第七章 位移测量

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●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rYKL=∞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，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半桥差动电路UiRLR2-ΔR2R4R1+ΔR1R3U03110112234iRRRUURRRRRR21RR21RR43RR若10112iRUUR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。（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衔铁位于中间位置e1=e2衔铁上移e1e2输出U0=e1-e2衔铁下移e2e1输出U0=e1-e2相位互差1800初级线圈次级线圈衔铁差动变压器等效电路11iiUIRjL初级绕组的电流：次级绕组的感应电动势为：111ejMI221ejMI01211()iUUjMMRjL由于两个次级绕组反向串接，输出总电动势为：其有效值为：1202211()()iMMUURL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Z↔x★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：126P二、透射式电涡流式位移传感器L1上加交流激励电压U1L2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.转换电路图7-25运算放大器电路（1）运算放大电路（2）电桥电路Z1=1/jωC1Z2=1/jωC222121211212()22()2SCUZZZUUUZZZZCCUCC11,2scAACCXXUXU第六节光栅位移测量系统一、光栅的结构和分类1.结构2.分类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2sin()2dBdkd)22sin(0xdUUUmav直流分量信号变化的幅值指示光栅的位移xNd三、辨向电路与信号细分直接细分(位置细分)四、光栅应用尺身尺身安装孔反射式扫描头（与移动部件固定）扫描头安装孔可移动电缆光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长磁栅光栅的外形及结构（续）可移动电缆扫描头（与移动部件固定）光栅尺为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。为光栅设计的专用信号处理单元（光栅插补器）功能同前安装有直线光栅的数控机床加工实况光栅扫描头防护罩内为直线光栅被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部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（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头是成对使用的，两组磁头相距(n+1/4)λ。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。直线型定尺滑尺圆盘型定子转子定尺滑尺定子转子二、感应同步器的工作原理原理：位移两个平面绕组间的互感变化电量三、感应同步器的激励和检测方式滑尺/定子激励，由定尺/转子绕组取出感应电势(多用)定尺/转子激励，由滑尺/定子绕组取出感应电势两种激励方式信号检测方式鉴幅型鉴相型1、鉴幅型感应同步器检测方式tUUKeeesccscos)cossin(利用函数变压器使激励电压的幅值满足:位移变化相角θ＝2πx/λ变化感应电势的振幅Em变化数字鉴幅电路测量出幅值变化就可以完成位移测量2、鉴相型感应同步器检测方式初始时使φ＝θ滑尺由初始位置移动△x时，感应电动势相位变化△θ，△β＝θ－φ≠0当△β达到一定值，即感应电动势达到一定值，门槛电路发出指令脉冲，转换计数器开始计数并控制函数电压发生器，调节激励电压幅值的相位φ，使其跟踪θ。当θ＝φ时，感应电势幅值降到门槛电压以下，撤销指令脉冲，停止计数由计数值，通过当量换算可得到测量位移值四、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λ较大，无法测量微小位移。输出感应电势周期信号节距λ细分电角度λx1x2x1x2Esx-Esx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。0EcxEcx0Es,EcλxEcx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光光敏二极管电信号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：霍尔元件恒定激励电流磁场强度B=f(x)由VH计算x霍尔元件位移x霍尔电压VHB=f(x)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