第七章 運(yùn)動(dòng)參量的測(cè)量

1、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第七章第七章 運(yùn)動(dòng)參量的測(cè)量運(yùn)動(dòng)參量的測(cè)量 本章所述運(yùn)動(dòng)參量的測(cè)量是指描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的三個(gè)本章所述運(yùn)動(dòng)參量的測(cè)量是指描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的三個(gè) 基本參量，即基本參量，即位移、速度、加速度位移、速度、加速度的測(cè)量。在研究機(jī)器的測(cè)量。在研究機(jī)器 零部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、力能關(guān)系及工藝參數(shù)等情況時(shí)，都零部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、力能關(guān)系及工藝參數(shù)等情況時(shí)，都 要涉及到運(yùn)動(dòng)參量的測(cè)量。此外，其它物理如力參量、要涉及到運(yùn)動(dòng)參量的測(cè)量。此外，其它物理如力參量、 物位、溫度、流量等的測(cè)量，也是不同程度地以運(yùn)動(dòng)參物位、溫度、流量等的測(cè)量，也是不同程度地以運(yùn)動(dòng)參 量的測(cè)量為基礎(chǔ)的。因

2、而運(yùn)動(dòng)參量的測(cè)量廣泛應(yīng)用于工量的測(cè)量為基礎(chǔ)的。因而運(yùn)動(dòng)參量的測(cè)量廣泛應(yīng)用于工 藝參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)、控制和生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化方面。藝參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)、控制和生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化方面。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 表表7-1 位移傳感器一覽表位移傳感器一覽表 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第一節(jié)第一節(jié) 位移的測(cè)量位移的測(cè)量 位移測(cè)量是線位移和角位移測(cè)量的統(tǒng)稱，測(cè)量時(shí)應(yīng)根據(jù)具位移測(cè)量是線位移和角位移測(cè)量的統(tǒng)稱，測(cè)量時(shí)應(yīng)根據(jù)具 體的測(cè)量對(duì)象，選擇或設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)。體的測(cè)量對(duì)象，選擇或設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)。 一、滑線電阻式位移傳感器一、滑線電阻式位移傳感器 測(cè)量原理同電位計(jì)式傳感器工作原理

3、。測(cè)量原理同電位計(jì)式傳感器工作原理。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 二、應(yīng)變片式位移傳感器二、應(yīng)變片式位移傳感器 測(cè)量原理同電阻應(yīng)變片傳感器工作原理。測(cè)量原理同電阻應(yīng)變片傳感器工作原理。 hx l 3 3 2 等截面梁 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 三、差動(dòng)變壓器式位移傳感器三、差動(dòng)變壓器式位移傳感器 1、工作原理 把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器 稱為互感式傳感器。 這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且 次級(jí)繞組用差動(dòng)形式連接，故稱差動(dòng)變壓器式傳感 器。 結(jié)構(gòu)：變隙式、變面積式和螺管 （變磁阻）

4、式。 其中螺線管式最為常用，可測(cè)量1100mm的機(jī)械 位移。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 dt di Me 1 12 互感現(xiàn)象： 線圈L1（初級(jí)線圈）中輸入交流電i1時(shí)，線圈L2（次級(jí) 線圈）中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e12，其大小和電流的變化率 成正比。 M ：比例系數(shù)，稱為互感。反映兩線圈的耦合程度。 L1L2 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 原理：當(dāng)初級(jí)線 圈加上某一頻率 的正弦交流電壓 后，次級(jí)線圈產(chǎn) 生感應(yīng)電壓e1,e2， 它們的大小與鐵 芯在線圈內(nèi)的位 置有關(guān)，e1和e2反 極性連接就得到 輸出電壓e0 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 2、等效電

5、路 e0 R21 R22 e21 e22 e1 R1M1 M2 L21 L22 L1 I1 在理想情況下(忽略線圈寄 生電容及銜鐵損耗)，差動(dòng) 變壓器的等效電路如圖。 初級(jí)線圈的電流值為： 1 11 e I Rj L 激勵(lì)電壓的角頻率； e激勵(lì)電壓； e1 初級(jí)線圈激勵(lì)電壓 L1,R1 初級(jí)線圈電感和電阻 M1,M1 分別為初級(jí)與次級(jí)線圈 1,2間的互感 L21,L22 兩個(gè)次級(jí)線圈的電感 R21,R22 兩個(gè)次級(jí)線圈的電阻 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 111 221 ejM I ejM I 在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓e1和e2，其值分別為 M1和M2為初級(jí)線圈對(duì)兩次級(jí)線圈的互感

6、系數(shù)，與 鐵芯在線圈中的伸長(zhǎng)量l成正比。 222 111 elKe elKe 1212 ,KKll 由差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性有： 12 22(2) o eeeKelK l Esinft 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 差動(dòng)輸出特性 傳感器輸出如圖中實(shí)線所示，不能區(qū)別位移的方向，因此 需要通過測(cè)量電路使得儀表的輸出在虛時(shí)按虛線變化，實(shí) 按實(shí)線變化。實(shí)現(xiàn)這一功能的電路有： 典型測(cè)量電路 相敏檢波電路, 目的是即能檢測(cè)位移的大小又能分 辨位移的方向。 與差動(dòng)變壓器配用的測(cè)量電路 差動(dòng)整流電路。 差動(dòng)連接的3個(gè)特點(diǎn)： 1、提高了靈敏度 2、降低了非線性誤差 3、抑制了溫漂，降低 了誤差

7、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 圖圖7-6 差動(dòng)變壓器的差動(dòng)整流電路（差動(dòng)變壓器的差動(dòng)整流電路（電流輸出式） 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 四、光電脈沖式位移傳感器（光電編碼器）四、光電脈沖式位移傳感器（光電編碼器） 1、光電編碼器的工作原理、光電編碼器的工作原理 光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位 移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器是由光柵盤和移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器是由光柵盤和 光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤是在一定直

8、徑的圓板上等分地開通 若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)， 光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢 測(cè)裝置檢測(cè)，并輸出若干脈沖信號(hào)。測(cè)裝置檢測(cè)，并輸出若干脈沖信號(hào)。 光源光源 透鏡透鏡碼盤碼盤 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 透鏡透鏡 光敏元件光敏元件 放大整形放大整形 脈沖輸出脈沖輸出 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能 反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)

9、的轉(zhuǎn)速。此外為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼 盤可以提供相位相差盤可以提供相位相差900的兩路脈沖信號(hào)。的兩路脈沖信號(hào)。 編碼器包括碼盤和碼尺。編碼器包括碼盤和碼尺。碼盤用于測(cè)量角度。碼盤用于測(cè)量角度。 碼尺用于測(cè)量長(zhǎng)度，測(cè)量長(zhǎng)度的實(shí)際應(yīng)用比較少。碼尺用于測(cè)量長(zhǎng)度，測(cè)量長(zhǎng)度的實(shí)際應(yīng)用比較少。 所以在這里只討論碼盤。所以在這里只討論碼盤。 光源光源 透鏡透鏡碼盤碼盤 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 透鏡透鏡 光敏元件光敏元件 放大整形放大整形 脈沖輸出脈沖輸出 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 其他角編碼器外形其他角編碼器外形 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 角編碼器外形角編碼器外形 拉線式拉線式角編碼角

10、編碼 器利用線輪，能將器利用線輪，能將 直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 光電編碼器包括增量編碼器和絕對(duì)碼編碼器兩大類。光電編碼器包括增量編碼器和絕對(duì)碼編碼器兩大類。 2、增量編碼器、增量編碼器 增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸 出三組方波脈沖出三組方波脈沖 A、B 和和C 相；相；A、B 兩組脈沖兩組脈沖 相位差相位差 900，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向， 而而 C 相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙

11、古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院增量式編碼器 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 盤碼及盤碼及 狹縫狹縫 光敏元件光敏元件 光欄板及辨向用的光欄板及辨向用的A、B狹縫狹縫LED A B C 零位標(biāo)志零位標(biāo)志 A B C 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院增量式編碼器 增量式碼盤增量式碼盤 10碼碼道道光電絕對(duì)式碼盤光電絕對(duì)式碼盤 它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn) 單，機(jī)械平均壽命可在單，機(jī)械平均壽命可在 幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾 能力強(qiáng)，可靠性高，適能力強(qiáng)，可靠性高，適 合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺 點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的 絕對(duì)位置信息。絕對(duì)位置信息。 透光區(qū)透光區(qū) 不

12、透光區(qū)不透光區(qū) 零位標(biāo)志零位標(biāo)志 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 增量式光電編碼器的分辨力及分辨率增量式光電編碼器的分辨力及分辨率 增量式光電編碼器的測(cè)量精度取決于它所能增量式光電編碼器的測(cè)量精度取決于它所能 分辨的最小角度，而這與碼盤圓周上的狹縫條紋分辨的最小角度，而這與碼盤圓周上的狹縫條紋 數(shù)數(shù)n 有關(guān)，即最小能分辨的角度及分辨率為：有關(guān)，即最小能分辨的角度及分辨率為： n 0 360 n 1 分辨率 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 有多少條碼道，就有多 長(zhǎng)的二進(jìn)制數(shù)，工業(yè)上 常用的是14碼道。 從里向外讀數(shù) 亮：定義為高電平1 暗：定義為低電平0 零位（全黑）

13、：000000 110000 缺點(diǎn)：碼道多，要求制造精度高，否則，會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。 3、 絕對(duì)式編碼器絕對(duì)式編碼器 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值； 沒有累積誤差； 電源切除后位置信息不會(huì)丟失。但是分辨率是由二進(jìn) 制的位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，目前有 10 位、14位等多種。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： - 碼道多，要求制造精度高。 碼道數(shù)n 越大分辯能力越強(qiáng)，其中 ， 最小分辨角度為： 請(qǐng)問：請(qǐng)問：一個(gè)12個(gè)碼道的絕對(duì)編碼器能夠分辯的最 小角度是多少？ n 1 = 2 分分辨辨率率 2n 360360 分分辨辨力力= = 內(nèi)蒙古工業(yè)大

14、學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 絕對(duì)式接觸式編碼器絕對(duì)式接觸式編碼器演示演示 4 4位二進(jìn)制位二進(jìn)制 碼盤碼盤 +5V +5V輸入輸入 公共碼道公共碼道 最小分辨角度為最小分辨角度為 =360/2n 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 編碼器在伺服電機(jī)中的應(yīng)用編碼器在伺服電機(jī)中的應(yīng)用 利用利用編碼器測(cè)編碼器測(cè) 量量伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、 轉(zhuǎn)角，并通過伺服轉(zhuǎn)角，并通過伺服 控制系統(tǒng)控制其各控制系統(tǒng)控制其各 種運(yùn)行參數(shù)。種運(yùn)行參數(shù)。 轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量 轉(zhuǎn)子磁極位置測(cè)量轉(zhuǎn)子磁極位置測(cè)量 角位移測(cè)量角位移測(cè)量 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 編碼器在定位編碼器在定位

15、加工中的加工中的應(yīng)用應(yīng)用 1 1絕對(duì)式編碼器絕對(duì)式編碼器 2電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī) 3轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 4轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)盤 5工件工件 6刀具刀具 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 五、五、 光柵傳感器光柵傳感器 u光柵的類型和結(jié)構(gòu)光柵的類型和結(jié)構(gòu) 光柵傳感器由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。光柵光柵傳感器由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。光柵 副副是光柵傳感器的主要部分。在長(zhǎng)度計(jì)量中應(yīng)用的光柵是光柵傳感器的主要部分。在長(zhǎng)度計(jì)量中應(yīng)用的光柵通常通常 稱為計(jì)量光柵稱為計(jì)量光柵， 它主要由它主要由主光柵（也稱標(biāo)尺光柵）和主光柵（也稱標(biāo)尺光柵）和 指示光柵指示光柵組成。組成。計(jì)量光柵可分為透射計(jì)量光柵可分

16、為透射 式光柵和反射式光柵兩大類。式光柵和反射式光柵兩大類。當(dāng)標(biāo)尺當(dāng)標(biāo)尺 光柵相對(duì)于指示光柵移動(dòng)時(shí)，形成的光柵相對(duì)于指示光柵移動(dòng)時(shí)，形成的 莫爾條紋產(chǎn)生亮暗交替變化，利用光莫爾條紋產(chǎn)生亮暗交替變化，利用光 電接受元件，將莫爾條紋亮暗變化的電接受元件，將莫爾條紋亮暗變化的 光信號(hào)光信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，并與數(shù)，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，并與數(shù) 字顯示，從而測(cè)量出標(biāo)尺光柵的移動(dòng)字顯示，從而測(cè)量出標(biāo)尺光柵的移動(dòng) 距離。距離。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 透射光柵透射光柵是在一塊長(zhǎng)方形的光學(xué)玻璃上均勻地刻上許多條是在一塊長(zhǎng)方形的光學(xué)玻璃上均勻地刻上許多條 紋，形成規(guī)則排列的明暗線條。紋，形

17、成規(guī)則排列的明暗線條。 圖圖610中中a為刻線寬度，為刻線寬度，b為刻線間的縫隙寬度，為刻線間的縫隙寬度，a+b=w稱稱 為光柵的柵距（或光柵常數(shù)）為光柵的柵距（或光柵常數(shù)） 指示光柵一般比主光柵短得多，通?？逃信c主光柵同樣密指示光柵一般比主光柵短得多，通?？逃信c主光柵同樣密 度的線紋。度的線紋。 光源一般用鎢絲燈泡。光電元件包括光電池和光敏三極管等部光源一般用鎢絲燈泡。光電元件包括光電池和光敏三極管等部 分。分。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 b a W 刻線密度刻線密度： （ 1010，2525，5050，100100線）線）/mm/mm 10001000線線/mm/mm

18、a：刻線寬度：刻線寬度 b:刻線間的縫隙寬度刻線間的縫隙寬度 W：柵距，光柵常數(shù)：柵距，光柵常數(shù) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 尺身尺身尺身安裝孔尺身安裝孔 反射式掃描頭反射式掃描頭 （與移動(dòng)部件固定）（與移動(dòng)部件固定）掃描頭安裝孔掃描頭安裝孔 可移動(dòng)電纜可移動(dòng)電纜 光柵的外形及結(jié)構(gòu)光柵的外形及結(jié)構(gòu) 防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長(zhǎng)磁柵防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長(zhǎng)磁柵 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 掃描頭掃描頭（與移動(dòng)部件固定）（與移動(dòng)部件固定）光柵尺光柵尺 可移動(dòng)電纜可移動(dòng)電纜 光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)） 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 透射式直光

19、柵透射式直光柵 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 反射式光柵反射式光柵 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 莫爾條紋莫爾條紋演示演示 u莫爾條紋形成的原理及特點(diǎn)莫爾條紋形成的原理及特點(diǎn) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 兩光柵平行兩光柵平行-豎條紋豎條紋 標(biāo)尺光柵移動(dòng)一個(gè)標(biāo)尺光柵移動(dòng)一個(gè)W，光電管接受光線亮暗一次，光電管接受光線亮暗一次 缺點(diǎn)：無法辨向缺點(diǎn)：無法辨向 兩光柵成微小角度兩光柵成微小角度-橫條紋橫條紋 （莫爾條紋）（莫爾條紋） 形成黑白相間的條紋形成黑白相間的條紋 光柵左右移動(dòng)，條紋上下移動(dòng)光柵左右移動(dòng)，條紋上下移動(dòng)-可辨向可辨向 每移動(dòng)一個(gè)柵距每

20、移動(dòng)一個(gè)柵距W，條紋移動(dòng)一個(gè)間距，條紋移動(dòng)一個(gè)間距BH 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 莫爾條紋的莫爾條紋的重要特性重要特性: 運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系 莫爾條紋近似與刻線垂直，當(dāng)夾角莫爾條紋近似與刻線垂直，當(dāng)夾角固定后，兩光柵固定后，兩光柵 相對(duì)左右移動(dòng)一個(gè)柵距相對(duì)左右移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋上下或下上移時(shí)，莫爾條紋上下或下上移 動(dòng)一個(gè)節(jié)距動(dòng)一個(gè)節(jié)距B，因此，可以通過檢測(cè)莫爾條紋的移動(dòng)，因此，可以通過檢測(cè)莫爾條紋的移動(dòng) 條數(shù)和方向來判斷兩光柵相對(duì)位移的大小和方向。條數(shù)和方向來判斷兩光柵相對(duì)位移的大小和方向。 位移放大關(guān)系位移放大關(guān)系 誤差平均效應(yīng)誤差平均效應(yīng) 莫爾條紋是由光柵

21、的大量刻線共同形成，對(duì)光柵的刻莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成，對(duì)光柵的刻 線誤差有平均作用。線誤差有平均作用。 光強(qiáng)近似于正弦變化光強(qiáng)近似于正弦變化 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院莫爾條紋莫爾條紋的光學(xué)放大作用的光學(xué)放大作用 在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對(duì)疊在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對(duì)疊 合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾 角角。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩 光柵刻線的錯(cuò)開處，由于相互

22、擋光作用而形成暗帶。光柵刻線的錯(cuò)開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。 光柵的刻線寬度光柵的刻線寬度W 莫爾條紋的莫爾條紋的寬度寬度L L LW/ ， （為主為主光柵和光柵和 指示光柵刻線的指示光柵刻線的 夾角，弧度）夾角，弧度） 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 莫爾條紋莫爾條紋光學(xué)放大作用舉例光學(xué)放大作用舉例 有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，主光柵與，主光柵與 指示光柵的夾角指示光柵的夾角 =1.8 ，則：，則： 分辨力分辨力 =柵距柵距W =1mm/50=0.02mm=20 m （由于柵距很小，因此無法觀察光強(qiáng)的變化）（由于柵距很小，因此無法觀察光強(qiáng)

23、的變化） 莫爾條紋的莫爾條紋的寬度是柵距的寬度是柵距的32倍：倍： L W/ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于較大，因此可以用小面積的光電池由于較大，因此可以用小面積的光電池“觀察觀察” 莫爾條紋莫爾條紋光強(qiáng)的變化。光強(qiáng)的變化。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 辨向電路及波形辨向電路及波形: 在實(shí)際應(yīng)用中，大部分被測(cè)物體的移動(dòng)往往不是單向的，在實(shí)際應(yīng)用中，大部分被測(cè)物體的移動(dòng)往往不是單向的， 既有正向運(yùn)動(dòng)，也可能有反向運(yùn)動(dòng)。單個(gè)光電元件接收一固既有正向運(yùn)動(dòng)，也可能有反向運(yùn)動(dòng)。單個(gè)光電元件接收一固 定點(diǎn)的莫

24、爾條紋信號(hào)，只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾定點(diǎn)的莫爾條紋信號(hào)，只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾 條紋的移動(dòng)方向，因而就不能判別運(yùn)動(dòng)零件的運(yùn)動(dòng)方向，以條紋的移動(dòng)方向，因而就不能判別運(yùn)動(dòng)零件的運(yùn)動(dòng)方向，以 致不能正確測(cè)量位移。致不能正確測(cè)量位移。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 辨向電路及波形辨向電路及波形 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 細(xì)分技術(shù)細(xì)分技術(shù) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 脈沖細(xì)分脈沖細(xì)分 細(xì)分技術(shù)能在不增細(xì)分技術(shù)能在不增 加光柵刻線數(shù)及價(jià)格的加光柵刻線數(shù)及價(jià)格的 情況下提高光柵的分辨情況下提高光柵的分辨 力。細(xì)分前，光柵的分力。細(xì)分前，

25、光柵的分 辨力只有一個(gè)柵距的大辨力只有一個(gè)柵距的大 小。采用小。采用4 4細(xì)分技術(shù)后，細(xì)分技術(shù)后， 計(jì)數(shù)脈沖的頻率提高了計(jì)數(shù)脈沖的頻率提高了4 4 倍，相當(dāng)于原光柵的分倍，相當(dāng)于原光柵的分 辨力提高了辨力提高了3 3倍，測(cè)量步倍，測(cè)量步 距是原來的距是原來的1/41/4，較大地，較大地 提高了測(cè)量精度。提高了測(cè)量精度。 細(xì)分前細(xì)分前 細(xì)分后細(xì)分后 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，細(xì)，細(xì) 分?jǐn)?shù)為分?jǐn)?shù)為4細(xì)分細(xì)分，則：，則： 分辨力分辨力 =（1mm/50）/4 =0.005mm=5 m 采用細(xì)分技術(shù)，采用細(xì)分技術(shù)，在不增

26、加光柵在不增加光柵刻線數(shù)刻線數(shù) （成本）的情況下，將分辨力提高了（成本）的情況下，將分辨力提高了3倍。倍。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 光柵在機(jī)床上的安裝位置（光柵在機(jī)床上的安裝位置（2 2個(gè)自由度）個(gè)自由度） 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 光柵在機(jī)床上的安裝位置（光柵在機(jī)床上的安裝位置（3個(gè)自由度）個(gè)自由度） 數(shù)顯表數(shù)顯表 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 安裝有直線光柵的數(shù)控機(jī)床加工實(shí)況安裝有直線光柵的數(shù)控機(jī)床加工實(shí)況 防護(hù)罩內(nèi)為直線光柵防護(hù)罩內(nèi)為直線光柵 光柵掃描頭光柵掃描頭 被加工工件被加工工件 切削刀具切削刀具 角編碼器角編碼器 安裝在夾

27、安裝在夾 具的端部具的端部 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 補(bǔ)充:電容式位移傳感器 工作原理： 電容式傳感器是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置。它實(shí)質(zhì)上是電容式傳感器是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置。它實(shí)質(zhì)上是 一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。 從物理學(xué)可知，由兩個(gè)平行極板組成的電容器其電容量為：從物理學(xué)可知，由兩個(gè)平行極板組成的電容器其電容量為： 式中式中r r極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，在空氣中極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，在空氣中r r=1=1； o o真空中介電常數(shù)，真空中介電常數(shù)，o o8.858.851010-12 -12F F m m； d d極

28、板間距離；極板間距離； S極板間相互覆蓋面積。極板間相互覆蓋面積。 d S C r 0 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 當(dāng)被測(cè)量使d、S或發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容C 的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變 另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為電容量的 變化。 根據(jù)電容器變化的參數(shù)，可分為極距變化型、 面積變化型和介質(zhì)變化型三類。在實(shí)際中，極距變 化型與面積變化型在位移測(cè)量中應(yīng)用較為廣泛。 d S C r 0 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 ( (一一) )面積變化型面積變化型 在變換極板面積的電容傳感器中，一般常用的有角在變換極板面積的電容傳感器中，一般常用的

29、有角 位移型和線位移型兩種。位移型和線位移型兩種。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 角位移型：當(dāng)動(dòng)板有一轉(zhuǎn)角時(shí)，與定板之間 相互覆蓋面積就改變，從而改變電容的輸出。 常數(shù) d r d dC K r 2 2 0 當(dāng)=0時(shí)， 當(dāng)0時(shí)， 傳感器的電容量傳感器的電容量C與角位移與角位移呈線性關(guān)系。呈線性關(guān)系。 10 000 0 10 6.3 d S d S C rr )1 (10 6 . 3 )1 ( 0 10 0 0 C d S d S C r r 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 平面線位移型平面線位移型電容傳感器：當(dāng)動(dòng)板沿電容傳感器：當(dāng)動(dòng)板沿X X方向移動(dòng)時(shí)，方向移動(dòng)時(shí)

30、， 覆蓋面積發(fā)生變化，電容量也隨之變化。其電容量覆蓋面積發(fā)生變化，電容量也隨之變化。其電容量C C 式中式中b b極板寬度。極板寬度。 靈敏度靈敏度 d bx C r0 常數(shù) d b dx dC K r0 此傳感器的電容量此傳感器的電容量C與水平位移與水平位移x呈線性關(guān)系。呈線性關(guān)系。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 ( (二二) )極距變化型位移傳感器極距變化型位移傳感器 如果兩極板互相覆蓋面積及極間介質(zhì)不變，如果兩極板互相覆蓋面積及極間介質(zhì)不變， 則電容量則電容量C C與極距與極距d d呈非線性關(guān)系。當(dāng)極距有一微呈非線性關(guān)系。當(dāng)極距有一微 小變化量小變化量dd時(shí)，引起電容的變

31、化量時(shí)，引起電容的變化量dCdC為為 由此可以得到傳感器靈敏度由此可以得到傳感器靈敏度 d d SdC r 2 0 1 2 0 1 d S d dC K r d S C r 0 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 可以看出，靈敏度可以看出，靈敏度K與極距平方成反比，極距越小靈與極距平方成反比，極距越小靈 敏度越高。顯然，由于靈敏度隨極距而變化，這將引起敏度越高。顯然，由于靈敏度隨極距而變化，這將引起 線性誤差。為了減小這一誤差，通常規(guī)定在較小的間隙線性誤差。為了減小這一誤差，通常規(guī)定在較小的間隙 變化范圍內(nèi)工作，以便獲變化范圍內(nèi)工作，以便獲 得近似線性關(guān)系。得近似線性關(guān)系。 一般取極

32、距變化一般取極距變化 范圍約為范圍約為 dd 00.1。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 差動(dòng)平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)中間的動(dòng)極板上移d時(shí)，電容器C1的間隙d1 變?yōu)閐0-d,電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+d, 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 差動(dòng)式電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)： 1、提高了靈敏度 2、降低了非線性誤差 3、抑制了溫漂，降低了誤差 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二節(jié)第二節(jié) 速度的測(cè)量速度的測(cè)量 一、用測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量速度一、用測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量速度 測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種微型電機(jī)，有直流和交流兩類。測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種微型電機(jī)，有直流和交流兩類。 基本原理：

33、 感生電動(dòng)勢(shì)U與轉(zhuǎn)速v具有線性關(guān)系， 即： UkABvKv 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 二、用定距測(cè)時(shí)法測(cè)量速度二、用定距測(cè)時(shí)法測(cè)量速度 補(bǔ)習(xí)內(nèi)容：邏輯與及其輸入輸出關(guān)系補(bǔ)習(xí)內(nèi)容：邏輯與及其輸入輸出關(guān)系 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 圖圖721是用定距測(cè)時(shí)法測(cè)量錘頭打擊速度的例子。是用定距測(cè)時(shí)法測(cè)量錘頭打擊速度的例子。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 三、用磁電式速度傳感器測(cè)量速度三、用磁電式速度傳感器測(cè)量速度 磁電式線速度傳感器主要用于振動(dòng)測(cè)試中磁電式線速度傳感器主要用于振動(dòng)測(cè)試中振動(dòng)速度振動(dòng)速度的的 測(cè)量，有測(cè)量，有相對(duì)式和絕對(duì)式相對(duì)式和絕對(duì)

34、式兩種。相對(duì)式傳感器既可用于兩兩種。相對(duì)式傳感器既可用于兩 振動(dòng)物體間的相對(duì)振動(dòng)速度測(cè)量，也可用于絕對(duì)振動(dòng)速度振動(dòng)物體間的相對(duì)振動(dòng)速度測(cè)量，也可用于絕對(duì)振動(dòng)速度 的測(cè)量，但需要一個(gè)靜止的基座作為參考基準(zhǔn)。絕對(duì)式也的測(cè)量，但需要一個(gè)靜止的基座作為參考基準(zhǔn)。絕對(duì)式也 稱慣性式速度傳感器，由于不需要參考基準(zhǔn)，使用時(shí)可直稱慣性式速度傳感器，由于不需要參考基準(zhǔn)，使用時(shí)可直 接安裝在振動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量，因而在地面振動(dòng)測(cè)量、機(jī)械接安裝在振動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量，因而在地面振動(dòng)測(cè)量、機(jī)械 振動(dòng)的測(cè)試及振動(dòng)監(jiān)測(cè)與研究等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。振動(dòng)的測(cè)試及振動(dòng)監(jiān)測(cè)與研究等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工

35、業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 圖圖722為這種絕對(duì)式速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。為這種絕對(duì)式速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 四、用微分法求速度四、用微分法求速度 1、用圖解微分法求速度、用圖解微分法求速度 在已知位移、加速度已知位移、加速度的情況下 可利用它們和速度之間存在的微 分、積分關(guān)系通過微、積分電微、積分電 路路實(shí)現(xiàn)速度的測(cè)量。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 2、用微分電路的方法、用微分電路的方法 相關(guān)測(cè)速 1-5信號(hào)的相關(guān)分析 相關(guān)值顯示 原理示意圖 延時(shí) 讀出 m 輸出反映 鋼板表面 亮度的隨 機(jī)信號(hào) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第三節(jié)第三節(jié) 加速度的測(cè)量加速度的測(cè)量 一、線加速度的測(cè)量一、線加速度的測(cè)量 線加速度用加速度傳感器來進(jìn)行測(cè)定。加速度傳感器根據(jù)線加速度用加速度傳感器來進(jìn)行測(cè)定。加速度傳感器根據(jù) 其轉(zhuǎn)換器的形式分為應(yīng)變片式、差動(dòng)變壓器式和壓電式等。其轉(zhuǎn)換器的形式分為應(yīng)變片式、差動(dòng)變壓器式和壓電式等。 1應(yīng)變片式加速度傳感器應(yīng)變片式加速度傳感器 內(nèi)