第六章 位移测量
《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
第六七章 位移检测
第6章 位移检测 3.运动对应关系
第6章 位移检测
传感器原理及应用
三、光栅的信号输出 若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的 变化, 则将光信号转换为电信号, 输出的幅值可 用光栅位移量x的正弦函数表示,
传感器原理及应用
第6章 位移检测
小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、 电容式、 霍尔式等传感器来检测, 精度可达0.5-1.0%, 其中电感式和差动变压器式传感器测量范围要大一些, 有些可达100mm。 小位移传感器测微小位移, 从几微米到几个毫米, 如物体振动的振幅测量等。
大的位移常用光栅、编码器等传感器来测量 , 其特点 是易实现数字化.
第6章 位移检测
d
w2
(两光栅的距离 )
图6.5.3 黑白透射光栅电路
第6章 位移检测
传感器原理及应用
2.光栅测量原理 当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的 夹角时, 产生出亮暗相间的条纹, 为“莫尔条纹”.
第6章 位移检测
长光栅横向莫尔条纹
第6章 位移检测 莫尔条纹
传感器原理及应用
第6章 位移检测
传感器原理及应用
光栅式传感器
光栅式传感器的特点： 精度高； 大量程测量兼有高分辨率；
可实现动态测量；
具有较强的抗干扰能力。
第6章 位移检测 计量光栅的种类
传感器原理及应用
光栅是在透明的玻璃上刻有大量相互平行等宽而又等间距 的刻线。
按光栅的表面结构不同有幅值(黑白)光栅和相位(闪耀) 光栅。 长光栅 圆光栅 用于长度或几何的测量， 刻线相互平行； 用来测量角度或角位移， 在圆盘玻璃上刻线；
位移测量
辨向原理
辨向的方法 关键：“相位关系” 2路信号存在相位差
u
+10V +10V
A t u B 顺 u B 逆 超前于A 超前于 t 0 1 t
发光 二极管 b
1.5kΩ
5.1kΩ
c uo 光电 e 三极管
滞后于A 滞后于
位移测量的电路框图
位移传感器的信号调理电路就是判 断位移方向的电路， 断位移方向的电路，实际上是判断 两个光电对管， 两个光电对管，输出脉冲序列的相 位关系。 位关系。
注意：缓慢摇动，防止两头卡螺母！！！
训练内容1： 训练内容 ：手动输入脉冲计数显示
检测” 手动” （1）S2 ：“检测”； S3 ：“加”或“减”；按“手动”按 ） 钮，计数 器作相应计数 清零” 数码显示为“ （2）按“清零” 数码显示为“000”。 ） 。 加计数时，当计数满“ 加计数时，当计数满“999”，自动回到“000”。 ，自动回到“ 。
思考
写出显示数字k与实际直线位移s的关系。 在360°角位移以内，写出显示数字k与实际 角位移φ的关系。 两个光电对管之间的条纹数对辨向有影响吗？ 为什么？ 码盘上的条纹数对位移检测有什么影响？ 如何得到位置信号？ 怎样使螺旋机构在同样的角位移下输出的执行 位移量增大？ 尽可能多的举出螺旋机构的实际用例。
丝杆
ϕ s= L 2π
s：螺母的直线位移 ： φ：丝杠转过的角位移 L：丝杠的螺距 ：
ϕ
应用：仪器仪表中的微调装置、 应用：仪器仪表中的微调装置、机 床的进给装置、螺旋千斤顶、 床的进给装置、螺旋千斤顶、工装 夹具
二、码盘式位移测量的原理 用丝杠机构实现角位移和直线位移的运动转换， 用丝杠机构实现角位移和直线位移的运动转换，其转换关系 由丝杠的螺距决定， 由丝杠的螺距决定，这样可以通过测量角位移间接测量直线位 移。 装置上码盘有50对黑白相间的条纹 码盘每转一周，输出50 对黑白相间的条纹， 装置上码盘有 对黑白相间的条纹，码盘每转一周，输出 个脉冲，螺母位移一个螺距，本装置螺距5mm，即：螺母位移 个脉冲，螺母位移一个螺距，本装置螺距 ， 5mm。产生位移时，光电对管输出一列脉冲，对这一脉冲计数， 。产生位移时，光电对管输出一列脉冲，对这一脉冲计数， 可以测得位移。 可以测得位移。 脉冲当量δ： 脉冲当量 ：每一个脉冲代表的直线位移量 实验装置：码盘线数N＝ ，螺距L＝ 实验装置：码盘线数 ＝50，螺距 ＝5mm 脉冲当量δ： ＝ 脉冲当量 ： δ＝L/N＝0.1m数
物理实验技术中的位移测量方法与技巧
物理实验技术中的位移测量方法与技巧在物理实验中，位移测量是非常重要的一项工作。
无论是研究物体的运动，还是测量材料的性能，位移测量都扮演着关键的角色。
本文将介绍一些常用的位移测量方法与技巧。
1. 光栅测量法光栅测量法是一种基于光学原理的位移测量方法。
利用光栅的特性，可以将位移转化为光强的变化。
通过测量光强的变化来得到位移的大小。
这种方法具有分辨率高、精度高的特点。
在实际应用中，常常使用光电二极管或光敏电阻来接收并转化光强的变化信号。
2. 激光干涉法激光干涉法是一种常用的位移测量方法。
它利用激光的相干性原理来测量两个相邻位置之间的位移。
通过将激光分为两束，分别照射到待测物体上，然后再将两束光进行干涉，通过测量干涉条纹的变化来得到位移的大小。
激光干涉法具有高精度、非接触等优点，广泛应用于工业制造、材料研究等领域。
3. 压电传感器压电传感器是一种常用的位移测量设备。
它利用压电材料的特性来实现位移的测量。
当压电材料受到外界力的作用时，会产生电荷的积累，通过测量电荷的变化来得到位移的大小。
压电传感器具有高灵敏度、快速响应等特点，广泛应用于机械工程、材料科学等领域。
4. 电容位移传感器电容位移传感器是一种常见的位移测量设备。
它利用电容的变化来实现位移的测量。
当电容器的电极之间发生位移时，电容的数值会发生变化。
通过测量电容的变化来得到位移的大小。
电容位移传感器具有广泛的测量范围、高分辨率等特点，常用于位移测量和控制领域。
5. 实验技巧在进行位移测量实验时，还需要注意一些实验技巧，以确保测量结果的准确性和可靠性。
首先，要保证测量设备的稳定性，包括测量仪器的固定、电源和线路的稳定等。
其次，要校准测量设备，以确保测量结果与实际位移一致。
并且，在进行测量时，应尽量减小系统误差，例如避免测量设备与被测物体之间的摩擦、振动等。
总结：位移测量是物理实验中不可或缺的一项技术。
通过本文介绍的光栅测量法、激光干涉法、压电传感器、电容位移传感器等常用的位移测量方法，可以更加准确地获得位移信息。
物理实验中的位移测量技术要点
物理实验中的位移测量技术要点引言：物理实验中，位移测量是一项关键的技术，它可以帮助我们准确地测量物体的位置变化。
位移测量在各个领域都有广泛的应用，包括机械、电子、光学等。
然而，位移测量的精度和准确性往往受到多种因素的影响。
本文将讨论物理实验中位移测量的要点，包括仪器选择、误差分析、校正方法等。
仪器选择：在进行位移测量时，我们需要选择合适的仪器来满足实验需求。
常见的位移测量仪器包括游标尺、激光测距仪、光栅尺等。
选择仪器时需要考虑测量范围、精度、灵敏度等因素。
例如，在需要测量较小位移的实验中，可以选择灵敏度较高的激光测距仪或光栅尺，而在需要测量较大位移的实验中，可以选择测微计或游标尺。
误差分析：位移测量中的误差往往来源于多个因素，如仪器本身的误差、环境因素的影响等。
对于精确的位移测量，我们需要对误差进行详细的分析和处理。
一种常见的误差分析方法是通过重复测量并计算平均值来降低随机误差。
此外，还可以通过校正和补偿来减小系统误差。
例如，利用标准物体进行校准，可以消除仪器本身的系统偏差。
校正方法：在位移测量中，常常需要进行校正以提高测量的精度和准确性。
校正方法可以分为直接校正和间接校正两种。
直接校正是通过测量已知位移的标准物体来校正仪器的指示值。
例如，通过测量已知长度的线段，可以校正游标尺的刻度误差。
而间接校正是通过测量与位移相关的物理量来校正。
例如，通过测量物体运动的速度和时间，可以间接得到位移值。
动态位移测量：在一些需要测量快速运动物体位移的实验中，静态位移测量已经无法满足要求。
此时需要采用动态位移测量技术。
常见的动态位移测量方法包括高速摄像技术和激光雷达技术。
高速摄像技术可以记录物体在瞬间的位置，通过分析图像序列可以得到位移值。
激光雷达技术则通过测量激光的时差来计算物体的位移。
位移测量在实验中的应用：位移测量是物理实验中一项广泛应用的技术，下面将介绍几个实验中常用的位移测量方法。
1. 弹簧振子实验：弹簧振子的位移是一个周期性的变化过程，可以通过测量振子的最大位移来计算振幅。
位移测量分为线位移测量和角位移测量
（1）积分法
测量运动体的速度或加速度，经过 积分或二次积分求得运动体的位移。
例如在惯性导航中，就是通过测量 载体的加速度，经过二次积分而求得载 体的位移。
（2）回波法
从测量起始点到被测面是一种介质，被测 面以后是另一种介质，利用介质分界面对波的 反射原理测位移。
例如激光测距仪、超声波液位计都是利用 分界面对激光、超声波的反射测量位移的。相关 测距则是利用相关函数的时延性质，将向某被测 物发射信号与经被测物反射的返回信号作相关处
微观不平度十点高度：
5
5
Rz ( ymax pi yminvi ) / 5
i 1
i 1
轮廓最大高度：
表面粗糙度的评定方法
Ry ypmax yvmax
常用的位移传感器
在很多情况下，位移可以通过位移 传感器直接测得。
用于线位移测量的传感器的种类很多，较 常见的线位移传感器的主要特点及使用性能列 于表中。
装有测针T的杠杆M固定在绕有线圈的磁铁中心枢轴上，触针垂 直位移改变磁铁两端的空气隙，转换为电感线圈的电感量变化， 从而对载波信号进行调制，产生交变电流，然后再通过解调器获 得截面轮廓信号，送入下级放大和运算电路。这类电感传感器的 特点是输出信号只和触针位移有关，亦称位移灵敏传感器，它可 以把轮廓图形逐点描绘出来，所以一般带有记录器。
1. 接触式轮廓仪（触针式轮廓仪）
针描法是一种接触式测量方法。用一个很尖的触针垂直 于表面横移，触针将随着表面轮廓几何形状作垂直起伏 运动，把这个微小位移的信号转换成电量加以放大，再 进行运算处理即可获得某个表面光洁度参数数值，或者 用记录器描绘出放大了的表面轮廓图形（早期曾经采用 机械或机械一光学的方法放大触针的垂直位移量，现基 本上已被淘汰）。
《传感器技术及应用》 项目六 位移检测
任务一 使用电位器式传感器测量位移
任务导入
测量电位器的电阻值
选用测量范围为0~300mm的直线位移式电位器，用万用表欧姆档测量其电阻值。 记录下电位器在不同位置时的电阻值，填入下表。
位置 /mm
0
50
100
150
200
250
300
电阻/Ω
任务一 使用电位器式传感器测量位移
一、了解电位器式传感器
1. 认识电位器式传感器
任务一 使用电位器式传感器测量位移
一、了解电位器式传感器 2. 电位器式传感器的结构
电位器式传感器主要由 电阻和电刷（动触点）两 部分组成，可以作为可变 电阻器使用，也可作为分 压器使用。
任务一 使用电位器式传感器测量位移
一、了解电位器式传感器 3. 电位器式传感器的工作原理
125
1ห้องสมุดไป่ตู้0
任务二 利用差动变压器式传感器检测位移
任务导入 认识差动变压器式传感器
任务二 利用差动变压器式传感器检测位移 一、了解差动变压器式传感器 1. 差动变压器式传感器的工作原理
任务二 利用差动变压器式传感器检测位移 一、了解差动变压器式传感器 2. 测量电路
任务二 利用差动变压器式传感器检测位移 二、差动变压器式传感器的应用 1. 压力测试
任务一 使用电位器式传感器测量位移
三、电位器式传感器的应用
2.液位传感器
油量变化时，浮子通过杠杆带动电位器的电刷在电阻上滑动，因此，一定 的油面高度就对应一定的电刷位置。
任务一 使用电位器式传感器测量位移
实践操作
测量电位器式传感器的位移与输出电压的关系
电压表正表笔连接滑线变阻器的滑动端，负表笔接电源负极。
第六章 位移测量
第六章位移测量教学目的：①掌握常用的位移传感器的结构及工作原理②理解位移测量的实际应用教学重点：常用的位移传感器的结构及工作原理教学方法：讲授法§6－1概述位移测量是线位移和角位移测量的统称,测量时应根据具体的测量对象,来选择或设计测量系统.常用的位移传感器：1.变阻器式2.电阻应变式3.电感式4.电容式5.霍尔式6.感应同步器7.光栅8.编码器§6－2 常用的位移传感器一、变阻器式常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等变阻式传感器的后接电路，一般采用电阻分压电路：滑线电阻式位移传感器具有结构简单、使用方便、输出大、性能稳定等优点，但由于触头运动时有机械摩擦，其使用寿命受限、分辨率较低、输出信号噪声大、不宜用于频率较高时的动态测量。
二、电阻应变式应变片式位移传感器的测量原理：利用一弹性元件把位移量转换成应变量，而后用应变片、应变仪等测量记录。
电阻的变化率：三、差动变压器式差动变压器式位移测量系统具有精度较高、性能稳定、线性范围大、输出大、使用方便等优点。
由于可动铁心具有一定的质量，系统的动态特性较差。
四、光电脉冲式实际上是一个位移—数字编码器，工作时可将机械位移转换成数量的电脉冲信号输出。
1、透射式2、反射式光电脉冲式位移传感器的后续测量电路和显示记录装置如图所示：§6－3 位移测量的应用一、回转轴径向运动误差的测量1、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。
2、运动误差是回转轴上任何发生与轴线平行的移动和在垂直于轴线的平面内的移动。
前一种移动称为该点的端面运动误差，后一种移动称为该点的径向运动误差。
3、测量一根通用的回转轴的径向运动误差时，可将参考坐标选在轴承支承孔上。
这时运动误差所表示的是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质量。
任意径向截面上的径向误差运动可采用置于x 、y方向的两ρρd A dA l dl R dR +-=只位移传感器来分别检测径向运动误差在x、y方向的分量。
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测量时必须利用基准面来“体现”回转轴线。通常是选 用具有高圆度的圆球或圆环来作为基准面。直接采用回 转轴上的某一回转表面来作为基准面虽然可行，但由于 该表面的形状误差不易满足测量要求，测量精确度较差。
用双向测量法测量轴的径向运动误差
测量仪
位移传感器
测量仪
位移传感器
设Oo为理想回转中心，Om为基准球的几何中心，Or为瞬时回 转中心，e为基准球的安装偏心，θ为转角，并令e与x轴平 行时θ =0，r(θ)为径向运动误差。若基准球半径Rm远远大 于偏心e和径向运动误差r(θ)，则两传感器检测到的位移信 号dx和dy分别为：
电容式位移传感器的性能及特点
型式 测量范围 精确度 直线性 特点 变面积 10-3～1000mm* ±0.005% ±1% 变间距 10-5～10mm* 0.1% 1%
受介电常数因环境温度， 分辨力很好，但测量范围很小， 湿度而变化的影响 只能在小范围内近似地保存 线性
第三节
位移测量的应用
一、回转轴径向运动误差的测量
d x e cos rx ( ) s x ( ) d y e sin ry ( ) s y ( )
右侧第一、二项分别为偏心e和运动误差r(θ)在x、y方向上 的投影，而第三项则为基准球上相差90°的两对应点处的形 状误差。由此可见：
在圆球形状误差可忽略的情况下，dx和dy是圆球中心的位 移在x、y两方向上的分量。 形位误差测量是将被测要素和理想要素进行比较，从而用数值 描述实际要素与理想要素形状或位置上的差异。每个参数的测 量过程包括测量和评定两个阶段。
第六章 位移测量
第一节 慨述
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。
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。回转轴运动误差的测量，无论对于精密机 床主轴的运动精确度，还是对于大型、高速机组（例如汽轮 机一发电机组）的安全运行都有重要意义。
运动误差是回转轴上任何一点发生与轴线平行的移动和在 垂直于轴线的平面内的移动。前一种移动称为该点的端面 运动误差，后一种移动称为该点的径向运动误差。 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。
1.双向测量法
任意径向截面上的径向误差运动可采用置于x、y方向的 两只位移传感器来分别检测径向运动误差在x、y方向的分量。 在任何时刻两分量的矢量和就是该时刻径向运动误差矢量。 2.单向测量法 有时只需要测量运动误差在某个方向上的分量（例如分析机 床主轴的运动误差对加工形状的影响），则可将一只位移传 感器置于该方向来检测。
测液面高度
2x C ln D / d
20 h hx 2hx h C ln r2 / r1 ln r2 / r1
r1
0
hx
r2
内外极板间要加绝缘层！
被测位移量ΔX 测杆运动 衡铁在线圈中运动 电感量ΔM变代 电量Δe 外接电路
电感式位移传感器的性能及特点
自感式 变气隙型 螺管型
1.5～ 2mm ±1% ±3%
型式
差动变 压器
±0.08～ 75mm* ±0.5％ ±0.5%
涡电流式
±2.5～ ±250m m* ±1～3% ＜3%
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
微动同 步器
±10°
精确度
±0.1%
±0.1%
±0.5%
±0.5%
直线性
±0.1%
±0.1%
±0.5%
±0.5%
特点
分辨力较好，可静态或动 态测量。机械结构不牢 固
结构牢固，寿命长，但分 辨力差，电噪声大
二、应变片式位移传感器
利用弹性元仵把位移量转换成应变量 应变式位移传感器工作过程:
被测位移量ΔX 弹簧作用 贴 外接电路 测杆运动 弹性元件(悬臂梁)产生应变 应变片 电量输出 电阻ΔR
旋转变压 器
±60°
测量范围 ±0.2mm
精确度 直线性
±1% ±3%
±1% ±0.05%
±1% ±0.1%
特点
只适用于 测量范围 分辨力 用于微小 较宽使用 好，受 位移测量 方便可靠，到磁场 动态性能 干扰时 较差 需屏蔽
分辨力好， 非线性误差与变压 受被测物 比和测量范围有关 体材料， 形状加工 质量影响
二、物位的测量 物位是液位、料位、以及界面位置的总称。具体的液位如 罐、塔、槽等容器中液体或河道、水库中水的表面位置高 度；料位如仓库、料斗、仓储箱内堆积物体的高度；界面 位置一般指固体与液体或两种不相溶、密度不同的液体之 间存在的界面。
测量物位有时是为了测知容器中物体的存量；有时是为 了对容器中的物料进行监控，调节其进出速度，或在物 位接近极限位置时能提前报警。前者为物位的静态测量， 后者需采用动态连续的测量方法。
电阻应变式位移传感器的性能及特点
型式
非粘贴的
粘贴的
半导体的
测量范围
精确度
±0.15%应变
±0.1%
±0.3%应变
±2%～3%
±0.25%应变
±2%～3%
直线性
±1%
±1%
满刻度±20%
特点
不牢固
牢固，使用方便，输出幅值大，温 度灵敏性高 需温度补偿 和高绝缘电 阻
差动变压器式位移传感器 工作过程:
第二节
常用位移传感器
一、滑线电阻式位移传感器 滑线电阻式位移传感器工作过程: 被测位移量ΔX
ΔR 外接电路 ΔU
优点；结构简单，性能较稳定，使用方便。 缺点；受阻经直径影响，分辩率不高，运用检测精 度不高的场合，噪声大.
电阻式位移传感器的性能及特点
滑线式 型式 测量范围 线位移 1～300mm* 角位移 0～360° 线位移 1～1000mm* 变阻器 角位移 0～60r