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
位移的测量解析PPT教学课件
3. 测量误差
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 梯误差ej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 的百分数表示。电位器阶梯误差为
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4. 测量方法
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 配。
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３. 光电电位器 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
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。
光电电位器特点是阻值范围宽(500Ω～ 15MΩ)、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。
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课题二 差动变压器式位移传感器
[任务导入]
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 中一种，需要根据形状精度自动检测。
在自动检测系统中， 往往要用到差动变压器式 位移传感器进行测量，测 量精度较高，检测范围一 般是0～100mm。
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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 短。因此，可以使用一些非线绕式电位器。
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三、非线绕式电位器
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：
1、膜式电位器
膜式电位器通常分碳膜电位器和金属膜电
位器。碳膜电位器是在绝缘骨架表面涂一层均
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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。
第六章位置检测技术
如果光栏板上两条夹缝中的信号分别为A和B，相
位相差90°，通过整形，成为两个方波信号，光电
编码盘的输出波形如图6-7所示。根据A和B的先后
顺序，即可判断光电盘的正反转。若A相超前于B相，
对应转轴正转；若B相超前于A相，则对应于轴反转。
若以该方波的前沿或后沿产生记数脉冲，可以形成
代表正向位移或反向位移的脉冲序列。除此之外，
编 码
即具有断电记忆力功能。
器
图6-8 接触式码盘
第六章 位置检测技术
2.2 编码器在数控机床中的应用
第 二 节
光
电
编
码
器
位移测量
1
2 主轴控制
测速 3
零标志脉冲用于 回参考点控制
4
第六章 位置检测技术
3.1 光栅尺的结构及工作原理
第 三
光栅尺的结构组成
节
光
电
尺
数控机床中用于直线位移检测的光栅尺有透射光栅和反射光栅两大类 。
小的角度b，两光栅线纹相交，形成透光
和不透光的菱形条纹，这种黑白相间的条
纹称为莫尔条纹。莫尔条纹的传播方向与
光栅线纹大致垂直。两条莫尔条纹间的距 离为p，因偏斜角度b很小，所以有近似公
图6-11 光栅尺工作原理
式 当工作台正向或反向移动一个栅距l时，莫尔条纹向
上或向下移动一个纹距p，莫尔条纹经狭缝和透镜
和
磁
栅
尺
图6-9 光栅尺外观示意图 1—光栅尺；2—扫描头；3—电缆
图6-10 透射光栅组成示意图
第六章 位置检测技术
3.1 光栅尺的结构及工作原理
第 三
光栅尺的工作原理与特点
节
光
电
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。
位移测量实验报告
一、实验目的1. 熟悉位移测量原理及方法。
2. 掌握常用位移传感器的性能特点及应用。
3. 培养实际操作能力，提高实验技能。
二、实验原理位移测量是指测量物体在空间位置的变化。
根据测量原理，位移测量方法主要分为直接测量法和间接测量法。
直接测量法：直接测量物体在空间位置的变化，如尺测法、光电法等。
间接测量法：通过测量与位移相关的物理量来间接计算位移，如电涡流传感器、霍尔传感器、差动变压器等。
三、实验仪器1. 电涡流传感器2. 霍尔传感器3. 差动变压器4. 数字示波器5. 螺旋测微器6. 计算机7. 数据采集卡四、实验内容1. 电涡流传感器位移特性实验（1）实验目的：了解电涡流传感器的原理与应用，掌握电涡流传感器位移特性的测量方法。
（2）实验步骤：①将电涡流传感器固定在实验平台上，调整传感器与被测物体之间的距离。
②使用数字示波器观察传感器输出信号的波形。
③通过调整传感器与被测物体之间的距离，记录不同距离下的输出信号波形。
④分析电涡流传感器位移特性曲线。
2. 霍尔传感器位移特性实验（1）实验目的：了解霍尔传感器的原理与应用，掌握霍尔传感器位移特性的测量方法。
（2）实验步骤：①将霍尔传感器固定在实验平台上，调整传感器与被测物体之间的距离。
②使用数字示波器观察传感器输出信号的波形。
③通过调整传感器与被测物体之间的距离，记录不同距离下的输出信号波形。
④分析霍尔传感器位移特性曲线。
3. 差动变压器位移特性实验（1）实验目的：了解差动变压器的原理与应用，掌握差动变压器位移特性的测量方法。
（2）实验步骤：①将差动变压器固定在实验平台上，调整传感器与被测物体之间的距离。
②使用数字示波器观察传感器输出信号的波形。
③通过调整传感器与被测物体之间的距离，记录不同距离下的输出信号波形。
④分析差动变压器位移特性曲线。
五、实验结果与分析1. 电涡流传感器位移特性曲线：随着传感器与被测物体之间距离的增加，输出信号逐渐减小，呈线性关系。
第十九次课位移测量
第六节、位移测量
7.1 建（构）筑物主体倾斜测量 建筑物顶部与底部的相应点位不在设计的同一铅垂 线上时，称为倾斜。 △l 建筑物的倾斜可 N 倾斜时， 以通过测定△l 建筑物上的 N′ （直接法）或测 点有平移、 升降发生。 H 定△S（间接法） 来确定。
M
五系工测教研室
△S B
（ 1）
应用测量学
裂缝
有机玻璃板
上标钉位
指标线 (c)上标
(b)钉配图 方格网裂缝测量标志
（11）
应用测量学
金属标志 墙体 裂缝
(a)剖面图 图
(b)立面图 裂缝测量金属杆式标志
水泥钉
裂 缝 墙体 游标卡尺形式式标志
（12）
应用测量学
7.4 挠度测量
挠度测量的对象包括建筑物基础和建筑物主 体以及独立构筑物（如独立墙、柱等）。 建筑物基础的挠度测量：
五系工测教研室 （10）
应用测量学
7.3 裂缝测量
建筑物由于差异沉降和其它外界因素的影响，墙体 会产生裂缝。裂缝测量的任务是，在垂直于裂缝两侧 附近布设观测点，定期量测其宽度、长度、走向及发 展速度，以监视建筑物的安全。
聚脂薄膜 墙体 毫米方格网 x y 固定钉 指标线 下标钉位 (a)下标 图
五系工测教研室
应用测量学
设顶部点 C 相对于底部点 D 总的水平偏移分量为 ，则由图 (c)可得关系
B cos
B D A A
五系工测教研室
A cos
C
B (c)
（ 4）
应用测量学
2 2 A B 2 A B cos 联立求解得 sin
当建筑物或构件的顶部与底部之间可竖向通视时， 可用垂准法进行倾斜测量。 ①吊垂球法。在垂线下的底部固定读数设备（如毫 米格网读数板），直接读取或量出上部观测点相对于底 部观测点的水平位移量和位移方向。 ②激光铅直仪观测法。建筑物顶部安置接受靶，在 其垂线下的地板上安置激光铅直仪， 在接收靶上直接读 取水平位移量和位移方向。 ③激光位移计自动测记法。 ④正锤线法。
物理实验中位移的测量与分析方法
物理实验中位移的测量与分析方法在物理实验中，位移是一个非常重要的物理量，它描述了物体在空间中的位置变化。
而准确测量位移对于研究物体的运动规律以及验证理论模型具有关键性的意义。
本文将介绍几种常见的物理实验中位移的测量与分析方法。
一、直观测量法直观测量法是指通过肉眼或仪器直接观察目标物体的移动情况，并对其位移进行估计和记录。
这种方法通常适用于需要较粗略测量的情况，比如通过目视观察来测量物体的长度或移动距离。
然而，由于人眼视觉的限制以及人为误差的存在，直观测量法在测量精度方面存在一定的局限性。
二、刻度尺测量法刻度尺测量法是一种基础的位移测量方法，通过使用标有等距刻度的尺子或测量仪器，可以直接读取目标物体在直线方向上的位移。
这种方法常用于测量长度、高度或位移较小的物体，如螺旋测微器可用于测量微小位移。
三、位移传感器测量法位移传感器测量法是一种使用物理传感器来测量物体位移的方法。
常见的位移传感器包括光电、电感、电容和压阻传感器等。
例如，光电传感器通过检测光线的反射或透射来测量物体的位移，电阻变化传感器则通过测量电阻的变化来计算位移。
位移传感器测量法在测量精度和稳定性方面具有优势，适用于对位移要求较高的实验。
四、干涉法测量位移干涉法是一种基于光波干涉原理来测量物体位移的方法。
常见的干涉法包括光栅干涉、迈克尔逊干涉和薄膜干涉等。
这些方法利用光的干涉现象可以非常精确地测量物体位移，其测量精度可以达到亚微米甚至纳米级别。
干涉法广泛应用于精密加工、光学测量以及材料力学等领域。
五、图像处理法测量位移图像处理法是一种利用图像信息进行位移测量的方法。
通过对物体的图像进行采集和处理，通过计算图像中物体位置的变化来测量位移。
这种方法通常使用在无法直接接触物体的测量场景中，例如流体力学实验、机器视觉和运动分析等。
图像处理法在位移测量方面具有高灵敏度和非接触性的优势，但对于图像的质量和算法的准确性有一定的要求。
总结起来，物理实验中位移的测量与分析方法多种多样。
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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。
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
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
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！
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。
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。
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%
微动同 步器
±10°
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:
精确度
±0.1%
±0.1%
±0.5%
±0.5%
直线性
±0.1%
±0.1%
±0.5%
±0.5%
特点
Байду номын сангаас
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
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：
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