机械工程测试技术 教学课件 作者 谢里阳 12位移与厚度测量.ppt

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1、传感器与测试技术12位移与厚度测量学习导航12.1常用位移传感器12.2光栅式传感器12.3光电盘传感器和编码盘传感器12.4感应同步器12.5激光干涉仪12.6厚度测量引言位移与厚度同属长度计量的范畴。位移（displacement）是线位移和角位移的统称。位移测量在机械工程中应用十分广泛，许多参数的测量也以位移测量为基础。位移是指物体上的某一点或某一射线在一定方向上的位置移动或转动，因此位移是矢量，测量时，应使测量方向与位移方向重合。位移测量系统由位移传感器、相应的测量放大电路和终端显示装置等组成。12.1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可分为电阻式、电感式

2、、电容式、磁电式和光电式等。电阻式变阻器线位移角位移应变式非粘贴粘贴半导体电容式变面积变间距磁电式霍尔元件光电式遮光式计量光栅长光栅圆光栅反射式激光干涉仪吸收式射线物位计电感式自感式变气隙型螺管型互感式旋转变压器差动变压器感应同步器直线式旋转式磁尺长磁尺圆磁尺涡流式超声波（测距、测厚）编码器光电式接触式12.2光栅式传感器12.2.0特点概述精度高。光栅传感器在大量程测长或直线位移方面的精度仅低于激光干涉仪；圆分度和角位移测量方面精度最高；兼有高分辨率和大量程两种特性。感应同步器也具有大量程测量的特点，但分辨率和精度都不如光栅传感器；可实现数字化动态测量，易于实现测量和数据处理自动化；

3、具有较强的抗干扰能力，不仅可用于实验室，也可用于精密加工车间中的数控机床；12.2光栅式传感器12.2.0特点概述（续）获得高精度的光栅尺价格较贵，其成本比感应同步器高；制造量程大于1m的光栅尚有困难，但可以接长；采用增量式测量，与编码盘等绝对式测量相比，在高速工作时易产生误差。12.2.1光栅式传感器的基本原理和分类1.光栅式传感器的组成和结构（1）12.2光栅式传感器a)长光栅b)圆光栅光栅刻线示意光栅（grating）是在基体上刻有均匀分布条纹的光学元件。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、b分别为栅线和缝隙宽度。通常a=b，或a/b=

4、1.1:0.9。线纹密度一般为每毫米100、50、25和10线。12.2.1光栅式传感器的基本原理和分类1.光栅式传感器的组成和结构（2）12.2光栅式传感器光栅式传感器安装示例两块栅距相同的光栅：较长的光栅称为标尺光栅（或主光栅），通常安装在活动部件上，其有效长度即为测量范围；另一块光栅很短，称指示光栅，它通常与光学系统等组成读数头，安装在固定部件上。两光栅刻线面相对叠合，中间留很小的间隙，组成光栅副。12.2.1光栅式传感器的基本原理和分类1.光栅式传感器的组成和结构（3）12.2光栅式传感器光栅传感器的结构将光栅副置于由点光源和凸透镜形成的平行光束中，使标尺光栅随被测物

5、体移动，则通过光栅副的光强随之变化。用光电元件接收此光强信号，经电路处理后，可得标尺光栅移过的距离。12.2.1光栅式传感器的基本原理和分类2.莫尔条纹现象（1）莫尔条纹的几何光学原理①B12.2光栅式传感器若两栅线间有很小夹角，则在近似垂直于栅线的方向上可显示出比栅距W宽得很多的明暗相间的条纹，这些条纹称为“莫尔条纹”，类似丝绸的波纹花样。当标尺光栅沿垂直于栅线的x方向每移动一个栅距W时，莫尔条纹沿近似栅线的方向移过一个条纹间距B。莫尔（Moire）条纹12.2.1光栅式传感器的基本原理和分类2.莫尔条纹现象（1）莫尔条纹的几何光学原理②横向条纹光闸条纹12.2光栅式传感器对于

6、栅距较大的黑白光栅，可按光直线传播的几何光学原理，求得光栅副结构参数与莫尔条纹几何图案之间的关系。两个亮带之间距离B为莫尔条纹的宽度。栅线的形状和排列方向不同，能够形成各种形状的莫尔条纹。12.2.1光栅式传感器的基本原理和分类2.莫尔条纹现象（1）莫尔条纹的几何光学原理③圆弧形条纹光闸条纹环形条纹12.2光栅式传感器12.2.1光栅式传感器的基本原理和分类2.莫尔条纹现象（1）莫尔条纹的几何光学原理④莫尔条纹间距B：是两个亮带（或暗带）间的垂直距离。12.2光栅式传感器莫尔条纹间距B的定义12.2.1光栅式传感器的基本原理和分类2.莫尔条纹现象（1）莫尔条纹的几何光学原理⑤若

7、两光栅常数相等，则△MNP为等腰三角形：12.2光栅式传感器由于q很小：莫尔条纹间距B的计算12.2.1光栅式传感器的基本原理和分类2.莫尔条纹现象（2）莫尔条纹的特性运动对应关系。当标尺光栅向右（或向左）运动一个栅距W时，莫尔条纹向下（或向上）移动一个条纹间距B。测量时，可以根据莫尔条纹移动的量和方向判定光栅的相对运动。位移放大作用。光栅副中，由于q很小，BW/q，即莫尔条纹具有放大作用，其放大倍数为K=B/W1/q。一般q角很小，W可做