机械工程测试技术第12章.

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1、东北大学机械工程与自动化学院（2011） 第2页 学习导航 12.1 12.1 常用位移传感器常用位移传感器 12.2 12.2 光栅式传感器光栅式传感器 12.3 12.3 光电盘传感器和编码盘传感器光电盘传感器和编码盘传感器 12.6 12.6 厚度测量厚度测量 12.4 12.4 感应同步器感应同步器 12.5 12.5 激光干涉仪激光干涉仪 第3页 学习目标 1. 掌握常用位移传感器的性能、特点以及适用范围， 光栅、光电盘和编码盘、激光测量原理； 2. 能够正确选择位移测量的方法。 第4页 引 言 位移测量系统由位移传感器、 相应的测量放大电路 和终端显示装置等组成。 位移是指物体上的

2、某一点或某一射线在一定方向上的位置移 动或转动，因此位移是矢量， 测量时，应使测量方向与位移方向重合。 位移（displacement）是线位移和角位移的统称。 位移测量在机械工程中应用十分广泛， 许多参数的测量也以位移测量为基础。 位移与厚度同属长度计量的范畴。 第5页 12.1 常用位移传感器 根据传感器的变换原理，常用的位移测量传感器可分为 电阻式 、电感式 、电容式、磁电式 、光电式 等。 电阻式 变阻器线位移 角位移 应变式非粘贴 粘贴 半导体 电容式变面积 变间距 磁电式霍尔元件 光电式 遮光式计量 光栅 长光栅 圆光栅 反射式激光干涉仪 吸收式射线物位计 电感式 自感式变气隙型

3、螺管型 互感式旋转变压器 差动变压器 感应 同步器 直线式 旋转式 磁尺长磁尺 圆磁尺 涡流式 超声波（测距、测厚） 编码器光电式 接触式 * 第6页 12.2 光栅式传感器 12.2.0 特点概述 兼有高分辨率和大量程两种特性。 感应同步器也具有大量程测量的特点， 但分辨率和精度都不如光栅传感器； 精度高- 光栅传感器在大量程测长或直线位移方面的精度 仅低于激光干涉仪； 圆分度和角位移测量方面精度最高； 可实现数字化动态测量，易于实现测量和数据处理自动化； 具有较强的抗干扰能力，不仅可用于实验室， 也可用于精密加工车间中的数控机床； 第7页 12.2 光栅式传感器 特点概述（续） 获得高精度

4、的光栅尺价格较贵，其成本比感应同步器高； 制造量程大于1m的光栅尚有困难，但可以接长； 采用增量式测量，与编码盘等绝对式测量相比， 在高速工作时易产生误差。 # 第8页 12.2.1 光栅式传感器的基本原理和分类 1.光栅式传感器的组成和结构 12.2 光栅式传感器 a) 长光栅 b) 圆光栅 光栅刻线示意 直光栅上的刻线称为栅线， W =a+b 称为光栅的栅距 （光栅常数或节距）， a 、b分别为栅线和缝隙宽度。 通常a =b，或a/b=1.1: 0.9。 线纹密度 一般为每毫米100、50、25和10线。 光栅（grating）是在基体上刻有 均匀分布条纹的光学元件。 第9页 12.2 光

5、栅式传感器 光栅式传感器安装示例 两块栅距相同的光栅： 较长的光栅称为标尺光栅 （主光栅）， 通常安装在活动部件上， 其有效长度即为测量范围； 两光栅刻线面相对叠合， 中间留很小的间隙，组成光栅副。 另一块光栅很短，称指示光栅， 它通常与光学系统等组成读数头， 安装在固定部件上。 第10页 12.2 光栅式传感器 光栅传感器的结构 用光电元件接收此光 强信号， 经电路处理后， 可得标尺光栅移过的 距离。 将光栅副置于由点光源和凸透镜形成的平行光束中， 使标尺光栅随被测物体移动， 则通过光栅副的光强随之变化。 第11页 2.莫尔条纹现象 （1）莫尔条纹的几何光学原理 B 12.2 光栅式传感器

6、若两栅线间有很小夹角，则在近似垂直于栅线的方向上可显示出 比栅距W宽得很多的明暗相间的条纹， 这些条纹称为“莫尔条纹” 。 莫尔（Moire）条纹 第12页 12.2 光栅式传感器 当标尺光栅沿垂直于栅线的 x 方向每移动一个栅距 W 时， 莫尔条纹沿近似栅线的方向移过一个条纹间距 B 。 B 莫尔（Moire）条纹 x 第13页 横向条纹光闸条纹 12.2 光栅式传感器 两个亮带之间距离B为莫尔条纹的宽度。 栅线的形状和排列方向不同，能够形成各种形状的莫尔条纹。 对于栅距较大的黑白光栅，可按光直线传播的几何光学原理， 求得光栅副结构参数与莫尔条纹几何图案之间的关系。 第14页 圆弧形条纹光闸

7、条纹 环形条纹 12.2 光栅式传感器 第15页 12.2 光栅式传感器 莫尔条纹间距B的定义 莫尔条纹间距 B ： 是两个亮带 （或暗带） 间的垂直距离。 B 第16页 若两光栅常数相等，则MNP为等腰三角形： 12.2 光栅式传感器 由于q 很小： 莫尔条纹间距B的计算 第17页 误差均化效应 莫尔条纹由大量栅线共同形成，能极大地消除 栅距局部误差的影响。若单根栅线位置误差的 标准差为 ，则 n 条栅线形成的莫尔条纹的位置 误差的标准差为 。 （2）莫尔条纹的特性 12.2 光栅式传感器 位移放大作用 光栅副中，由于 很小， ， 即莫尔条纹 具有放大作用，其放大倍数为 。 W 可做到约 0

8、.01mm，而 B 可以到 68 mm。 运动对应关系 当标尺光栅向右（或向左）运动一个栅距W 时， 莫尔条纹向下（或向上）移动一个条纹间距 B 。 测量时，可以根据莫尔条纹移动的量和方向判定光栅的相对运动 。 第18页 （3）莫尔条纹信号的质量指标 12.2 光栅式传感器 莫尔条纹信号质量的影响因素（光栅质量及光栅副的工作条件）： 2）输出信号的直流电平漂移。 信号中的直流分量在全量程范围内变动，称为直流电平漂移。 其原因是光栅透光度及光强的变化和 光电器件本身的直流漂移等 可引起细分误差。 1）信号的正弦性。莫尔条纹的输出信号是基波和各次谐波的叠加 。 谐波含量越小，正弦性越好，可细分精度

9、越高 。 第19页 12.2 光栅式传感器 3）输出信号的对比度表示莫尔条纹明暗的反衬程度 。 常用对比度 或 调制度 表示：【参见图12-6】 影响因素有： 光源单色性、光强稳定性、 光源尺寸、 接收窗口尺寸、 光栅的衍射作用、光栅质量、光栅副间隙等。 若对比度太低，则易被噪声淹没。 输出信号基波最大值输出信号基波最小值 输出信号基波幅值输出信号直流分量 第20页 5）输出信号的正交性和等幅性。 用2个（或4个）光电转换器件在不同位置同时接收同一 莫尔条纹信号，使多相输出信号依次相差90，称为输出信号 的正交性。其偏差大小用基波相位偏离各信号理想位置的数值 表示。 各相输出信号基波的幅值之差

10、表示各信号的一致程度， 称为输出信号的等幅性。 光栅栅距误差和栅线夹角误差都会影响正交性； 输出信号的正交性偏差和等幅性差值都会带来细分误差 。 12.2 光栅式传感器 4）输出信号幅度的稳定性取决于在全量程范围内， 输出信号的基波幅值 的波动量 。 其影响因素是 光强不稳定 和 光栅运动速度不均匀 。 第21页 12.2.3 计量光栅的种类 12.2 光栅式传感器 长光栅栅线疏密用栅线密度（每毫米长度内的栅线数）表示。 如 W = 0.02mm，代表其栅线密度为50线/mm； 圆光栅还使用栅距角d（也称节距角）。 代表相邻两条光栅所夹角度。 圆光栅刻线示意 直线形 圆 形 所夹 角度 第22

11、页 12.2 光栅式传感器 按调制内容分： 黑白光栅只对入射光波的振幅或光强进行调制（振幅光栅） ， 闪耀光栅只对入射光波的相位进行调制（相位光栅）。 按光的传播方式，长（直）光栅又分为： 透射式将栅线刻在透明材料上， 反射式将栅线刻在有强反射能力的材料上。 根据栅线刻划方向分： 径向光栅、切向光栅（用于精度要求较高的场合） 环形光栅（用于特殊场合） 第23页 光栅分类 12.2 光栅式传感器 计量光栅的分类 计量光栅 长 光 栅 黑白光栅透射光栅玻 璃 体 闪耀光栅反射光栅 金 属 体 金 属 膜 玻 璃 体 圆 光 栅透射光栅玻 璃 体 径向光栅 切向光栅 第24页 12.3 光电盘传感器

12、和编码盘传感器 12.3.1 光电盘传感器 （1）原理 光电盘的工作原理 光电盘圆周上均布槽缝或小孔； 光栏板上有两狭缝，缝距为 光电盘槽距或孔距的1/4， 每条缝后装一光电管。 光电管将光信号转换为电脉 冲，经整形、放大、分频、 计数和译码后输出或显示。 是一种最简单的光电式转角测量元件。 第25页 （2）特点和应用 多用于简易型和 经济型数控设备 。 12.3 光电盘传感器和编码盘传感器 光电盘的工作原理 由脉冲数可测回转轴转角。加传动装置可测直线位移。 由光栏板两狭缝中信号的次序，可判别光电盘的旋转方向。 制造精度较低， 只能测增量值， 易受环境干扰。 第26页 12.3.2 编码盘（b

13、inary shaft encoder）传感器 12.3 光电盘传感器和编码盘传感器 增量编码盘（也可测角位移） 由于没有编码功能，不属于严格意义上的编码盘传感器。 分为光电式、接触式和电磁式。 是机械式模/数编码器， 不同角位移状态与 数字编码一一对应。 是广泛应用的编码式数字传感器， 把角位移直接转换成代码的 传感器。 四位二进制码盘 1基本原理 # 第27页 （1）编码结构 各圆环为分别代表一位 二进制数码道，形成一 套编码。 12.3 光电盘传感器和编码盘传感器 黑色不透光区（暗区）和 白色透光区（亮区）分别代表 二进制的“0”和“1”。 编码盘为圆盘形装置， 按一定规律刻有二进制 数

14、码。 四位二进制码盘 第28页 最外圈分成16个角度方位： 0、l15 ， 对应由码道组成的二进制码 ： C4 C3 C2 C1 。 （2）二进制码盘码制 其亮暗区总数为 21、 22、 23和24。 12.3 光电盘传感器和编码盘传感器 四位二进制码盘 四位光电码盘有四圈码道， 从内圈依次记为： C4、C3、C2和C1。 第29页 （3）材料和基本工作原理 基本工作原理： 编码盘两侧分别放置电源和光电元件， 每个码道对应一个光敏管及放大、整形电路。 编码盘转到不同位置， 各光电元件通过狭缝接受所在码道的光信号，并转换成电信号 ， 经放大整形，成为数字信号。 12.3 光电盘传感器和编码盘传感器 材料：玻璃、金属和塑料。 玻璃：玻璃上沉积很薄的刻线，热稳定性好，精度高。 金属：镂空码形，不易碎，但厚度降低精度，热稳定性差。 塑料：成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差。 第30页 （4）与增量式位移传感器比较 编码盘采用绝对的机械编码，属于绝对式位移传感器； 与以光栅为代表的增量式位移传感器相比， 在安装、测量和