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学习目的 主要内容 概述 在自动检测系统中,位移的测量是一种最基本的测量工作,它的特性是测量空间距离的大小,如距离、位置、尺寸、角度等。 4.1 电位器式位移传感器 4.1.1. 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。 4.1 电位器式位移传感器 4.1 电位器式位移传感器 4.1.2 电位器的类型、结构与材料 1. 电阻丝 电阻丝的材料应是电阻率大、电阻温度系数小、柔软,但强度高,抗蚀性好、抗拉强度高、容易焊接,且熔点高。常用的材料为:铜镍合金、铜锰合金、铂铬合金及镍铬丝等。 2. 骨架与基体 骨架与基体应形状稳定,表面绝缘电阻高,并有较好的散热能力。常用的材料有陶瓷、酚醛树脂、工程塑料以及经过绝缘处理的铝合金等。 3. 电刷 电刷是电位器中关键零件之一,一般用贵金属材料或金属薄片制成。金属丝直径约0.1~0.2mm,电刷头部应弯成弧形,以防接触面过大而磨损,如图4-3所示为常见电刷结构。电刷要有一定的弹性,以保证与电阻体可靠接触,另外抗蚀性好、抗拉强度高、容易焊接,且熔点高。 4.1.3 电位器的主要技术指标 1. 最大阻值和最小阻值——指电位器阻值变化能达到的最大值和最小值。 2. 电阻值变化规律——指电位器阻值变化的规律,例如对数式、指数式、直线式等。 3. 线形电位器的线性度——指阻值直线式变化的电位器的非线性误差。 4. 滑动噪声——电刷移动时,滑动接触点打火产生的噪声电压大小。 4.1.4 线位移传感器 电位器式线位移传感器结构原理如图4-4所示 4.1.5 角位移传感器图 4.1.6 电位器式传感器的应用 4.2.2 光栅位移传感器的工作原理——莫尔条纹 莫尔条纹——如果把两块栅距W相等的光栅面平行安装,且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ,这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹,这种条纹称莫尔条纹,如图4-9所示。 莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带,它由一系列四棱形图案组成,图4-9中d-d线区所示。f-f 线区则是由于光栅的遮光效应形成的。 莫尔条纹演示 莫尔条纹有两个重要的特性 位移的方向性:当指示光栅不动,主光栅左右平移时,莫尔条纹将沿着指示栅线的方向上下移动,查看莫尔条纹的上下移动方向,即可确定主光栅左右移动方向。 莫尔条纹有位移的放大作用。当主光栅沿有刻线垂直的方向移动一个栅距W时,莫尔条纹移动一个条纹间距B。当两个等距光栅的栅间夹角θ较小时,主光栅移动一个栅距W,莫尔条纹移动KW距离,K为莫尔条纹的放大系数,可由下式确定,即 4.2.3 光栅位移传感器的结构 光栅位移传感器的结构及工作原理如图4-10所示。 它主要由主光栅、指示光栅、光源和光电器件等组成,其中主光栅和被测物体相连,它随被测物体的直线位移而产生移动。当主光栅产生位移时,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。利用上述原理,通过多个光敏器件对莫尔条纹信号的内插细分,便可检测出比光栅距还小的位移量及被测物体的移动方向。 4.2.4 光栅位移传感器的特点及应用 由于莫尔条纹是明暗交替的,当莫尔条纹上下移动时,只要用光敏元件检测出来明、暗的变化,就可得知位移的大小,实现测量结果的二值化。另外莫尔条纹是由光栅的大量刻线形成的,对刻线误差有平均作用,能在很大程度上消除刻线不均匀引起的误差。 由于光栅位移传感器测量精度高(分辨率为0.1μm)、动态测量范围广(0~1000mm),可进行无接触测量,而且容易实现系统的自动化和数字化,因而在机械工业中得到了广泛的应用,特别是在量具、数控机床的闭环反馈控制、工作主机的坐标测量等方面,光栅位移传感器都起着重要的作用。 4.3 磁栅位移传感器 4.3.1 磁栅的概念 磁栅是一种有磁化信息的标尺,它是在非磁性体的平整表面上镀一层约0.02㎜厚的Ni-Co-P磁性薄膜,并用录音磁头沿长度方向按一定的激光波长λ录上磁性刻度线而构成的,因此又把磁栅称为磁尺。 录制磁信息时,要使磁尺固定,磁头根据来自激光波长的基准信号,以一定的速度在其长度方向上边运行边流过一定频率的相等电流,这样,就在磁尺上记录了相等节距的磁化信息而形成磁栅。 磁栅录制后的磁化结构相当于一个个小磁铁按NS、SN、NS……的状态排列起来,如 图4-11 所示。因此在磁栅上的磁场强度呈周期性地变化,并在N-N或S-S相接处为最大处。 4.3.2 磁栅的种类 磁栅的种类可分为单面型直线磁栅、同轴型直线磁栅和旋转型磁栅等。 磁栅主要用于大型机床和精密机床作为位置或位移量的检测元件。磁栅和其他类型的位移传感器相比,
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