第七章 位移测量

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
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 电位器式位移测量传感器
位移
电位器式位移传感器 电阻值或电压
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 ● 导电玻璃釉电位器 又称金属陶瓷电位器
★ 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
磁头
动态磁头 静态磁头
(
Z Z
2 2
Z1 Z1
)
U 2
(CC11
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
C2 C2
)
C1
A X
,C1
A X
U sc
U
2
X
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
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 2 sin(
)
d
kd
2
U
0U av
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
P 如下优点： 126
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
第五节 电容式位移传感器 一、极距变化型电容传感器
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
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
载流线圈 ★ 电涡流位移传感器组成
R2-ΔR2
结论：U0与ΔR1/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。
RL U0
R3
R4
Ui
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。
第三节 电感式位移传感器 ➢原理
➢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
衔 铁
铁芯 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
Um sin(2
2
d
x)
直流分量
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
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
扫描头安装孔
（与移动部件固定）
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
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。
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。
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 屏蔽措施 驱动电缆技术
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/jωC1 Z2=1/jωC2
U SC
UZ2 Z2 Z1
U 2
U 2
● 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：
e1 jM1I1 e2 jM 2I1
次级线圈
衔铁
初级线圈
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：
其有效值为：
U0
j(M1
M2)
R1
Ui
jL1
U0
(M1 M 2)Ui R12 ( L1)2
差动变压器输出特性曲线
2、位移方向判别
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
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
（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。
（2）用半桥差动测量电路
当测量微小位移时，一般取R5≈100R
U0
Ui
R1
R1 R1 R1 R2
R2
R3 R3 R4
若 R1 R2 R1 R2 R3 R4
U0
1 2
U
i
R1 R1
R1+ΔR1
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
e1=e2
e1>e2
e2>e1
输出U0=e1-e2 输出U0=e1-e2
相位互差1800
初级绕组的电流：
Ii
R1
Ui
jL1
次级绕组的感应电动势为：