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2009-04-29位移测量111位移测量掌握常用位移传感器的性能、特点及适用范围；了解转轴位移测量的方法；了解厚度测量方法；学习要求23331位移测量22009-04-29概述分类 按被测参量来分:线位移和角位移； 按测量参数的特性：静态，动态。许多动态变化的参数：力、扭矩、速度、加速度以位移测量为基础。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。测量时应当根据不同的测量对象选择测量点、测量方向和测量系统。位移测量32009-04-2911.1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有电阻式、电感式、差动变压器式、感应同步、磁栅、光栅以及电动千分表等。磁栅光栅位移测量42009-04-2911.2光栅传感器特点高精度和高分辨率。仅低于激光干涉仪,长光栅精度0.5~3μm/3000mm;大量程，精度高于感应同步器和磁栅；动态测量,易于实现测量和数据处理自动化,数显；抗干扰能力强,应用于数控机床;成本比感应同步器和磁栅传感器高；在现场使用时要求密封，以防止油污、灰尘、铁屑等的污染。位移测量52009-04-29光栅传感器的基本原理用于位移测量的光栅称为计量光栅。计量光栅投射式—光线通过光栅后产生明暗条纹；反射式—反射光线并使之产生明暗条纹。直光栅——测量线位移；圆形光栅——测量角位移。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为栅线宽度，b为缝隙宽度。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。位移测量62009-04-29光栅1取一小块,称为指示光栅，光栅2为标尺光栅,组成光栅副。二光栅栅线之间夹角很小,在近似垂直于栅线的方向显示出比栅距W宽很多的条纹,即“莫尔条纹”,中间为亮带,上下两条为暗带。光路系统位移测量72009-04-29tanBWθ≈均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动位移测量82009-04-291)运动对应关系莫尔条纹的移动量和移动方向与主光栅相对于指示光栅的位移量和位移方向有着严格的对应关系。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判定主光栅(或指示光栅)的位移量和位移方向。位移测量92009-04-29莫尔条纹放大倍数为•W为0.01mm，B可到6～8mm。电子线路可以区分B/4，因此可以分辨W/4的位移量，•输出电压的幅值为光栅位移量x的函数，即KBW==1θ)/π2sin(0Wxuuum+=θθ≈sin==21在光栅副中,由于θ角很小（），若两光栅的光栅常数相等，,可得到近似关系：2)位移放大作用θθ≈=BW/tan位移测量102009-04-293)误差均化效应莫尔条纹是由光栅的大量栅线(常为数百条)共同形成的,对光栅的刻划误差有均化作用。能在很大程度上消除栅距的局部误差和短周期误差的影响,个别栅线的栅距误差或断线及疵病对莫尔条纹的影响很微小。位移测量112009-04-29计量光栅的种类位移测量122009-04-2911.2.2光栅的光学系统)π2cos()90π2sin(2WxEWxEu−=°−=)π2sin(1WxEu=)π2sin()180π2sin(3WxEWxEu−=°−=)π2cos()270π2sin(4WxEWxEu=°−=透射直读式光学系统位移测量132009-04-29•四相信号是对莫尔条纹的四细分。由于是用四极硅光电池的安放位置直接得到的细分,故称为位置细分或直接细分。•将四相信号送到专门的细分电路，可得更多倍数的细分。•如果主光栅反向运动,莫尔条纹也会改变移动方向,接收的光信号的相位次序则与上述情况相反,可以通过辨向电路判别光栅的运动方向。位移测量142009-04-29光栅在机床上的安装位置（3个自由度）数显表位移测量152009-04-29安装有直线光栅的数控机床加工实况防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部位移测量162009-04-2911.3光电盘和编码盘11.3.1光电盘•转角测量•制造精度较低，只能测增量值，易受环境干扰，多用于简易型和经济型数控设备。位移测量172009-04-2911.3.2编码盘(1)光电式编码盘工作原理•广泛应用的编码式数字传感器；•把被测转角直接转换成相应代码。位移测量182009-04-29绝对式接触式编码器演示4个电刷4位二进制码盘+5V输入公共码道最小分辨角度为α=360°/2n位移测量192009-04-29循环码盘•任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化。•二进制右移一位后舍去末位，不进位加法⎩⎨⎧⊕==−111iiiCCRCR位移测量202009-04-29带判位光电装置的循环码盘•最低位即最外侧码道上增加一圈信号位。其位置正好与状态交线错开，信号位处的光电元件有信号才能读数，不会产生非单值性误差。位移测量212009-04-29编码器在定位加工中的应用1—绝对式编码器2—电动机3—转轴4—转盘5—工件6—刀具位移测量222009-04-2911.4磁尺11.4.1磁尺和磁头•磁栅随位移而移动（或转动）并用磁头读取（感应)。•制作简单，安装调整方便，对环境要求较低。磁尺静态磁头去信号处理电路固定孔位移测量232009-04-29(2)磁头•动态磁头即速度磁头,只有一个绕组,移动时才有信号。•静态磁头即磁通响应型磁头,有励磁绕组,拾磁绕组。位移测量242009-04-29磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺磁头安装在何处？位移测量252009-04-2911.5激光高相干性。相干波是指两个相同振动方向、相同频率和相位差固定的波。受激辐射光,相干。高方向性。发散角很小。可以集中向特定的方向发射。高单色性。谱线宽度很窄。氦氖激光器，波长λ=632.8nm，谱线宽度Δλ10-8nm。高亮度。光能在空间高度集中，所以有效功率和照度特别高。因此，激光广泛应用于长距离，高精度的位移测量。特性：位移测量262009-04-29应用激光测距激光检测车体外形激光传感器在室内监控中的应用位移测量272009-04-2911.5.1激光干涉法测距原理分光镜A处汇合成相干光束。若S1和S2的路程差为Nλ(λ为波长，N为零或正整数)，合成光的振幅是两个分振幅之和，为λ/2(或半波长的奇数倍)时，合成光的振幅和为零。•相干激光束产生明暗相间的干涉条纹，由光电元件转换为电信号，处理后由计数器计数，检测位移。位移测量282009-04-29激光干涉仪组成：激光管，稳频器，光学干涉部分，光电接受元件，计数器，数字显示器。双频激光干涉仪：利用光的干涉原理和多普勒效应（振源相对运动而发生的频率变化的现象）产生频差的原理来进行位移测量。位移测量292009-04-29•可动棱镜M4的移动速度fvΔ=2λ•移动距离NtfvdtLtt2d200λλ=Δ==∫∫记录的脉冲数波长位移测量302009-04-2911.6位移测量应用实例11.6.1回转轴径向运动误差的测量回转轴运动误差是指在回转过程中回转轴线偏离理想位置而出现的附加运动。回转轴上任何一点发生与轴线平行的移动——端面运动误差和在垂直于轴线的平面内的移动——径向运动误差端面运动误差因测量点所在半径位置不同而异，径向运动误差则因测量点所在的轴向位置不同而异。所以在讨论运动误差时，应指明测量点的位置。位移测量312009-04-29径向运动误差的常用测量方法参考坐标选在轴承支承孔上。运动误差表示回转过程中回转轴线对于支承孔的相对位移，它主要反映轴承的回转品质。双向测量法：两只位移传感器分别检测径向运动误差在x、y方向的分量。任何时刻两分量的矢量和就是该时刻径向运动误差矢量。单向测量法：只测量某个方向上的分量（例如分析机床主轴的运动误差对加工形状的影响），一只位移传感器置于该方向。位移测量322009-04-2911.6.2厚度测量①X射线测厚仪对于窄束入射线，在其穿透被测材料后，射线强度式中I0⎯⎯入射射线强度；μ⎯⎯吸收系数；h⎯⎯被测材料的厚度。heIIμ−=0(1)非接触式测厚仪(射线测厚仪）)位移测量332009-04-29穿透式测厚仪位移测量342009-04-29②γ射线测厚仪特点：•射线源稳定，但难以实现高辐射剂量；•能量稳定，比X射线更高；•使用要经过有关部门许可；•作为射线源比X射线价廉。•分为镅测厚仪和铯测厚仪。位移测量352009-04-29(2)接触式测厚仪•为增强位移传感器测量头时的耐磨性,一般采用金钢石接触测量。位移测量362009-04-29位移测量372009-04-29习题对于一个6位普通二进制编码盘，基准标志设于零位。被测量的角位移为75°，码盘输出的二进制数是多少？其对应的循环码是多少？解：量化单位为被测量包含的量化单位数：75/5.625≈13于是，二进制码为001101转换成循环码：625.52/3606==q00101100110001101⊕