第七章 位移测量
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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。
7位移的测量
分辨率好，可靠性高
一、常用位移传感器
（二）涡流传感器
1. 工作原理
金属板置于线圈附近，相互间距为 。高频交变电流i －磁通－ （趋肤效应）“旋涡状”闭合感应电流 i1 （称为涡电流或涡流） －交变磁通1－反作用于线圈。
根据楞次定律，涡流的交变磁场变化方向不线圈磁场变化方向相
反，1总是抵抗的变化，从而导致原线圈等效阻抗収生变化。
一、常用位移传感器
型式 电感式 自感式 变气隙型
螺管型 特大型
差动变压器
涡电流式
同步机
微动同步器 旋转变压器
测量范围
±0.2 mm
1.5~2 mm 300~2000 mm①
±0.08~ ±75 mm
①
±2.5~ ±250 mm
①
360°
10° 60°
精确度 ±1%
±0.5% ±1%~3%
±0.1°~± 0.7° ±1%
摆，有磁性，使得 摆能跟随轴肩运动
二、位移测量应用实例
2. 回转轴径向运动误差的测量 回转轴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 运动误差是回转轴上任何一点収生不轴线平行的移动（端面 运动误差）和在垂直于轴线的平面内的移动（径向运动误差）
端面运动误差因测量点所在半径位置丌同而异，径向运动误 差则因测量点所在的轴向位置丌同而异。所以在讨论运动误 差时，应指明测量点的位置
二、位移测量应用实例
例1：在轴肩处安装涡流传感器
一般采用涡流传感器在 轴肩处测量
轴肩
测量不超过12.5 mm的相对轴膨胀
二、位移测量应用实例
例2：在轴肩两侧相对地安装涡流传感器 在轴肩两侧相对地 安装涡流传感器
可以测量大约25 mm的相对轴膨胀
位移的测量解析PPT教学课件
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
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4. 测量方法
线绕式电位计是通过电阻百分比来分配 外加电源的电压，因此输出要注意阻抗的匹 配。
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３. 光电电位器 光电电位器是非接触电位器，采用光束
代替电刷。光束在电阻带、光电导层上移动
时，光电导层受到光束激发，使电阻带和集 电带导通，在负载电阻两端便有电压输出。
光电电位器特点是阻值范围宽(500Ω～ 15MΩ)、无磨损、寿命长、分辨率高。缺点 是不能输出大电流，测量电路复杂。
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课题二 差动变压器式位移传感器
[任务导入]
有的机械零件尺寸需要精确测量，并根 据测量误差进行分拣。轴的外径测量就是其 中一种，需要根据形状精度自动检测。
在自动检测系统中， 往往要用到差动变压器式 位移传感器进行测量，测 量精度较高，检测范围一 般是0～100mm。
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线绕电位器具有精度高、性能稳定、线 性好等优点，但分辨率低、耐磨性差、寿命 短。因此，可以使用一些非线绕式电位器。
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三、非线绕式电位器
按照材料的不同，除了线绕式电位器外还 有以下三类常见的电位器：
1、膜式电位器
膜式电位器通常分碳膜电位器和金属膜电
位器。碳膜电位器是在绝缘骨架表面涂一层均
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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
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。
位移测量的方法
位移测量的方法
1. 尺子测量法呀，这就像我们小时候量身高用的尺子一样！比如要量一下这个桌子移动了多远，就可以拿尺子去比一比嘛，简单又直接。
2. 激光测量法呢，可高级了！就像孙悟空的火眼金睛，能超精确地测量位移。
比如测量大桥上某个点移动的距离，激光一照，啥都清楚啦。
3. 物理标志物法也不错哦！就好比跑步比赛中设置的那些标志物，通过观察物体相对于标志物的位置变化来确定位移。
哎呀就像马路上的那些里程碑一样。
4. 影像分析法厉害吧！像看电影一样，一格一格地分析画面，从而得出位移。
比如说看一个球滚动的视频，就能用这个方法知道它滚了多远。
5. GPS 测量法，哇，现在不是到处都用 GPS 嘛，超级方便！就好似有个小侦探在跟着物体，随时报告它的位置变化呢。
比如追踪一辆车的行驶路径和位移，真的很实用呀。
6. 声波测量法也很牛啊！这不就像蝙蝠用声波来定位一样嘛。
像在一些特殊环境下，声波就能很好地测量位移哟。
7. 角度测量法挺有趣呢！就如同我们用指南针找方向一样，通过角度的变化来算出位移。
比如观察一个摆锤摆动的角度变化就可以知道它的位移啦。
8. 惯性测量法简直太妙啦！可以想象成一个人在凭感觉判断自己走了多远。
比如在一些没办法用其他方法的地方，惯性测量法就能大展身手咯。
我觉得这些位移测量的方法都各有各的厉害之处和适用场合，都值得我们好好去了解和运用呀！。
振动的测量(振动、位移)
第7章 振动的测量
§7.1 振动基础
§7.2 振动的激励
§7.3 振动测量传感器
§7.4 位移的测量
机械振动是普遍存在的物理现象 如：旋转机器的质量不平衡、负载不均匀、结构刚度
各向异性、对中不良、润滑不良、支撑松动等 振动
• 机械振动大多数情况下有害：破坏机器正常工作，降低 其性能，缩短其使用寿命，甚至机毁人亡； • 机械振动还伴随着产生同频率的噪声，恶化环境和劳动 条件，危害人们的健康；
第四节 位移的测量
常用的位移传感器
形 式
电阻式 滑线式 线位移 角位移
测量范围
1~300 mm 0°~360°
精确度
±0.1% ±0.1% ±0.5% ±0.5%
直线性
特
点
变阻器 线位移 1~1000 mm 0~60 rad 角位移 应变式 非粘贴式的 粘贴的 半导体的
±0.1% 分辨率较好，可用 ±0.1% 于静态或动态测量。 机械结构不牢固 结构牢固，寿命长， ±0.5% 但分辨率差，电噪声 ±0.5% 大 ±1% 满刻度 ±20%
第一节 振动的基础知识
位移
x A sin(t )
dx v A cos(t ) 超前90° dt dv a 2 A sin(t ) 2 x dt
速度 加速度
超前180°
在位移、速度和加速度三个参量中，测出其中之 一即可利用积分或微分求出另两个参量。
第一节 振动的基础知识
在振动测量时，应合理选择测量参数: 振动位移是研究强度和变形的重要依据；
加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重 要依据；
速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频 率范围内是由速度决定的。速度与能力和功率有关，决定了力 的动量。
§7.1 振动基础
§7.2 振动的激励
§7.3 振动测量传感器
§7.4 位移的测量
机械振动是普遍存在的物理现象 如：旋转机器的质量不平衡、负载不均匀、结构刚度
各向异性、对中不良、润滑不良、支撑松动等 振动
• 机械振动大多数情况下有害：破坏机器正常工作，降低 其性能，缩短其使用寿命，甚至机毁人亡； • 机械振动还伴随着产生同频率的噪声，恶化环境和劳动 条件，危害人们的健康；
第四节 位移的测量
常用的位移传感器
形 式
电阻式 滑线式 线位移 角位移
测量范围
1~300 mm 0°~360°
精确度
±0.1% ±0.1% ±0.5% ±0.5%
直线性
特
点
变阻器 线位移 1~1000 mm 0~60 rad 角位移 应变式 非粘贴式的 粘贴的 半导体的
±0.1% 分辨率较好，可用 ±0.1% 于静态或动态测量。 机械结构不牢固 结构牢固，寿命长， ±0.5% 但分辨率差，电噪声 ±0.5% 大 ±1% 满刻度 ±20%
第一节 振动的基础知识
位移
x A sin(t )
dx v A cos(t ) 超前90° dt dv a 2 A sin(t ) 2 x dt
速度 加速度
超前180°
在位移、速度和加速度三个参量中，测出其中之 一即可利用积分或微分求出另两个参量。
第一节 振动的基础知识
在振动测量时，应合理选择测量参数: 振动位移是研究强度和变形的重要依据；
加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重 要依据；
速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频 率范围内是由速度决定的。速度与能力和功率有关，决定了力 的动量。
第七章 力压力和位移的测量.ppt
2.双边差动变压器测量技术
u2
u2L
u2R
dM 2 L1i(t ) dt
dM 2 R1i(t ) dt
(7- 5)
优点：1） 磁阻RM不变
2） 二次线圈与一次线圈交链的匝数差动变化。
N2L1 N2R1 (7 - 6)
M2L1 (N2L10 N2L1)N1 / RM M0 M M0 kmx M2R1 (N2R10 N2R1)N1 / RM M0 M M0 kmx
速度加速度物位厚度距离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线位移角位移电涡流传感器光电传感器脉冲输出电涡流测微仪光电角度检测器数字测量感应同步器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
7 力、压力和位移的测量
位移是物体上某一点在一定方向上的位置变动，位 移是矢量。
7.3.2 涡流式位移测量技术
涡流式：当金属导体置于变化着的磁场中或者在磁场中运动时，在金属 导体内部会产生感应电流，由于这种电流在金属导体内是自身闭合 的，因此称之为涡电流或涡流。
电涡流传感器工作原理
电涡流效应演示
当电涡流线
圈与金属板的距
离x 减小时，电 涡流线圈的等效
电感L 减小，等 效电阻R 增大。 感抗XL 的变化比 R 的变化 大 得 多，流过电涡流
力、扭矩、应变 压力、温度变化
位移线 角位移
电参量 电信号
速度、 加速度
物位、厚度、 距离
机械工程中经常要求测量位移。 测量时应当根据不同的测量对象选择测量点、测量方向和测 量系统，其中传感器对测量精度影响很大，必须特别重视。
7 力、压力和位移的测量
线位移 角位移
位移测量分为线位移测量和角位移测量
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
相差： 1 W
4
绕组节距
滑尺与定尺面对面地平行安装在一起， 间隙很小（一般为0.25mm）。
工作时：正弦绕组线圈与定尺绕组线圈对准，
余弦绕组线圈与定尺绕组线圈相差1/4W。
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二、感应同步器工作原理
根据电磁感应的原理，线圈中产生的感应电势，等于穿过该 线圈磁通对时间变化率，即
e d
dt
对定尺绕组通以正弦激磁电压， 滑尺移动时,由于电磁感应的作用，在滑尺绕组产生同频率的
位移测量的基本概念 位移测量的方法 位移传感器 位移测量的应用
位移测试包括线位移和角位移的测试。位移测试在工程中的 应用十分广泛，这不仅因为在各种工程中经常需要精确地测量 物体的位移或位置，而且还因为速度、加速度、力、压力、扭 矩、温度、流量及物位等参数的许多测试方法，都是以位移测 试作为基础的。
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§2 光栅传感器
光栅的种类很多，按工作原理分，光栅有： 物理光栅 计量光栅
➢ 物理光栅用于光谱仪器，作色散元件。 ➢ 计量光栅主要用于精密测量和精密机械的自动
控制中。
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§2 光栅传感器
一、计量光栅的结构及分类
光栅是等节距的透光和 不透光的刻线均匀相间 排列构成的光学元件
a：刻线宽度， b：刻线间宽， W=a+b： 光栅的栅距， 通常情况下a = b ， 刻线密度一般为每毫米250 线、100 线、50 线、25 线
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
相差： 1 W
4
绕组节距
滑尺与定尺面对面地平行安装在一起， 间隙很小（一般为0.25mm）。
工作时：正弦绕组线圈与定尺绕组线圈对准，
余弦绕组线圈与定尺绕组线圈相差1/4W。
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二、感应同步器工作原理
根据电磁感应的原理，线圈中产生的感应电势，等于穿过该 线圈磁通对时间变化率，即
e d
dt
对定尺绕组通以正弦激磁电压， 滑尺移动时,由于电磁感应的作用，在滑尺绕组产生同频率的
位移测量的基本概念 位移测量的方法 位移传感器 位移测量的应用
位移测试包括线位移和角位移的测试。位移测试在工程中的 应用十分广泛，这不仅因为在各种工程中经常需要精确地测量 物体的位移或位置，而且还因为速度、加速度、力、压力、扭 矩、温度、流量及物位等参数的许多测试方法，都是以位移测 试作为基础的。
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§2 光栅传感器
光栅的种类很多，按工作原理分，光栅有： 物理光栅 计量光栅
➢ 物理光栅用于光谱仪器，作色散元件。 ➢ 计量光栅主要用于精密测量和精密机械的自动
控制中。
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§2 光栅传感器
一、计量光栅的结构及分类
光栅是等节距的透光和 不透光的刻线均匀相间 排列构成的光学元件
a：刻线宽度， b：刻线间宽， W=a+b： 光栅的栅距， 通常情况下a = b ， 刻线密度一般为每毫米250 线、100 线、50 线、25 线
模块七 位移的测量
4· 测量方法 线绕式电位器是通过电阻百分比来分配外 加电源的电压，因为输出要注意阻抗的匹配。 线绕电位器具有精度高、性能稳定、线性 好等优点，但分辨率低、耐磨性差、寿命短。 因此，还可以使用一些非线绕式电位器。
三、负载特性和负载误差
1）负载特性 电位计有负载的情况下得到的
特性。
一般表达式：Y
接，故称之为差动变压器式传感器。在这种传感
器中，一般将被测量的变化转换为变压器的互感
变化，变压器初级线圈输入交流电压，次级线圈
则互感应出电动势。
(a)、(b) 变隙式差动 变压器； (c)、(d) 螺线管式差 动变压器； (e)、(f) 变面积式差 动变压器
一、差动变压器式位移传 感器原理
1、差动变压器式结构原理
1· 膜式电位器
膜式电位器通常分碳膜电位器和金属电位器。
碳膜电位器是在绝缘骨架表面涂一层均匀电阻液，烘
干聚合后形成电阻膜。电阻液由石墨、炭黑和树脂材料配 置。其优点是分辨率高、耐磨性好、工艺简单、成本低， 但接触电阻大。 金属膜电位器是在玻璃等绝缘基体上喷涂一层铂铑、
铂铜合金金属膜制成。这种电位器温度系数小，适合高温
按结构形式 薄膜式—具有较高的精度和线性特性
光电式—无摩擦和磨损，分辨率高
电位器式电阻传感器
• 线绕式和非线绕式；
• 主要用于非电量变化较大的测量场合， 如线位移、角位移等。
一、线绕电位计的结构
工作原理：
R,L U0 RX,X l
h b
U1
• 若线绕式电位器的绕线截面积均匀， 则R变化均匀（线性）。
件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电
路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几 mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。
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
2024/7/15
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
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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。
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。
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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。
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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。
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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
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。
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
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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
R1 R2 R3 R4
R1+Δ R1 R2-Δ R2
RL U0
R1 1 U0 Ui 2 R1
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。
R3
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。
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
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
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
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
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：
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
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 C一、光栅的结构和分类
1.结构
3.光栅系统的组成
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
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
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。
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
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
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
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
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
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
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