1、1位移检测位移检测 位移是物体上某一点在一定方向上的位置变动，因此位移是矢量。测量方向与位移方向重合才能真实地测量出位移量的大小。若测量方向与位移方向不重合，则测量结果仅是该位移量在测量方向上的分量。位移测量从被测量来的角度可分为线位移测量线位移测量和和角位移测量角位移测量；从测量参数特性的角度可分为静态位移静态位移测量测量和和动态位移测量动态位移测量。许多动态参数，如力、扭矩、速度、加速度等都是以位移测量为基础的。2一、长度及线位移检测一、长度及线位移检测1、电感式位移传感器、电感式位移传感器W-线圈匝数线圈匝数iiimmAulRRWL2Rm-磁路总磁阻磁路总磁阻li-各段导磁体的长度各段导
2、磁体的长度ui-各段导磁体的磁导率各段导磁体的磁导率Ai-各段导磁体的截面积各段导磁体的截面积3一、长度及线位移检测一、长度及线位移检测lAWuullAWuRWLAuluAlRrmm202020(1)变气隙式变气隙式电感位移传感器电感位移传感器基本形式基本形式思考：灵敏度？思考：灵敏度？线性度？线性度？l21线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁改进方法？改进方法？差动式差动式(2)(2)变面积式变面积式(3)(3)螺管式螺管式4一、长度及线位移检测一、长度及线位移检测(2)变面积式变面积式(3)螺管式螺管式蔡萍教材P40 图3-55一、长度及线位移检测一、长度及线位移检测电感位移传感器电感位移传感器意大利
3、意大利Marposs:6一、长度及线位移检测一、长度及线位移检测电感位移传感器电感位移传感器中国中原量仪中国中原量仪:7一、长度及线位移检测一、长度及线位移检测2、光栅位移传感器、光栅位移传感器（Grating）8一、长度及线位移检测一、长度及线位移检测(1)光栅传感器原理光栅传感器原理(莫尔条纹莫尔条纹)构成：构成：叠合叠合主光栅主光栅指示光栅指示光栅夹角夹角明暗相间条纹明暗相间条纹莫尔条纹莫尔条纹移动移动条纹宽度：条纹宽度：WWB)2/sin(2W-栅距，栅距，a-线宽，线宽，b-缝宽缝宽W=a+b，a=b=W/2 主光栅主光栅-标尺光栅，定光栅；标尺光栅，定光栅；指示光栅指示光栅-动光栅
4、动光栅9一、长度及线位移检测一、长度及线位移检测莫尔条纹特性：莫尔条纹特性：方向性：方向性：垂直于角平分线垂直于角平分线 与光栅移动方向垂直与光栅移动方向垂直同步性：同步性：光栅移动一个栅距光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距莫尔条纹移动一个间距放大性：放大性：夹角夹角很小很小 BW 光学放大光学放大 提高灵敏度提高灵敏度准确性：准确性：误差平均效应误差平均效应 克服个别克服个别/局部误差局部误差 提高精度提高精度 10一、长度及线位移检测一、长度及线位移检测(2)光栅传感器特点光栅传感器特点 精度高：测长精度高：测长(0.2+210-6L)m，测角，测角0.1量程大：透射式量程大：透射式-
5、光栅尺长（光栅尺长（几十几十米米响应快：可用于动态测量响应快：可用于动态测量增量式：增量码测量增量式：增量码测量 计数计数 断电断电数据消失数据消失要求高：对环境要求高要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、温度、湿度、灰尘、振动、移动精度移动精度成本高：电路复杂成本高：电路复杂 11一、长度及线位移检测一、长度及线位移检测(3)光栅传感器结构光栅传感器结构 1 主光栅尺（定光栅）主光栅尺（定光栅）2 指示光栅（动光栅）指示光栅（动光栅）3 光电元件光电元件4 透镜透镜5 光源光源透射式结构：透射式结构：反射式结构：反射式结构：光源光源 指示光栅指示光栅 透射透射 主光栅主光栅 光电元件光
6、电元件光源光源 主光栅主光栅 反射反射 指示光栅指示光栅 光电元件光电元件12一、长度及线位移检测一、长度及线位移检测(4)代表性产品：代表性产品：德国德国Heidenhain（海德汉）：（海德汉）：封闭式：量程封闭式：量程3000mm，分辨力，分辨力0.1 m开放式：量程开放式：量程1440mm，分辨力，分辨力0.01m开放式：量程开放式：量程270mm 分辨力分辨力1nm13一、长度及线位移检测一、长度及线位移检测英国英国Renishaw（雷尼绍）：（雷尼绍）：量程：任意量程：任意分辨力：分辨力：0.1 m 0.01 m中国长春光机所：中国长春光机所：量量 程：程：1000mm分辨力：分辨
7、力：0.01 m精精 度：度：2 m14一、长度及线位移检测一、长度及线位移检测2、光学干涉、光学干涉（Interference）干涉原理（单频干涉）：干涉原理（单频干涉）：两束同频光束在空间相遇会发生干涉条纹，其亮暗程度取两束同频光束在空间相遇会发生干涉条纹，其亮暗程度取决于两束光间的相位差决于两束光间的相位差 亮条：亮条：暗条：暗条：=2=2k k,k k=0,1,l,2,=0,1,l,2,相消干涉相消干涉=2=2k k,k k=0,1,l,2,=0,1,l,2,相长干涉相长干涉 15一、长度及线位移检测一、长度及线位移检测结构：结构：实现要点实现要点:（1）单一光源）单一光源光光源源观察
8、屏、观察屏、光电接收光电接收固定固定反射镜反射镜被测物体被测物体半透半反镜半透半反镜（4）分光镜（半透半反）分光镜（半透半反）（5）固定参考反射镜）固定参考反射镜（2）被测物体）被测物体（3）光电接收）光电接收16一、长度及线位移检测一、长度及线位移检测双频双频激光干涉位移传感器激光干涉位移传感器测量原理：测量原理：激光器发出一束激光，激光器发出一束激光，含有两束偏振光：含有两束偏振光：左旋光，频率左旋光，频率f1 右旋光，频率右旋光，频率f2，振幅相同，振幅相同，频率相差约频率相差约2MHz。激光束激光束分光器分光器参考光束参考光束测量光束测量光束光电检测光电检测/4波片波片渥氏棱镜渥氏棱镜
9、f2f2光电检测光电检测f1f1角锥棱镜角锥棱镜参考信号参考信号测量信号测量信号f f2 2-f-f1 1fff f1 1ff1 1f f2 2-(f-(f1 1 f)f)17一、长度及线位移检测一、长度及线位移检测激光干涉位移传感器激光干涉位移传感器HP5528A Laser interferometer：量程：量程：100m 分辨力：分辨力：0.01 m18二、角度及角位移检测二、角度及角位移检测1、绝对码光电编码器、绝对码光电编码器原理：平行光源原理：平行光源码盘码盘 光电元件光电元件电信号输出电信号输出 码盘：光学玻璃，透光码盘：光学玻璃，透光/不透光不透光 照相腐蚀照相腐蚀 要求：分
10、度准确（工艺）、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）要求：分度准确（工艺）、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）光源：光源：LED 光学系统光学系统 平行光平行光 投影精确投影精确 光电元件：硅光电池，光电晶体管光电元件：硅光电池，光电晶体管 滞后滞后 响应速度响应速度 码道：位数码道：位数每个码道对应一个光电元件每个码道对应一个光电元件分辨率分辨率 角度分辨率：角度分辨率：=360/2n n-码道数（位数）码道数（位数）组成：组成：光源、码盘、光电元件光源、码盘、光电元件 增加码道、增大码盘尺寸增加码道、增大码盘尺寸 有限有限提高精度提高精度光学细分光学细分 附加码道附加码道19二、角度及角位移检测二、
11、角度及角位移检测测量电路测量电路：编码码制编码码制：十进制码十进制码-0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 二进制码二进制码-0000 0001 0010 0011 0100 格格 雷雷 码码-循环码：相邻两数只有一位不同循环码：相邻两数只有一位不同 每次只有一位变化每次只有一位变化转换转换 放大放大 足够电平足够电平，驱动，驱动整形整形 接近理想方波接近理想方波 细分细分 提高分辨率（光学提高分辨率（光学+电路）电路）多位码同时动作多位码同时动作同步误差同步误差错码错码读数直观，不易电路处理读数直观，不易电路处理直观，易于后续电路和计算机处理直观，易于后续电路和计算机处理204位绝对码光电
12、编码器码制位绝对码光电编码器码制21二、角度及角位移检测二、角度及角位移检测特点特点：摩擦轮摩擦轮编码器编码器小范围绝对位置测量小范围绝对位置测量-角度、直线位置角度、直线位置小范围位移、速度检测小范围位移、速度检测结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，应用：应用：例：直线例：直线 旋转旋转 360 直接数字量输出直接数字量输出-数字传感器，数字传感器，绝对码绝对码-绝对角位置传感器绝对角位置传感器测量范围有限（测量范围有限（360），），速度不高（最高几千转速度不高（最高几千转/分），怕振动分），怕振动-丢数丢数360Dx 连接连接-弹性连轴结弹性连轴结
13、22二、角度及角位移检测二、角度及角位移检测2、增量码光电编码器、增量码光电编码器结构结构：与绝对编码器类似与绝对编码器类似码道码道：最外：最外-增量码道：透光扇形区增量码道：透光扇形区分辨率分辨率 中间中间-辨向码道：错开半个扇形区辨向码道：错开半个扇形区 最内最内-零位码道：透光狭缝零位码道：透光狭缝基准脉冲基准脉冲应用应用：相对位置测量：相对位置测量-角度、直线位置，角度、直线位置，位移、速度测量位移、速度测量 特点特点：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，脉冲数字输出，测量范围无限脉冲数字输出，测量范围无限 速度不高（最高几千转速度不高（最高几
14、千转/分）分）怕振动怕振动-丢数丢数23二、角度及角位移检测二、角度及角位移检测3、圆光栅传感器、圆光栅传感器工作原理工作原理：莫尔条纹技术：莫尔条纹技术类型类型：(1)直线莫尔条纹：条纹直线莫尔条纹：条纹-直线直线(2)圆型莫尔条纹：条纹圆型莫尔条纹：条纹-圆型圆型RENISHAW 圆光栅：圆光栅：角度分辨率为0.01 系统精度为 0.7(a)径向光栅径向光栅-圆弧形莫尔条纹圆弧形莫尔条纹光栅：两块，径向刻线，栅距角相同，偏心叠合光栅：两块，径向刻线，栅距角相同，偏心叠合条纹宽度不是定值，随位置不同而不同。条纹宽度不是定值，随位置不同而不同。在位于偏心的垂直位置上，条纹近似垂直于栅线，称横向
15、莫尔条纹在位于偏心的垂直位置上，条纹近似垂直于栅线，称横向莫尔条纹在沿着偏心方向上，条纹近似地平行于栅线，称纵向莫尔条纹在沿着偏心方向上，条纹近似地平行于栅线，称纵向莫尔条纹其他位置上上，称为斜向莫尔条纹其他位置上上，称为斜向莫尔条纹条纹：在不同区域栅线的交角不同，不同曲率半径圆弧条纹：在不同区域栅线的交角不同，不同曲率半径圆弧24二、角度及角位移检测二、角度及角位移检测光栅：两块完全相同，环形刻线，偏心叠合，光栅：两块完全相同，环形刻线，偏心叠合，(b)切向光栅切向光栅-环形莫尔条纹环形莫尔条纹光栅：两块，切向刻线，切向相同，栅距角相同，光栅：两块，切向刻线，切向相同，栅距角相同，基圆半径不
16、同，栅线面相对同心叠合，基圆半径不同，栅线面相对同心叠合，条纹：是以光栅中心为圆心的同心圆簇，条纹：是以光栅中心为圆心的同心圆簇，宽度也不是定值，随位置不同而不同。宽度也不是定值，随位置不同而不同。特点：具有全光栅平均效应，用于高精度角度测量和分度。特点：具有全光栅平均效应，用于高精度角度测量和分度。(c)环形光栅环形光栅-辐射形莫尔条纹辐射形莫尔条纹条纹：近似直线并成辐射方向，称为辐射形莫尔条纹。条纹：近似直线并成辐射方向，称为辐射形莫尔条纹。25三、绝对测距三、绝对测距1、电涡流测距、电涡流测距(1)工作原理工作原理:交变电流交变电流传感器线圈传感器线圈被测导体被测导体交变磁场交变磁场H1
17、电涡流电涡流交变磁场交变磁场H2参数变化参数变化(电感、阻抗、电感、阻抗、品质因素等品质因素等)输出信号输出信号26三、绝对测距三、绝对测距保持其他参数不变，只改变一个参数保持其他参数不变，只改变一个参数-测量，测量，变化因素：变化因素：被测导体被测导体-几何形状、电导率、磁导率几何形状、电导率、磁导率 线圈线圈-几何参数、电流大小和频率、几何参数、电流大小和频率、其他其他-线圈与导体距离线圈与导体距离测量原理：测量原理：电涡流密度径向分布电涡流密度径向分布涡流密度不等：涡流密度不等：电涡流分布电涡流分布：深度：深度：高频激励高频激励-表面薄层，表面薄层，铜导体，铜导体，1MHz频率，深度频率
18、，深度0.07mm径向：径向：有限范围有限范围-圆环形圆环形-涡流环涡流环 D=d时：密度最大时：密度最大D=1.8d：下降为：下降为5%D3.5d）思考：思考：激励频率高低有什么影响？激励频率高低有什么影响？28三、绝对测距三、绝对测距日本日本Keynce量程：量程：50mm精度精度0.03%29三、绝对测距三、绝对测距2、激光测距传感器、激光测距传感器(1)激光测距特点：激光测距特点：测量距离可达几公里甚至几十公里（主要手段）测量距离可达几公里甚至几十公里（主要手段）(2)激光测距方法：飞行时间法、相位差法激光测距方法：飞行时间法、相位差法(a)飞行时间法：飞行时间法：2/ctd 被测距离
19、被测距离:c-光速光速 t-往返飞行时间往返飞行时间(b)相位差法：相位差法：被测距离被测距离:c-光速光速 f0-脉冲频率脉冲频率 -相位差相位差激光器激光器被测目标被测目标原理：激光器发出单个激光脉冲原理：激光器发出单个激光脉冲原理：激光器发出连续激光脉冲原理：激光器发出连续激光脉冲激光器激光器被测目标被测目标0042fccD特点：对时间测量精度要求高，适于测量超长距离（特点：对时间测量精度要求高，适于测量超长距离（地球-月球：分辨力达到1m）特点：测量精度高，测量范围大（短距离特点：测量精度高，测量范围大（短距离 超长距离）超长距离）（相机自动调焦）30三、绝对测距三、绝对测距范围：范围
20、：0.2 300m 分辨力：分辨力：3mm德国俫卡手持式：德国俫卡手持式：范围：范围：0.2 200m分辨力：分辨力：0.2mm美国美国bushwell 单目军用单目军用范围：范围：1000m分辨力：分辨力：1m31三、绝对测距三、绝对测距3、超声测距传感器、超声测距传感器超声测距原理：超声测距原理：2/ctd 被测距离被测距离:c-声速声速 t-往返飞行时间往返飞行时间应用：适于大目标、近距离、一般精度测距应用：适于大目标、近距离、一般精度测距 手持测距仪手持测距仪-盲人导盲盲人导盲 汽车倒车雷达汽车倒车雷达-汽车安全汽车安全 工业应用工业应用-超声测量液位、物位超声测量液位、物位特点：超声波束发散，测量范围小特点：超声波束发散，测量范围小 波束聚焦困难，测量精度低波束聚焦困难，测量精度低 测量目标不能太小；测量目标不能太小；超生探头超生探头被测目标被测目标超声波传感器（超声波探头），是实现声电转换的装置（超声换能器）超声波传感器（超声波探头），是实现声电转换的装置（超声换能器）这种装置能够发射超声波，同时还可以接收超声回波，并转换成电信号。这种装置能够发射超声波，同时还可以接收超声回波，并转换成电信号。322）应用实例：）应用实例：运输小车的控制运输小车的控制 车体的定位检测车体的定位检测33343536
