第6章位移传感器

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《传感器与检测技术》高教(4版) 第六章

差动变压器位移计
当铁芯处于中间位置时，输出电压: UU 21 U 220
当铁芯向右移动时，则输出电压: UU 21 U 220
当铁芯向左移动时，则输出电压: UU 21 U 220
输出电压的方向反映了铁芯的运动方向，大小反映了铁芯的位移大小。
差动变压器位移计
输出特性如图所示。
差动变压器位移计
角度的精密测量。光栅的基本结构
1、光栅：光栅是在透明的玻璃上刻有大量平行等宽等距的刻线构成的，结构如图。
设其中透光的缝宽为a，不透光的缝宽为b，
一般情况下，光栅的透光缝宽等于不透光
的缝宽，即a = b。图中d = a + b 称为光
栅栅距（也称光栅节距或称光栅常数）。
光栅位移测试
2、光栅的分类
1、激光的特性
（1）方向性强
（2）单色性好
（3）亮度高
（4）相干性好
2、激光器
按激光器的工作物质可分为以下几类：（1）固体激光器：常用的有红宝石激光器、钕玻璃激光器等。
（2）气体激光器：常用的为氦氖激光器、二氧化碳激光器、一氧化碳激光器等。
激光式传感器
（3）液体激光器：液体激光器分为无机液体激光器和有机液体激光器等。
数小，对铜的热电势应尽可能小，常用材料有：铜镍合金类、铜锰合金类、镍铬丝等。 2、骨架：
对骨架材料要求形状稳定表面绝缘电阻高，有较好的散热能力。常用的有陶瓷、酚醛树脂和工程塑料等。 3、电刷：
电刷与电阻丝材料应配合恰当、接触电势小，并有一定的接触压力。这能使噪声降低。
电位器传感器
电位计式位移传感器
6.2.2 差动变压器位移计结构
1-测头； 2-轴套； 3-测杆； 4-铁芯；5-线圈架； 6-导线； 7-屏蔽筒；8-圆片弹簧；9-弹簧； 10-防尘罩

机器人技术基础课件第六章机器人传感器

物理量
电量
目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。
6.1 机器人传感器概述
6.1.1 传感器的基本概念
2、传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换部分组成
基
被测量
敏感元件
转换元件
本转换电
电信号
路
6.1 机器人传感器概述
6.2 内传感器
增量式编码器
6.2.1 位移（位置）传感器
（1）信号性质
输出信号为一串脉冲，每一个脉
冲对应一个分辨角，对脉冲进行计数N，就是对的累加，即，角位移＝N。
如：＝0.352，脉冲N＝1000，
则：
＝ 0.352×1000＝ 352
增量式编码器的信号性质
6.2 内传感器
增量式编码器
6.2 内传感器
6.2.1 位移（位置）传感器
2、光电编码器
光电编码器是角度（角速度）检测装置，通过光电转换，将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲数字量的传感器。具有体积小，精度高，工作可靠等优点，应用广泛。
编码器
6.2 内传感器
6.2.1 位移（位置）传感器
2、光电编码器
轴式
套式
电信号
二进制编码
• 满足机器人控制的要求 • 满足机器人自身安全和机器人使用者的安全性要求
6.1 机器人传感器概述
6.1.4 机器人传感器的分类
1)按被测物理量分类常见的被测物理量
机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力,力矩;
热工量:温度、热量、比热容、热流、热分布、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面、噪声

第六章-自感式传感器

L0
L10
L20
m
0W
2
mr
rc
l2 c
l2
k1
k2
m0W 2mr rc2
l2
综上所述，螺管式自感传感器的特点： ①结构简单，制造装配容易； ②由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大； ③由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰； ④由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大； ⑤要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定性。
2
3
（2）单线圈是忽略
0
以上高次项，差动式是忽略
0
以上偶次项，
因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。
*另一种形式： Π型
6 自感式传感器
6.1 工作原理 6.2 变气隙式自感传感器 6.3 变面积式自感传感器 6.4 螺线管式自感传感器 6.5 自感式传感器测量电路 6.6 自感式传感器应用举例
第6章电感式传感器
电感式传感器是建立在电磁感应基础上，利用线圈自感或互感的改变来实现测量的一种装置。它可对直线位移和角位移进行直接测量，也可通过一定的敏感元件把振动、压力、应变、流量等转换成位移量而进行测量。通常可由下列方法使线圈的电感变化：
(1)改变几何形状； (2)改变磁路的磁阻； (3)改变磁芯材料的导磁率； (4)改变一组线圈的两部分或几部分间的耦合度。
1. 交流电桥 2. 变压器电桥 3. 自感传感器的灵敏度
（一）交流电桥式测量电路
分析：
• 衔铁在初始位置时，电桥平衡
L1
L2
L0
W 2m0S 20
• 若衔铁上移，则：
1 0 ,2 0

人教版高中物理选修3-2第6章《传感器》测试题(含答案)

第6章《传感器》测试题一、单选题（每小题只有一个正确答案）1．下列关于传感器的说法正确的是（）A．话筒是一种常用的传感器，其作用是将电信号转换为声音信号B．在天黑楼道里出现声音时，楼道里的灯才亮，说明它的控制电路中只有声音传感器C．光敏电阻能够把光照强弱变化转换为电阻大小变化D．电子秤中所使用的测力装置是温度传感器2．火灾报警器使用的是( )A．光传感器 B．温度传感器 C．湿度传感器 D．气体传感器3．如图1是一种应用传感器监测轨道车运行的实验装置．在轨道某处设置监测点，当车头到达传感器瞬间和车尾离开传感器瞬间，信号发生器各发出一个脉冲信号，由记录仪记录．完成下题．假如轨道车长度为22cm，记录仪记录的信号如图2所示，则轨道车经过该监测点的速度为（）A．0.20cm/s B．2.0cm/s C．22cm/s D．220cm/s4．对于常见的可燃气体浓度的检测，现在一般用催化燃烧检测器．它的原理如下：传感器的核心为一惠斯通电桥，其中一桥臂上有催化剂，当与可燃气体接触时，可燃气体在有催化剂的电桥上燃烧，该桥臂的电阻发生明显变化，其余桥臂的电阻不变化，从而引起整个电路的输出发生变化，而该变化与可燃气体的浓度成比例，从而实现对可燃气体的检测．由此可推断有催化剂的桥臂上的电阻材料为( )A．铜 B．合金 C．半导体 D．绝缘体5．在地震救援中，救援队员用多种生命探测仪搜寻废墟下幸存者的具有生命迹象的信息．有一种生命探测仪与自动门、电视机遥控器应用的是同一种类型的传感器，这种生命探测仪应用的传感器是（）A．温度传感器 B．声音传感器 C．红外线传感器 D．压力传感器6．如图所示，R T为负温度系数的热敏电阻，R为定值电阻，若往R T上擦些酒精，在环境温度不变的情况下，关于电压表示数的变化情况，下列说法中正确的是( )A．变大 B．变小 C．先变大后变小再不变 D．先变小后变大再不变7．下列说法中不正确的是（）A．摄像机实际上是一种将光信号转变为电信号的装置B．电视机实际上是一种将电信号转变为光信号的装置C．电视机接收的画面是连续的D．摄像机在1s内要送出25张画面8．图甲是在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图，箱内的电阻R1="20" kΩ,R2 ="10" kΩ,R3="40" kΩ,R t为热敏电阻，它的电阻随温度变化的图线如图乙所示．当a、b端电压U ab ≤ 0时，电压鉴别器会令开关S接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度升高；当a、b端电压U ab>0时，电压鉴别器会令开关S断开，停止加热，则恒温箱内的温度可保持在（）A．10℃ B．20℃ C．35℃ D．45℃9．半导体指纹传感器是在一块半导体基板上阵列了10万个金属颗粒，传感器阵列的每一点是一个金属电极，充当电容器的一极，其外面是绝缘的表面，手指贴在其上与其构成了电容器的另一极。

传感器技术及其应用第2版教学课件ppt作者陈黎敏传感器技术答案（2）

《传感器技术及其应用》第2版答案第1章1. 答：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。

2. 答：传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种：一种是按被测输入量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。

前者的优点是便于使用者根据用途选用，后者的优点是对传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者对传感器的深入研究分析。

3. 答：传感器测量静态量时表现的输入、输出量的对应关系为静态特性，常用的静态特性技术指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、漂移等。

4.答：传感器的灵敏度k=dyyx=6x+35. 答：产生误差的原因有：测量方法的近似、仪表本身的精度限制、测量人员的习惯、外界环境因素影响等多种原因，有的是有规律可循，有的是随机产生的，因此测量误差也可分为系统误差、随机误差和粗大误差。

6. 答：绝对误差Δt=±800−−200×0.5%=±5℃相对误差γ=±5500×100%=±1%7. 相对误差γ1=±5300−−200=±1%γ2=±5800−0=±0.625%答：因为γ1>γ2所以测量范围为0~800℃的仪表精度高8. 相对误差γ1=±600×2.5%500=±3%>2.5%γ2=± 600×2.0% 500=±2.4%<2.5% γ3=± 600×1.5% 500=±1.8%<2.5% 答：可见2.0级与1.5级都能满足测量误差要求，考虑性价比建议选择2.0级，若只需考虑测量精度则选择1.5级。

《传感器》习题答案

第一章思考题与习题1、什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？答：输入量为常量或变化很慢情况下，输出与输入两者之间的关系称为传感器的静态特性。

它的性能指标有：线性度、迟滞、重复性、灵敏度与灵敏度误差、分辨率与阈值、稳定性、温度稳定性、抗干扰稳定性和静态误差（静态测量不确定性或精度）.2、传感器动特性取决于什么因素？答：传感器动特性取决于传感器的组成环节和输入量，对于不同的组成环节(接触环节、模拟环节、数字环节等）和不同形式的输入量(正弦、阶跃、脉冲等)其动特性和性能指标不同。

3、某传感器给定相对误差为2％FS ，满度值输出为50mV ，求可能出现的最大误差δ（以mV 计）.当传感器使用在满刻度的1/2和1/8时计算可能产生的百分误差。

并由此说明使用传感器选择适当量程的重要性。

已知：FS %2=γ， mV y FS 50=；求:δm =？解：∵ %100⨯=FS my δγ； ∴ mV y FS m 1%100=⨯•=γδ若: FS FS y y 211= 则: %4%100251%1001=⨯=⨯=FS m y δγ 若： FS FS y y 812=则: %16%10025.61%1002=⨯=⨯=FS m y δγ 由此说明，在测量时一般被测量接近量程（一般为量程的2/3以上)，测得的值误差小一些。

4、有一个传感器，其微分方程为x y dt dy 15.03/30=+，其中y 为输出电压(mV ）,x 为输入温度(0C ），试求该传感器的时间常数τ和静态灵敏度k 。

已知：x y dt dy 15.03/30=+；求：τ=？，k =？解:将x y dt dy 15.03/30=+化为标准方程式为：x y dt dy 05.0/10=+与一阶传感器的标准方程：kx y dt dy =+τ 比较有： ⎩⎨⎧==)/(05.0)(100C mV k s τ 5、已知某二阶系统传感器的自振频率f 0=20k Hz ，阻尼比ξ=0.1，若要求传感器的输出幅值误差小于3％，试确定该传感器的工作频率范围。

高中物理第六章传感器章末质量评估含解析3_2

章末质量评估（三)（时间:90分钟分值:100分）一、单项选择题（本题共10小题，每小题3分，共30分.在每小题给出的四个选项中，只有一项符合题目要求）1。

下列有关传感器的说法中错误的是（)A.汶川大地震时用的生命探测仪利用了生物传感器B。

“嫦娥二号”卫星星载的立体相机获取月球数据利用了光传感器C.电子秤称量物体质量是利用了力传感器D.火灾报警器能够在发生火灾时报警是利用了温度传感器解析：生命探测仪是利用生物传感器，立体相机是利用光学传感器，电子秤是利用压力传感器，火灾报警是在烟雾浓度达到一定程度时能够输出电信号，使警铃发声或使红灯闪烁，自动报警，利用了光学传感器而不是利用了温度传感器，A、B、C 正确，D错误.答案：D2。

电子秤使用的是（）A.超声波传感器B。

压力传感器C温度传感器 D.红外传感器答案：B3。

在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是(）A。

光传感器 B.温度传感器C.声传感器D.压力传感器解析：当电梯门碰到人或其他障碍物时立即停止关门以防挤伤人,故为压力传感器。

答案：D4。

光电式感烟探测器（简称烟感器)由光源、光电元件和电子开关组成。

利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号.该报警器利用的传感器是（）A.力传感器B。

声传感器C.位移传感器D.光传感器解析：由于光电式感烟探测器是利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测,故该报警器利用的传感器是光传感器，D 正确.答案:D5。

有一电学元件，温度升高时电阻却大幅度减小,则这种元件可能是(）A。

金属导体 B.绝缘体C.半导体D.超导体解析：金属导体温度升高时电阻增大；绝缘体温度升高时电阻保持不变；对于超导体，在其临界温度以下，温度升高电阻仍为零，高于临界温度,温度升高电阻往往增大；某些半导体材料受到光照或者温度升高时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，于是导电性有明显增强,电阻大幅度减小.答案：C6。

第6章数控机床的检测装置

当给定电气角为α时，交流激磁电压的幅值分别为 Usm＝Umsinα
Ucm＝Umcosα
CNC
6.2 旋转变压器
转子正转时，U1s、U1c经叠加，转子感应电压U2为： U2＝kUmsinαsi主n要ω内ts容inθ＋k Umcosαsinωtcosθ
＝kUmcos（α－θ）sinωt 转子反转时，同理有：
就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）的大小。
要检测工作台的绝对位置，需加一台绝对位置计数器，累计所走的导程数，折算成位移总长度。
转子每转1周时，转子的输出电压将随旋转变压器的极数不同而不止一次地通过零点，需加相敏检波器来辨别转换点和区别不同的转向。
CNC
6.3 感应同步器
感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属
多极对：增加定主子要内容或转子极对数，使电气转角为机械转角的倍数，用于高精度绝对式检测。
双极对：定子和转子上各有两对相互垂直的磁极，检测精度较高，数控机床中应用普遍。
CNC
6.2 旋转变压器
旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实现电机轴或丝杠转角的测量。
主要内容
单极对：转子经精密齿轮升速后再与电机轴相联，根据丝杠导程选用齿轮升速比（升速比通常为1:2、 1:3、1:4、2:3、1:5、2:5等），以保证机床的脉冲当量与输入设定的单位相同。
U2＝ nUm sinωt sinθ
CNC
6.2 旋转变压器
单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，假设加到定子绕组的励磁电压为U1，则转子通过电磁耦合，产主生要内感容应电势U2。
U1 U m sin t
U 2 nU1 nU m sin t sin
Um—激磁电压幅值

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编码器输出脉冲
m2
时钟脉冲fc
· · ·
编码器每转产生 N 个脉冲，用已知频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为m2 ，则转速 (r/min)为 n = 60fc / （Nm2 ）
增量式
信号性质零位信号有零位信号
无零位信号
绝对式编码器
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编码器外形
信号航空插头
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其他角编码器外形
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其他角编码器外形（续）
拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。
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电感式传感器是利用线圈自感或互感量系数的变化来实现非电量电测的一种装置。 1.自感式位移传感器
特点：（1）测量范围大；（2）灵敏度低。
螺线管式电感传感器
4N 2 A L 107 l
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6.1.3 电感位移传感器
2.差动变压器式位移传感器
反向串联
当铁心处于中心对称位置时，则 U out1 U out 2，所以 U out 0 ；
光栅细分举例
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细分数为 4细分，则：
分辨力 =W /4 =（1mm/50）/4 =0.005mm=5m 采用细分技术，在不增加光栅刻线数（成本）的情况下，将分辨力提高了3倍。
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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。
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1.直接测量
直接测量的误差较小。
工作台
工作台运动方向
图为利用光栅传感器测量数控机床工作台位移量的现场照片。光栅
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2.间接测量工作台丝杠 x θ 进给电机
编码器
在间接测量中，多使用旋转式位置传感器。测量到的回转运动参数仅仅是中间值，但可由这中间值再推算出与之关联的移动部件的直线位移间接测量须使用丝杠-螺母、齿轮-齿条等传动机构。
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光栅在机床上的安装位置（2个自由度）
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光栅在机床上的安装位置（3个自由度）数显表
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光栅在机床上的安装位置（3个自由度）（续）
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安装有直线光栅的数控机床加工实况角编码器安装在夹具的端部
6.2.1 莫尔条纹
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莫尔条纹光学放大作用举例
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角 =1.8，则：分辨力 =栅距W =1mm/50=0.02mm=20m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）莫尔条纹的宽度是栅距的32倍： L ≈W/θ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察” 莫尔条纹光强的变化。
机械位移传感器是用来测量位移、距离、位置、尺寸、角度和角位移等几何学量的一种传感器。
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6.1.1 电位器式位移传感器
1、电位器的基本概念
电位器是人们常用到的一种电子元件，它作为传感器可以将机械位移或其他形式的能转换为位移的非电量，转换为与其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起电路中输出电压的变化。
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传动机构
齿距
滚珠丝杠螺母副、齿轮-齿条副等传动机构能够将旋转运动转换成直线运动。但应设法消除传导过程产生的间隙误差。
齿轮
齿条
x θ
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滚珠丝杠螺母副
螺母
丝杠
滚珠丝杠螺母副能够将减小传动磨檫力，延长使用寿命，减小间隙误差。
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数控机床位置测量的方式
一、直接测量和间接测量
位置传感器有直线式和旋转式两大类。若位置传感器所测量的对象就是被测量本身，即用直线式传感器测直线位移，用旋转式传感器测角位移，则该测量方式为直接测量。例如直接用于直线位移测量的直线光栅和长磁栅等；直接用于角度测量的角编码器、圆光栅、圆磁栅等。若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值，再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移，则该测量方式为间接测量。
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6.2.2 光栅位移传感器的结构及工作原理
光栅的辨向如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，无法分辨位移的方向。
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6.2.2 光栅位移传感器的结构及工作原理
360 n

11-3
11-4
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1 分辨率 n
增量式编码器
转轴 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝
A A C
B
光敏元件
B C
盘码及狭缝零位标志
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光电编码器的输出波形
为了判断码盘旋转的方向，在上图的光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个狭缝距离的（m +1/4）倍，m 为正整数，并设置了两组光敏元件A、B，有时又称为sin、cos元件。
第6章位移传感器
6.1 机械位移传感器 6.2 光栅位移传感器传感器 6.3 光电编码器 6.4 磁栅传感器 6.5 感应同步器 6.6 接近传感器 6.7 转速传感器 6.8 多普勒效应测速 6.9 液位及物位传感器 6.10 流量及流速传感器
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6.1 机械位移传感器
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光栅数显表
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光栅的外形及结构
尺身尺身安装孔防尘保护罩的内部为长磁栅
反射式扫描头
（与移动部件固定）
扫描头安装孔
可移动电缆
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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
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切削刀具
被加工工件光栅扫描头防护罩内为直线光栅
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6.3 光电编码器
编码器是将直线运动和转角运动变换为数字信号进行测量的一种传感器。
直线-线性编码器转动方式转动-转轴编码器构造类型透射式光束形式反射式可辨向的增量式编码器辨别方向不可辨向的脉冲发生器
θ x
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ动分析
设：螺距t=4mm，丝杠在4s时间里转动了10圈，求：丝杠的平均转速n(r/min)及螺母移动了多少毫米？螺母的平均速度v又为多少？
螺距 N=10圈
螺母丝杠
x=？
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6.2.2 光栅位移传感器的结构及工作原理
光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移，若用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的距离，也就测得了被测物体的位移量。
电位器图片
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6.1.1 电位器式位移传感器
2、电位器的主要技术参数
（1）最大阻值和最小阻值（2）电阻值变化规律（3）线性电位器的线性度（4）滑动噪声
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6.1.2 电容式位移传感器
以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式位移传感器。
10码道光电绝对式码盘
绝对式码盘与增量式码盘有何区别？
透光区不透光区零位标志
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6.3.2 绝对式光电编码器
D（十进制） B（二进制） R（格雷码） D（十进制） B（二进制） R（格雷码） 0 1 2 3 4 0000 0001 0010 0011 0100 0000 0001 0011 0010 0110 8 9 10 11 12 1000 1001 1010 1011 1100 1100 1101 1111 1110 1010
脉冲细分
细分前
细分技术能在不增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅的分辨力。细分前，光栅的分辨力只有一个栅距的大小。采用4细分技术后，计数脉冲的频率提高了 4倍，相当于原光栅的细分后分辨力提高了3倍，测量步距是原来的1/4，较大地提高了测量精度。
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在上一页图的码盘里圈，还有一根狭缝C，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。
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6.3.2 绝对式光电编码器
不透明区输出为 “1”
动画演示
透明区输出为 “0”
360 分辨力角度 n 2
四条码道
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若改变这些参数中的任一物理量，都将引起的变化，这就是电涡流传感器的工作原理。
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6.2 光栅位移传感器
6.2.1 莫尔条纹
暗带亮带
（1）莫尔条纹移动方向与两光栅相对移动方向垂直。
（2）莫尔条纹有位移的放大作用。
B
W