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1、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,常用的机械位移传感器：,第一节 电位器式位移测量传感器,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, 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,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？,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
2、，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R5100R,半桥差动电路,若,结论：U0与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。,（3）并联电阻RM,（5）选用非线性电位器式位移传感器,（4）限制电位器的工作范围,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,铁芯,线圈,衔铁,二、差动电感式传感器,
3、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,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,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,差动变压器等效电路,初级绕组的电流：,次级绕组
4、的感应电动势为：,由于两个次级绕组反向串接，输出总电动势为：,其有效值为：,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,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Zx, 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
5、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。,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：,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
6、,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,图7-24 驱动电缆原理,图7-25 运算放大器电路,第六节 光栅位移测量系统,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,二、莫尔条纹,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,光栅的外形及结构（续）,安装有直线光栅的数控机床加工实况,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（120m）、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,静态磁头,磁头,三、检测电路,适合位移测量的静态磁
7、头是成对使用的，两组磁头相距(n+1/4)。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。,定尺,滑尺,二、感应同步器的工作原理,三、感应同步器的激励和检测方式,两种激 励方式,1、鉴幅型感应同步器检测方式,利用函数变压器使激励电压的幅值满足:,位移变化,2、鉴相型感应同步器检测方式,初始时使,四、感应同步器的细分原理,由于工艺和结构上的原因，绕组中的节距较大，无法测量微小位移。,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
8、电势幅值无法建立一一对应的关系。,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,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：,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,
