位移测量分为线位移测量和角位移测量
传感器知识点
传感器与自动检测技术第一章1、检测的定义：检测是利用各种物理、化学反应、选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或者定量结果的过程。
能够自动的完成整个检测处理过程的技术成为自动检测与转换技术。
2检测系统的一般构成框图：1）传感器是检测系统的第一环节，设计时要充分考虑被测量和被测对象的特点，在了解被测对象和各种传感器的特性的基础上，根据被测量精度的要求、被测量变化范围、被测量所处的环境条件、传感器的体积以及整个检测系统的性能要求等限制，合理地选择传感器。
2）信号调理电路是对传感器的传输电信号做进一步的加工处理，多数是进行信号之间的转换，包括对信号的转换、放大滤波等。
3）纪录、显示仪器是将所测的信号变成一种能成为人们所理解的形式，以供人们观察和分析。
4）信号分析处理用来对测试所得的实验数据今夕处理、运算、逻辑判断、线性变换，对动态测试结果做频谱分析（幅值谱分析、功率谱分析）、相关分析等，完成这些工作必须采用计算机技术。
数据处理结果通常送到显示器和执行机构去。
所谓的执行机构通常指各种继电器、电磁铁、电磁阀门、电磁调节阀、伺服电动机等，他们在电路中是起通断、控制、调节、保护等作用的电气设备。
3、传感器的定义：能够感受（或响应）规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的期间或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
4、传感器一般由敏感元件、转换元件和其他辅助元件组成。
1)敏感元件——感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件。
2）转换元件——又称传感元件，是传感器的重要组成元件。
5、信号调理与转换电路——能把传感元件输出的电信号转换成便于显示、纪录和控制点有用信号的电路。
传感器组成框图：6、通常用来描述静态响应特性的指标有测量范围、灵敏度、非线性度、回程误差等。
7、精确度（精度）指标有三个：精密度、正确度和精确度。
1）精密度：说明结果的分散性。
越小说明结果越精密（对应随机误差）。
传感器与检测技术(考试复习题)44新
传感器与检测技术(一)抉择题1.※依照传感器的组成，能直接感受被测物理量的是〔敏感元件〕2.※通过动态标定能够确定传感器的〔固有频率〕3.※光导摄像管具有的功能是〔光电转换功能、扫描功能、存贮功能〕4.※在人工视觉系统中，明亮度信息能够借助〔A/D转换器〕5.※测量不能直接接触的物体的文档，可选用的温度传感器类型是〔亮度式〕6.※有用化的水分传感器是利用被测物质的〔电阻值〕与含水率之间的关系实现水分含量的测量。
7.※属于传感器静态特性指标的是〔线性度〕。
8.※传感器能感知的输入变化量越小，表示传感器的〔灵敏度越高〕。
9.※红外光导摄像管上的红外图像所产生的温度分布在靶面上感应出相应的电压分布图像的物理根底是〔热电效应〕。
10.※热电偶式温度传感器的T端称为工作端，又称〔热端〕。
11.※在典型噪声干扰抑制方法中，将不同信号线分开同时留有最大大概的空间隔离是为了〔克服串扰〕。
12.※信号的方差大，表述信号的〔波动范围大〕。
13.※传感器输出量的变化△Y与引起此变化的输入量的变化量△X之比，称为〔灵敏度〕14.※对传感器实施动态标定，能够确定其〔幅频特性〕。
15.※周期信号频谱不具有的特点是〔发散性〕。
16.※在传感器与检测系统中，假如被测量有微小变化，传感器就有较大输出，说明该传感器的〔灵敏度高〕17.※对传感器实施静态标定，能够确定其〔线性度〕18.※以下传感器，不适合测量静态力的是〔压电式压力传感器〕。
19.※一般来说，压电式加速度传感器尺寸越大，其〔固有频率越低〕20.※为了测量多点的平均温度，能够将同一型号的热电偶的同性电极参考端相〔并联〕(t)=1，说明两信号〔完全相关〕。
21.※关于信号x(t)和y(t)，假设互相关系数Pxy22.※变磁通式速度传感器测转速时，假设传感器转子的齿数越多，那样输出的感应电动势的频率〔越高〕23. ※某转动轴的径向截面上贴有4块磁钢，利用霍尔元件与转轴上的磁钢接近时产生脉冲的方法测量轴的转速。
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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位移传感器
差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有 多种，以螺管形应用较为普遍，其结构及工作原理如图3-7（a）、（b） 所示。传感器主要由线圈、铁心和活动衔铁三个部分组成。线圈包括一 个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时， 次级线圈将产生感应电动势e1和e2。由于两个次级线圈极性反接，因此 传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。活动衔铁能改变线圈之 间的耦合程度。输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位 置居中时，即e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，即e1> e2 ， ey>0；当活动衔铁向下移时，即e1< e2 ，ey<0。活动衔铁的位置往 复变化，其输出电压ey，也随之变化，输出特性如图3-7（c）所示。
2. 数字式位移传感器 数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共同
特点是利用自身的物理特征，制成直线型和圆形结构的位移传感器，输 出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲
就可以统计位移的尺寸。下面主要以光栅传感器和感应同步器来介绍数 字式传感器的工作原理。 1）光栅位移传感器
光栅是一种新型的位移检测元件，有圆光栅和直线光栅两种。它 的特点是测量精确高（可达±1um）、响应速度快和量程范围大（一般 为1—2m，连接使用可达到10m）等。
光栅由标尺光栅和指示光栅组成，两者的光刻密度相同，但体长相 差很多，其结构如图3-8所示。
光栅条纹密度一般为每毫米25，50，100，250条等。把指示光 栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角 度 ，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。
传感器与检测技术试卷A答案
学期《传感器与检测技术》试卷(A)本试卷适用于班级考试形式：闭卷考试时间：120分钟1 判断对错2 单项选择3 名词解释4 问答5 论述分数总计一判断对错（每题2分，共30分）1. （）数据采集卡的主要功能是将模拟量信号和计算机的数字量信号进行相互转换。
√2. （）RS232是一种标准化的并行口。
×3. （）虚拟仪器一般采用专门化的处理机进行后续电路处理。
×4. （）在1000度以上的高温下，应该选用热电阻进行温度测量。
×5. （）压力检测一般检测的固体所受压力。
×6. （）电阻应变片中，电阻丝的材料一般选用蓝宝石。
×7. （）激光位移传感器的检测主要反映在图像传感器中。
√8. （）电容式位移传感器的主要特点是稳定程度高。
×9. （）频率超过20KHz的声波称为超声波。
√10. （）光栅位移传感器主要由标尺光栅，指示光栅、光路系统和磁敏元件组成。
×11. （）磁栅尺的转换原理与摄像机的原理基本相同。
×12. （）位移检测分为线位移和角位移两种。
√13. （）光电二极管具有双向导通性质。
×14. （）温度传感器的量程范围为100℃，若相对百分误差为0.5%，最大误差不超过0.5℃。
√15. （）信号的时域描述和频域描述可以通过傅里叶变换相互转换。
√二单项选择（每题2分，共20分）1. （）一般情况下，采用频率域进行信号描述的合适场合是：A，对声音进行分析B，对温度进行分析C，对压力进行分析D，对位移进行分析2. （）采用光电耦合器件进行信号传输的优点是：A，增加信号的敏感性B，转换电压信号为电流信号C，避免强电电路对一般弱电信号的干扰作用D，使得电路复杂，没有什么优越性3. （）测量电路所需要的电流是2A，电压是12V，则需要开关电源的功率是：A，48WB，100WC，24WD，50W4. （）右图所示为感应同步器原理，滑尺的两个感应线圈相位差应该是：A，45度B，90度C，180度D，270度5. （）如右图所示为光栅尺内部结构示意，动尺与定尺栅线应该有：A，超过90度的角度B，很小的角度C，超过180度的角度D，完全平行6. （）如右图所示激光位移传感器测量厚度差，采用图示的传感器测量姿态原因为：A，激光光线没有障碍，在边角处能够准确测量B，激光光线的照射斑点需要与平板运动方向垂直C，没有太多约束，可以采用任何方向D，避免测量头损坏7. （）振动测量中，采用拾振器的主要目的是：A, 构成一个惯性系统B,构成一个弹簧-质量惯性系统C,构成一个阻尼系统D,构成一个弹性-阻尼系统8. （）右图所示为振动测量加速度计，为了便携，一般采用测量头形式为：A, 螺纹测量头B,重型测量头C,粘接测量头D,磁吸测量头9. （）应变测量力中，采用电桥测量的好处是：A, 消除温度漂移B,消除供电电压误差C,消除计算误差D,消除测量中的粗大误差10. （）热电阻测量温度，利用的是：A, 热电效应B,电阻与温度之间的关系C,电阻与电压之间的关系D,热电阻可以自行产生电动势三名字解释（每题4分，共20分）1.传感器能感受规定的被检测并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
位移的测量
敏度的位移测量。
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3.3 常用位移传感器测量电路
3.3.1电感式传感器
电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感量的 改变这一物理现象来实现测量的。根据转换原理不同，电感 式传感器可分为自感式和互感式两大类。人们习惯上讲的电 感式传感器通常是指自感式传感器。而互感式传感器由于它 是利用变压器原理，又往往做成差动式，故常称为差动变压 器传感器。
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3.3 常用位移传感器测量电路
采用差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对外界 影响，如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以互相 抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。 所以，实用的电感传感器几乎全是差动的。
(2)电感传感器的测量电路 电感传感器可以通过交流电桥将线圈电感的变化转换成电压
式中，
——空气隙厚度; ——空气隙的有效截面积; ——真空磁导率，与空气的磁导率相近。
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3.3 常用位移传感器测量电路
因此电感线圈的电感量为：
此式表明，当被测量使 , 或 发生变化时，都会引起 电感L的变化，如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另 一个参数，电感量即为该参数的单一函数。由此，电感传感 器可分为变隙型、变面积型和螺管型三种类型，如图3-2所 示。
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3.3 常用位移传感器测量电路
差动变压器式传感器也有变气隙式和变面积式，但最多采用 的是螺管式。图3-6为螺管式差动变压器的结构示意图。
差动变压器工作在理想情况下(忽略涡流损耗、磁滞损耗和分 布电容等的影响)，它的等效电路如图3-7所示。图中u1为一 次线圈激励电压;M1、M2分别为一次线圈与两个二次线圈间 的互感；L1、R1分别为一次线圈的电感和有效电阻；L21、 L22分别为两个二次线圈的电感；R21、R22分别为两个二次 线圈的有效电阻。
位移测量与控制系统
4位绝对码光电编码器码制
位置
二进制码
十进制码
A
0000
0
B
0001
1
C
0010
2
D
0011
3
E
0100
4
F
0101
5
G
0110
6
H
0111
7
I
1000
8
J
1001
9
K
1010
10
L
1011
11
M
1100
12
N
1101
13
O
1110
100 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000
物台或工作台上，然后，在三维空间中，通过某种机电传动方式，移动到与
加工机构（各类加工头）有特定相对位置要求的待加工位置。
❖
由于被加工物料或工件与加工机构有特定相对位置关系，因此，被加工
物料或工件被安装（夹）固定于载物台或工作台上后，也可能是加工机构在
三维空间中，通过某种机电传动方式，移动到与载物台或工作台有特定相对
位置要求的加工位置。
❖ 无论是工作台移动，还是加工头移动，都属于通过某种机电传动方式达 到一刚体在三维空间中的几何位移的测量与控制问题。
❖ 位移测量包括长度、厚度 、高度、距离、物位、镀层厚 度、表面粗糙、角度等的测量。
❖ 测量位移广泛地应用非电量的电测法，能够测量位移的 传感器很多，典型的传感器有电阻、电容、电感以及磁电、 压电、压磁、光电、霍尔元件等，此外还有超声波、放射线 等。此外，近年来各种新型传感器，如光导纤维传感器、电 荷耦合器（CCD）传感器等均发展十分迅速，给位移的测 量提供了不少新的方法。
传感器与检测技术(重点知识点总结)
传感器与检测技术知识总结1：传感器是能感受规定的被检测量并按照一定规律转换成可输出信号的器件或装置。
一、传感器的组成2：传感器一般由敏感元件，转换元件及基本转换电路三部分组成。
①敏感元件是直接感受被测物理量，并以确定关系输出另一物理量的元件（如弹性敏感元件将力，力矩转换为位移或应变输出）。
②转换元件是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数（电阻，电感，电容）及电流或电压等电信号。
③基本转换电路是将该电信号转换成便于传输，处理的电量。
二、传感器的分类1、按被测量对象分类（1）内部信息传感器主要检测系统内部的位置，速度，力，力矩，温度以及异常变化。
（2）外部信息传感器主要检测系统的外部环境状态，它有相对应的接触式（触觉传感器、滑动觉传感器、压觉传感器）和非接触式（视觉传感器、超声测距、激光测距）。
2、传感器按工作机理（1）物性型传感器是利用某种性质随被测参数的变化而变化的原理制成的（主要有：光电式传感器、压电式传感器）。
（2）结构型传感器是利用物理学中场的定律和运动定律等构成的（主要有①电感式传感器；②电容式传感器；③光栅式传感器）。
3、按被测物理量分类如位移传感器用于测量位移，温度传感器用于测量温度。
4、按工作原理分类主要是有利于传感器的设计和应用。
5、按传感器能量源分类（1）无源型：不需外加电源。
而是将被测量的相关能量转换成电量输出（主要有：压电式、磁电感应式、热电式、光电式）又称能量转化型；（2）有原型：需要外加电源才能输出电量，又称能量控制型（主要有：电阻式、电容式、电感式、霍尔式）。
6、按输出信号的性质分类（1）开关型（二值型）：是“1”和“0”或开(ON)和关（OFF）；（2）模拟型：输出是与输入物理量变换相对应的连续变化的电量，其输入/输出可线性，也可非线性；（3）数字型：①计数型：又称脉冲数字型，它可以是任何一种脉冲发生器所发出的脉冲数与输入量成正比；②代码型（又称编码型）：输出的信号是数字代码，各码道的状态随输入量变化。
1-4 位移传感器解析
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4.1.1 光栅传感器
放大
圆光栅还有一个 参数叫栅距角 γ 或称 w 放大 a b 节距角 , 它是指圆光 栅上相邻两条栅线 的夹角。
a w
b
(a ) 长光栅
(b ) 圆光栅
4.1.1 光栅传感器
2. 莫尔条纹原理
莫尔条纹的成因是由主光栅和指示光栅的遮 光和透光效应形成的（两只光栅参数相同）。 主光栅用于满足测量范围及精度，指示光栅 （通常是从主尺上裁截一段）用于拾取信号。
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4.正弦微窗光栅位移传感器
所谓正弦微窗光栅是指光栅是由许多微小的 窗口排列而成。
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4.正弦微窗光栅位移传感器
微窗单元为一长方形, 中间有一透光孔, 透光 孔内光强透过率为一常数C, 孔以外区域光强透过 率为零或接近于零, 透光孔的内边缘沿y 方向的跨 度Δ y是一个变量，可表示为 h y 1 sin 2 x W 2
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4.1.1 光栅传感器
1.光栅位移传感器的结构 光栅通常是由在表面上按一定间隔制成透 光和不透光的条纹玻璃构成，称之为透射光栅， 或在金属光洁的表面上按一定间隔制成全反射和 漫反射的条纹，称为反射光栅。
利用光栅的一些特点可进行线位移和角位 移的测量。测量线位移的光栅为矩形并随被测长 度增加而加长，称之为长光栅；而测量角位移的 光栅为圆形，称之为圆光栅。
如果滑尺相对于 定尺自某初始位置算 起的位移量为x。则x机 械位移引起的电角度 变化θ＝2πx/W。
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4. 感应同步器信号处理方式
当滑尺正弦绕组上加激磁电压us后，与之相耦合 的定尺绕组上的感应电压为： uos= K us cos K— 电磁感应系数 —定尺绕组上感应电压的相位角（空间相位角） 当滑尺余弦绕组上加激磁电压uc后，与之相耦合 的定尺绕组上的感应电压为： uoc = K uc cos（ + π /2） =－K ucsin
机电一体化系统模拟题
机电一体化系统模拟试卷1一、判断题：14个题，每小题2分，合计28分。
1. 机电一体化产品是在机械产品的基础上，采用微电子技术和计算机技术生产出来的新一代产品。
【A.】√【B.】×2. 无论哪类系统（或产品），其系统内部都必须具备五种内部功能，即：操作功能（主功能）、动力功能、检测功能、控制功能和构造功能。
【A.】√【B.】×3. 在机电一体化系统中，通过提高系统的阻尼能力不能有效提高系统的稳定性。
【A.】√【B.】×4. 滚珠丝杠副在使用过程中，除了要求本身单一方向的传动精度较高以外，还对其轴向间隙有着严格的要求，从而保证其反向的传动精度。
【A.】√【B.】×5. 模拟式传感器输出是以幅值形式表示输入位移的大小，如电容式传感器、电感式传感器等。
【A.】√【B.】×6. 机电一体化系统中使用的传感器，一般是将被测的电物理量转换成非电参量。
【A.】√【B.】×7. 直流伺服电动机稳定性高是指转速随转矩的增加而保持不变。
【A.】√【B.】×8. 工业控制计算机、各类微处理器、可编程序控制器、数控装置等是机电一体化系统中的核心和智能要素。
【A.】√【B.】×9. 在机电一体化系统中，多数以微型计算机为核心构成计算机控制系统。
【A.】√【B.】×10. 在串联机器人机械系统中，电动驱动器可以直接驱动负载。
【A.】√【B.】×11. 并联机构是一组由两个或两个以上的分支机构通过运动副，按一定的方式连接而成的开环机构。
【A.】√【B.】×12. FMS尽管具有高柔性，但是这种柔性仍然限于特定的范围，如加工箱体零件的FMS不能用于加工旋转体、冲压件等。
【A.】√【B.】×13. 加工系统在FMS中就像人的大脑，是实际完成改变物性任务的执行系统。
【A.】√【B.】×14. 非接触式测量不仅避免了接触测量中需要对测头半径加以补偿所带来的麻烦，而且可以对各类表面进行高速三维扫描。
第4章 位移的测量
第4章位移的测量第四章位移的测量4.1 位移检测位移是向量，是指物体或其某一部分的位置相对参考点在一定方向上产生的位置变化量。
因此位移的度量除要确定其大小外，还要确定其方向。
第四章位移的测量一、位移测量的分类：按被测量，位移的测量分为线位移测量和角位移测量。
按测量参数的特性，位移测量分为静态位移测量和动态位移测量。
二、位移测量注意问题：测量方向与位移方向重合位移是指物体上某一点在一定方向上的位置变动，是矢量。
如果测量方向与位移方向不重合，则测量结果仅仅反映该而不能真实反映需测位移的大小。
测量方向上的分量，位移测量时，应当根据不同的测量对象，选择适当的测量点、测量方向和测量系统。
第四章位移的测量三、常用的位移传感器电阻：应变、压阻、变阻。
电感：自感：变气隙、螺线管；互感：差动变压器；涡流。
电容：变面积、变极距、变介电常数。
霍尔元件。
光栅、光电编码盘、磁尺、激光干涉仪。
根据环境、动态特性、量程、精度、价格等参数选择。
4.1 常用位移传感器型式电阻式滑线式线位移角位移变阻器线位移角位移应变式非粘贴式的粘贴的半导体的测量范围 1_300 mm0__176;_360__176; 1_1000 mm 0_60 rad 精确度 __177;0.1% __177;0.1%__177;0.5% __177;0.5%第四章位移的测量直线性特点__177;0.1% 分辨率较好，可用于 __177;0.1% 静态或动态测量。
机械结构不牢固 __177;0.5% 结构牢固，寿命长，但分辨率差，电噪声 __177;0.5% 大__177;0.5%应变 __177;0.1% __177;0.3%应变 __177;2%_3% __177;0.25%应__177;2%_3% 变__177;1% 满刻度 __177;20%不牢固牢固，使用方便，需温度补偿和高绝缘电阻输出幅值大，温度灵敏性高第四章位移的测量型式测量范围 __177;0.2 mm 1.5_2 mm 300_____ mm__177;0.08_ __177;75 mm __177;2.5_ __177;250 mm 同步机__177;0.1__176;___177; 0.7__176; __177;0.5% __177;0.0% __177;1%_3% _lt;3% 精确度 __177;1% 直线性 __177;3% 特点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0.15%_0.1 %__177;0.5%360__176;微动同步器旋转变压器 10__176; 60__176; __177;1% __177;0.05% __177;0.1%只宜用于微小位移测量测量范围较前者宽，使用方便可靠，动态性能较差分辨率好，受到磁场干扰时需屏蔽分辨率好，受被测物体材料、形状、加工质量影响可在1200 r/min 的转速下工作，坚固、对温度和湿度不敏感非线性误差与变压比和测量范围有关第四章位移的测量型式电容式变面积变间距测量范围精确度直线性特点10-3_100 mm 10-3_10 mm__177;0.005% 0.1%__177;1% 介电常数受环境温度、湿度变化的影响分辨率很好，但测量范围很小，只能在小范围内近似地保持线性霍尔元件感应同步器直线式__177;1.5 mm0.5%结构简单,动态特性好10-3_100 mm2.5__181; m/250 mm0__176;_360__176;旋转式 __177;0.5;模拟和数字混合测量系统，数字显示(直线式感应同步器的分析率可达1__181; m)第四章位移的测量型式测量范围精确度直线性特点计量光栅长光栅圆光栅磁栅长磁栅圆磁栅角度编码器接触式光电式10-3_1000 mm 0__176;_360__176; 10-3_10000 mm 0__176;_360__176;0__176;_360__176; 0__176;_360__176;3__181; m/1 mm __177;1; 5__181; m/1 mm __177;1; 10-6 r 10-8 r模拟和数字混合测量系统，数字显示(长光栅分辨率0.1_1 __181; m)测量时工作速度可达 12 m/min 分辨率好，可靠性高第四章位移的测量4.2 光栅式位移检测装置数字信号检测系统的组成数字信号检测系统的组成传感器放大器细分电路整形电路细分电路脉冲当量变换电路计数器寄存器计算机显示执行机构辨向电路数字信号检测系统的组成数字信号检测系统的组成第四章位移的测量光栅数字式传感器光栅是由很多等节距的透光的缝隙或不透光的刻线均匀、相间排列而成的光电器件。
质点的位移线位移角位移
质点的位移线位移角位移以质点的位移、线位移和角位移为标题，我们来探讨一下这三个概念的含义和应用。
我们先来了解一下质点的位移。
质点是指形状和大小可以忽略不计的物体，它可以在空间中沿着某个路径运动。
而质点的位移则是指质点在运动中从初始位置到最终位置的变化量，用矢量来表示。
位移的大小等于质点最终位置与初始位置之间的直线距离，而位移的方向则是从初始位置指向最终位置的矢量方向。
质点的位移在物理学中有着广泛的应用。
在机械运动中，我们常常需要计算物体的位移来确定它的运动轨迹和位置变化。
例如，在汽车运动中，我们可以通过测量汽车的位移来计算它的行驶距离；在天体运动中，通过观测行星的位移可以研究它们的轨道运动。
接下来，我们来讨论一下线位移。
线位移是指物体某一点在运动中沿着运动方向的位移，也是一个矢量量。
与质点的位移不同，线位移是针对物体上的某一点进行描述的，而不是整个物体的位移。
线位移的大小等于该点在运动过程中所经过的路径长度，而线位移的方向则是与路径方向一致的矢量方向。
线位移在刚体力学中有着重要的应用。
当物体发生旋转运动时，我们可以通过测量物体上某一点的线位移来分析物体的角速度、角加速度等运动参数。
例如，在车辆转弯过程中，我们可以通过测量车辆上某一点的线位移来计算车辆的角速度，从而判断车辆的转弯情况。
我们来谈一下角位移。
角位移是指物体绕某一轴旋转时，旋转角度的变化量，用弧度（rad）表示。
角位移的大小等于物体旋转的弧长与旋转半径的比值，而角位移的方向则是由旋转轴确定的。
需要注意的是，角位移是一个标量量，没有方向。
角位移在刚体力学和旋转力学中有着重要的应用。
当物体绕固定轴旋转时，我们可以通过测量物体旋转的角位移来计算它的角速度、角加速度等运动参数。
例如，在自行车骑行过程中，我们可以通过测量车轮的角位移来计算自行车的角速度，从而判断车速和骑行情况。
质点的位移、线位移和角位移都是描述物体运动的重要概念。
它们分别适用于不同的运动情况，可以帮助我们分析和计算物体的运动参数。
传感器与检测技术课件第二章3磁栅
第二章 位移检测传感器
第三节 大位移传感器
根据磁栅和磁头相对移动读出磁栅上的信号的 不同，所采用的信号处理方式也不同。
动态磁头只有一组绕组，其输出信号为正弦波，
信号的处理方法也比较简单，只要将输出信号放大整
形，然后由计数器记录脉冲数n，就可以测量出位移
装有磁栅传感器的仪器或装置工作时，磁头相对 于磁栅有一定的相对位置，在这个过程中，磁头把 磁栅上的磁信号读出来，这样就把被测位置或位移 转换成电信号。
第二章 位移检测传感器
第三节 大位移传感器
磁栅的类型
同轴形
长磁栅
（测量直线位移）
圆磁栅
（测量角位移）
带形 尺形
1－磁头 2－磁栅 3－屏蔽罩 4－基座 5－软垫
• 当磁头运动时，幅值随磁尺上的剩磁影响而变化。由于剩 磁形成的磁场强度按正弦波变化，从而获取调制波，输出 绕组的感应电动势
E1
Um
sin
2s
sin
t
E—输出线圈输出的感应电动势； Um—输出线圈输出的感应电动势峰值；
λ—磁尺剩余信号的波长（磁化信号节距）；
s—磁头对磁性标尺的位移量； ω—输出线圈感应电动势的频率，是激磁电流I的频率的2倍。
1—磁头；2—磁栅；3—输出波形
第二章 位移检测传感器
第三节 大位移传感器
静态磁头的工作原理
• 励磁绕组起磁路开关作用
当励磁绕组N1不通电流时，磁路处于不饱和状态， 磁栅上的磁力线通过磁头铁心而闭合。
如果在励磁绕组中通入交变电流i=i0sinωt，当交变 电流i的瞬时值达到某一个幅值时，横杆上的铁心材料 饱和，这时磁阻很大，而使磁路“断开”，磁栅上的 磁通就不能在磁头铁心中通过。反之，当交变电流i的 瞬时值小于某一数值时，横杆上的铁心材料不饱和， 这时磁阻也降低得很小，磁路被“接通”，则磁栅上 的剩磁通就可以在磁头铁心中通过。由此可见，励磁 线圈的作用相当于磁开关。
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
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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。
第三章 位移的检测
涡流式传感器
电磁炉内部的励磁线圈
涡流式传感器
电磁炉的工作原理
高频电流通过励 磁线圈，产生交 变磁场，在铁质 锅底会产生无数 的电涡流，使锅 底自行发热，烧 开锅 内 的 食 物。
涡流式传感器
三、涡流的分布和强度
涡流的分布： 因为金属存在集肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面 薄层内,存在一个涡流区，实际上涡流的分布是不均匀的。涡 流区内各处的涡流密度不同，存在径向分布和轴向分布。
第三章 位移的测量 3.1概述
位移的测量：对线位移和角位移的测量的总 称。 包括：长度、厚度、距离、物位、高度、镀 层、表面粗糙度、角度等的测量。 1、直接非电测量：利用喷嘴-挡板，通过流 量测位移； 2、将位移量转化为模拟电量： ①位移使传感器的结构变化产生电信号； ②位移量转化为数字：如光电式编码器、磁 电式感应同步器等。
标定位移时的实验数据及曲线
自感式传感器
相敏整流电桥
自感式传感器
压力测量用的膜盒
膜盒由两片波纹膜片焊接而成。所谓波纹膜片是一种压 有同心波纹的圆形薄膜。当膜片四周固定，两侧面存在压差时， 膜片将弯向压力低的一侧，因此能够将压力变换为直线位移。
变压器式传感器
一、变隙式差动变压器
差动变压器式传感器的结构示意图 两个初级绕组的同名端顺向串联， 而两个次级绕组的同名 端则反相串联。
电容式测量
利用被测量的变化去改变电容的结构参数，从而 改变物体间的电容量，通过测量电容来实现对被 测量的检测。
电容式传感器
利用电容式测量原理实现的传感器称为电容式传 感器。
优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性 强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。 应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、 湿度和成分含量等测量之中。
传感器及检测技术教学设计4位移检测
项目三位移检测教学目的：1、能认识、了解检测位移量的传感器器件，了解它们的主要特点和性能。
2、能了解绝对式和增量式光电编码器的基本知识。
3、会用光电编码器测量位移。
4、能了解光栅传感器的组成和结构。
5、能理解莫尔条纹测量位移的原理。
6、能了解磁栅传感器的组成和特点。
了解磁栅、磁头的结构和工作原理。
7、能理解自感式电感传感器和差动变压器的工作原理、测量电路及应用电路。
课型：新授课课时：3个任务，安排6个课时。
教学重点：认识光电编码器和码盘的外形，增量式编码器的结构和组成，增量式编码器的工作原理；绝对式编码器的结构和工作原理；光栅传感器的外形与结构；莫尔条纹的形成及特性；光栅传感器的组成；磁栅传感器的外形；磁栅传感器的组成和测量原理。
教学难点：增量式编码器的结构和组成；绝对式编码器的结构和工作原理；莫尔条纹的形成及特性；光栅传感器的组成；光栅传感器的测量电路；磁栅传感器的组成和测量原理；自感式电感传感器；互感式电感传感器；差动变压器的工作原理；零点残余电压产生的原因和消除；差动变压器的测量电路。
教学过程：1.教学形式：讲授课，教学组织采用课堂整体讲授和分组演示。
2.教学媒体：采用启发式教学、案例教学等教学方法。
教学手段采用多媒体课件、视频等媒体技术。
作业处理：完成项目后的思考题。
板书设计：基本知识汇总任务一数控机床的位移检测（光电编码器）数控机床是机电一体化的典型产品，它是机、电、气、液、光等多学科的综合，技术涉及机械制造、传感器、信息处理、计算机、自动控制、伺服驱动等多个领域。
其中传感器在数控机床中具有重要地位，它监视和测量着数控机床工作过程的每一步。
数控机床中很重要的一个指标是进给运动的位置定位和重复定位误差。
要提高位置控制精度就必须采用高精度的位移检测装置。
位移检测的对象有工作台的直线位移及回转工作台的角位移等，与此相对应有直线式和旋转式检测装置。
光电编码器可直接用于旋转式测角位移和通过角位移与直线位移之间的线性关系间接测出工作台的直线位移。
位移测量
机 随位移量 x 的变化而变化。
机 电 ， 机 - 电 1.8 时，
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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
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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
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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
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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。
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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。
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（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）。
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。
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。
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。
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
n
yi2 min
i 1
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)
n
n
Fi Fi'
i 1
i 1
表面粗糙度的高度评定 参数：
轮廓算术平均偏差:
Ra
1 l
l 0
y
dx
n
或 ( yi ) / n i 1
位移测量可以是绝对位置和相对位置的测量。 位移测量分为线位移测量和角位移测量。 常用的位移测量传感器有
➢ 电阻式、电感式、电容式、感应同步器、磁棚、光栅 等。
4
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
±0.1% ±(2~3)% ±(2~3)%
±1% ±1%
不牢固
牢固，使用方便，需温度 补偿和高绝缘电阻
满刻度 ±2%
输出幅值大，温度灵敏性 高
差动 变 压器
螺管
电
式
感
式
0.1~5%
涡流 式
±0.25~±2 50mm
±(1~3)%
±0.5% ±0.5%
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
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。
分辨力高，非线性较 大
霍尔元件
±1.5mm
0.5%
感应同步器
10-3 ~10000mm
2.5μm/250m m
长光栅
10-3 ~1000mm
3μm/1m
长磁栅
10-3 ~10000mm
5μm/1m
结构简单，动态特性好， 对温度敏感
模、数混合测量系统， 数显
同上，分辨力高 (0.1~1μm)
制造简单，使用方便， 分辨力1~5μm
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
结构简单，耐油污、
水，被测对象材料，
<3%
灵敏度不同，线性范
围须重校
变面
电
积
容
式
变间
隙
(10-3 ~10)mm
(10-8 ~100)mm
±0.005% 0.1%
±1% ±1%
线性范围大，精确度 高，受介质常数影响 大（温度，湿度）
位移是向量，它表示物体上某一点在一定方向上的位置变动。 因而对位移的度量，除了确定其大小之外，还应考虑其方向。 一般情况下，应使测量方向与位移方向重合。
位移
电感、电阻、 电容、光栅、
电压、电流、 数字量
感应同步器等
3
位移的测量
位移测量应用很广，是最基本的测试技术之一。 ➢ 如物体位置的移动量，物体的变形量，零部件的位置、 厚度、距离等。 ➢ 还可以通过测最位移量，来反映其他参数，如力、扭 矩、速度、加速度等的变化。
部分测量角位移的传感器的性能及特点。
型式 滑线变阻式 变阻器
测量范围
精确度
0°~360°
±0.1%
0~60转
±0.5%
差动变压器式
0°~±120 °
(0.2~2.0) %
应变计式 自整角机 旋转变压器
±180° 360° 360°
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
变 阻 式
变阻器
1~300mm 1~1000mm
±0.1% ±0.5%
±0.1% ±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
粘贴
应
变
式
半导体
±0.15%应变 ±0.3%应变 ±0.25%应变