7-位移的测量概述.ppt
模块七模块七 位移的测量位移的测量位移测量从被测量来的角度可分为线位位移测量从被测量来的角度可分为线位移测量和角位移测量；从测量参数特性的角移测量和角位移测量；从测量参数特性的角度可分为静态位移测量和动态位移测量。许度可分为静态位移测量和动态位移测量。许多动态参数，如力、扭矩、速度、加速度等多动态参数，如力、扭矩、速度、加速度等都是以位移测量为基础的。都是以位移测量为基础的。自动化生产与工程自动控制中经常需要自动化生产与工程自动控制中经常需要测量位移。测量时应当根据不同的测量对象测量位移。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，其中位选择测量点、测量方向和测量系统，其中位移传感器精度起重要作用。移传感器精度起重要作用。2023/2/282023/2/28 模块七模块七 位移的测量位移的测量课题一课题一 位移传感器位移传感器课题二课题二 差动变压器式位移传感器差动变压器式位移传感器课题三课题三 电涡流式位移传感器电涡流式位移传感器课题四课题四 光栅式位移传感器光栅式位移传感器2023/2/28课题一课题一 位移传感器位移传感器传统发动机节气门（油门）操纵机构是通传统发动机节气门（油门）操纵机构是通过拉索（软钢丝）或者拉杆，一端联接油门踏过拉索（软钢丝）或者拉杆，一端联接油门踏板（加速踏板），另一端连接节气门连动板而板（加速踏板），另一端连接节气门连动板而工作。这种传统油门应用范畴受到限制并缺乏工作。这种传统油门应用范畴受到限制并缺乏精确性。精确性。在现代汽车控制中，采用电子油门控制踏在现代汽车控制中，采用电子油门控制踏板位移量就能控制可燃混合气的流量，改变发板位移量就能控制可燃混合气的流量，改变发动机的转速和功率，以适应汽车行驶的需要。动机的转速和功率，以适应汽车行驶的需要。2023/2/28任务导入任务导入2023/2/28 电子油门的核心是位移传感器。位移电子油门的核心是位移传感器。位移传感器的输出控制一只微型电机，电机可传感器的输出控制一只微型电机，电机可驱动节气门开度，即可控制油门的大小。驱动节气门开度，即可控制油门的大小。电位计式位移传感器为电子油门控制电位计式位移传感器为电子油门控制器中的常用传感器。那么电位计式位移传器中的常用传感器。那么电位计式位移传感器的工作原理是什么？其结构、特点、感器的工作原理是什么？其结构、特点、适用场所如何？这就是我们本课题的任务适用场所如何？这就是我们本课题的任务目标。目标。2023/2/282023/2/28 知识点了解位移传感器的基本工作原理掌握位移传感器的基本测量方法 技能点掌握位移传感器的一般测量方法电位器式传感器是将非电量如力、位移、电位器式传感器是将非电量如力、位移、速度和加速度等的变化量变换成有一定关系的速度和加速度等的变化量变换成有一定关系的电阻值的变化，再通过对电阻值的测量达到对电阻值的变化，再通过对电阻值的测量达到对上述非电量测量的目的。上述非电量测量的目的。电位计电位计(器器)式电阻传感器又分为式电阻传感器又分为线绕式线绕式和和非线绕式非线绕式两种，两种，它们主要用于非电量变化较大它们主要用于非电量变化较大的测量场合，如线位移、角位移等的测量场合，如线位移、角位移等。2023/2/28相关知识相关知识一、线绕电位器结构和工作原理2023/2/28若线绕电位器的绕线的截面积均匀，则若线绕电位器的绕线的截面积均匀，则R R变变化均匀化均匀 (线性线性)。U1U1为工作电压，为工作电压，U0U0为负载电阻为负载电阻RLRL两端的输出电压。两端的输出电压。X X为线绕电位器电刷移动的为线绕电位器电刷移动的长度，长度，L L为其总长度，对应于电刷移动量为其总长度，对应于电刷移动量X X的电的电阻值阻值R xR x为为 输出电压为输出电压为2023/2/28 1.阶梯特性阶梯特性 当电刷在变阻器的线圈上移动时，电位器的阻当电刷在变阻器的线圈上移动时，电位器的阻值随电刷从一圈移动到另一圈，输出电压值随电刷从一圈移动到另一圈，输出电压U0不连续不连续变化，而是跳跃式地变化。电刷每移动一匝线圈使变化，而是跳跃式地变化。电刷每移动一匝线圈使输出电压产生一次跳跃，移动输出电压产生一次跳跃，移动n匝，则使输出电压匝，则使输出电压产生产生n次电压阶跃。次电压阶跃。当电刷从当电刷从n一一1匝移至匝移至n匝时，电刷瞬间使两相邻匝时，电刷瞬间使两相邻匝线短接，使每一个电压阶跃中产生一次小阶跃，匝线短接，使每一个电压阶跃中产生一次小阶跃，所以线绕电位器输出是阶梯特性。工程上总是将真所以线绕电位器输出是阶梯特性。工程上总是将真实输出特性理想化为阶梯状特性曲线或近似为直线。实输出特性理想化为阶梯状特性曲线或近似为直线。2023/2/28二、线绕电位器传感器的输出特性2023/2/28 2.电压分辨率电压分辨率 线绕电位器的电压分辨率，是在电刷线绕电位器的电压分辨率，是在电刷行程内电位计输出电压阶梯的最大值与最行程内电位计输出电压阶梯的最大值与最大输出电压之比的百分数。对于具有理想大输出电压之比的百分数。对于具有理想阶梯特性的线绕电位计，其理论的电压分阶梯特性的线绕电位计，其理论的电压分辨率为辨率为 由上式可以看出，线绕电位器的匝数由上式可以看出，线绕电位器的匝数越多，其分辨率越高。越多，其分辨率越高。2023/2/283.测量误差测量误差阶梯特性曲线围绕理论特性直线上下波阶梯特性曲线围绕理论特性直线上下波动，产生的偏差称为阶梯误差。电位器的阶动，产生的偏差称为阶梯误差。电位器的阶梯误差梯误差ej通常用理想阶梯特性曲线对理论特通常用理想阶梯特性曲线对理论特性曲线的最大偏差值与最大输出电压值之比性曲线的最大偏差值与最大输出电压值之比的百分数表示。电位器阶梯误差为的百分数表示。电位器阶梯误差为2023/2/284.测量方法测量方法线绕式电位计是通过电阻百分比来分配线绕式电位计是通过电阻百分比来分配外加电源的电压，因此输出要注意阻抗的匹外加电源的电压，因此输出要注意阻抗的匹配。配。线绕电位器具有精度高、性能稳定、线线绕电位器具有精度高、性能稳定、线性好等优点，但分辨率低、耐磨性差、寿命性好等优点，但分辨率低、耐磨性差、寿命短。因此，可以使用一些非线绕式电位器。短。因此，可以使用一些非线绕式电位器。2023/2/28按照材料的不同，除了线绕式电位器外还按照材料的不同，除了线绕式电位器外还有以下三类常见的电位器：有以下三类常见的电位器：1、膜式电位器、膜式电位器膜式电位器通常分碳膜电位器和金属膜电膜式电位器通常分碳膜电位器和金属膜电位器。位器。碳膜电位器碳膜电位器是在绝缘骨架表面涂一层均是在绝缘骨架表面涂一层均匀电阻液，烘干聚合后形成电阻膜。优点是分匀电阻液，烘干聚合后形成电阻膜。优点是分辨率高、耐磨性好、工艺简单、低成本，但接辨率高、耐磨性好、工艺简单、低成本，但接触电阻大。触电阻大。金属膜电位器金属膜电位器是在玻璃等绝缘基体是在玻璃等绝缘基体上喷涂一层铂铑、铂铜合金金属膜制成。这种上喷涂一层铂铑、铂铜合金金属膜制成。这种电位器温度系数小，适合高温工作，但功率小电位器温度系数小，适合高温工作，但功率小较、耐磨性差、阻值小。较、耐磨性差、阻值小。三、非线绕式电位器2023/2/28.导电塑料电位器导电塑料电位器又称有机实心电位器。采用塑料和导电又称有机实心电位器。采用塑料和导电材料（石墨、金属合金粉末等）混合模压而材料（石墨、金属合金粉末等）混合模压而成。特点是分辨率高、使用寿命长、旋转力成。特点是分辨率高、使用寿命长、旋转力矩小、功率大。缺点是接触电阻大、耐热、矩小、功率大。缺点是接触电阻大、耐热、耐湿性能差。耐湿性能差。2023/2/28.光电电位器光电电位器光电电位器是非接触电位器，采用光束光电电位器是非接触电位器，采用光束代替电刷。光束在电阻带、光电导层上移动代替电刷。光束在电阻带、光电导层上移动时，光电导层受到光束激发，使电阻带和集时，光电导层受到光束激发，使电阻带和集电带导通，在负载电阻两端便有电压输出。电带导通，在负载电阻两端便有电压输出。光电电位器特点是阻值范围宽光电电位器特点是阻值范围宽(50015M)、无磨损、寿命长、分辨率高。缺点、无磨损、寿命长、分辨率高。缺点是不能输出大电流，测量电路复杂。是不能输出大电流，测量电路复杂。2023/2/28电位器式传感器主要用来测量直线位移电位器式传感器主要用来测量直线位移和角位移。和弹性元件相结合也可以测量压和角位移。和弹性元件相结合也可以测量压力、力、加速度等量。力、力、加速度等量。2023/2/28四、电位器式传感器电子油门控制系统主要由油门踏板、踏板电子油门控制系统主要由油门踏板、踏板电位计角位移传感器、电位计角位移传感器、ECU（电控单元）、数（电控单元）、数据总线、伺服电动机和节气门执行机构组成。据总线、伺服电动机和节气门执行机构组成。位移传感器安装在油门踏板内部，随时监测油位移传感器安装在油门踏板内部，随时监测油门踏板的位置。门踏板的位置。2023/2/28任务实施任务实施当监测到油门踏板高度位置有变化，会当监测到油门踏板高度位置有变化，会瞬间将此信息送往瞬间将此信息送往ECU，ECU对该信息和其对该信息和其它系统传来的数据信息进行运算处理，计算它系统传来的数据信息进行运算处理，计算出一个控制信号，通过线路送到伺服电动机出一个控制信号，通过线路送到伺服电动机继电器，伺服电动机驱动节气门执行机构。继电器，伺服电动机驱动节气门执行机构。由于电子油门系统是通过由于电子油门系统是通过ECU来调整节来调整节气门的，因此电子油门系统可以设置各种功气门的，因此电子油门系统可以设置各种功能来改善驾驶的安全性、舒适性、油耗及尾能来改善驾驶的安全性、舒适性、油耗及尾气排放质量。气排放质量。2023/2/28课题二差动变压器式位移传感器课题二差动变压器式位移传感器有的机械零件尺寸需要精确测量，并根有的机械零件尺寸需要精确测量，并根据测量误差进行分拣。轴的外径测量就是其据测量误差进行分拣。轴的外径测量就是其中一种，需要根据形状精度自动检测。中一种，需要根据形状精度自动检测。2023/2/28在自动检测系统中，在自动检测系统中，往往要用到差动变压器式往往要用到差动变压器式位移传感器进行测量，测位移传感器进行测量，测量精度较高，检测范围一量精度较高，检测范围一般是般是0100mm。任务导入任务导入2023/2/28在机械零件的几在机械零件的几何形状精度检测时，何形状精度检测时，我们常常选择差动变我们常常选择差动变压器式位移传感器。压器式位移传感器。差动变压器式位差动变压器式位移传感器的工作原理移传感器的工作原理是什么？其结构、特是什么？其结构、特点如何？这就是我们点如何？这就是我们本课题的任务目标。本课题的任务目标。2023/2/28 知识点了解差动变压器式传感器的工作原理了解差动变压器式传感器的性能特点及其适用场合 技能点掌握差动变压器式传感器的使用、测 量方法差动变压器是利差动变压器是利用电磁感应原理进行用电磁感应原理进行测量的。它从原理上测量的。它从原理上讲是一个变压器，利讲是一个变压器，利用线圈的互感作用把用线圈的互感作用把被测位移量转换为感被测位移量转换为感应电势的变化。由于应电势的变化。由于这种传感器常常做成这种传感器常常做成差动的形式，所以称差动的形式，所以称为差动变压器。为差动变压器。2023/2/28相关知识相关知识2023/2/28差动变压器式传感器是由一个可动铁芯差动变压器式传感器是由一个可动铁芯1、初级线圈、初级线圈2和次级线圈和次级线圈3和和4组成的变压器。组成的变压器。次级线圈次级线圈3和和4反极性串联，接成差动形式。反极性串联，接成差动形式。一、差动变压器式位移传感器原理差动变压器工作在理想情况下，差动变压器工作在理想情况下，等效电路等效电路如下图。如下图。U1为初级线圈激励电压；为初级线圈激励电压；M1、M2分分别为初级、次线圈间的互感，别为初级、次线圈间的互感，L1、R1为初级线为初级线圈的电感和有效电阻；圈的电感和有效电阻；L21、L22、R21、R22分别分别为两个次级线圈的电感有交电阻。为两个次级线圈的电感有交电阻。2023/2/282023/2/28 当初级线圈加上交流电压当初级线圈加上交流电压U1时，在次级时，在次级线圈分别产生感应电压线圈分别产生感应电压E21和和E22，则输出电，则输出电压压E2E21E22。当两个次级线圈完全一致，铁芯位于中当两个次级线圈完全一致，铁芯位于中间时，输出电压为间时，输出电压为0。主、次绕组间的耦合会随衔铁的移动而主、次绕组间的耦合会随衔铁的移动而变化。当铁芯向上运动时，互感变化。当铁芯向上运动时，互感M1大，大，M2小，小，E21 E22；当铁心向下运动时，互感；当铁心向下运动时，互感M1小，小，M2大，大，E21lMHz)激励电流激励电流产生的高频磁场作用于金产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流较浅。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作电流较浅。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感用于线圈，引起线圈自感L L或阻抗或阻抗Z ZL L的变化。通过测的变化。通过测量电路转换电压输出。量电路转换电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。高频反射式涡流传感器看进行无损探伤。高频反射式涡流传感器看进行无损探伤。三、高频反射式电涡流传感器2023/2/28四、低频透射式电涡流传感器2023/2/28 发发射射线线圈圈L1和和接接收收线线圈圈L2分分置置于于被被测测金金属属板板的的上上下下方方。由由于于低低频频磁磁场场集集肤肤效效应应小小，渗渗透透深深，当当低低频频(音音频频范范围围)电电压压u u1 1加加到到线线圈圈L L1 1的的两两端端后后，所所产产生生磁磁力力线线的的一一部部分分透透过过金金属属板板,使使线线圈圈L L2 2产产生生感感应应电电动动势势u u2 2。由由于于涡涡流流消消耗耗部部分分磁磁场场能能量量，使使感感应应电电动动势势u u2 2减减少少，当当金金属属板板越越厚厚时时，损损耗耗的的能能量量越越大大，输输出出电电动动势势u u2 2越越小小。因因此此，u u2 2的的大大小小与与金金属属板板的的厚厚度度及及材材料料的的性性质质有有关关。试试验验表表明明u u2 2随随材材料料厚厚度度h h的的增增加加按按负负指指数数规规律律减减少少,因因此此，若若金金属属板板材材料料性性质质一一定定，则利用则利用u u2 2的变化即可测厚度。的变化即可测厚度。2023/2/28 测量厚度时，激励频率应选得较低。频率测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利于进行厚太高，贯穿深度小于被测厚度，不利于进行厚度测量，通常选度测量，通常选激励激励频频率率为为1kHz左右左右。测薄金属板时，频率一般应略高些，测厚测薄金属板时，频率一般应略高些，测厚金属板时，频率应低些。在测量电阻率金属板时，频率应低些。在测量电阻率较小的较小的材料时，应选较低的频率（如材料时，应选较低的频率（如500Hz），测量），测量较大的材料时，应选用较高的频率（如较大的材料时，应选用较高的频率（如2kHz），），从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。和灵敏度。2023/2/28五、电涡流传感器的转换电路 电涡流传感器转换电路的作用就是将电涡流传感器转换电路的作用就是将Z、L或或Q转换为电压或电流的变化。阻抗转换为电压或电流的变化。阻抗Z的转的转换电路一般用电桥，电感换电路一般用电桥，电感L的转换电路一般的转换电路一般用谐振电路，又可以分为用谐振电路，又可以分为调幅法调幅法和和调频法调频法两两种。种。2023/2/281.交流电桥交流电桥 将传感器线圈的阻抗变化转化为电压或电流的变化。图中L1、L2是两个差动传感器线圈，它们与电容C1、C2的并联阻抗Z1、Z2作为电桥的两个桥臂.U0交流电桥测量电路L1振荡器R1R2C2C1L2检波检波放大放大2023/2/282.调幅式电路 调幅式测量电路原理框图晶体振荡器LC输出放大检波滤波R 涡流传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回路，由恒流源石英晶体振荡器供电。没有被测物体时，并联谐振回路的谐振频率等于激励振荡器的频率f0，此时LC并联回路呈现阻抗最大。谐振回路上输出电压U0为：U0=I0Z 2023/2/28 电桥法电桥法 定频电路测量原理定频电路测量原理 调频电路原理调频电路原理2023/2/28 通过测量金属被测体与探头端面的相对通过测量金属被测体与探头端面的相对位置、电涡流位移传感器感应并处理成相应位置、电涡流位移传感器感应并处理成相应的电信号输出。传感器可长期可靠工作、灵的电信号输出。传感器可长期可靠工作、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响，在大型旋速度快、不受油水等介质的影响，在大型旋转机械的轴位移、轴振动、轴转速等参数进转机械的轴位移、轴振动、轴转速等参数进行长期实时监行长期实时监 测中被广泛应用。测中被广泛应用。2023/2/28六、电涡流位移传感器的应用范围 位移测量位移测量振幅测量振幅测量转速测量转速测量2023/2/282023/2/28电涡流的应用电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到在我们日常生活中经常可以遇到 干净、干净、高效的高效的 电磁炉电磁炉2023/2/28电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈2023/2/28电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理 高频电流高频电流通过励磁线通过励磁线圈，产生交圈，产生交变磁场，在变磁场，在铁质锅底会铁质锅底会产生无数的产生无数的电涡流，使电涡流，使锅底自行发锅底自行发热，烧开锅热，烧开锅内内 的食物。的食物。2023/2/28大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器 2023/2/282023/2/282023/2/282023/2/282023/2/282023/2/28电涡流传感器测量时的安装要求电涡流传感器测量时的安装要求 2023/2/282023/2/282023/2/28 1.被测表面应该光洁、平整，不应该存被测表面应该光洁、平整，不应该存在刻痕、凸台、凹槽等缺陷。在刻痕、凸台、凹槽等缺陷。2.传感器系统应采用非导磁或弱导磁材传感器系统应采用非导磁或弱导磁材料制作，传感器灵敏度要高。料制作，传感器灵敏度要高。3.当被测体表面镀层时，传感器应按镀当被测体表面镀层时，传感器应按镀层材料重新校准层材料重新校准。4.使用时应注意，高频同轴电缆的频率使用时应注意，高频同轴电缆的频率衰减、温度特性、阻抗、长度等都将影响传衰减、温度特性、阻抗、长度等都将影响传感器的性能。感器的性能。5.在工程应用中应该尽量使涡流传感器在工程应用中应该尽量使涡流传感器远离交变磁场的作用范围，或采取磁场屏蔽远离交变磁场的作用范围，或采取磁场屏蔽措施使产生的影响最小。措施使产生的影响最小。2023/2/28七、电涡流传感器使用注意事项任务实施任务实施 测量轴的轴向位移时，测量面应该与轴成测量轴的轴向位移时，测量面应该与轴成为一个整体，这个测量面是以探头中心线为中为一个整体，这个测量面是以探头中心线为中心，宽度为心，宽度为1.5 倍探头头部直径的圆环（在停倍探头头部直径的圆环（在停机时，探头只对正了这个圆环一部分，机器启机时，探头只对正了这个圆环一部分，机器启动后，整个圆环都会动后，整个圆环都会变成为被测面），整变成为被测面），整个被测面应该满足被个被测面应该满足被测面的要求。测面的要求。2023/2/28 在停机时安装传感器探头，由于轴通常在停机时安装传感器探头，由于轴通常都会移向工作推力的反方向，因而探头的都会移向工作推力的反方向，因而探头的安装间隙应该偏大，原则应保证：当机器安装间隙应该偏大，原则应保证：当机器启动后，轴处于其轴向窜动量的中心位置启动后，轴处于其轴向窜动量的中心位置时，传感器应工作在其线性工作范围的中时，传感器应工作在其线性工作范围的中点。点。2023/2/28课题四光栅式位移传感器课题四光栅式位移传感器 无论是先进的数控无论是先进的数控机床，还是旧机床的改机床，还是旧机床的改造，都需要精确测量位造，都需要精确测量位移、长度、零件尺寸。移、长度、零件尺寸。在机电一体化设备中常在机电一体化设备中常常将常将光栅数显测量系统光栅数显测量系统作为各种长度计量仪器作为各种长度计量仪器的重要配件，是用微电的重要配件，是用微电子技术改造传统工业的子技术改造传统工业的方向之一。方向之一。2023/2/28任务导入任务导入2023/2/28 那么光栅式位移传感器的工作原理是什那么光栅式位移传感器的工作原理是什么？其结构、特点如何？这就是我们本课题么？其结构、特点如何？这就是我们本课题的任务目标。的任务目标。由于光栅数显测由于光栅数显测量系统具有精度高，量系统具有精度高，安装及操作容易，价安装及操作容易，价格低，回收投资快等格低，回收投资快等优点而得到大量使用。优点而得到大量使用。2023/2/28 知识点了解光栅式位移传感器的工作原理了解光栅式位移传感器的性能特点及其适用场合 技能点掌握光栅式位移传感器的使用、测量方法一、光栅式位移传感器2023/2/28相关知识相关知识代表性产品：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1nm2023/2/28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：分辨力：0.01 m精精 度：度：2 m2023/2/28 在玻璃基体上刻有均匀分布细小条纹，在玻璃基体上刻有均匀分布细小条纹，这些条纹黑白相间、间隔相同，没有刻划的这些条纹黑白相间、间隔相同，没有刻划的白的地方透光，刻划的发黑，不透光白的地方透光，刻划的发黑，不透光,这就这就是光栅是光栅。2023/2/28二、光栅式位移传感器工作原理2023/2/28 将栅距相同的两块光栅的刻线面相对重将栅距相同的两块光栅的刻线面相对重叠在一起，并且使二者栅线有很小的交角叠在一起，并且使二者栅线有很小的交角，这样就可以看到在近似垂直栅线方向上出现这样就可以看到在近似垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。称为莫尔条纹。当光栅付中任一光栅沿垂直于刻线方向移当光栅付中任一光栅沿垂直于刻线方向移动时，莫尔条纹就会沿近似垂直于光栅移动的动时，莫尔条纹就会沿近似垂直于光栅移动的方向上下运动。这样就把对光栅栅距的测量转方向上下运动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量，莫尔条纹具有光换为对莫尔条纹个数的测量，莫尔条纹具有光学放大作用。学放大作用。当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹就移动一个当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹就移动一个条纹间隔条纹间隔 B：当光栅改变运动方向时，莫尔条纹也随之改当光栅改变运动方向时，莫尔条纹也随之改变运动方向，两者具有相对应的关系。因此可变运动方向，两者具有相对应的关系。因此可以通过测量莫尔条纹的运动来判别光栅的运动。以通过测量莫尔条纹的运动来判别光栅的运动。2023/2/282023/2/28 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时的通过光电元件，可将莫尔条纹移动时的明暗强弱变化转换为电量输出，明暗强弱变化转换为电量输出，光强的变光强的变化近似正弦变化的电信号，如图所示。化近似正弦变化的电信号，如图所示。其电压为：其电压为：其电压为：其电压为：三、光栅传感器的结构 通常光栅传感器是由通常光栅传感器是由光源光源、透镜透镜、标尺、标尺光栅、指示光栅、指示光栅光栅和和光电接收元件光电接收元件组成。组成。在测量时，一般指示光栅固定不动，标尺光栅随测在测量时，一般指示光栅固定不动，标尺光栅随测量工作台量工作台(或主轴或主轴)一起移动。但在一起移动。但在使用长光栅尺使用长光栅尺的数控的数控机床中，标尺光栅往往固定在床身上不动，而指示光栅机床中，标尺光栅往往固定在床身上不动，而指示光栅随拖板一起移动。标尺光栅的尺寸常由测量范围确定，随拖板一起移动。标尺光栅的尺寸常由测量范围确定，指示光栅则为一小块，只要能满足测量所需的莫尔条纹指示光栅则为一小块，只要能满足测量所需的莫尔条纹数量即可。数量即可。2023/2/28 光栅线位移传感器的安装比较灵活，可安光栅线位移传感器的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位。一般将主尺（标尺）装在机床的不同部位。一般将主尺（标尺）安装在机床的工作台（滑板）上，随机床走安装在机床的工作台（滑板）上，随机床走刀而动，读数头固定在床身上。必须注意切刀而动，读数头固定在床身上。必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。尽可能使读屑、切削液及油液的溅落方向。尽可能使读数头安装在主尺的下方。如果由于安装位置数头安装在主尺的下方。如果由于安装位置限制必须采用读数头朝上的方式安装时，则限制必须采用读数头朝上的方式安装时，则必须增加辅助密封装置。必须增加辅助密封装置。2023/2/28四、四、光栅线位移传感器光栅线位移传感器安装方式安装方式 1.安装基面安装基面 安装光栅安装光栅 线位移传感器时，不能直接将传线位移传感器时，不能直接将传感器安装在粗糙不平的机床身上，更不能安感器安装在粗糙不平的机床身上，更不能安装在打底涂漆的机床身上。光栅主尺及读数装在打底涂漆的机床身上。光栅主尺及读数头分别安装在机床相对运动的两个部件，用头分别安装在机床相对运动的两个部件，用千分表检查机床工作台的主尺安装面与导轨千分表检查机床工作台的主尺安装面与导轨运动的方向平行度，要求达到平行度为运动的方向平行度，要求达到平行度为0.1mm/1000mm以内。如果不能达到这个要以内。如果不能达到这个要求，则需设计加工一件光栅尺基座。求，则需设计加工一件光栅尺基座。2023/2/28 2.主尺安装主尺安装 将光栅主尺用螺钉上在机床安装的工作台安装面将光栅主尺用螺钉上在机床安装的工作台安装面上，但不要上紧，把千分表固定在床身上，移动工上，但不要上紧，把千分表固定在床身上，移动工作台（主尺与工作台同时移动）。用千分表测量主作台（主尺与工作台同时移动）。用千分表测量主尺平面与机床导轨运动方向的平行度，调整主尺螺尺平面与机床导轨运动方向的平行度，调整主尺螺钉位置，使主尺平行度满足钉位置，使主尺平行度满足0.1mm/1000mm以内时，以内时，再把螺钉彻底上紧。在安装光栅主尺时，应注意如再把螺钉彻底上紧。在安装光栅主尺时，应注意如下三点：下三点：（1）在装主尺时，如安装超过在装主尺时，如安装超过1.5M以上的光栅以上的光栅时，不能象桥梁式只安装两端头，尚需在整个主尺时，不能象桥梁式只安装两端头，尚需在整个主尺尺身中有支撑。尺身中有支撑。（2）在有基座情况下安装好后，最好用一个卡在有基座情况下安装好后，最好用一个卡子卡住尺身中点（或几点）。子卡住尺身中点（或几点）。（3）不能安装卡子时，最好用玻璃胶粘住光栅不能安装卡子时，最好用玻璃胶粘住光栅尺身，使基尺与主尺固定好。尺身，使基尺与主尺固定好。2023/2/28 3.读数头的安装读数头的安装 安装读数头安装读数头，首先应保证读数头的基面达，首先应保证读数头的基面达到安装要求，然后再安装读数头，其安装方到安装要求，然后再安装读数头，其安装方法与主尺相似。最后调整读数头，使读数头法与主尺相似。最后调整读数头，使读数头与光栅主尺平行度保证在与光栅主尺平行度保证在0.1mm之内，其读之内，其读数头与主尺的间隙控制在数头与主尺的间隙控制在11.5mm以内。以内。4.限位装置限位装置 光栅线位移传感器全部安装完以后，一定光栅线位移传感器全部安装完以后，一定要在机床导轨上安装限位装置，以免机床加要在机床导轨上安装限位装置，以免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺。另外，用户在选购光栅线位移损坏光栅尺。另外，用户在选购光栅线位移传感器时，应尽量选用超出机床加工尺寸传感器时，应尽量选用超出机床加工尺寸100mm左右的光栅尺，以留有余量。左右的光栅尺，以留有余量。2023/2/28 5.检查检查 光栅线位移传感器安装完毕后，可接通数光栅线位移传感器安装完毕后，可接通数显表，移动工作台，观察数显表计数是否正显表，移动工作台，观察数显表计数是否正常常。在机床上选取一个参考位置，来回移动工在机床上选取一个参考位置，来回移动工作点至该选取的位置。数显表读数应相同作点至该选取的位置。数显表读数应相同（或回零）。另外也可使用千分表（或百分（或回零）。另外也可使用千分表（或百分表），使千分表与数显表同时调至零（或记表），使千分表与数显表同时调至零（或记忆起始数据），往返多次后回到初始位置，忆起始数据），往返多次后回到初始位置，观察数显表与千分表的数据是否一致。观察数显表与千分表的数据是否一致。对于一般的机床加工环境来讲，铁屑、切对于一般的机床加工环境来讲，铁屑、切削液及油污较多。光栅传感器应附带加装护削液及油污较多。光栅传感器应附带加装护罩，护罩通常采用橡皮密封，使其具备一定罩，护罩通常采用橡皮密封，使其具备一定的防水防油能力。的防水防油能力。2023/2/28 光栅传感器具有安装简便，读数直观，工作稳光栅传感器具有安装简便，读数直观，工作稳定，抗干扰能力强等优点，在使用时要特别注意以下几定，抗干扰能力强等优点，在使用时要特别注意以下几点：点：（1）光栅传感器与数显表插头座插拔时应关闭电源）光栅传感器与数显表插头座插拔时应关闭电源后进行。后进行。（2）尽可能外加保护罩，并及时清理溅落在尺上的）尽可能外加保护罩，并及时清理溅落在尺上的切屑和油液，严格防止任何异物进入光栅传感器壳体内切屑和油液，严格防止任何异物进入光栅传感器壳体内部。部。（3）定期检查各安装联接螺钉是否松动。）定期检查各安装联接螺钉是否松动。（4）为延长防尘密封条的寿命，可在密封条上均匀）为延长防尘密封条的寿命，可在密封条上均匀涂上一薄层硅油，注意勿溅落在玻璃光栅刻划面上。涂上一薄层硅油，注意勿溅落在玻璃光栅刻划面上。2023/2/28五、光栅传感器使用注意事项五、光栅传感器使用注意事项 （5）为保证光栅传感器使用的可靠性，可每隔一为保证光栅传感器使用的可靠性，可每隔一定时间用乙醇混合液（各定时间用乙醇混合液（各50%）清洗擦拭光栅尺面及）清洗擦拭光栅尺面及指示光栅面，保持玻璃光栅尺面清洁。指示光栅面，保持玻璃光栅尺面清洁。（6）光栅传感器严禁剧烈震动及摔打，以免破坏光栅传感器严禁剧烈震动及摔打，以免破坏光栅尺，如光栅尺断裂，光栅传感器即失效了。光栅尺，如光栅尺断裂，光栅传感器即失效了。（7）不要自行拆开光栅传感器，更不能任意改动不要自行拆开光栅传感器，更不能任意改动主栅尺与副栅尺的相对间距，否则一方面可能破坏光主栅尺与副栅尺的相对间距，否则一方面可能破坏光栅传感器的精度；另一方面还可能造成主栅尺与副栅栅传感器的精度；另一方面还可能造成主栅尺与副栅尺的相对摩擦，损坏铬层也就损坏了栅线，以而造成尺的相对摩擦，损坏铬层也就损坏了栅线，以而造成光栅尺报废。光栅尺报废。（8）应注意防止油污及水污染光栅尺面，以免破应注意防止油污及水污染光栅尺面，以免破坏光栅尺线条纹分布，引起测量误差。坏光栅尺线条纹分布，引起测量误差。（9）光栅传感器应尽量避免在有严重腐蚀作用的光栅传感器应尽量避免在有严重腐蚀作用的环境中工作，以免腐蚀光栅铬层及光栅尺表面，破坏环境中工作，以免腐蚀光栅铬层及光栅尺表面，破坏光栅尺质量。光栅尺质量。2023/2/28数控机床的光栅测量系统原理图如所示数控机床的光栅测量系统原理图如所示 2023/2/28位移传感器的选择原则位移传感器的选择原则 在进行测量工作时首先要解决的问题是：在进行测量工作时首先要解决的问题是：根据具体的测量目标、测量对象以及测量环境根据具体的测量目标、测量对象以及测量环境合理地选用位移传感器。合理地选用位移传感器。选用位移传感器应主要考虑的问题：选用位移传感器应主要考虑的问题：1、线性精密度、线性精密度;2、产品使用的寿命、产品使用的寿命;3、重复和耐用性、重复和耐用性;4、价格、价格;5、高速应用场合还有一些指标需要考虑：、高速应用场合还有一些指标需要考虑：低扭矩，抗冲击和震动性能。低扭矩，抗冲击和震动性能。2023/2/28
