應有很高的輸入阻抗。第40頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五（3）雙T電橋電路正半周→VD1導通→C1充電緊接著的負半周→VD1截止→C1經R1、RL、R2、VD2放電→RL電流i1負半周內→VD2導通→C2充電在下一個半周→C2經R2、RL、R1、VD1放電→RL電流i2若C1=C2，R1=R2電流i1和i2大小相等、方向相反，流過RL的平均電流為零若C1或C2有任何變化i1≠i2，RL上有直流輸出信號電流I0激勵電源頻率輸出電壓U0=I0RL高頻電源Ui：提供幅值E的對稱方波VD1和VD2有相同特性傳感器電容平衡電容第41頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五★電路的最大靈敏度發(fā)生在1/k1=1/k2=0.57的情況下。如果不追求最大靈敏度，選擇適當?shù)募钤搭l率，使k1>5和k2>5，則式中的指數(shù)項所占比例不超過1％，將其忽略，得輸出電壓電路特點：1）Ui、C1、C2及輸出電路都接地。2）工作電平很高，VD1和VD2都工作在特性曲線的線性區(qū)。3）輸出電壓較高。4）輸出阻抗為R1或R2（1～100kΩ)，且實際上與電容C1和C2無關，適當選擇電阻R1和R2，則輸出電流就可以用毫安表或微安表直接測量。5）輸出信號的上升時間取決于負載電阻，對1kΩ的負載電阻，上升時間約20μs，因此能用來測量高速機械運動。第42頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五3、脈沖寬度調制電路（也稱差動脈沖調寬電路）比較器比較器當觸發(fā)器輸出A點為高電平通過R1對C1充電UM=Uf比較器A1

產生一脈沖觸發(fā)器翻轉，B點高，A點低C1經VD1從Uf快速放電B點高電平經R2對C2充電UN=Uf比較器A2

產生一脈沖觸發(fā)器翻轉，A點高，B點低C2經VD2從Uf快速放電

★差動電容C1和C2的交替充放電過程，在觸發(fā)器的兩端各自產生一寬度受C1和C2調制的脈沖方波。第43頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五★當C1＝C2，電路上有關點的電壓波形如圖（a)，A、B間電壓平均值為零★當C1>C2，C1充放電時間大于C2，電壓波形如圖(b)，A、B間電壓均值不為零。經濾波器后得到的直流電壓輸出（a)（b)U1不變，U0隨T1和T2變化，實現(xiàn)了輸出電壓的調壓。要求的基本條件是參考電壓Uf＜U1★此外，由電路得到R1=R2可見，1)輸入與輸出成線性關系，且不需相敏解調即可獲得直流輸出。2)適當選配R1和R2，使觸發(fā)器輸出方波的頻率在100kHz～1MHz范圍內，再只需通過低通濾波器即可獲得直流輸出，而且輸出與方波頻率無關。3)只需要一個穩(wěn)定性高的直流參考電壓Uf第44頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五第六節(jié)光柵位移測量系統(tǒng)第45頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五光柵副：指示光柵＋主光柵d一、光柵的結構和分類a+b=d稱為光柵的柵距（或光柵常數(shù)）通常情況下，a=b=d/2

ab第46頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五3）按物理原理和刻線形狀不同，可分為黑白光柵(或稱幅值光柵)和閃耀光柵(或稱相位光柵)光柵有多種，有不同的分類方法：1）按用途和形狀可分為測量線位移的直線光柵和測量角位移的圓盤形光柵2）按光路系統(tǒng)不同可分為透射式光柵和反射式光柵兩類。光柵傳感器組成：由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件組成。第47頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五透射式光柵

特點：結構簡單，位置緊湊，調整使用方便，應用廣泛。此光路適合于粗柵距的黑白透射光柵。光源準直透鏡主光柵指示光柵光電元件第48頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五透射式圓光柵第49頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五該光路適用于黑白反射光柵。反射式光柵反射主光柵指示光柵場鏡反射鏡聚光鏡光源物鏡光電電池

第50頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五二、模爾條紋Bd指示光柵——比較短，由高質量的光學玻璃制成。主光柵（標尺光柵）——長度決定量程大小，由透明材料（對于透射式光柵）或高反射率的金屬或鍍有金屬層的玻璃（對于反射式光柵）制成?？叹€密度——由測量精度來確定，閃耀式光柵為100～2800條/mm，黑白光柵為25、50、100、250條/mm。第51頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五dθgggghhhhhB橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距ddabc莫爾條紋的寬度B由光柵常數(shù)d與光柵夾角θ決定莫爾條紋放大系數(shù)K=1/θ第52頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五莫爾條紋技術的特點1)調整夾角即可得到很大的莫爾條紋的寬度，起到了放大作用，又提高了測量精度。2)莫爾條紋的光強度變化近似正弦變化，便于將電信號作進一步細分，即采用“倍頻技術”。這樣可以提高測量精度或可以采用較粗的光柵。3)莫爾條紋對光柵刻線的誤差起到了平均作用?？叹€的局部誤差和周期誤差對于精度沒有直接的影響。因此可得到比光柵本身的刻線精度高的測量精度。這是用光柵測量和普通標尺測量的主要差別。第53頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五U0UavUm光電元件輸出電信號與位移的關系:光電池陣列直流分量信號變化的幅值指示光柵的位移第54頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五三、辨向電路與信號細分1、辨向電路★辨向是以兩路相位互差900的正弦信號為基礎。

★單個光電元件接收一固定點的莫爾條紋信號，只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動方向，因而就不能判別運動零件的運動方向，以致不能正確測量位移。

★如果能夠在物體正向移動時，將得到的脈沖數(shù)累加，而物體反向移動時可從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動的脈沖數(shù)，這樣就能得到正確的測量結果。第55頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五uu1u1u2u2u2au2au1au1aubwubwuawuawy1與門Y1：uaw處于高電平時，u2a是低電平，脈沖被阻，輸出為零。Hy2與門Y2：ubw處于高電平時，u2a是高電平，允許脈沖通過，并觸發(fā)加減控制器使之置“1”，可逆計數(shù)器對與門Y2輸出的脈沖進行加法計數(shù)。同理，當指示光柵反方向移動時，輸出波形u2超前u1900，與門Y2阻塞，Y1輸出脈沖信號使觸發(fā)器置“0”，可逆計數(shù)器對與門Y1輸出的脈沖進行減法計數(shù)。u1超前u2900u1bu1b第56頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五2、信號細分

★為什么細分?提高分辨力。盡管光柵尺的刻線密度可以很高，但在高精度測量中需要測量比柵距d更小的位移。

★什么是細分?

細分就是在莫爾條紋變化一周期時，不只輸出一個脈沖，而是輸出若干個脈沖。例如，使光柵每移動一個柵距時輸出均勻分布的n個脈沖，從而使分辨能力提高到d/n。

★上述測量電路的分辨率為一個柵距，即指示光柵每移動一個柵距，辨向電路只輸出一個脈沖，計數(shù)器所計的脈沖數(shù)N與位移x的關系：x=N*d。第57頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五（1）直接細分★直接細分又稱位置細分，常用的細分數(shù)為4。四細分可用4個依次相距的光電元件，在莫爾條紋的一個周期內將產生4個計數(shù)脈沖，實現(xiàn)了四細分?！飪?yōu)點：對莫爾條紋信號波形要求不嚴格，電路簡單，可用于靜態(tài)和動態(tài)測量系統(tǒng)。

缺點：光電元件安放困難，細分數(shù)不能太高。（2）間接細分★A/D轉換細分法★電阻鏈移相細分法第58頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五四、光柵應用第59頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五第60頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五尺身尺身安裝孔反射式掃描頭（與移動部件固定）掃描頭安裝孔可移動電纜光柵的外形及結構防塵保護罩的內部為長磁柵第61頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五光柵的外形及結構（續(xù)）可移動電纜掃描頭（與移動部件固定）光柵尺第62頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五為光柵設計的專用數(shù)據(jù)轉接器（光柵計數(shù)卡）內部包含以下電路：放大、整形、細分、辨向、報警、阻抗變換等。為光柵設計的專用信號處理單元（光柵插補器）功能同前第63頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五光柵在機床上的安裝位置（2個自由度）第64頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五光柵在機床上的安裝位置（3個自由度）數(shù)顯表第65頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五安裝有直線光柵的數(shù)控機床加工實況

光柵掃描頭防護罩內為直線光柵被加工工件切削刀具角編碼器安裝在夾具的端部第66頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五第67頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五第68頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五第69頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五第70頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五第71頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五2自由度光柵數(shù)顯表X位移顯示Z（Y）位移顯示第72頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五3自由度光柵數(shù)顯表第73頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五光柵數(shù)顯表（續(xù)）三座標數(shù)顯表SDS8-3E光柵數(shù)顯箱功能★公制/英制轉換★絕對/相對轉換★線性誤差補償★正反方向計算★歸零★插值補償★到達目標值停機★PCD圓周分孔★200組零位記憶★電蝕深度目標值顯示★實時工作位置顯示★掉電記憶

第74頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五第七節(jié)磁柵式位移測量系統(tǒng)磁柵原理演示(n+1/4)λ第75頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五

★磁柵也是一種測量位移的數(shù)字傳感器。磁柵可分為長磁柵（測直線位移）和圓磁柵（測角位移）兩大類。一、磁柵

★磁柵制作——在非磁性體的光滑表面上鍍一層磁性薄膜，通過錄磁磁頭在磁柵上錄制出節(jié)距嚴格相等的磁信號作為計數(shù)信號。最后在磁尺表面還要涂上一層1～2mm厚的保護膜，以防磁頭頻繁接觸而造成磁膜磨損。

★N到N之間的距離稱為節(jié)距λ，通常為0.05、0.1、0.2mm等。在N和N、S與S重疊部分的磁感應強度的絕對值最大，磁頭的輸出電壓包絡線也最高。若磁尺的磁化從N到S的磁感應強度是呈正弦波變化，則磁頭的輸出電壓也呈受調制波形。

★優(yōu)點：結構簡單、使用方便、測量范圍大（1～20m）、磁信號可重新錄制；缺點：需要屏蔽和防塵。第76頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五二、磁柵式位移傳感器的結構及工作原理檢測電路磁尺（磁柵）磁頭動態(tài)磁頭：其上只有一個輸出繞組，只有當磁頭和磁尺相對運動時才有信號輸出。因此，又稱為速度響應磁頭。靜態(tài)磁頭：其上只有兩個繞組，一個是激勵繞組，另一個是輸出繞組。即使磁頭與磁尺之間處于相對靜止，也會因為有交流激勵信號使磁頭仍有信號輸出。磁頭允許最高工作速度12m/min精度可達0.01mm/m最小指示值0.001mm溫度范圍0～400C第77頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五磁通響應型磁頭的結構及其輸出波形λλ/4

磁頭拾磁原理：磁頭的鐵心使磁尺的磁通有效地通過輸出繞組。由于電磁感應在輸出繞組中將產生電壓，該電壓將隨磁尺磁場強度的周期變化而變化。磁頭輸出信號經檢測電路轉換成電脈沖信號，并以數(shù)字形式顯示。第78頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五

適合位移測量的靜態(tài)磁頭是成對使用的，兩組磁頭相距(n+1/4)λ。檢測電路主要有鑒幅式和鑒相式。1、鑒幅式檢測電路兩磁頭的激勵繞組輸入為同一激勵電壓，兩磁頭輸出相位差為900的信號磁頭磁柵相對位移激勵電壓角頻率分別放大、檢波和濾波，消除信號中載波成分辨向、細分處理，得到數(shù)字量輸出的位移測量結果第79頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五2、鑒相式檢測電路

當用相位相差π/4的兩個激勵電壓分別輸入到兩個激勵繞組，兩磁頭的輸出信號為將兩信號送入減法器用鑒相器可測出此調相信號的相位2πx/λ，然后計算出位移x。第80頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五

★感應同步器是利用電磁感應原理把位移量轉換成電量的傳感器。有直線型(測直線位移)和圓盤型(測角位移)兩大類。

●它是基于電磁感應原理，感應電勢取決于磁通的變化率，受油污、塵埃、溫度等環(huán)境因素影響很小。第八節(jié)感應同步器系統(tǒng)原理：位移兩個平面繞組間的互感變化電量

●它的基板一般使用鑄鐵和鋼制造，和機械設備使用的材料一致。環(huán)境溫度變化對測量精度的影響很小。

●

輸出信號是由滑尺與定尺間的相對位移產生，中間不經過任何傳動機構，故測量精度較高。

●

感應同步器的測量長度，可根據(jù)需要任意接長至20m

●

感應同步器的相對位移是非接觸式的，故它的使用壽命長、便于維護。特點第81頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五一、感應同步器的結構定尺滑尺定子轉子正弦繞組余弦繞組直線型圓盤型固定部分運動部分連續(xù)繞組正弦、余弦斷續(xù)繞組第82頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五電磁感應二、感應同步器的工作原理交變磁場中的導體也將產生感應電勢通有交變電的單匝線圈與另一單匝線圈靠近，后者會產生感應電勢正弦繞組余弦繞組××××××××××××××××正弦繞組余弦繞組××××××××××××××××λλ/4定尺滑尺定尺——連續(xù)繞組，繞組間距λ滑尺——U字型分段繞組，連成兩組，分別為正弦繞組和余弦繞組。它們在空間位置分布上互相錯開λ/4Em-Emλ/2λ0xe第83頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五

當滑尺繞組加上激勵電壓時，定尺繞組產生的感應電勢隨著滑尺耦合位置的改變作周期性變化。相對位置移動λ，感應電勢變化一周。因此，機械位移轉換成了感應電勢變化。設加到正、余弦繞組上的激勵電壓為則正、余弦繞組在定尺繞組上產生的感應電勢分別為感應同步器的最大電磁耦合系數(shù)es——單正弦繞組激勵時，定尺繞組產生的感應電勢ec——單余弦繞組激勵時，定尺繞組產生的感應電勢第84頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五三、感應同步器的激勵和檢測方式兩種激勵方式滑尺/定子激勵，由定尺/轉子繞組取出感應電勢(多用)定尺/轉子激勵，由滑尺/定子繞組取出感應電勢信號檢測方式鑒幅型鑒相型1、鑒幅型感應同步器檢測方式

滑尺上的正弦繞組和余弦繞組在空間位置分布上互相錯開λ/4。兩繞組分別加上頻率和相位均相同、但幅值不同的正弦激勵電壓。根據(jù)定尺繞組輸出感應電勢的振幅來鑒別位移大小。假設加在正、余弦繞組上的激勵電壓分別為第85頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五對應產生的感應電動勢分別為定尺繞組輸出的感應電動勢利用函數(shù)變壓器使激勵電壓的幅值滿足激勵電壓的相角幅值位移變化相角θ＝2πx/λ變化感應電勢的振幅Em變化數(shù)字鑒幅電路測量出幅值變化就可以完成位移測量位置相位角第86頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五初始時使φ＝θ滑尺由初始位置移動△x時，感應電動勢相位變化△θ，△β＝θ－φ≠0當△β達到一定值，即感應電動勢達到一定值，門檻電路發(fā)出指令脈沖，轉換計數(shù)器開始計數(shù)并控制函數(shù)電壓發(fā)生器，調節(jié)激勵電壓幅值的相位φ，使其跟蹤θ。當θ＝φ時，感應電勢幅值降到門檻電壓以下，撤銷指令脈沖，停止計數(shù)由計數(shù)值，通過當量換算可得到測量位移值第87頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五2、鑒相型感應同步器檢測方式

滑尺上的正弦繞組和余弦繞組在空間位置分布上互相錯開λ/4。兩繞組分別加上頻率和相位均相同、但相位相差900的交流電壓分別加到正弦繞組和余弦繞組上，根據(jù)定尺繞組輸出感應電勢相位的變化來測量滑尺位移的大小。假設加在正、余弦繞組上的激勵電壓分別為對應產生的感應電動勢分別為總感應電動勢位置相位角定尺繞組感應電動勢幅值感應動勢的位置相角θ與位移x呈線性關系。每經過一個節(jié)距，θ變化一個周期，故可通過θ變化來測位移。第88頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五四、感應同步器的細分原理

由于工藝和結構上的原因，繞組中的節(jié)距λ較大，無法測量微小位移。輸出感應電勢周期信號節(jié)距λ細分電角度λx1x2x1x2Esx-Esx若滑尺上只有一相繞組，感應電勢Ecx對應兩個位移x1和x2，因此位移x和感應電勢幅值無法建立一一對應的關系。若滑尺上有兩個繞組，且二者在空間位置上錯開900。在相同的Ecx下，可由余弦曲線區(qū)分位移x1和x2。由此可建立位移x和感應電勢幅值之間一一對應的關系，實現(xiàn)細分。0EcxEcx0Es,EcλxEcx第89頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五

光纖傳感器(FOSFiberOpticalSensor)是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術迅速發(fā)展的產物，它與以電為基礎的傳感器有本質區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質。因此，它同時具有光纖及光學測量的特點。

①電絕緣性能好。②抗電磁干擾能力強。

③非侵入性。④高靈敏度。

⑤容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量。第九節(jié)光纖位移測量系統(tǒng)第90頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五

光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯(纖芯)和玻璃包皮(包層)兩個同心圓柱的雙層結構組成。纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖心折射率n1比包層折射率n2稍大些。兩層之間形成良好的光學界面，光線在這個界面上反射傳播。

第91頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五

★以電為基礎的傳統(tǒng)傳感器是一種把被測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的電信號的裝置。它的電源、敏感元件、信號接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導線連接

★光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件(光纖或非光纖的)、光接收器、信號處理系統(tǒng)以及光纖構成。由光發(fā)送器發(fā)出的光經源光纖引導至敏感元件。這時，光的某一性質受到被測量的調制，已調光經接收光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后經信號處理得到所期待的被測量。第92頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五1）功能型（全光纖型）光纖傳感器

利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光學特性(光強、相位、偏振態(tài)等)的變化來實現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。1）根據(jù)光纖在傳感器中的作用分為功能型、非功能型和拾光型三大類。2）根據(jù)光受被測對象的調制形式分為：強度調制型、偏振調制、頻率調制、相位調制光纖傳感器分類第93頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器

光纖僅起導光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質的功能元件完成。光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。3）拾光型光纖傳感器

用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等第94頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五光纖傳感器的分類第95頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五一、反射式光纖位移傳感器的工作原理原理：由輸入光纖出射的光投射到反射面上，其反射光的一部分進入輸出光纖，進入多少與反射面位置有關。反射面輸出光纖輸入光纖a2r

反射鏡面的移動方向是與光纖探頭端面垂直的，反射鏡面在其背面距離d處形成輸入光纖的虛像，因此，光強調制作用是與虛光纖和輸出光纖的耦合相聯(lián)系的。輸入光纖的虛像

設兩光纖皆為階躍折射率光纖，芯徑為2r，數(shù)值孔徑為NA，兩光纖垂直距離為ａ，并定義dd第96頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五

當d≥(d+2r)/(2T)時，兩光纖耦合最強，輸出光強達最大值，此時輸入光纖的像發(fā)出的光維底面積πr2

將輸出光纖端面積全部遮蓋，是一個常數(shù)，光維底面積為π(dT)2

當距離d<a/(2T),即a/(2d)>T

時，兩光纖的耦合為零，無反射光進入輸出光纖。光纖位移傳感器的輸出特性實際應用中，常把位移的原點移至曲線的dm處，這樣就把曲線分為左右兩邊，左邊的曲線為近程位移測量曲線；右邊為遠程位移測量曲線。dm二、光電轉換及放大電路光光敏二極管電信號放大電路第97頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五

★軸角編碼器又稱碼盤，是測量軸角位置/位移的一種數(shù)字式傳感器。第十節(jié)軸角編碼器★軸角編碼器有兩種類型：絕對式編碼器和增量式編碼器

★光電式編碼器具有非接觸、體積小、分辨率高（旋轉一周可輸出數(shù)百萬個脈沖）等特點，是目前應用最廣泛的編碼器。第98頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運動轉換成旋轉運動。第99頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五其他角編碼器外形（參考德國圖爾克傳感與自動化技術專業(yè)公司）第100頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五一、絕對式編碼器

(又稱直接編碼器）

絕對式碼盤與增量式碼盤有何區(qū)別？10碼道光電絕對式碼盤

絕對式編碼器按照角度直接進行編碼，可直接把被測轉角用數(shù)字代碼表示出來。根據(jù)內部結構和檢測方式有接觸式、光電式等形式。透光區(qū)不透光區(qū)零位標志第101頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五

絕對式接觸式編碼器演示4個電刷

4位二進制碼盤+5V輸入公共碼道最小分辨角度為α=360°/2n信號的取出有兩種方式：接觸式（利用電刷）和光電式接觸式光電式第102頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五

提高分辨率和精確度的方法：方法1：增大碼盤的尺寸，以容納更多的碼道。方法2：采用變速裝置，利用多個碼盤來獲得需要的碼道數(shù)，而不必要求太大的碼盤尺寸，同時降低碼盤的制作精度要求。但同步電路的能力、變速裝置及機械加工裝配誤差等將影響編碼器的精確度?！锝^對式編碼器的錯碼問題由于信號檢測元件不同步、或著碼道制作中的不精確所引起。

絕對式編碼器的測量精度取決于碼盤的精確度。分辨率則取決于碼盤上的碼道數(shù)n有關，即最小分辨角度為α=3600/2n，分辨率為1/2n第103頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五碼盤在作順時針旋轉時，從位置0000碼變?yōu)?111碼時，四個光電檢測元件（或電刷）必須同步改變它們的狀態(tài)。否則，發(fā)生錯碼。00001111錯碼產生的原因：從一個碼變?yōu)榱硪粋€碼時存在著幾位碼需要同時改變狀態(tài)，一旦不能滿足，即發(fā)生錯碼第104頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五解決錯碼的方法：方法1：從編碼技術入手采用循環(huán)碼

(例如格雷碼)優(yōu)點：從一個碼變?yōu)榱硪粋€碼時只有一位碼改變狀態(tài)，可消除錯碼現(xiàn)象缺點：不是有權代碼，每一位碼不代表固定的十進制數(shù)方法2：采用雙電刷掃描技術。兩組電刷，一組超前放置，一組滯后放置，還需要兩組識別控制邏輯。二進制碼是有權代碼，每一位代表一固定的十進制數(shù)解決方法：利用循環(huán)碼轉換電路將循環(huán)碼變?yōu)槎M制數(shù)，再與十進制數(shù)對應。第105頁，共114頁，2023年，2月20日，星期五二、增量式編碼器（又稱脈沖盤式數(shù)字傳感器）轉軸光欄板及透光狹縫碼盤及狹縫LEDABC光敏元件零位標志基準碼道A(最外圈）：只有一條狹縫，為碼盤基準位置，產生的脈沖供計數(shù)系統(tǒng)清零（初始化）增量碼道B（中圈）：等角距分布著m組透光與不透光的扇形區(qū)，m決定了碼盤的分辨率△θ＝3600/m辨向碼道C（最內圈）：等角距分布著m組透光與不透光的扇形區(qū)，但與B碼道彼此錯開半個扇形區(qū)，即900/m2、旋轉方向的判別

利用相位互差900的增量脈沖和辨向脈沖實現(xiàn)辨向1、結構與工作原理第