工程测试-第六章 位移测量
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《传感器与检测技术》高教(4版) 第六章
差动变压器位移计
当铁芯处于中间位置时，输出电压: UU 21 U 220
当铁芯向右移动时，则输出电压: UU 21 U 220
当铁芯向左移动时，则输出电压: UU 21 U 220
输出电压的方向反映了铁芯的运动方向，大小反映了铁 芯的位移大小。
差动变压器位移计
输出特性如图所示。
差动变压器位移计
角度的精密测量。 光栅的基本结构
1、光栅：光栅是在透明的玻璃上刻有大量平行等宽等 距的刻线构成的，结构如图。
设其中透光的缝宽为a，不透光的缝宽为b，
一般情况下，光栅的透光缝宽等于不透光
的缝宽，即a = b。图中d = a + b 称为光
栅栅距（也称光栅节距或称光栅常数）。
光栅位移测试
2、光栅的分类
1、激光的特性
（1）方向性强
（2）单色性好
（3） 亮度高
（4） 相干性好
2、激光器
按激光器的工作物质可分为以下几类： （1）固体激光器：常用的有红宝石激光器、钕玻 璃激光器等。
（2）气体激光器：常用的为氦氖激光器、二氧化 碳激光器、一氧化碳激光器等。
激光式传感器
（3） 液体激光器：液体激光器分为无机液体激光器 和有机液体激光器等。
数小，对铜的热电势应尽可能小，常用材料有： 铜镍合金类、铜锰合金类、镍铬丝等。 2、骨架：
对骨架材料要求形状稳定表面绝缘电阻高， 有较好的散热能力。常用的有陶瓷、酚醛树脂 和工程塑料等。 3、电刷：
电刷与电阻丝材料应配合恰当、接触电势 小，并有一定的接触压力。这能使噪声降低。
电位器传感器
电位计式位移传感器
6.2.2 差动变压器位移计结构
1-测头； 2-轴套； 3-测杆； 4-铁芯；5-线圈架； 6-导线； 7-屏蔽筒；8-圆片弹簧；9-弹簧； 10-防尘罩
第六七章 位移检测
莫尔条纹由光栅的大量刻线形成, 对线纹的刻划 误差有平均抵消作用, 能在很大程度上消除栅距的局 部误差和短周期误差的影响。
第6章 位移检测 3.运动对应关系
第6章 位移检测
传感器原理及应用
三、光栅的信号输出 若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的 变化, 则将光信号转换为电信号, 输出的幅值可 用光栅位移量x的正弦函数表示,
传感器原理及应用
第6章 位移检测
小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、 电容式、 霍尔式等传感器来检测, 精度可达0.5-1.0%, 其中电感式和差动变压器式传感器测量范围要大一些, 有些可达100mm。 小位移传感器测微小位移, 从几微米到几个毫米, 如物体振动的振幅测量等。
大的位移常用光栅、编码器等传感器来测量 , 其特点 是易实现数字化.
第6章 位移检测
d
w2
(两光栅的距离 )
图6.5.3 黑白透射光栅电路
第6章 位移检测
传感器原理及应用
2.光栅测量原理 当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的 夹角时, 产生出亮暗相间的条纹, 为“莫尔条纹”.
第6章 位移检测
长光栅横向莫尔条纹
第6章 位移检测 莫尔条纹
传感器原理及应用
第6章 位移检测
传感器原理及应用
光栅式传感器
光栅式传感器的特点： 精度高； 大量程测量兼有高分辨率；
可实现动态测量；
具有较强的抗干扰能力。
第6章 位移检测 计量光栅的种类
传感器原理及应用
光栅是在透明的玻璃上刻有大量相互平行等宽而又等间距 的刻线。
按光栅的表面结构不同有幅值(黑白)光栅和相位(闪耀) 光栅。 长光栅 圆光栅 用于长度或几何的测量， 刻线相互平行； 用来测量角度或角位移， 在圆盘玻璃上刻线；
第6章 位移检测 3.运动对应关系
第6章 位移检测
传感器原理及应用
三、光栅的信号输出 若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的 变化, 则将光信号转换为电信号, 输出的幅值可 用光栅位移量x的正弦函数表示,
传感器原理及应用
第6章 位移检测
小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、 电容式、 霍尔式等传感器来检测, 精度可达0.5-1.0%, 其中电感式和差动变压器式传感器测量范围要大一些, 有些可达100mm。 小位移传感器测微小位移, 从几微米到几个毫米, 如物体振动的振幅测量等。
大的位移常用光栅、编码器等传感器来测量 , 其特点 是易实现数字化.
第6章 位移检测
d
w2
(两光栅的距离 )
图6.5.3 黑白透射光栅电路
第6章 位移检测
传感器原理及应用
2.光栅测量原理 当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的 夹角时, 产生出亮暗相间的条纹, 为“莫尔条纹”.
第6章 位移检测
长光栅横向莫尔条纹
第6章 位移检测 莫尔条纹
传感器原理及应用
第6章 位移检测
传感器原理及应用
光栅式传感器
光栅式传感器的特点： 精度高； 大量程测量兼有高分辨率；
可实现动态测量；
具有较强的抗干扰能力。
第6章 位移检测 计量光栅的种类
传感器原理及应用
光栅是在透明的玻璃上刻有大量相互平行等宽而又等间距 的刻线。
按光栅的表面结构不同有幅值(黑白)光栅和相位(闪耀) 光栅。 长光栅 圆光栅 用于长度或几何的测量， 刻线相互平行； 用来测量角度或角位移， 在圆盘玻璃上刻线；
位移测量分为线位移测量和角位移测量
（1）积分法
测量运动体的速度或加速度，经过 积分或二次积分求得运动体的位移。
例如在惯性导航中，就是通过测量 载体的加速度，经过二次积分而求得载 体的位移。
（2）回波法
从测量起始点到被测面是一种介质，被测 面以后是另一种介质，利用介质分界面对波的 反射原理测位移。
例如激光测距仪、超声波液位计都是利用 分界面对激光、超声波的反射测量位移的。相关 测距则是利用相关函数的时延性质，将向某被测 物发射信号与经被测物反射的返回信号作相关处
微观不平度十点高度：
5
5
Rz ( ymax pi yminvi ) / 5
i 1
i 1
轮廓最大高度：
表面粗糙度的评定方法
Ry ypmax yvmax
常用的位移传感器
在很多情况下，位移可以通过位移 传感器直接测得。
用于线位移测量的传感器的种类很多，较 常见的线位移传感器的主要特点及使用性能列 于表中。
装有测针T的杠杆M固定在绕有线圈的磁铁中心枢轴上，触针垂 直位移改变磁铁两端的空气隙，转换为电感线圈的电感量变化， 从而对载波信号进行调制，产生交变电流，然后再通过解调器获 得截面轮廓信号，送入下级放大和运算电路。这类电感传感器的 特点是输出信号只和触针位移有关，亦称位移灵敏传感器，它可 以把轮廓图形逐点描绘出来，所以一般带有记录器。
1. 接触式轮廓仪（触针式轮廓仪）
针描法是一种接触式测量方法。用一个很尖的触针垂直 于表面横移，触针将随着表面轮廓几何形状作垂直起伏 运动，把这个微小位移的信号转换成电量加以放大，再 进行运算处理即可获得某个表面光洁度参数数值，或者 用记录器描绘出放大了的表面轮廓图形（早期曾经采用 机械或机械一光学的方法放大触针的垂直位移量，现基 本上已被淘汰）。
情境六、位移的检测
情境六 位移的检测
【情境描述】
位移的检测是指测量位移、距离、位置、尺寸、角 度、角位移等几何量，是机械加工的重要参数。许 多参数如力、形变、厚度、间距、振动、速度、加 速度等非电量的测量也可以转换为位移的测量。根 据这类传感器的信号输出形式，可以分为模拟式和 数字式两大类，参见表6-1所示。
任务一 电感式接近开关用于物位的检测
1．正确使用光敏电阻
二、位移传感器的使用
2．正确使用增量式光电编码器
1) 机床纵向进给速度控制 2) 高速旋转测速 3) 低转速测速 4) 注意点
二、位移传感器的使用
3．正确使用光栅传感器
1) 辨向电路 2) 细分技术
一、位移传感器的选型
◆ 任务实施
二、直线光栅位移传感器的实际应用
1．传感器的安装
1．自感式传感器
1)变间隙型电感传感 器
2)变面积型电感传感 器
3)螺管型电感传感器 4)差动式电感传感器
一、认识电感传感器
一、认识电感传感器
2．差动变压器式传感器
一、认识电感传感器
3．电涡流式传感器
1) 高频反射式电涡流传感器 2) 低频透射式电涡流传感器
二、电感传感器的使用
电感传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制， 在工业自动控制系统中被广泛采用。它主要用于测量微位 移，凡是能转换成位移量变化的参数，如压力、力、压差、 加速度、振动、应变、流量、厚度、液位等都可以用电感 式传感器来进行测量。其应用范围主要包括：可测量弯曲 和偏移；可测量振荡的振幅高度；可控制尺寸的稳定性； 可控制定位；可控制对中心率或偏心率。
一、认识光电传感器
5) 光敏三极管 6) 光电池
一、认识光电传感器
一、认识光电传感器
【情境描述】
位移的检测是指测量位移、距离、位置、尺寸、角 度、角位移等几何量，是机械加工的重要参数。许 多参数如力、形变、厚度、间距、振动、速度、加 速度等非电量的测量也可以转换为位移的测量。根 据这类传感器的信号输出形式，可以分为模拟式和 数字式两大类，参见表6-1所示。
任务一 电感式接近开关用于物位的检测
1．正确使用光敏电阻
二、位移传感器的使用
2．正确使用增量式光电编码器
1) 机床纵向进给速度控制 2) 高速旋转测速 3) 低转速测速 4) 注意点
二、位移传感器的使用
3．正确使用光栅传感器
1) 辨向电路 2) 细分技术
一、位移传感器的选型
◆ 任务实施
二、直线光栅位移传感器的实际应用
1．传感器的安装
1．自感式传感器
1)变间隙型电感传感 器
2)变面积型电感传感 器
3)螺管型电感传感器 4)差动式电感传感器
一、认识电感传感器
一、认识电感传感器
2．差动变压器式传感器
一、认识电感传感器
3．电涡流式传感器
1) 高频反射式电涡流传感器 2) 低频透射式电涡流传感器
二、电感传感器的使用
电感传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制， 在工业自动控制系统中被广泛采用。它主要用于测量微位 移，凡是能转换成位移量变化的参数，如压力、力、压差、 加速度、振动、应变、流量、厚度、液位等都可以用电感 式传感器来进行测量。其应用范围主要包括：可测量弯曲 和偏移；可测量振荡的振幅高度；可控制尺寸的稳定性； 可控制定位；可控制对中心率或偏心率。
一、认识光电传感器
5) 光敏三极管 6) 光电池
一、认识光电传感器
一、认识光电传感器
位移测量
2
§6.3 位移测量的应用
二、物位测量 物位测量： 在生产过程中常遇到大量的固体和液体物料堆放在场地上 或存放在容器中，占有一定的高度，此高度还可能是随时 间而发生变化。对此高度的测量称为物位测量。 液位测量、固体的料位测量、两种液体或液体与固体 间界面位置的测量均属于物位测量。
3
§6.2 常用的位移传感器
二、物位测量 ①沉筒式液位变送器 1－沉筒固定段 2－沉筒浮力段 3－测量弹簧 4－差动变压器 5－衔铁 6－密封隔离筒 7－沉筒室壳体
4
§6.2 常用的位移传感器
二、物位测量 ②电阻式液位计
1－电阻极棒 2－绝缘套 3－容器 4－电桥
2 2 2 L h L h R A A A
R K1 K2h
5
第六章
位Байду номын сангаас测量
1
§6.1 概述
相关概念
位移： 指物体上某一点在一定方向上的位置变动，是一个向量。 位移测量： 一般是在位移方向上测量物体的绝对位置或相对位置的变 动量。位移测量包括线位移和角位移的测量。
工程应用情况
①直接检测物体的移动量和转动量，如检测机床工作台的 位移、回转轴的径向和轴向运动误差等； ②通过位移测量，特别是小/极小位移的测量来反映其他 物理量的大小，如物位测量
§6.3 位移测量的应用
二、物位测量 物位测量： 在生产过程中常遇到大量的固体和液体物料堆放在场地上 或存放在容器中，占有一定的高度，此高度还可能是随时 间而发生变化。对此高度的测量称为物位测量。 液位测量、固体的料位测量、两种液体或液体与固体 间界面位置的测量均属于物位测量。
3
§6.2 常用的位移传感器
二、物位测量 ①沉筒式液位变送器 1－沉筒固定段 2－沉筒浮力段 3－测量弹簧 4－差动变压器 5－衔铁 6－密封隔离筒 7－沉筒室壳体
4
§6.2 常用的位移传感器
二、物位测量 ②电阻式液位计
1－电阻极棒 2－绝缘套 3－容器 4－电桥
2 2 2 L h L h R A A A
R K1 K2h
5
第六章
位Байду номын сангаас测量
1
§6.1 概述
相关概念
位移： 指物体上某一点在一定方向上的位置变动，是一个向量。 位移测量： 一般是在位移方向上测量物体的绝对位置或相对位置的变 动量。位移测量包括线位移和角位移的测量。
工程应用情况
①直接检测物体的移动量和转动量，如检测机床工作台的 位移、回转轴的径向和轴向运动误差等； ②通过位移测量，特别是小/极小位移的测量来反映其他 物理量的大小，如物位测量
位移测量
机 随位移量 x 的变化而变化。
机 电 ， 机 - 电 1.8 时，
25
1、鉴幅型数字位移测量系统
工作原理说明如下：
机 电 ， 机 - 电 1.8 时，
此时定尺绕组输出的感应电压信号，经过放大器放 大后，将与门打开，时钟脉冲经过与门，有以下两 方面作用： 一是作用到可逆计数器，可逆计数器计一个数。 二是时钟脉冲作用到转换计数器，控制电子开关， 接通函数变压器，改变激磁电压信号的幅值，使
19
四、感应同步器位移测量系统
对于不同的感应同步器，若滑尺绕组激磁，其输 出信号的处理方式有:
鉴幅法 鉴相法 脉冲调宽法
20
四、感应同步器位移测量系统
1、鉴幅型数字位移测量系统
根据感应电势的幅值变化来检测位移量 滑尺正弦、余弦绕组供同频率、同 相位但幅位不等的余弦激磁电压： 正弦绕组在定尺上产生感应电势为
23
1、鉴幅型数字位移测量系统 系统的测量原理是采用零值法．即让
由式 E m K m U m sin( 机 电 ) 当滑尺每移动0.01mm，即
电 随 机 变化
当 机 电 时， e 0
机 1.8 时，
测量系统作加法计数，并进行显示。24ຫໍສະໝຸດ 1、鉴幅型数字位移测量系统
其幅值为：
E m K m U m sin( 机 电 )
总的感应电势e的大小与机械空间角有关，而又机械空间角 与滑尺机械位移量x 有关，所以通过测量e的大小，就能反 映出机械位移量x。
22
1、鉴幅型数字位移测量系统
测量系统
系统由感 应同步器、 放大器、 逻辑种制 电路、函 数发生器、 显示计数 器、电源 及振荡器 等组成。
工程测试-第六章位移测量
分辨力高，耐用，可测位移频 率只是激励频率的1/10，后续 电路复杂
性能稳定可靠，利用应变片和 弹性体结合测量角位移
自整角机 旋转变压器
360° 360°
±0.1°~± 7°
2′~5′
±0.5%
小角度时 0.1%
对环境要求低，有标准系列， 使用方便，抗干扰能力强，性 能稳，可在1200r/min下工作， 精度低，线性范围小
一．回轴轴误差运动的 测量
○ 回转轴误差运动是 指在回转过程中回 转轴线偏离理想位 置而出现的附加运 动。
○ 径向误差运动的常 用测量方法
图 双向测量 法时的位移信 号分析
—基圆发生器 图 双向测量法
—位移测量仪；
—位移传感器 ；
T—位移传 感器；M— 位移测量仪； R—基圆发 生器； Mu—乘法 器
部分测量角位移的传感器的性能及特点。
型式
测量范围
精确度
线性度
特点
滑线变阻式
0°~360°
±0.1%
±0.1%
结构简单，测量范围广，存在 接触摩擦，动态响应差
变阻器
0~60转
±0.5%
差动变压器式
0°~±120 °
(0.2~2.0) %
应变计式
±180°
1%
±0.5% ±0.25%
耐磨性好，阻值范围宽，接触 电阻和噪声大，附加力矩较大
微动同步器
±5°~±4 0°
(0.4~1) %
±0.05%
分辨力高，无接触，测量 范围小，电路较复杂
电容式
70°
25″
圆感 编 码 器
接触 式
光电 式
0°~360 °
0°~360 °
0°~360 °
性能稳定可靠，利用应变片和 弹性体结合测量角位移
自整角机 旋转变压器
360° 360°
±0.1°~± 7°
2′~5′
±0.5%
小角度时 0.1%
对环境要求低，有标准系列， 使用方便，抗干扰能力强，性 能稳，可在1200r/min下工作， 精度低，线性范围小
一．回轴轴误差运动的 测量
○ 回转轴误差运动是 指在回转过程中回 转轴线偏离理想位 置而出现的附加运 动。
○ 径向误差运动的常 用测量方法
图 双向测量 法时的位移信 号分析
—基圆发生器 图 双向测量法
—位移测量仪；
—位移传感器 ；
T—位移传 感器；M— 位移测量仪； R—基圆发 生器； Mu—乘法 器
部分测量角位移的传感器的性能及特点。
型式
测量范围
精确度
线性度
特点
滑线变阻式
0°~360°
±0.1%
±0.1%
结构简单，测量范围广，存在 接触摩擦，动态响应差
变阻器
0~60转
±0.5%
差动变压器式
0°~±120 °
(0.2~2.0) %
应变计式
±180°
1%
±0.5% ±0.25%
耐磨性好，阻值范围宽，接触 电阻和噪声大，附加力矩较大
微动同步器
±5°~±4 0°
(0.4~1) %
±0.05%
分辨力高，无接触，测量 范围小，电路较复杂
电容式
70°
25″
圆感 编 码 器
接触 式
光电 式
0°~360 °
0°~360 °
0°~360 °
机械工程测试位移测量
3
环境干扰
噪声、振动和电磁干扰都可能影响位移测量的结果，应采取适当的屏蔽和过滤方 法。
未来位移测量技术的发展方向
未来的位移测量技术将越来越智能化、精确化和多样化。无线传输、自动校 准和远程监测将成为发展的关键方向。
位移测量在建筑工程中，用于监测结构的 变形和承载能力。
3 航空航天
4 医学科学
位移测量在航空航天中，用于检测飞机零 件的变形和振动。
位移测量在医学科学中，用于研究人体运 动、姿势和生物力学。
位移传感器的原理和分类
电阻式传感器
通过测量电阻值的变化来检测位移，适用于小 范围测量。
感应式传感器
利用自感现象来测量磁场的变化，适用于无接 触式测量。
机械工程测试位移测量
位移测量是机械工程中至关重要的环节。它涉及测量的基本原理、方法、应 用领域以及未来的发展方向，让我们一起探索吧！
位移测量的基本概念和原理
位移测量是测量物体位置变化的过程。它基于测量物体上点的位置，并将这些位置的变化转化为可视化 或数值化的结果。
常见的位移测量方法和技术
激光测距
电容式传感器
通过测量电容量的变化来检测位移，适用于精 密测量。
激光位移传感器
利用激光束测量物体与传感器之间的距离，适 用于远距离非接触测量。
位移测量的挑战和解决方法
1
温度影响
温度变化可能会影响位移测量的准确性，解决方法是温度补偿。
2
测量范围
不同的位移测量方法有不同的测量范围，合适的选择能提高测量的准确性感器
通过识别物体振动的频率和振幅，测量物体 的位移。
应变片测量
利用应变片的电阻变化测量物体的应变，广 泛应用于力学测试中。
编码器
位移测量
辨向原理
辨向的方法 关键：“相位关系” 2路信号存在相位差
u
+10V +10V
A t u B 顺 u B 逆 超前于A 超前于 t 0 1 t
发光 二极管 b
1.5kΩ
5.1kΩ
c uo 光电 e 三极管
滞后于A 滞后于
位移测量的电路框图
位移传感器的信号调理电路就是判 断位移方向的电路， 断位移方向的电路，实际上是判断 两个光电对管， 两个光电对管，输出脉冲序列的相 位关系。 位关系。
注意：缓慢摇动，防止两头卡螺母！！！
训练内容1： 训练内容 ：手动输入脉冲计数显示
检测” 手动” （1）S2 ：“检测”； S3 ：“加”或“减”；按“手动”按 ） 钮，计数 器作相应计数 清零” 数码显示为“ （2）按“清零” 数码显示为“000”。 ） 。 加计数时，当计数满“ 加计数时，当计数满“999”，自动回到“000”。 ，自动回到“ 。
思考
写出显示数字k与实际直线位移s的关系。 在360°角位移以内，写出显示数字k与实际 角位移φ的关系。 两个光电对管之间的条纹数对辨向有影响吗？ 为什么？ 码盘上的条纹数对位移检测有什么影响？ 如何得到位置信号？ 怎样使螺旋机构在同样的角位移下输出的执行 位移量增大？ 尽可能多的举出螺旋机构的实际用例。
丝杆
ϕ s= L 2π
s：螺母的直线位移 ： φ：丝杠转过的角位移 L：丝杠的螺距 ：
ϕ
应用：仪器仪表中的微调装置、 应用：仪器仪表中的微调装置、机 床的进给装置、螺旋千斤顶、 床的进给装置、螺旋千斤顶、工装 夹具
二、码盘式位移测量的原理 用丝杠机构实现角位移和直线位移的运动转换， 用丝杠机构实现角位移和直线位移的运动转换，其转换关系 由丝杠的螺距决定， 由丝杠的螺距决定，这样可以通过测量角位移间接测量直线位 移。 装置上码盘有50对黑白相间的条纹 码盘每转一周，输出50 对黑白相间的条纹， 装置上码盘有 对黑白相间的条纹，码盘每转一周，输出 个脉冲，螺母位移一个螺距，本装置螺距5mm，即：螺母位移 个脉冲，螺母位移一个螺距，本装置螺距 ， 5mm。产生位移时，光电对管输出一列脉冲，对这一脉冲计数， 。产生位移时，光电对管输出一列脉冲，对这一脉冲计数， 可以测得位移。 可以测得位移。 脉冲当量δ： 脉冲当量 ：每一个脉冲代表的直线位移量 实验装置：码盘线数N＝ ，螺距L＝ 实验装置：码盘线数 ＝50，螺距 ＝5mm 脉冲当量δ： ＝ 脉冲当量 ： δ＝L/N＝0.1m数
第6章 位移及速度检测
透射式光栅
透射式圆光栅
固定
光栅传感器光源：
• 钨丝灯泡：
输出功率较大，工作范围较宽（-40℃到+130℃） 与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件 下工作时，使用寿命将降低。 • 半导体发光器件: 转换效率高，响应特征快速。 如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率 最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约 为几十ns，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和 热耗散。
6.1.1 自感式传感器的工作原理
NΦ L I
线圈
线圈匝数
铁芯
I为线圈中所通交流电的有效值。
IN Φ RM
衔铁
总磁阻
δ Δδ
图6-1 变磁阻式传感器
两式联立得:
N2 L RM
而
RM RC R
R 2 0 S0
空气导磁率
L1 L2 其中 Rc 1 S1 2 S2
RL
Rx U Ux U x R l
电位器传感器的结构
电阻丝
骨架
电刷
电位计式位移传感器
6.5 光栅传感器
很早以前，人们就将光栅的衍射现象应用于光
谱分析、测量光波波长等方面。直到20世纪50年代， 才开始利用光栅的莫尔条纹现象把光栅作为测量长 度的计量元件，从而出现了光栅式位移传感器，现 在人们把这种光栅称为计量光栅，由于它的原理简 单，装置也不十分复杂，测量精度高，可实现动态 测量，具有较强的抗干扰能力，被广泛应用于长度 和角度的精密测量。
图6-4 差动式自感传感器 1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆
变气隙型差动式自感传感器
S0 N 衔铁下移： L 2( )
第六章位移检测
检
m 为定尺、滑尺实际相位角。
2. 鉴幅工作方式
设 m
测第
则： VK V msinsint
六 章 数
当 较小时，有
V(K Vmsint)
控 机 床
感应电势与 成正比，即V随给定的位移 量 x ( ) 与工作台实际位移 x1 ( m ) 的差值 x ( )
的
成正比变化。
位
移
检
测第 六 章 数 控 机 床 的 位 移 检
位 移
（3）安装，维护方便，适合机床工作环境；
检
（4） 成本低。
二、检测装置的类型
1．按检测对象不同分类
1)直线位移测量
测第 六
它是将检测装
章
置直接安装在机床
数
拖板上，直接测量
控 机 床
机床坐标的直线位 移量，因此也称直
的
接测量，作为全闭
位 移
环伺服系统的位置
检
反馈用。
缺点: 是测量装置要和工作台行程等长，所 以在大型数控机床上受到一定限制。
机 床 的
当光栅尺移动一个栅距P时，莫尔条纹也 刚好移动了一个条纹宽度W。只要通过光电
位
元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移
移 检
动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计 算出来。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹
移动方向也相反。
测第 六 章 数 控 机 床 的 位 移 检
光栅测量系统：
P1 P2 P3 P4
2．按其检测信号的选取分类
1)数字式测量
它是将被测位移量转换为脉冲个数，
测第
即数字形式来表示，具有信号处理简单，
六 章
抗干扰性强等优点。
数
第十九次课位移测量
应用测量学
第六节、位移测量
7.1 建（构）筑物主体倾斜测量 建筑物顶部与底部的相应点位不在设计的同一铅垂 线上时，称为倾斜。 △l 建筑物的倾斜可 N 倾斜时， 以通过测定△l 建筑物上的 N′ （直接法）或测 点有平移、 升降发生。 H 定△S（间接法） 来确定。
M
五系工测教研室
△S B
（ 1）
应用测量学
裂缝
有机玻璃板
上标钉位
指标线 (c)上标
(b)钉配图 方格网裂缝测量标志
（11）
应用测量学
金属标志 墙体 裂缝
(a)剖面图 图
(b)立面图 裂缝测量金属杆式标志
水泥钉
裂 缝 墙体 游标卡尺形式式标志
（12）
应用测量学
7.4 挠度测量
挠度测量的对象包括建筑物基础和建筑物主 体以及独立构筑物（如独立墙、柱等）。 建筑物基础的挠度测量：
五系工测教研室 （10）
应用测量学
7.3 裂缝测量
建筑物由于差异沉降和其它外界因素的影响，墙体 会产生裂缝。裂缝测量的任务是，在垂直于裂缝两侧 附近布设观测点，定期量测其宽度、长度、走向及发 展速度，以监视建筑物的安全。
聚脂薄膜 墙体 毫米方格网 x y 固定钉 指标线 下标钉位 (a)下标 图
五系工测教研室
应用测量学
设顶部点 C 相对于底部点 D 总的水平偏移分量为 ，则由图 (c)可得关系
B cos
B D A A
五系工测教研室
A cos
C
B (c)
（ 4）
应用测量学
2 2 A B 2 A B cos 联立求解得 sin
当建筑物或构件的顶部与底部之间可竖向通视时， 可用垂准法进行倾斜测量。 ①吊垂球法。在垂线下的底部固定读数设备（如毫 米格网读数板），直接读取或量出上部观测点相对于底 部观测点的水平位移量和位移方向。 ②激光铅直仪观测法。建筑物顶部安置接受靶，在 其垂线下的地板上安置激光铅直仪， 在接收靶上直接读 取水平位移量和位移方向。 ③激光位移计自动测记法。 ④正锤线法。
第六节、位移测量
7.1 建（构）筑物主体倾斜测量 建筑物顶部与底部的相应点位不在设计的同一铅垂 线上时，称为倾斜。 △l 建筑物的倾斜可 N 倾斜时， 以通过测定△l 建筑物上的 N′ （直接法）或测 点有平移、 升降发生。 H 定△S（间接法） 来确定。
M
五系工测教研室
△S B
（ 1）
应用测量学
裂缝
有机玻璃板
上标钉位
指标线 (c)上标
(b)钉配图 方格网裂缝测量标志
（11）
应用测量学
金属标志 墙体 裂缝
(a)剖面图 图
(b)立面图 裂缝测量金属杆式标志
水泥钉
裂 缝 墙体 游标卡尺形式式标志
（12）
应用测量学
7.4 挠度测量
挠度测量的对象包括建筑物基础和建筑物主 体以及独立构筑物（如独立墙、柱等）。 建筑物基础的挠度测量：
五系工测教研室 （10）
应用测量学
7.3 裂缝测量
建筑物由于差异沉降和其它外界因素的影响，墙体 会产生裂缝。裂缝测量的任务是，在垂直于裂缝两侧 附近布设观测点，定期量测其宽度、长度、走向及发 展速度，以监视建筑物的安全。
聚脂薄膜 墙体 毫米方格网 x y 固定钉 指标线 下标钉位 (a)下标 图
五系工测教研室
应用测量学
设顶部点 C 相对于底部点 D 总的水平偏移分量为 ，则由图 (c)可得关系
B cos
B D A A
五系工测教研室
A cos
C
B (c)
（ 4）
应用测量学
2 2 A B 2 A B cos 联立求解得 sin
当建筑物或构件的顶部与底部之间可竖向通视时， 可用垂准法进行倾斜测量。 ①吊垂球法。在垂线下的底部固定读数设备（如毫 米格网读数板），直接读取或量出上部观测点相对于底 部观测点的水平位移量和位移方向。 ②激光铅直仪观测法。建筑物顶部安置接受靶，在 其垂线下的地板上安置激光铅直仪， 在接收靶上直接读 取水平位移量和位移方向。 ③激光位移计自动测记法。 ④正锤线法。
第六章 位移测量
第六章位移测量教学目的：①掌握常用的位移传感器的结构及工作原理②理解位移测量的实际应用教学重点：常用的位移传感器的结构及工作原理教学方法：讲授法§6－1概述位移测量是线位移和角位移测量的统称,测量时应根据具体的测量对象,来选择或设计测量系统.常用的位移传感器：1.变阻器式2.电阻应变式3.电感式4.电容式5.霍尔式6.感应同步器7.光栅8.编码器§6－2 常用的位移传感器一、变阻器式常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等变阻式传感器的后接电路，一般采用电阻分压电路：滑线电阻式位移传感器具有结构简单、使用方便、输出大、性能稳定等优点，但由于触头运动时有机械摩擦，其使用寿命受限、分辨率较低、输出信号噪声大、不宜用于频率较高时的动态测量。
二、电阻应变式应变片式位移传感器的测量原理：利用一弹性元件把位移量转换成应变量，而后用应变片、应变仪等测量记录。
电阻的变化率：三、差动变压器式差动变压器式位移测量系统具有精度较高、性能稳定、线性范围大、输出大、使用方便等优点。
由于可动铁心具有一定的质量，系统的动态特性较差。
四、光电脉冲式实际上是一个位移—数字编码器，工作时可将机械位移转换成数量的电脉冲信号输出。
1、透射式2、反射式光电脉冲式位移传感器的后续测量电路和显示记录装置如图所示：§6－3 位移测量的应用一、回转轴径向运动误差的测量1、回转轴运动误差是指在回转过程中回转轴线偏离理想位置而出现的附加运动。
2、运动误差是回转轴上任何发生与轴线平行的移动和在垂直于轴线的平面内的移动。
前一种移动称为该点的端面运动误差，后一种移动称为该点的径向运动误差。
3、测量一根通用的回转轴的径向运动误差时，可将参考坐标选在轴承支承孔上。
这时运动误差所表示的是回转过程中回转轴线对于支承孔的相对位移，它主要反映轴承的回转质量。
任意径向截面上的径向误差运动可采用置于x 、y方向的两ρρd A dA l dl R dR +-=只位移传感器来分别检测径向运动误差在x、y方向的分量。
位移检测
位移检测位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。
在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。
按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。
模拟式又可分为物性型和结构型两种。
常用位移传感器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。
数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。
位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移传感器位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。
小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。
其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。
工作原理电位器式位移传感器，位移传感器（图2）它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。
普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。
但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。
电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。
物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。
阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。
通常在电位器上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。
线绕式电位器由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯而变化，其输出特性亦呈阶梯形。
如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件，则过大的阶跃电压会引起系统振荡。
因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。
电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损。
它的优点是：结构简单，输出信号大，使用方便，价格低廉。
物理实验中的位移测量技术要点
物理实验中的位移测量技术要点引言：物理实验中，位移测量是一项关键的技术，它可以帮助我们准确地测量物体的位置变化。
位移测量在各个领域都有广泛的应用，包括机械、电子、光学等。
然而，位移测量的精度和准确性往往受到多种因素的影响。
本文将讨论物理实验中位移测量的要点，包括仪器选择、误差分析、校正方法等。
仪器选择：在进行位移测量时，我们需要选择合适的仪器来满足实验需求。
常见的位移测量仪器包括游标尺、激光测距仪、光栅尺等。
选择仪器时需要考虑测量范围、精度、灵敏度等因素。
例如，在需要测量较小位移的实验中，可以选择灵敏度较高的激光测距仪或光栅尺，而在需要测量较大位移的实验中，可以选择测微计或游标尺。
误差分析：位移测量中的误差往往来源于多个因素，如仪器本身的误差、环境因素的影响等。
对于精确的位移测量，我们需要对误差进行详细的分析和处理。
一种常见的误差分析方法是通过重复测量并计算平均值来降低随机误差。
此外，还可以通过校正和补偿来减小系统误差。
例如，利用标准物体进行校准，可以消除仪器本身的系统偏差。
校正方法：在位移测量中，常常需要进行校正以提高测量的精度和准确性。
校正方法可以分为直接校正和间接校正两种。
直接校正是通过测量已知位移的标准物体来校正仪器的指示值。
例如，通过测量已知长度的线段，可以校正游标尺的刻度误差。
而间接校正是通过测量与位移相关的物理量来校正。
例如，通过测量物体运动的速度和时间，可以间接得到位移值。
动态位移测量：在一些需要测量快速运动物体位移的实验中，静态位移测量已经无法满足要求。
此时需要采用动态位移测量技术。
常见的动态位移测量方法包括高速摄像技术和激光雷达技术。
高速摄像技术可以记录物体在瞬间的位置，通过分析图像序列可以得到位移值。
激光雷达技术则通过测量激光的时差来计算物体的位移。
位移测量在实验中的应用：位移测量是物理实验中一项广泛应用的技术，下面将介绍几个实验中常用的位移测量方法。
1. 弹簧振子实验：弹簧振子的位移是一个周期性的变化过程，可以通过测量振子的最大位移来计算振幅。
位移测量实例
第八页，讲稿共十二页哦
(4)物位的测量
在生产过程中常遇到大量的固体 和液体物料，存放在容器中或堆 放在场地上，并占有一定的高度， 上高度还有可能是随时间变化的。
对此高度的测量 称为物位测量。 液体表面的位置、散粒状物质 表面的位置以及不同比重互不 相溶液体的分界面位置等的测 量均属于物位测量。
第三页，讲稿共十二页哦
(2)电感式仿形机床
在加复杂机械零件时， 采用仿形加工是一种 较简单的方法。
较长4.24是电感式
（或差动变压器式） 仿形机床的示意图。
第四页，讲稿共十二页哦
假设被加工的工件为凸轮。机床的左边转轴上固定一个已 加工好的标准凸轮。毛坯固定在右边的转轴上，左、右两 轴同步旋转。
由机械排序装置送来的滚柱按顺序进入电感测微仪。电感测微仪的测杆在电 磁铁的控制下，先提升到一定的高度，让滚柱进入其正下方，然后电磁铁释
放，衔铁向下压住滚柱，滚柱的直径决定了衔铁位移的大小。电感传感 器的输出信号送到计算机，计算机直径的偏差值。已测量的滚柱被机 械装置推出电感测微仪，这时相应的翻板打开，滚柱落入与其直径偏 差相对应的容器中。
第九页，讲稿共十二页哦
物位测量多是将物位转换成位移量来进行测量的， 它也是位移测量应用较多的一个方面。
电容式液位传感器是利用被测介质液面变化转换 为电容量变化的一种介质变化型电容式传感器。
图4.26a是用于被测介质是非导电物质时的电容式 传感器。当被测液面变化时，两电极间的介电常 数随之发生变化，从而导致电容量的变化。
铣刀与电感测微仪安装在由伺服电机驱动的、可以沿着立 柱的导轨上、下移动的龙门架上。
电感测微仪的硬质合金测端与标准凸轮外表轮廓接触。当 衔铁不在差动电感线圈的中心位置时，测微仪有输出。输 出电压经伺服放大器放大后，伺服电机正转（或反转）。
(4)物位的测量
在生产过程中常遇到大量的固体 和液体物料，存放在容器中或堆 放在场地上，并占有一定的高度， 上高度还有可能是随时间变化的。
对此高度的测量 称为物位测量。 液体表面的位置、散粒状物质 表面的位置以及不同比重互不 相溶液体的分界面位置等的测 量均属于物位测量。
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(2)电感式仿形机床
在加复杂机械零件时， 采用仿形加工是一种 较简单的方法。
较长4.24是电感式
（或差动变压器式） 仿形机床的示意图。
第四页，讲稿共十二页哦
假设被加工的工件为凸轮。机床的左边转轴上固定一个已 加工好的标准凸轮。毛坯固定在右边的转轴上，左、右两 轴同步旋转。
由机械排序装置送来的滚柱按顺序进入电感测微仪。电感测微仪的测杆在电 磁铁的控制下，先提升到一定的高度，让滚柱进入其正下方，然后电磁铁释
放，衔铁向下压住滚柱，滚柱的直径决定了衔铁位移的大小。电感传感 器的输出信号送到计算机，计算机直径的偏差值。已测量的滚柱被机 械装置推出电感测微仪，这时相应的翻板打开，滚柱落入与其直径偏 差相对应的容器中。
第九页，讲稿共十二页哦
物位测量多是将物位转换成位移量来进行测量的， 它也是位移测量应用较多的一个方面。
电容式液位传感器是利用被测介质液面变化转换 为电容量变化的一种介质变化型电容式传感器。
图4.26a是用于被测介质是非导电物质时的电容式 传感器。当被测液面变化时，两电极间的介电常 数随之发生变化，从而导致电容量的变化。
铣刀与电感测微仪安装在由伺服电机驱动的、可以沿着立 柱的导轨上、下移动的龙门架上。
电感测微仪的硬质合金测端与标准凸轮外表轮廓接触。当 衔铁不在差动电感线圈的中心位置时，测微仪有输出。输 出电压经伺服放大器放大后，伺服电机正转（或反转）。
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±0.15%应变
±0.1%
±1%
不牢固
粘 贴
±0.3%应变
±(2~3)%
±1%
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
牢固，使用方便，需温度 补偿和高绝缘电阻
半导体
±0.25%应变
±(2~3)%
满刻度 ±2%
输出幅值大，温度灵敏性 高
差动 变 压 器 螺管 式
0.1~5mm
±(1~3)%
±0.5%
分辨力高，寿命长， 后续电路较复杂 测量范围宽，使用方 便可靠，寿命长，动 态性能较差
360°
对环境要求低，有标准系列， 使用方便，抗干扰能力强，性 能稳，可在1200r/min下工作， 精度低，线性范围小
微动同步器
±5°~ ±40°
(0.4~1) %
±0.05%
分辨力高，无接触，测量 范围小，电路较复杂 分辨力高，灵敏度高，耐 恶劣环境，需屏蔽
电容式
70°
25″
圆感应同步器
0°~360 °
表6-1 常用线位移传感器的性能与特点
型 式 测量范围 精确度 线性度 特 点
滑 线
1~300mm
±0.1%
±0.1%
变 阻 式
变阻器 1~1000mm ±0.5% ±0.5%
分辨力较高，机械结构不 牢固，大位移时在电刷上 加杠杆机构 结构牢固，寿命长，分辨 力较差，电噪声大
不粘贴 电 阻 应 变 式
5μm/1m
制造简单，使用方便， 分辨力1~5μm
部分测量角位移的传感器的性能及特点。
型 式 测量范围 精确度 线性度 特 点 结构简单，测量范围广，存在 接触摩擦，动态响应差 耐磨性好，阻值范围宽，接触 电阻和噪声大，附加力矩较大 滑线变阻式
0°~360°
±0.1%
±0.1%
变阻器
0~60转
±0.5%
一般来说，在进行位移测量时，要充分 利用被测对象所在场合和具备的条件来设计、 选择测量方法。
6.1表面粗糙度测量
表面粗糙度测量是一种微观几何形状误差。 特点：量值小（小于1mm)，变化频率高，所以粗糙度测 量方法必须具有分辨率高和频响快的特性。 1. 接触式轮廓仪（触针式轮廓仪）
针描法是一种接触式测量方法。用一个很尖的触针垂直 于表面横移，触针将随着表面轮廓几何形状作垂直起伏 运动，把这个微小位移的信号转换成电量加以放大，再 进行运算处理即可获得某个表面光洁度参数数值，或者 用记录器描绘出放大了的表面轮廓图形（早期曾经采用 机械或机械一光学的方法放大触针的垂直位移量，现基 本上已被淘汰）。
±0.5%
差动变压器式
0°~±120 °
(0.2~2.0) %
±0.25%
分辨力高，耐用，可测位移频 率只是激励频率的 1/10，后续 电路复杂
性能稳定可靠，利用应变片和 弹性体结合测量角位移
应变计式
±180°
1%
自整角机
360°
±0.1°~ ±7 °
2′~5′
±0.5% 小角度时 0.1%
旋转变压器
i 1 n
微观不平度十点高度：
Rz ( ymax pi ymin vi ) / 5
i 1 i 1
5
5
轮廓最大高度：
Ry y p max yv max
6.2常用的位移传感器
在很多情况下，位移可以通过位移 传感器直接测得。
用于线位移测量的传感器的种类很多， 较常见的线位移传感器的主要特点及使用性能 列于表中。
（2）回波法 从测量起始点到被测面是一种介质，被测 面以后是另一种介质，利用介质分界面对波的 反射原理测位移。 例如激光测距仪、超声波液位计都是利用 分界面对激光、超声波的反射测量位移的。相关 测距则是利用相关函数的时延性质，将向某被测 物发射信号与经被测物反射的返回信号作相关处 理，求得时延τ ，从而推算出发射点与被测物之 间的距离。
（3）线位移和角位移相互转换 被测量是线位移时，若测量角位移更方 便，则可用间接测量方法，通过测角位移再 换算成线位移。 同样，被测量是角位移时，也可先测线位 移再进行转换。 例如汽车的里程表，是通过测量车轮转 数再乘以周长而得到汽车的里程的。
（4）位移传感器法
通过位移传感器，将被测位移量的变化 转换成电量（电压、电流、阻抗等）、流量、 光通量、磁通量等的变化。位移传感器法是目 前应用最广泛的一种方法。
电 感 式
0.2~100mn
±(0.1~3)%
±0.5%
涡流 式
±0.25~±2 50mm
±(1~3)%
<3%
结构简单，耐油污、 水，被测对象材料， 灵敏度不同，线性范 围须重校
电 容 式
变面 积
(10-3 ~10)mm
±0.005%
±1%
线性范围大，精确度 高，受介质常数影响 大（温度，湿度） 分辨力高，非线性较 大
2、非接触式轮廓仪
国家标准中规定的评定 基准为轮廓中线，
有
1、最小二乘中线
y
i 1
n
2 i
min
2、算术平均中线。中 线上下部分所包含的轮 廓面积相等(常用)
' F F i i i 1 i 1
n
n
表面粗糙度的高度评定 参数：
轮廓算术平均偏差:
表面粗糙度的评定方法
1 l Ra y dx l 0 或 ( yi ) / n
±0.5″
分辨力高，可数显
圆光栅
0°~360 °
0°~360 ° 接 触 式 光 电 式 0°~360 °
位移测量方法
位移测量包括线位移测量和角位移测量。位 移测量的方法多种多样，常用的有下述几种。 （1）积分法 （2）回波法 （3）线位移和角位移相互转换 （4）位移传感器法
（1）积分法 测量运动体的速度或加速度，经 过积分或二次积分求得运动体的位移。 例如在惯性导航中，就是通过测 量载体的加速度，经过二次积分而求得 载体的位移。
装有测针T的杠杆M固定在绕有线圈的磁铁中心枢轴上，触针垂 直位移改变磁铁两端的空气隙，转换为电感线圈的电感量变化， 从而对载波信号进行调制，产生交变电流，然后再通过解调器获 得截面轮廓信号，送入下级放大和运算电路。这类电感传感器的 特点是输出信号只和触针位移有关，亦称位移灵敏传感器，它可 以把轮廓图形逐点描绘出来，所以一般带有记录器。
变间 隙
(10-8 ~100)mm
0.1%
±1%
霍尔元件
±1.5mm
0.5%
结构简单，动态特性好， 对温度敏感
感应同步器
10-3 ~10000mm
2.5μm/250m m
模、数混合测量系统， 数显
长光栅
10-3 ~1000mm
3μm/1m
同 上 ， 分 辨 力 高 (0.1~1μm)
长磁栅
10-3 ~10000mm