(工程测试与信号处

长度及线位移测量长度及线位移测量在机械加工等生产领域，线位移/尺寸测量是最为常见的被测量。尺寸测量大多定义为两点、两线或两面之间的距离，如轴径、孔径、工件的长宽高等。根据尺寸的测量范围又可划分为常规尺寸测量（1mm~1m）,大尺寸测量（大于1m）和微小尺寸测量（小于1mm）。随着技术的快速发展以及数控机床的需要，被加工尺寸的在线监测也日趋成熟。加工中测量仪用在进给式工序的加工机床上，每道工序刀具的进给量均由测得的被加工尺寸的实际大小确定。线位移测量从物理学定义就是质点在直线方向位置的变化量，就测量值而言，线位移测量与尺寸测量实质是一样的。亦即用于尺寸测量的方法、传感器和仪器大多能用于线位移的测量。长度及线位移测量类型测量范围精确度性能特点模拟式滑线电阻器1~300mm±0.1%结构简单、使用方便，输出信号大，不宜于用于频率较高的动态测量电阻应变片±250µm±2%结构牢固、性能稳定、动态特性好电感式变气隙式±0.2mm结构简单、工作可靠，仅用于小位移测量差动变压器0.08~300mm±3%分辨力较高、输出信号大，动态特性稍差涡流式0~5000µm±3%非接触，灵敏度高，动态特性好电容式变面积式10-3~100mm±0.005%结构非常简单，动态特性好变极距式0.01~200µm±0.1%分辨力很高，线性范围小，结构简单，动态特性好霍尔式±1.5mm±0.5%结构简单，动态特性好，受温度影响大数字式感应同步器10-3~十米±1.5µm/1m结构简单，体积较大，适合大位移静、动态测量，用于自动检测和数控机床计量光栅10-3~几米（0.5~3）µm/3m测量精度、分辨力高，适合大位移静、动态测量，对环境要求较高，价格较贵，用于自动检测和数控机床磁栅10-3~几米±1µm/1m分辨力比光栅和感应同步器低，对环境要求比感应同步器低，制作工艺简单，容易小型化容栅10-3~几米±5µm/1m结构简单，动态特性好，功耗小，价格便宜，环境适应能力强，容易小型化，广泛用于数显量具电感测微仪：测量范围:±1mm;分辨力：1µm电感式长度及线位移测量1-差动线圈2-铁心3-衔铁4-测杆5-工件探头测量电桥交流放大相敏检波指示器振荡器电感测微头实物图电感式滚柱直径分选装置1—气缸2—活塞3—推杆4—被测滚柱5—落料管6—电感测微器7—钨钢测头8—限位挡板9—电磁翻板10—容器（料斗）变气隙式电感测微仪差动变压器式位移传感器1-测头；2-轴套；3-测杆3；4-衔铁；5-线圈组；6-电插座；7-屏蔽筒（增加灵敏度和防止外磁场的干扰）8-测杆导向圆片弹簧；9-弹簧；10-防尘罩副Ⅰ0EsEs1Es2x副Ⅱ原线圈电涡流效应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，流过电涡流线圈的电流i1增大。涡流式位移传感器1—电涡流线圈2—探头壳体3—壳体上的位置调节螺纹4—印制线路板5—夹持螺母6—电源指示灯7—阈值指示灯8—输出屏蔽电缆线9—电缆插头电涡流探头内部结构CZF-1系列传感器的性能调幅式（AM）电路测量电路石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz~1MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如两者之间的距离等参数）。调频（FM）式电路(100kHz~1MHz）当电涡流线圈与被测体的距离x改变时，电涡流线圈的电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将f转换为电压Uo。涡流位移测量仪位移测量包含：偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等等。来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。数显位移测量仪及探头4~20mA电涡流位移传感器外形V系列电涡流位移传感器外形齐平式V系列电涡流位移传感器性能一览表某V系列电涡流位移传感器的机械图电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响，例如金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁导率、表面因素、距离等。只要固定其他因素就可以用电涡流传感器来测量剩下的一个因素。因此电涡流传感器的应用领域十分广泛。但也同时带来许多不确定因素，一个或几个因素的微小变化就足以影响测量结果。所以电涡流传感器多用于定性测量。即使要用作定量测量，也必须采用逐点标定、计算机线性纠正、温度补补偿等措施。偏心和振动检测通过测量间隙来测量径向跳动测量弯曲、波动、变形对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪测量冷轧板厚度测量尺寸、公差及零件识别通过测量间隙来测定热膨胀引起的上下平移测量封口机工作间隙间隙越大，电涡流越小测量注塑机开合模的间隙间距镀层厚度测量由于存在集肤效应，镀层或箔层越厚，电涡流越小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度-输出”电压的标定曲线，以便测量时对照。电涡流涂层厚度仪电感式不圆度计该圆度计采用旁向式电感测微头电感式不圆度测量系统外形测量头旋转盘不圆度测量打印电感传感器在粗糙度测量中的应用——手持式粗糙度仪•触针:金刚石圆锥；•针尖圆弧半径：5μm；•可存储500个粗糙度参数值及4组轮廓数据；•可进行粗糙度参数的打印；•可对外圆、内孔、轴肩、圆锥面等各种复杂表面进行测试；粗糙度仪外形金刚石测头粗糙度测量结果打印（2）长度及线位移测量感应同步器感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理制成的用来测直线或转角位移的传感器。测量直线位移的称为长感应同步器，测量转角位移的称为圆感应同步器。感应同步器具有如下优点：（1）具有较高的测量精度和分辨力。目前直线式感应同步器的精度可达±1.5µm，分辨力达0.05µm；直径300mm的圆感应同步器精度达±1″，分辨力达0.05″。（2）感应同步器基于电磁感应原理，感应电势仅取决于磁通量的变化率，几乎不受环境因素如温度、油污、尘埃等的影响。（3）工作时无接触摩擦、磨损，使用寿命长，工作可靠，抗干扰能力强，非常适合于恶劣的工作环境，便于维护。（4）直线式感应同步器的测量范围，可以根据需要将若干个定尺接长使用，长度可达20m。（5）工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。长度及线位移测量定尺绕组正弦绕组A余弦绕组B滑尺绕组ba直线式感应同步器结构示意图典型周期为2mm长度及线位移测量sinsinsinsinscoscoscosco圆感应同步器结构示意图定子转子长度及线位移测量长度及线位移测量2WC=1S=0E=0I=0(a)0EIS=0C=1(b)EIS=0C=1(c)E=0I=0S=0C=1(d)(e)0EIS=0C=1eOx(f)正、余弦绕组在定尺中的感应电动势分别写成sincossmcmeEeE/xW其中长度及线位移测量感应同步器的信号处理与测量电路1.鉴相法信号处理sinsmuUtcoscmuUt正弦绕组激励余弦绕组激励cossinsincosssmccmekUtekUt定尺绕组上的感应sincoscossinosccmsmeeekUtkUt定尺绕组输出为sin()sin()ommekUtEt长度及线位移测量2.鉴幅法信号处理coscossmuUtsincoscmuUt正弦绕组激励余弦绕组激励定尺绕组输出为sinsincossincossinsin()sinsin()sinocsmmmmeeekUtkUtkUtEt长度及线位移测量1－测杆；2－膜片；3、5－开槽簧片；4－活动电极筒；6-接线座；7-调节螺钉；8-引线；9-弹簧；10、11-固定电极筒电容式长度及线位移测量C1C2轧辊托辊带材音频信号放大整流差放TRRL1L2C0C1C2C带材总电容为Cx=C1+C2，作为一个桥臂，Cx与固定电容C0、变压器T的次级L1和L2构成电桥，音频信号经变压器耦合为电桥提供交流电源。如果带材只是上下波动，电容的增量一个增加一个减少，总的电容量Cx=C1+C2不变；如果带材的厚度变化，则电容Cx将随之变化，电桥将该信号变化转换为电压，经放大、整流等处理电路后，输出的直流信号指示厚度变化值光栅位移传感器(Opticalgratings)在一块长条形(圆形)光学玻璃(或金属)上进行均匀刻划，可得到一系列密集刻线，如图所示，这种具有周期性刻线分布的光学元件称为光栅。图中，a为光栅刻线宽度，b为光栅缝隙宽度，a+b=W称为光栅的栅距(也称光栅常数(Gratingperiod))。为了方便处理，通常取a=b=W/2。光栅式传感器有如下的特点：(1)大量程兼有高分辨力和高精度。在大量程长度与直线位移测量方面，长光栅测量精度仅低于激光干涉传感器；圆分度和角位移测量方面，圆光栅测量精度最高。一般长光栅测量精度达(0.5～3)/3000mm，分辨力达0.1µm，圆光栅测量精度达0.15″，分辨力达0.1″。(2)可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化。(3)具有较强的抗干扰能力，适合一般实验室条件和环境较好的车间现场。光栅式传感器在几何量测量领域有着广泛的应用，所有与长度(位移)和角度(角位移)测量有关的精密仪器中都经常使用光栅式传感器，此外，在测量振动、速度、应力、应变等机械测量中也常有应用。一、计量光栅的种类利用光栅的莫尔条纹(Moirepatterns)现象进行精密测量的光栅称为计量光栅。根据基材不同，分为金属光栅与玻璃光栅；根据刻划形式不同，分为振幅光栅与相位光栅；根据光线的走向，分为透射光栅与反射光栅；根据用途不同，分为长光栅与圆光栅。1．长光栅刻划在玻璃尺上的光栅称为长光栅，也称为光栅尺(Gratingruler)，用于测量长度或直线位移。其刻线相互平行，一般以每毫米长度内的栅线数(即栅线密度)来表示长光栅的特性。根据栅线型式的不同，长光栅分黑白光栅和闪耀光栅。黑白光栅是指只对入射光波的振幅或光强进行调制的光栅，所以又称振幅光栅。闪耀光栅是对入射光波的相位进行调制，也称相位光栅。振幅光栅的栅线密度一般为20～125线/mm，相位光栅的栅线密度通常在600线/mm以上。GratingruleropaquetransparentGratingrulerglassplateLightsourcePhoto-detectorreflectiveNon-reflectivesteelplateGratingrulerLightsourcePhoto-detector2．圆光栅刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅，也称光栅盘(Gratingdisk)，用来测量角度或角位移。圆光栅的参数多数是以整圆上刻线数或栅距角(也称为节距角)γ来表示，它是指圆光栅上相邻两栅线之间的夹角，如图所示。根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种是径向光栅，另一种是切向光栅，切向光栅适用于精度要求较高的场合。二、莫尔条纹(MoiréPatterns)长光栅莫尔条纹的宽度为122212122cosWWBWWWW式中：W1为标尺光栅1(也称为主光栅)的光栅常数；W2为指示光栅2的光栅常数；θ为两光栅栅线的夹角。1.莫尔条纹的特性莫尔条纹有如下的重要特性：1)运动对应关系莫尔条纹的移动量与移动方向与两光栅的相对位移量和位移方向有着严格的对应关系。当主光栅向右运动一个栅距W1时，莫尔条纹向下移动一个条纹间距B；如果主光栅向左运动，则莫尔条纹向上移动。所以，光栅传感器在测量时，可以根据莫尔条纹的移动量和移动方向，来判定主光栅(或指示光栅)的位移量和位移方向。2)位移放大作用若两光栅栅距W相同，两光栅栅线的夹角θ很小，则有sinWWB可明显看出，莫尔条纹有位移放大作用，放大倍数为1/θ3)误差平均效应莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均作用，几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形