第七章 位移測(cè)量課件

1、第七章第七章 機(jī)械位移測(cè)量機(jī)械位移測(cè)量本章學(xué)習(xí)要求本章學(xué)習(xí)要求 了解各種機(jī)械位移傳感器的原理、了解各種機(jī)械位移傳感器的原理、性能指標(biāo)、測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成性能指標(biāo)、測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成位移是向量位移是向量機(jī)械位移機(jī)械位移包括線位移和角位移包括線位移和角位移常用的機(jī)械位移傳感器：常用的機(jī)械位移傳感器：第一節(jié)第一節(jié) 電位器式位移測(cè)量傳感器電位器式位移測(cè)量傳感器位移位移電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器電阻值或電壓電阻值或電壓一、典型的電位器式位移傳感器一、典型的電位器式位移傳感器1 1、線繞電位器式位移傳感器、線繞電位器式位移傳感器2 2、非線繞式電位器位移傳感器、非線繞式電位器位移傳感器 導(dǎo)電玻璃釉電位器導(dǎo)電

2、玻璃釉電位器 又稱金屬陶瓷電位器又稱金屬陶瓷電位器 光電式電位器光電式電位器 是另一種非線繞式電位器。是另一種非線繞式電位器。二、電位器式位移傳感器的負(fù)載特性及非線性誤差二、電位器式位移傳感器的負(fù)載特性及非線性誤差r rY YK KL L=當(dāng)當(dāng)K KL L，輸出與輸入之間為線，輸出與輸入之間為線性。性。K KL L越小非線性越嚴(yán)重。越小非線性越嚴(yán)重。如何減小負(fù)載如何減小負(fù)載R RL L所造成的誤差？所造成的誤差？如果是計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量系統(tǒng)，可以在標(biāo)定過(guò)程中采用軟件校如果是計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量系統(tǒng)，可以在標(biāo)定過(guò)程中采用軟件校正的方法補(bǔ)償負(fù)載等造成的非線性誤差。正的方法補(bǔ)償負(fù)載等造成的非線性誤差。否則，采

3、用一些硬件措施：否則，采用一些硬件措施：（1 1）盡可能增大電位器的負(fù)載系數(shù)盡可能增大電位器的負(fù)載系數(shù)K KL L，如將傳感器輸出經(jīng)高輸，如將傳感器輸出經(jīng)高輸入阻抗放大器隔離后，再接測(cè)顯電路。入阻抗放大器隔離后，再接測(cè)顯電路。（2 2）用半橋差動(dòng)測(cè)量電路用半橋差動(dòng)測(cè)量電路當(dāng)測(cè)量微小位移時(shí)，一般取當(dāng)測(cè)量微小位移時(shí)，一般取R R5 5100R100R半橋差動(dòng)電路半橋差動(dòng)電路UiRLR R2 2-R R2 2R4R R1 1+ +R R1 1R R3 3U03110112234iRRRUURRRRRR21RR21RR 43RR 若若10112iRUUR結(jié)論結(jié)論：U U0 0與與RR1 1/R/R1

4、1成線性關(guān)系，差成線性關(guān)系，差動(dòng)電橋無(wú)非線性誤差；電壓靈敏度動(dòng)電橋無(wú)非線性誤差；電壓靈敏度為為U Ui i/2/2，比使用單只應(yīng)變片提高了，比使用單只應(yīng)變片提高了一倍。一倍。 （3 3）并聯(lián)電阻并聯(lián)電阻R RM M（5 5）選用選用非線性非線性電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器（4 4）限制電位器的工作范圍限制電位器的工作范圍第二節(jié)第二節(jié) 電阻應(yīng)變式位移傳感器電阻應(yīng)變式位移傳感器應(yīng)變片式位移傳感器原理應(yīng)變片式位移傳感器原理：測(cè)量桿隨試件位移測(cè)量桿隨試件位移彈簧使懸臂梁根部彎曲彈簧使懸臂梁根部彎曲應(yīng)變片阻值變化。應(yīng)變片阻值變化。第三節(jié)第三節(jié) 電感式位移傳感器電感式位移傳感器原理原理優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)

5、缺點(diǎn)一、基本結(jié)構(gòu)型式一、基本結(jié)構(gòu)型式基本結(jié)構(gòu)型式基本結(jié)構(gòu)型式變氣隙式變氣隙式、變面積式變面積式、螺管式螺管式不足不足適用場(chǎng)合適用場(chǎng)合線線圈圈鐵鐵芯芯銜銜鐵鐵鐵芯鐵芯線圈線圈銜鐵銜鐵二、差動(dòng)電感式傳感器二、差動(dòng)電感式傳感器構(gòu)成構(gòu)成圖圖7-9 7-9 差動(dòng)電感式傳感器電橋電路差動(dòng)電感式傳感器電橋電路三、差動(dòng)變壓器式位移傳感器的應(yīng)用三、差動(dòng)變壓器式位移傳感器的應(yīng)用1 1、基本原理、基本原理利用線圈的利用線圈的互感作用互感作用將械位移轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將械位移轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 的變化。的變化。實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)型式型式：變氣隙式、變面積式、螺管式變氣隙式、變面積式、螺管式。差動(dòng)變壓器的輸出特性分析差動(dòng)變壓器的輸出

6、特性分析變氣隙式變氣隙式靈敏度高，量程小，適于測(cè)量幾靈敏度高，量程小，適于測(cè)量幾微米到幾百微米的位移。微米到幾百微米的位移。變面積式變面積式適于測(cè)量角位移，分辨率可達(dá)適于測(cè)量角位移，分辨率可達(dá)零點(diǎn)幾角秒，線性范圍達(dá)零點(diǎn)幾角秒，線性范圍達(dá)10100 0螺管式螺管式靈敏度低，但可測(cè)量幾靈敏度低，但可測(cè)量幾毫米到毫米到1m1m的位移。的位移。 差動(dòng)變壓器的輸出特性分析差動(dòng)變壓器的輸出特性分析正弦交流電壓正弦交流電壓U Ui i加到初級(jí)線圈加到初級(jí)線圈兩次級(jí)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)兩次級(jí)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e e1 1、e e2 2銜鐵位于銜鐵位于中間位置中間位置e e1 1=e=e2 2銜鐵銜鐵上移上移e e1 1ee

7、2 2輸出輸出U U0 0=e=e1 1-e-e2 2銜鐵下移銜鐵下移e e2 2ee1 1輸出輸出U U0 0=e=e1 1-e-e2 2相位互差相位互差1801800 0初級(jí)線圈初級(jí)線圈次級(jí)線圈次級(jí)線圈銜鐵銜鐵差動(dòng)變壓器等效電路差動(dòng)變壓器等效電路11iiUIRjL初級(jí)繞組的電流：初級(jí)繞組的電流：次級(jí)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：次級(jí)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：11 1ej M I 22 1ej M I 01211()iUUjMMRj L 由于兩個(gè)次級(jí)繞組反向串接，輸出總電動(dòng)勢(shì)為：由于兩個(gè)次級(jí)繞組反向串接，輸出總電動(dòng)勢(shì)為：其有效值為：其有效值為：1202211()()iMMUURL差動(dòng)變壓器輸出特性曲線差動(dòng)變

8、壓器輸出特性曲線2 2、位移方向判別、位移方向判別差動(dòng)整流電路差動(dòng)整流電路 用在連接用在連接低低阻抗負(fù)載的場(chǎng)合，為阻抗負(fù)載的場(chǎng)合，為電流電流輸出型輸出型差動(dòng)整流電路差動(dòng)整流電路 用在連接用在連接高高阻抗負(fù)載的場(chǎng)合，為阻抗負(fù)載的場(chǎng)合，為電壓電壓輸出型輸出型3 3、主要技術(shù)指標(biāo)、主要技術(shù)指標(biāo)靈敏度靈敏度線性度線性度零點(diǎn)電壓零點(diǎn)電壓激勵(lì)頻率也叫載波頻率激勵(lì)頻率也叫載波頻率4 4、零點(diǎn)補(bǔ)償、零點(diǎn)補(bǔ)償5 5、微小位移測(cè)量（幾微米數(shù)十微米）、微小位移測(cè)量（幾微米數(shù)十微米）圖圖7-15 7-15 微小位移測(cè)量電路原理圖微小位移測(cè)量電路原理圖第四節(jié)第四節(jié) 電渦流式位移傳感器電渦流式位移傳感器適用場(chǎng)合適用場(chǎng)合原

9、理原理一、反射式電渦流式位移傳感器一、反射式電渦流式位移傳感器有關(guān)有關(guān)電渦流位移傳感器電渦流位移傳感器保持其他參數(shù)恒定，只反映阻抗保持其他參數(shù)恒定，只反映阻抗Zx 電渦流位移傳感器組成電渦流位移傳感器組成載流線圈載流線圈被測(cè)導(dǎo)體被測(cè)導(dǎo)體部分購(gòu)買，部分要自己設(shè)部分購(gòu)買，部分要自己設(shè)計(jì)（考慮被測(cè)導(dǎo)體的物理計(jì)（考慮被測(cè)導(dǎo)體的物理性能、幾何形狀和尺寸。性能、幾何形狀和尺寸。 電渦流位移傳感器的型式：電渦流位移傳感器的型式：變間隙型、變面積型、螺管型變間隙型、變面積型、螺管型變間隙型變間隙型間隙變化間隙變化電渦流效應(yīng)變電渦流效應(yīng)變化化線圈電感和阻抗變化線圈電感和阻抗變化變面積型變面積型 被測(cè)導(dǎo)體與線圈之

10、間被測(cè)導(dǎo)體與線圈之間相對(duì)面積相對(duì)面積變變化化電渦流效應(yīng)變化電渦流效應(yīng)變化線圈電感和線圈電感和阻抗變化。阻抗變化。 螺管型：螺管型：由短路套筒和螺管線圈組成。短路套筒可沿螺管線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(dòng)，引起螺管線圈電感的變化，從而測(cè)量位移。圈軸向移動(dòng)，引起螺管線圈電感的變化，從而測(cè)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，有如下如下優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：126P二、透射式電渦流式位移傳感器二、透射式電渦流式位移傳感器L L1 1上加交流上加交流激勵(lì)電壓激勵(lì)電壓U U1 1L L2 2上上產(chǎn)生產(chǎn)生感感應(yīng)電動(dòng)

11、勢(shì)應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U U2 2無(wú)金屬板時(shí)，無(wú)金屬板時(shí)，U U2 2最大，有金屬板時(shí)，電渦流抵消了部分最大，有金屬板時(shí)，電渦流抵消了部分L L1 1磁場(chǎng)磁場(chǎng)，致使，致使U U2 2減小，板厚減小，板厚越大，越大，U U2 2越小越小第五節(jié)第五節(jié) 電容式位移傳感器電容式位移傳感器一、極距變化型電容傳感器一、極距變化型電容傳感器原理：原理：二、面積變化型電容傳感器二、面積變化型電容傳感器三、電容式傳感器信號(hào)處理電路三、電容式傳感器信號(hào)處理電路圖圖7-24 7-24 驅(qū)動(dòng)電纜原理驅(qū)動(dòng)電纜原理 圖圖7-25 7-25 運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路第六節(jié)第六節(jié) 光柵位移測(cè)量系統(tǒng)光柵位移測(cè)量系統(tǒng)2 2. .分類分類

12、3.3.光柵系統(tǒng)的組成光柵系統(tǒng)的組成光柵（標(biāo)尺光柵、指示光柵）、光柵（標(biāo)尺光柵、指示光柵）、光源、光電元件、測(cè)量電路光源、光電元件、測(cè)量電路二、莫爾條紋二、莫爾條紋2sin()2dBdkd)22sin(0 xdUUUmav直流分量直流分量信號(hào)變化的幅值信號(hào)變化的幅值指示光柵的位移指示光柵的位移xNd 三、辨向電路與信號(hào)細(xì)分三、辨向電路與信號(hào)細(xì)分直接細(xì)分直接細(xì)分( (位置細(xì)分位置細(xì)分) )四、光柵應(yīng)用四、光柵應(yīng)用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

13、柵防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長(zhǎng)磁柵光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）可移動(dòng)電纜可移動(dòng)電纜掃描頭掃描頭（與移動(dòng)部件固定）（與移動(dòng)部件固定）光柵尺光柵尺為光柵設(shè)計(jì)的專用數(shù)為光柵設(shè)計(jì)的專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器（光柵計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器（光柵計(jì)數(shù)卡）卡）內(nèi)部包含以下電路：放大、內(nèi)部包含以下電路：放大、整形、細(xì)分、辨向、報(bào)警、整形、細(xì)分、辨向、報(bào)警、阻抗變換等。阻抗變換等。為光柵設(shè)計(jì)的專用信號(hào)為光柵設(shè)計(jì)的專用信號(hào)處理單元（光柵插補(bǔ)器）處理單元（光柵插補(bǔ)器）功能同前功能同前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 光柵掃描頭光柵掃描頭防護(hù)罩內(nèi)為直線光柵防護(hù)罩內(nèi)為直線光柵被加工工件被加工工件切削刀具

14、切削刀具角編碼器安角編碼器安裝在夾具的裝在夾具的端部端部第七節(jié)第七節(jié) 磁柵式位移測(cè)量系統(tǒng)磁柵式位移測(cè)量系統(tǒng)一、磁柵一、磁柵 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)量范圍大（結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)量范圍大（120m）、磁）、磁信號(hào)可重新錄制；信號(hào)可重新錄制；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：需要屏蔽和防塵。需要屏蔽和防塵。二、磁柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理二、磁柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理動(dòng)態(tài)磁頭動(dòng)態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭磁頭磁頭三、檢測(cè)電路三、檢測(cè)電路 適合位移測(cè)量的適合位移測(cè)量的靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭是成對(duì)使用的，兩組磁頭相距是成對(duì)使用的，兩組磁頭相距(n+1/4)。檢測(cè)電路主要有。檢測(cè)電路主要有鑒幅式鑒幅式和和鑒相式鑒

15、相式。第八節(jié)第八節(jié) 感應(yīng)同步器系統(tǒng)感應(yīng)同步器系統(tǒng)一、感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)一、感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu) 感應(yīng)同步器是利用感應(yīng)同步器是利用電磁感應(yīng)原理電磁感應(yīng)原理把位移量轉(zhuǎn)換成電量的傳把位移量轉(zhuǎn)換成電量的傳感器。有直線型感器。有直線型( (測(cè)直線位移測(cè)直線位移) )和圓盤型和圓盤型( (測(cè)角位移測(cè)角位移) )兩大類。兩大類。定尺定尺滑尺滑尺定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子二、感應(yīng)同步器的工作原理二、感應(yīng)同步器的工作原理原理：原理： 位移位移兩個(gè)平面繞組兩個(gè)平面繞組間的互感變化間的互感變化電量電量三、感應(yīng)同步器的激勵(lì)和檢測(cè)方式三、感應(yīng)同步器的激勵(lì)和檢測(cè)方式滑尺滑尺/ /定子激勵(lì)，由定尺定子激勵(lì)，由定尺/ /轉(zhuǎn)子繞組取出感應(yīng)電勢(shì)

16、轉(zhuǎn)子繞組取出感應(yīng)電勢(shì)(多用多用)定尺定尺/ /轉(zhuǎn)子激勵(lì)，由滑尺轉(zhuǎn)子激勵(lì)，由滑尺/ /定子繞組取出感應(yīng)電勢(shì)定子繞組取出感應(yīng)電勢(shì)兩種激兩種激勵(lì)方式勵(lì)方式信號(hào)檢信號(hào)檢測(cè)方式測(cè)方式鑒幅型鑒幅型鑒相型鑒相型1、鑒幅型感應(yīng)同步器檢測(cè)方式、鑒幅型感應(yīng)同步器檢測(cè)方式tUUKeeesccscos)cossin(利用函數(shù)變壓器使利用函數(shù)變壓器使激勵(lì)電壓的幅值激勵(lì)電壓的幅值滿足滿足: :位移變化位移變化相角相角2x/2x/變化變化感應(yīng)電勢(shì)的感應(yīng)電勢(shì)的振幅振幅E Em m變化變化數(shù)字鑒幅電路數(shù)字鑒幅電路測(cè)量出幅值變化就可以完成位移測(cè)量測(cè)量出幅值變化就可以完成位移測(cè)量2、鑒、鑒相相型感應(yīng)同步器檢測(cè)方式型感應(yīng)同步器檢測(cè)方

17、式初始時(shí)使初始時(shí)使 滑尺由初始位置移動(dòng)滑尺由初始位置移動(dòng)x x時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相位變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相位變化， 0當(dāng)當(dāng)達(dá)到一定值，即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)達(dá)到一定值，門檻電路發(fā)出指令脈沖，達(dá)到一定值，即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)達(dá)到一定值，門檻電路發(fā)出指令脈沖，轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)并控制函數(shù)電壓發(fā)生器，調(diào)節(jié)激勵(lì)電壓幅值的相位轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)并控制函數(shù)電壓發(fā)生器，調(diào)節(jié)激勵(lì)電壓幅值的相位 ，使其跟蹤，使其跟蹤。當(dāng)當(dāng) 時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)幅值降到門檻電壓以下，撤銷指令脈沖，停止計(jì)數(shù)時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)幅值降到門檻電壓以下，撤銷指令脈沖，停止計(jì)數(shù)由計(jì)數(shù)值，通過(guò)當(dāng)量換算可得到測(cè)量位移值由計(jì)數(shù)值，通過(guò)當(dāng)量換算可得到測(cè)量位移值四、感應(yīng)同步器的細(xì)分原理四

18、、感應(yīng)同步器的細(xì)分原理由于工藝和結(jié)構(gòu)上的原因，繞組中的由于工藝和結(jié)構(gòu)上的原因，繞組中的節(jié)距節(jié)距較大，無(wú)法測(cè)量微較大，無(wú)法測(cè)量微小位移。小位移。輸出感應(yīng)電勢(shì)周期信號(hào)輸出感應(yīng)電勢(shì)周期信號(hào)節(jié)距節(jié)距細(xì)分電角度細(xì)分電角度x x1 1x x2 2x x1 1x x2 2E Esxsx-E-Esxsx若滑尺上只有一相繞組，感應(yīng)若滑尺上只有一相繞組，感應(yīng)電勢(shì)電勢(shì)E Ecxcx對(duì)應(yīng)兩個(gè)位移對(duì)應(yīng)兩個(gè)位移x x1 1和和x x2 2，因此位移因此位移x x和感應(yīng)電勢(shì)幅值無(wú)法和感應(yīng)電勢(shì)幅值無(wú)法建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。若滑尺上有兩個(gè)繞組，且二者在空間若滑尺上有兩個(gè)繞組，且二者在空間位置上錯(cuò)開位置上錯(cuò)開9

19、0900 0。在相同的。在相同的E Ecxcx下，可由下，可由余弦曲線區(qū)分位移余弦曲線區(qū)分位移x x1 1和和x x2 2。由此可建。由此可建立位移立位移x x和感應(yīng)電勢(shì)幅值之間一一對(duì)應(yīng)和感應(yīng)電勢(shì)幅值之間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)細(xì)分。的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)細(xì)分。0 0E Ec cx xE Ecxcx0 0E Es s ,E,Ec cx xE Ecxcx第九節(jié)第九節(jié) 光纖位移測(cè)量系統(tǒng)光纖位移測(cè)量系統(tǒng)一、反射式光纖位移傳感器的工作原理一、反射式光纖位移傳感器的工作原理二、光電轉(zhuǎn)換及放大電路二、光電轉(zhuǎn)換及放大電路光光光敏二極管光敏二極管電信號(hào)電信號(hào)放大電路放大電路第十節(jié)第十節(jié) 軸角編碼器軸角編碼器解決錯(cuò)碼的方法：解決錯(cuò)碼的方法：方法方法1：從編碼技術(shù)入手。：從編碼技術(shù)入手。方法方法2：掃描技術(shù)入手。：掃描技術(shù)入手。 采用雙電刷掃描技術(shù)。兩組電刷，一組超前放采用雙電刷掃描技術(shù)。兩組電刷，一組超前放置，一組滯后放置，還需要