第七章 位移测量

● 导电玻璃釉电位器
又称金属陶瓷电位器
● 光电式电位器
是另一种非线绕式电位器。
二、电位器式位移传感器的负载特性及非线性误差
Y
KL=∞
当 KL→∞，输出与输入之间为线 性。KL越小非线性越严重。 如何减小负载RL所造成的误差？
r
★如果是计算机辅助测量系统，可以在标定过程中采用软件校 正的方法补偿负载等造成的非线性误差。 ★否则，采用一些硬件措施： （1）尽可能增大电位器的负载系数KL，如将传感器输出经高输 入阻抗放大器隔离后，再接测显电路。
四、感应同步器的细分原理
由于工艺和结构上的原因，绕组中的节距λ 较大，无法测量微 小位移。 输出感应电势周期信号 节距λ
细分电角度 Ec Ecx 0 x1 x2 λ 若滑尺上只有一相绕组，感应 电势 Ecx 对应两个位移 x1 和 x2 ， 因此位移x和感应电势幅值无法 建立一一对应的关系。 Es ,Ec Esx Ecx 0 x 1 -Esx
第五节 电容式位移传感器
一、极距变化型电容传感器
原理：
二、面积变化型电容传感器
三、电容式传感器信号处理电路
1.克服寄生电容的影响

原因 方法
驱动电缆技术
屏蔽措施
图7-24
驱动电缆原理
2.转换电路
（1）运算放大电路
图7-25
运算放大器电路
（2）电桥电路
Z1=1/jω C1
U SC
Z2=1/jω C2
第十节 轴角编码器
解决错码的方法：
方法1：从编码技术入手。
方法2：扫描技术入手。
采用双电刷扫描技术。两组电刷，一组超前放
置，一组滞后放置，还需要两组识别控制逻辑。
第十一节 其他位移传感器
一、霍尔式微量位移传感器
原理：
恒定激励电流
磁场强度B=f(x)
霍尔元件 霍尔元件位移x
B=f(x)
由VH计算x
螺管式 灵敏度低，但可测量几 毫米到1m的位移。
★ 差动变压器的输出特性分析 正弦交流电压Ui加到初级线圈 两次级产生感应电势e1、e2
衔铁位于 中间位置
衔铁 上移 衔铁下移
次级线圈 衔铁
e1=e2
e1>e2 e2>e1 输出U0=e1-e2 输出U0=e1-e2 相位互差1800
初级线圈
初级绕组的电流： Ui Ii R1 j L1 次级绕组的感应电动势为：
一、反射式电涡流式位移传感器
有关
电涡流位移传感器
保持其他参数恒定，只反映阻抗Z↔x
★ 电涡流位移传感器组成
载流线圈
被测导体
部分购买，部分要自己设 计（考虑被测导体的物理 性能、几何形状和尺寸。
★ 电涡流位移传感器的型式：变间隙型、变面积型、螺管型
变间隙型 间隙变化 → 电涡流效应变 化→线圈电感和阻抗变化 变面积型 被测导体与线圈之间相对面积变 化 → 电涡流效应变化 → 线圈电感和 阻抗变化。
磁头
静态磁头
三、检测电路
适合位移测量的静态磁头是成对使用的，两组磁头相距 (n+1/4)λ 。检测电路主要有鉴幅式和鉴相式。
第八节
感应同步器系统
一、感应同步器的结构
★ 感应同步器是利用电磁感应原理把位移量转换成电量的传 感器。有直线型(测直线位移)和圆盘型(测角位移)两大类。
直线型

定尺
圆盘型
三、差动变压器式位移传感器的应用
1、基本原理
利用线圈的互感作用将械位移转换为感应电动势 的变化。 实质 型式：变气隙式、变面积式、螺管式。 差动变压器的输出特性分析
变气隙式 灵敏度高，量程小，适于测量几 微米到几百微米的位移。
变面积式 适于测量角位移，分辨率可达 零点几角秒，线性范围达±100
光栅（标尺光栅、指示光栅）、 光源、光电元件、测量电路
2.分类
二、莫尔条纹
B
d
2sin( ) 2

d kd
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
x Nd
三、辨向电路与信号细分
直接细分(位置细分)
四、光栅应用
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
差动整流电路
用在连接低阻抗负载的场合，为电流输出型
差动整流电路
用在连接高阻抗负载的场合，为电压输出型
3、主要技术指标
灵敏度 线性度 零点电压 激励频率也叫载波频率
4、零点补偿
5、微小位移测量（几微米～数十微米）
图7-15
微小位移测量电路原理图
第四节 电涡流式位移传感器
适用场合
原理
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
R1 R2 R3 R4
R1+Δ R1 R2-Δ R2
RL U0
R1 1 U0 Ui 2 R1
螺管型：由短路套筒和螺管线圈组成。短路套筒可沿螺管线 圈轴向移动，引起螺管线圈电感的变化，从而测量位移。
以上三种型式的电涡流式位移传感器，与其他传感器相比，有 如下优点：
P126
二、透射式电涡流式位移传感器
L1上加交流 激励电压U1
L2上产生感 应电动势U2
无金属板时， U2 最大，有金属板时，电涡流抵消了部分 L1 磁场 ，致使U2减小，板厚δ 越大，U2越小
第三节 原理
电感式位移传感器
优点 缺点
一、基本结构型式 基本结构型式变气隙式、变面积式、螺管式
不足
适用场合
线 圈
铁芯 铁 芯 衔 铁 线圈
衔铁
二、差动电感式传感器
构成
电感线圈的联接方式
型式
工作原理 优点 差动电感式传感器电路的其他联接方法
图7-9
差动电感式传感器电桥电路
e es ec K (Uc sin Us cos )cost
利用函数变压器使激励电压的幅值满足:
位移变化
相角θ ＝2π x/λ 变化
感应电势的振幅Em变化
数字鉴幅电路
测量出幅值变化就可以完成位移测量
2、鉴相型感应同步器检测方式
初始时使φ＝θ 滑尺由初始位置移动△x时，感应电动势相位变化△θ，△β ＝θ －φ≠0 当△β 达到一定值，即感应电动势达到一定值，门槛电路发出指令脉冲， 转换计数器开始计数并控制函数电压发生器，调节激励电压幅值的相位 φ，使其跟踪θ 。 当θ ＝φ时，感应电势幅值降到门槛电压以下，撤销指令脉冲，停止计数 由计数值，通过当量换算可得到测量位移值
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。
x
x2 λ
x
若滑尺上有两个绕组，且二者在空间 位置上错开900。在相同的Ecx下，可由 余弦曲线区分位移 x1 和 x2 。由此可建 立位移x和感应电势幅值之间一一对应 的关系，实现细分。
第九节 光纤位移测量系统
一、反射式光纤位移传感器的工作原理
二、光电转换及放大电路
电信号
光
光敏二极管
放大电路
结论： U0 与 Δ R1/R1 成线性关系，差 动电桥无非线性误差；电压灵敏度 为 Ui/2 ，比使用单只应变片提高了 一倍。
R3Baidu Nhomakorabea
Ui
R4
半桥差动电路
（3）并联电阻RM
（4）限制电位器的工作范围
（5）选用非线性电位器式位移传感器
第二节
电阻应变式位移传感器
应变片式位移传感器原理：
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。
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
常用的机械位移传感器：
第一节
位移
电位器式位移测量传感器
电阻值或电压
电位器式位移传感器
一、典型的电位器式位移传感器
1、线绕电位器式位移传感器
2、非线绕式电位器位移传感器
滑尺

定子 转子
定尺
滑尺
定子
转子
二、感应同步器的工作原理
原理： 位移 两个平面绕组 间的互感变化 电量
三、感应同步器的激励和检测方式
两种激 励方式
滑尺/定子激励，由定尺/转子绕组取出感应电势(多用) 定尺/转子激励，由滑尺/定子绕组取出感应电势
信号检 鉴幅型 测方式 鉴相型
1、鉴幅型感应同步器检测方式
A A C1 ,C 1 X X U X U sc 2
UZ 2 Z Z1 U U ( 2 ) Z 2 Z1 2 2 Z 2 Z1 C C2 U ( 1 ) 2 C1 C2
第六节 光栅位移测量系统
一、光栅的结构和分类
1.结构
3.光栅系统的组成
e1 jM1I1
e2 jM 2 I1
差动变压器等效电路
由于两个次级绕组反向串接，输出总电动势为：
U 0 j (M 1 M 2 )
其有效值为：
U0
Ui R1 j L1
(M1 M 2 )U i R12 ( L1)2
差动变压器输出特性曲线
2、位移方向判别