第七章 机械位移测量[1]
第七章 位移测量
霍尔电压VH
霍尔式大位移传感器
1 小磁钢
2 非磁性材料安装板 3 霍尔元件 4 非磁性材料过渡安装块 5 连杆 6 被测物体
二、振弦式位移传感器
三、磁阻式位移传感器
四、超声波测距系统
声波的分类：次生波、可闻声波、超声波
超声波测距原理：超声波发射器向某一方向发射超声波，在发 射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍 物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。 超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2
光栅的外形及结构 尺身 尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长磁栅
反射式扫描头
（与移动部件固定）
扫描头安装孔
可移动电缆
光栅的外形及结构（续） 可移动电缆 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺
为光栅设计的专用数 据转接器（光栅计数 卡）
为光栅设计的专用信号 处理单元（光栅插补器）
内部包含以下电路：放大、 整形、细分、辨向、报警、 阻抗变换等。
功能同前
安装有直线光栅的数控机床加工实况
角编码器安 装在夹具的 端部
切削刀具 被加工工件
光栅扫描头
防护罩内为直线光栅
第七节 磁栅式位移测量系统 一、磁栅
★ 优点：结构简单、使用方便、测量范围大（1～20m）、磁 信号可重新录制；缺点：需要屏蔽和防尘。
二、磁栅式位移传感器的结构及工作原理
动态磁头
（2）用半桥差动测量电路 当测量微小位移时，一般取R5≈100R
R3 R1 R1 U0 Ui R R R R R R 1 2 2 3 4 1
若
R1 R2
机械工程测试 位移测量
电阻应变式位移传感器的性能及特点
型式
非粘贴的
粘贴的
半导体的
测量范%应变
±2%～3%
±0.25%应变
±2%～3%
直线性
±1%
±1%
满刻度±20%
特点
不牢固
牢固，使用方便，输出幅值大，温 需温度补偿和高 度灵敏性高 绝缘电阻
差动变压器式位移传感器 工作过程:
精确度 直线性
±0.1% ±0.1%
±0.1% ±0.1%
±0.5% ±0.5%
±0.5% ±0.5%
特点
分辨力较好，可静态或动 态测量。机械结构不牢固
结构牢固，寿命长，但分 辨力差，电噪声大
二、应变片式位移传感器
利用弹性元仵把位移量转换成应变量 应变式位移传感器工作过程:
被测位移量ΔX 弹簧作用 贴 外接电路 测杆运动 弹性元件(悬臂梁)产生应变 应变片 电量输出 电阻ΔR
测量时必须利用基准面来“体现”回转轴线。通常是选 用具有高圆度的圆球或圆环来作为基准面。直接采用回 转轴上的某一回转表面来作为基准面虽然可行，但由于 该表面的形状误差不易满足测量要求，测量精确度较差。
用双向测量法测量轴的径向运动误差
测量仪
位移传感器
测量仪
位移传感器
设Oo为理想回转中心，Om为基准球的几何中心，Or为瞬 时回转中心，e为基准球的安装偏心，θ 为转角，并令e与x轴 平行时θ =0，r(θ )为径向运动误差。若基准球半径Rm远远 大于偏心e和径向运动误差r(θ )，则两传感器检测到的位移信 号dx和dy分别为：
二、物位的测量 物位是液位、料位、以及界面位置的总称。具体的液位如 罐、塔、槽等容器中液体或河道、水库中水的表面位置高 度；料位如仓库、料斗、仓储箱内堆积物体的高度；界面 位置一般指固体与液体或两种不相溶、密度不同的液体之 间存在的界面。
位移测量的工作原理
位移测量的工作原理随着科技的不断发展，现代工程中需要进行精密测量的场合越来越多，其中之一就是位移测量。
位移测量是指测量物体的位置变化或距离变化的一种测量方法，是一种重要的工程测量方法。
本文将介绍位移测量的工作原理。
一、位移测量的定义位移测量是指测量物体在空间中的位置变化或距离变化的一种测量方法。
位移测量在工程领域中应用广泛，例如测量建筑物的变形、机器零件的运动、地震造成的地表位移等等。
二、位移测量的分类根据测量原理的不同，位移测量可以分为以下几种：1.机械式位移测量机械式位移测量是指利用机械原理测量物体的位移或距离变化的一种测量方法。
例如，利用螺旋测微器可以测量物体的微小位移，利用千分尺可以测量物体的距离变化。
2.光学式位移测量光学式位移测量是指利用光学原理测量物体的位移或距离变化的一种测量方法。
例如，利用激光干涉仪可以测量物体的微小位移，利用测距仪可以测量物体的距离变化。
3.电子式位移测量电子式位移测量是指利用电子原理测量物体的位移或距离变化的一种测量方法。
例如，利用电容传感器可以测量物体的微小位移，利用激光三角测距仪可以测量物体的距离变化。
三、位移测量的工作原理位移测量的工作原理可以根据测量方法的不同，分为以下几种： 1.机械式位移测量的工作原理机械式位移测量利用机械原理进行测量，其工作原理如下：（1）利用螺旋测微器进行位移测量的工作原理螺旋测微器是一种通过螺旋副传递位移的机械装置，其工作原理如下：将螺旋测微器的测头置于待测物体上，然后旋转测头，使螺旋副的螺距使测头上下移动，进而测量物体的微小位移。
（2）利用千分尺进行距离测量的工作原理千分尺是一种通过齿轮传递位移的机械装置，其工作原理如下：将千分尺的测头置于待测物体的两个端点上，然后通过千分尺上的齿轮组，使测头的位置发生变化，从而测量物体的距离变化。
2.光学式位移测量的工作原理光学式位移测量利用光学原理进行测量，其工作原理如下：（1）利用激光干涉仪进行位移测量的工作原理激光干涉仪是一种通过激光干涉测量位移的光学装置，其工作原理如下：将激光干涉仪的激光束照射到待测物体上，然后通过激光干涉的原理，测量物体的微小位移。
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。
机械工程测试技术 课本习题及参考答案 王安敏 刘培基版
第二章 信号描述及其分析【2-1】 描述周期信号的频率结构可采用什么数学工具 如何进行描述 周期信号是否可以进行傅里叶变换 为什么参考答案：一般采用傅里叶级数展开式。
根据具体情况可选择采用傅里叶级数三角函数展开式和傅里叶级数复指数函数展开式两种形式。
不考虑周期信号的奇偶性,周期信号通过傅里叶级数三角函数展开可表示为:001()sin()(1,2,3,)n n n x t a A n n ωϕ∞==++=∑L2021()T T a x t dt T-=⎰n A =(202()cos T n T a x t n tdt T ω-=⎰ 2022()sin T n T b x t n tdt Tω-=⎰ )tan n n n b a ϕ=式中，T 为信号周期, 0ω为信号角频率, 02ωπ=。
n A ω-图为信号的幅频图, n ϕω-图为信号的相频图。
周期信号通过傅里叶级数复指数函数展开式可表示为:0()(0,1,2,)jn t nn x t C e n ω∞=-∞==±±∑L0221()T jn t n T C x t e dt Tω--=⎰n C 是一个复数,可表示为:n j n nR nI n C C jC C e ϕ=+=n C = arctan n nI nR C ϕ=n C ω-图为信号的幅频图, n ϕω-图称为信号的相频图。
▲ 不可直接进行傅里叶变换,因为周期信号不具备绝对可积条件。
但可间接进行傅里叶变换。
参见书中第25页“正弦和余弦信号的频谱”。
【2-2】 求指数函数()(0,0)at x t Ae a t -=>≥的频谱。
参考答案：由非周期信号的傅里叶变换，()()j t X x t e dt ωω∞--∞=⎰，得22()()j tA a j X x t edt A a j a ωωωωω∞--===++⎰由此得到，幅频谱为：()X ω=相频谱为：()arctan()a ϕωω=-【2-3】 求周期三角波（图2-5a ）的傅里叶级数（复指数函数形式）参考答案：周期三角波为： (2)20()(2)02A A tT t x t A A tt T +-≤<⎧=⎨-≤≤⎩则0221()T jn t n T C x t e dt T ω--=⎰积分得 02222204(1cos )(1cos )2n A T AC n n n T n ωπωπ=-=- 即 22()1,3,5,00,2,4,n A n n C n π⎧=±±±=⎨=±±⎩LL又因为周期三角波为偶函数，则0nb =，所以arctan 0n nI nR C C ϕ==所以，周期三角波傅里叶级数复指数形式展开式为：00(21)222()(0,1,2)(21)jn t j k tn n n A x t C e e k k ωωπ∞∞+=-∞=-∞===±±+∑∑L【2-4】 求图2-15所示有限长余弦信号()x t 的频谱。
测试技术 第七章 长度角度及位移测量
1、基本概念 • 形位误差：
– 形状误差：直线度、平面度、圆度、圆柱度、 线轮廓度、圆轮廓度 – 位置误差：平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、 对称度、位置度、圆跳动、全跳动
• 形位误差测量原则
– 与理想要素比较法：与理想要素比较，测量偏差值 理想要素：刀口尺等，见表8-2
– 测量坐标值法：用测量器具的精密坐标系测量被测 要素采样点的坐标值，计算后得到形位误差。 如：轮廓度、位置度的测量 – 测量特征参数法：测量被测要素的代表性参数，由 此确定形位误差值。 – 测量跳动法：实际被测要素绕基准要素回转，沿给 定方向对某点或线测出变动量。见图8-15
– 控制边界法：给出一个理想边界，要求被测实体不 得超出该理想边界。例如测同轴度，见图8-16
2、直线度误差的测量 • 测量方法：
– 与刀口尺、量块工作面、钢丝等实物基准比较 (木工用绳，切割石材用激光） – 用坐标测量机等绝对测量仪器直接测量采样点坐标 – 用水平仪、自准直仪间接测量
（1）用水平仪测量直线度误差
1. 角度单位 国际单位制的辅助单位：弧度（rad） 国家………：度（°）、分（’）、秒（”） 2. 角度的自然基准和圆周封闭原则 角度的自然基准是360 °圆周角。 圆周封闭原则：利用整圆周上所有角间隔的误差之和等于零的自 然封闭特性，进行测量方案的选定和数据处理，提高测量精度。
3. 实物基准
① 高精度度盘 ② 圆光栅 ③ 感应同步器
A 2 2
• 图8-1b）中，测量误差 1 s tan • 假设 s = 50 mm、φ=5”=0.000024 rad, • 则：Δ1=1.2 μm
常见的位移传感器
§2 长度尺寸的测量
一、内外尺寸的测量
1、直接测量法 ——将被测量直接与标准量进行比较。有固定零位。 A、绝对测量法： 测量装置的读数值就是被测量的长度值。 常用的工具有： 游标卡尺、千分尺、光学测量仪、激光干涉测长仪、双频激 光干涉仪、测长机、工具显微镜等。
7-位移的测量概述
2 零点电压 当铁心位于线圈中间时传感器的理想 输出应为零，而实际差动变压器输出存在
残余电压E0，称为零点电压 （零点残余电 压）。零点电压产生原因是差动变压器自
身结构不对称，激磁电流与铁心磁通的相 位差不为零和寄生电容等因数造成的。为 消除零点电压，通常在测量电路中采取补 偿措施。
当两个次级线圈完全一致，铁芯位于中 间时，输出电压为0。
主、次绕组间的耦合会随衔铁的移动而 变化。当铁芯向上运动时，互感M1大，M2 小，E21> E22 ；当铁心向下运动时，互感 M1小，M2大，E21< E22 。随着铁心上下移
动，输出电压E2发生变化，其大小与铁心的 轴向位移成比例，其相位反映铁心的运动方 向。这样输出电压E2就可以反映位移变化。
2024/7/15
2024/7/15
2. 电压分辨率 线绕电位器的电压分辨率，是在电刷 行程内电位计输出电压阶梯的最大值与最 大输出电压之比的百分数。对于具有理想 阶梯特性的线绕电位计，其理论的电压分 辨率为
由上式可以看出，线绕电位器的匝数 越多，其分辨率越高。
2024/7/15
3. 测量误差 阶梯特性曲线围绕理论特性直线上下波 动，产生的偏差称为阶梯误差。电位器的阶 梯误差ej通常用理想阶梯特性曲线对理论特 性曲线的最大偏差值与最大输出电压值之比 的百分数表示。电位器阶梯误差为
在现代汽车控制中，采用电子油门控制踏 板位移量就能控制可燃混合气的流量，改变发 动机的转速和功率，以适应汽车行驶的需要。
2024/7/15
2024/7/15
电子油门的核心是位移传感器。位移 传感器的输出控制一只微型电机，电机可 驱动节气门开度，即可控制油门的大小。
电位计式位移传感器为电子油门控制 器中的常用传感器。那么电位计式位移传 感器的工作原理是什么？其结构、特点、 适用场所如何？这就是我们本课题的任务 目标。
位移测量实验技术使用方法分享
位移测量实验技术使用方法分享位移测量是工程领域中非常重要的实验技术之一。
在工业制造、土木结构、机械设计以及自动化控制等领域都有广泛应用。
本文将分享位移测量实验技术的使用方法，帮助读者更好地了解和应用这一技术。
一、引言位移测量是指通过使用传感器等装置来准确测量物体或物体上某点的位置变化的过程。
实验中常用的位移测量装置包括光学传感器、压电传感器、拉线式传感器等。
不同的装置有不同的适用范围和精度要求，因此在实验中需要根据具体需求选择合适的技术。
二、光学传感器光学传感器是位移测量中常用的一种技术。
它利用光电效应，通过检测光信号的变化来测量位移。
光学传感器具有灵敏度高、响应速度快、非接触等优点，因此在许多工程领域得到广泛应用。
在使用光学传感器进行位移测量时，需要注意以下几点。
首先，要保持传感器与被测物体之间的光路通畅，避免受到外界光源的干扰。
其次，要选择合适的测量距离和工作环境，确保传感器能够准确测量位移。
最后，要根据实际情况选择合适的光学传感器类型，如激光位移传感器、线性编码器等。
三、压电传感器压电传感器是一种利用压电效应进行位移测量的技术。
它通过压电材料的变形来实现位移的测量。
压电传感器具有高精度、稳定性好等优点，被广泛应用于精密机械领域。
在使用压电传感器进行位移测量时，需注意以下几点。
首先，要保持传感器与被测物体之间的刚性连接，避免引入误差。
其次，要防止传感器受到外界力的干扰，以免影响测量精度。
最后，要根据需要选择合适的压电材料和传感器型号，确保测量结果的准确性。
四、拉线式传感器拉线式传感器是一种通过测量拉线长度来实现位移测量的技术。
它利用拉线的伸缩变化来反映被测物体的位移变化。
拉线式传感器具有简单、易懂等优点，广泛应用于物体位移的测量。
在使用拉线式传感器进行位移测量时，需要注意以下几点。
首先，要保证拉线的张紧度合适，避免产生过大的误差。
其次，要在测量过程中保持拉线的稳定性，避免拉线破裂或脱离装置。
第七章 机械位移测量
大连大学机械工程学院
光栅的外形及结构
尺身 尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长磁栅
反射式扫描头
（与移动部件固定）
扫描头安装孔 可移动电缆
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光栅的外形及结构（续）
可移动电缆 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺
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反射式光栅
大连大学机械工程学院
透射式光栅
透射式圆光栅
直线性
特
点
长磁尺 圆磁尺 接触式 光电式
测量时工作速 度可达 12m/min
分辨力好，可 靠性高
大连大学机械工程学院
第一节 位移测量的方式
一、直接测量和间接测量
位移传感器有直线式和旋转式两大类。若位移 传感器所测量的对象就是被测量本身，即用直线式 传感器测直线位移，用旋转式传感器测角位移，则 该测量方式为直接测量。例如直接用于直线位移测 量的直线光栅和长磁栅等；直接用于角度测量的角 编码器、圆光栅、圆磁栅等。
结构及工作原理
容栅传感器可分为三类：直线型容 栅、圆容栅和圆筒形容栅。其中，直
线型和圆筒形容栅传感器用于直线位
移的测量，圆形容栅传感器用于角位 移的测量。
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各种容栅测量装置
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各种容栅数显表
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各种容栅数显卡尺
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各种容栅数显卡尺（续）
常以二进制数据形式来表示。绝对式测量即使断电之后再重新 上电，也能读出当前位移的数据。典型的绝对式位移传感器有 绝对式角编码器。
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第二节
光栅传感器
一、光栅的类型和结构
计量光栅可分为透射式光栅和反射 式光栅两大类，均由光源、光栅副、光 敏元件三大部分组成。计量光栅按形状 又可分为长光栅和圆光栅。
岩土工程测试技术(第七章)
地下工程监测的目的
（1）监视地层、支护与结构的应力和变形情况, 验证支 护系统的设计稳定性
（2）保障监控变形在允许范围之内, 保障地层稳定和施 工安全
（3）通过量测数据的分析处理, 掌握各种数据的变化规 律, 提供地层和支护系统衬砌最终稳定的信息
（4）积累量测数据, 为今后的设计与施工提供工程类比 的依据
3.3 拱顶下沉量测
拱顶下沉量值: 隧道拱顶内壁的绝对下沉量。 拱顶下沉速度: 单位时间内拱顶下沉值
3.3.1 量测方法 对于浅埋隧道, 用挠度计或其他仪表测定拱顶相对于地
面不动点的位移值 对于深埋隧道, 用拱顶变位计
3.3.2 量测仪器 隧道拱顶变位观测计
3.4 地表下沉量测
为了判定地下工程对地面建筑物的影响程度和范围, 并掌握地表沉降规律, 为分析洞室开挖对围岩力学形 态的扰动程度提供信息
地下工程类型
水利: 引水和泄洪隧洞、地下厂房、调压室 （井）、引水长隧洞、地下泵站等
采矿: 竖井、斜井、斜坡道、平巷、采场 交通: 铁路隧洞、地下车站、公路隧洞等 军备: 防空洞、地下军备库、发射井等 民用: 地下商场、地铁、仓库等
监控量测实施流程
现场调查, 收集基本资料
编制监测方案 监测与工程施工关系协调
岩体原岩应力、围岩应力、应变、支护结构的应力、应变 及围岩与支护间的接触应力
（4）压力测试 支撑上的围岩压力和渗水压力
（5）位移测试 围岩位移、支护结构位移及围岩与支护倾斜度
（6）温度测试 岩体温度、洞内温度及气温
（7）物理探测 弹性波（声波）测试和视电阻率测试
围岩松动范围监测孔布置图 (根据北京十三陵蓄能电站厂房观测)
隧洞埋深（m）
围岩
Ⅲ
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
第7章机械量的测量
3.
光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅光路系统、光栅数显表两大部分。 光路系统利用光栅原理把输入量（位移量）转换成响应的电信号；光栅数显表是实现 细分、辨向和显示功能的电子系统。
(三）测量电路
根据传感器线圈与被测导体间的距离 x 的变化可以转换为品质因数Q、 阻抗Z、线圈电感L三个参数的变化。
1 电桥电路
R1
C1 A
~ 振荡器
R2
C2 B
△
检测器
电桥法测量电路原理图
电桥法是将传感器线圈的阻抗变化转化为电 压或电流的变化。图中线圈A和B为传感器线圈。 传感器线圈的阻抗作为电桥的桥臂，起始状态， 使电桥平衡。在进行测量时，由于传感器线圈的 阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡 造成的输出信号进行放大并检波，就可得到与被 测量成正比的输出。电桥法主要用于两个电涡流 线圈组成的差动式传感器。
流ie，此电流在导体内闭合，称为涡流。涡流大小与导体电阻率ρ、 磁导率μ 以及产生交变磁场的线圈与被测体之间距离x，线圈激
励电流的频率f有关。显然磁场变化频率愈高，涡流的集肤效应愈
显著。即涡流穿透深度愈小，其穿透深度h可表示
ρ—导体电阻率(Ω·cm)；
μr—导体相对磁导率； f—交变磁场频率(Hz)。
① 测出图中峰值（利用峰值检波器） ② 直接输出频率。 优点：电路简单，线性范围宽。
调频式测量电路的原理是被测量变化引起传 感器线圈电感的变化，而电感的变化导致振荡频 率发生变化，频率变化间接反映了被测量的变化。 见下图电涡流式传感器外形图。
ST-1电涡流式传感器外形图
机械量测量之位移测量与转速测量
主要内容
1 位移测量（电涡流） 2 转速测量（霍尔方式）
2. 1 概述
• 磁电式 • 转子陀螺 • 交流测速发电机、直流测速发电机 • 离心式转速表、频闪式转速表 • 光电式：反射式转速表、直射式转速表 • 激光式：测频法转速仪、测周法转速仪 • 霍尔元件—成熟的方式、现成的产品
2.2 光电式传感器
• 线圈外径大、线性范围 就大，但灵敏度低；反 之，线圈外径小，灵敏 度高，但线性范围就小 。
• 为了小型化，也可在线 圈内加磁心，提高线圈 的品质因数值
高频反射式电涡流传感器结构
1-线圈 2-框架 3-框架衬套 4-支座5电缆 6-插头
高频反射式
• 电涡流传感器是利用线圈与被测导体之间的电磁耦合 进行工作的，因而被测导体材料的物理性质、尺寸与 形状都关系到传感器的特性。
• 变阻式：滑线、变阻器 • 电阻应变式： • 电感式：差动变压器、螺管式、电涡流式 • 电容式：变面积、变间隙 • 霍尔元件 • 感应同步器 • 长光栅
• 长磁栅
1.1概述
常用角位移传感器 • 滑线变阻式，变阻器，应变计式 • 差动变压器式 • 自整角机，旋转变压器，微动同步器 • 电容式，圆感应同步器 • 圆光栅，圆磁栅 • 角度编码器：接触式、光电式
• 在选用霍尔元件的材料时，为提高霍尔灵敏度， 1）要求材料的RH尽可能地大， 2）厚度d小。
– 厚度d越小，KH越大，VH也越大．通常霍尔元件的厚度都比较小 ，但d太小，会使元件的输入输出电阻增大．
2.3.2 霍尔元件的材料和基本参数
• 霍尔元件常采用的半导体材料有N型锗(Ge)、锑化铟 (InSb)、砷化铟InAs)、砷化镓(GaAs) 、受磷砷化铟 (InAsP)、N型硅• EH = v B • 在A与B 两点间建立的电势差
第七章 力、压力和位移的测量
7 力、压力和位移的测量
模拟测量
电阻式传感器
电感式传感器 电容式传感器
电阻式位移计
电感测微仪 电容测微仪、液位计 电涡流测微仪 光电角度检测器
线位移 角位移
电涡流传感器 光电传感器
感应同步器 数字测量 脉冲输出
旋转变压器 磁尺 光栅 脉冲编码器
7 力、压力和位移的测量
小位移的测量：几微米——几毫米，电容式位移传感器、差动 电感式位移传感器和电阻应变式位移传感器； 中等位移的测量：几毫米——100毫米左右，如差动变压器式 传感器； 较大范围位移的测量：电位器式传感器，光栅、感应同步器。
指标：电源频率50Hz—20kHz,测量小位移(10—20)mm,线性度± 0.1%
应用：电感比较仪，圆度仪
模拟式及数字式电感测微仪
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三段式差动变压器特点 1 应用广， 2 输出功率大； 3 精度高，性能稳定 4 线性度好，±0.1。
电感式不圆度计原理
该圆度计采用旁向式电感测微头 该圆度计采用旁向式电感测微头
(7 - 10)
静态测量时，速度为零，只有余弦项，用于测位移：
如果令铁心向右偏移时x > 0, 则：u2 = 2k m xωim cos ωt 铁心向左偏移则x < 0 u2 = −2k m xωim cos ωt = 2k m xωim cos(ωt + 180 )
7.3.1
电感式位移测量技术
2.双边差动变压器测量技术
7 力、压力和位移的测量
电阻应变式传感器的应用
自感式电感传感器常见的形式
变隙式
变截面式
螺线管式
差动变隙式电感传感器
1-铁芯； 2-线圈； 3-衔铁
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u2a
u1a u1b ua
w
与门 Y1 ： uaw 处于高电平时， u2a 是低电平，脉 冲被阻，输出为零。 与门Y2：ubw处于高电平时，u2a是高电平，允许 脉冲通过，并触发加减控制器使之置“1”，可 逆计数器对与门Y2输出的脉冲进行加法计数。 同理，当指示光栅反方向移动时，输出波形 u2 超前 u1900 ，与门 Y2 阻塞， Y1 输出脉冲信号使触 发器置“0”，可逆计数器对与门Y1输出的脉冲 进行减法计数。
该光路适用于黑白反射光栅。
第七章 机械位移测量
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光栅的外形及结构
尺身 尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长光栅
反射式扫描头
（与移动部件固定）
扫描头安装孔
可移动电缆
第七章 机械位移测量
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光栅的外形及结构
可移动电缆 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺
第七章 机械位移测量 二、 莫尔条纹
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d
B
指示光栅——比较短，由高质量的光学玻璃制成。 主光栅（标尺光栅）——长度决定量程大小，由透明材料（对于透射式光栅 ）或高反射率的金属或镀有金属层的玻璃（对于反射式光栅）制成。 刻线密度——由测量精度来确定，闪耀式光栅为100～2800条/mm，黑白光 栅为25、50、100、250条/mm。
ub
w
y1 y2 H
第七章 机械位移测量 2、信号细分
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★上述测量电路的分辨率为一个栅距，即指示光栅 每移动一个栅距，辨向电路只输出一个脉冲，计数器 所计的脉冲数N与位移x的关系：x=N*d。
★ 为什么细分 ? 提高分辨力。尽管光栅尺 的刻线密度可以很高，但在高精度测量中需要测 量比栅距d更小的位移。
第七章 机械位移测量 光电元件输出电信号与位移的关系:
U0 Um
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光电池阵列
Uav
直流分量
U 0U av U m sin( 2 x) 2 d
信号变化的幅值
指示光栅的位移
第七章 机械位移测量 三、辨向电路与信号细分
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1、辨向电路 ★ 单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只 能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向， 因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确 测量位移。
★优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单， 可用于静态和动态测量系统。 缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。 （2） 间接细分 ★ A/D转换细分法 ★ 电阻链移相细分法
第七章 机械位移测量
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四、光栅应用
第七章 机械位移测量
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第七章 机械位移测量
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第七章 机械位移测量 透射式光栅
光源 准直透镜 主光栅 指示光栅 光电元件
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特点：结构简单，位 置紧凑，调整使用方 便，应用广泛。此光 路适合于粗栅距的黑 白透射光栅。
第七章 机械位移测量 反射式光栅
光源 聚光镜 反射镜 光电电池
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场镜 指示光栅 反射主光栅
物镜
为光栅设计的专用 数据转接器（光栅 计数卡）
为光栅设计的专用信 号处理单元（光栅插 补器）
内部包含以下电路：放大、 整形、细分、辨向、报警、 阻抗变换等。
功能同前
第七章 机械位移测量
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Hale Waihona Puke 光栅在机床上的安装位置（2个自由度）
第七章 机械位移测量
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光栅在机床上的安装位置（3个自由度）
第七章 机械位移测量
悬臂梁式位移传感器：
引出线插头 应变片 外壳 弹簧 等宽悬臂梁 调整螺钉
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应变式角位移传感器：
顶杆
第七章 机械位移测量 第三节 电感式位移传感器 第四节 电涡流式位移传感器 第五节 电容式位移传感器
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第七章 机械位移测量 第六节 光栅位移测量系统
第七章 机械位移测量
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B 1
d 2 sin
2
d
Kd
K
K为莫尔条纹的放大系数
第七章 机械位移测量 莫尔条纹的特点
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1) 调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了 放大作用，提高了测量精度。 2) 莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信 号作进一步细分，即采用“倍频技术”。这样可以 提高测量精度或可以采用较粗的光栅。 3) 莫尔条纹对光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线 的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。 因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。
青岛大学机电工程学院 第七章 机械位移测量 第七章 机械位移测量 本章学习要求 了解各种机械位移传感器的原理、 性能指标、测量系统构成 位移是向量 机械位移 包括线位移和角位移 第一节 常见位移传感器
★ 电位器式传感器
适用于较大范围位移的测量，精度不高
★ 电容式位移传感器 差动电感式位移传感器 电阻应变 式位移传感器 一般用于小位移的测量(几微米～几毫米） ★差动变压器式传感器 用于中等位移的测量（几毫米～ 100mm左右），在工业测量应用的最多。 ★光栅 磁栅 感应同步器和激光位移传感器 用于位移的 精密测量，测量精度高（可达±μm），量程可达几米。
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光栅传感器是一种把位移转化为数字量输出的数字式传感 器。主要特点是精度高、动态特性好和测量范围大。
第七章 机械位移测量 一、 光栅的结构和分类
光栅副：指示光栅＋主光栅
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a d
b
a+b=d称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，a=b=d/2
第七章 机械位移测量
数显表
第七章 机械位移测量
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安装有直线光栅的数控机床加工实况
角编码器 安装在夹 具的端部
切削刀具 被加工工件 光栅扫描头 防护罩内为直线光栅
第七章 机械位移测量
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第七章 机械位移测量
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第七章 机械位移测量
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2自由度光栅数显表 X位移显示 Z（Y）位移显示
第七章 机械位移测量
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3自由度光栅数显表
第七章 机械位移测量
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光栅数显表（续）
三座标数显表
SDS8-3E 光栅数显箱功能
★公制/英制转换 ★绝对/相 对转换 ★线性误差补偿 ★ 正反方向计算 ★归零 ★插 值补偿 ★到达目标值停机 ★PCD圆周分孔 ★200组零 位记忆 ★电蚀深度目标值显 示 ★实时工作位置显示 ★ 掉电记忆
青岛大学机电工程学院 第七章 机械位移测量 第二节 电阻应变式位移传感器
特点：线性好、分辨率高、结构简单和使用方便等。 测量范围：0.1μ m～0.1mm 测量精度：＜ 2％ 线性度： 0.1%～0.5% 应变片式位移传感器原理：
测量头 悬臂梁 弹簧 外壳 测量杆 调整螺母
应变片
1）拉伸弹簧和悬臂梁串联作为弹性元件。 2）矩形截面悬臂梁根部正反两面贴4片应变片。 3）拉伸弹簧一端与测量杆连接。测量杆随试件位移→弹簧使 悬臂梁根部弯曲→应变片阻值变化。
★ 如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累 加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反 向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。 ★ 辨向是以两路相位互差900的正弦信号为基础。
第七章 机械位移测量
u1 u2 u1a u2a u1b ub
w
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ua
w
u u2
u1
u1超前u2900
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光栅有多种，有不同的分类方法： 1）按用途和形状可分为测量线位移的直线光栅和测量角位移 的圆盘形光栅 2）按光路系统不同可分为透射式光栅和反射式光栅两类。 3）按物理原理和刻线形状不同，可分为黑白光栅 (或称幅值 光栅)和闪耀光栅(或称相位光栅) 光栅传感器组成：由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅） 和光电接收元件组成。
★ 什么是细分 ? 细分就是在莫尔条纹变化一周期 时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲。例如， 使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的 n 个脉冲，从 而使分辨能力提高到d/n。
第七章 机械位移测量
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（1） 直接细分 ★直接细分又称位置细分，常用的细分数为 4 。四细分 可用4 个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周 期内将产生4个计数脉冲，实现了四细分。