第13.1次课位移测量.ppt

第13次课 第六章 位移测量 第七章振动测试基础 第6章 位移测量 6.1? 常用位移测量方法 位移是线位移和角位移的统称。位移测量在机械工程中应用很广，在机械工程中不仅经常要求精确地测量零部件的位移和位置，而且力、扭矩、速度、加速度、流量等许多参数的测量，也是以位移测量为基础的。 位移是向量，除了确定其大小之外，还应确定其方向。一般情况下，应使测量方向与位移方向重合，这样才能真实地测量出位移量的大小。如测量方向和位移方向不重合，则测量结果仅是该位移在测量方向的分量。 位移测量时，应当根据不同的测量对象，选择适当的测量点、测量方向和测量系统。位移测量系统是由位移传感器、相应的测量放大电路和终端显示装置组成。位移传感器的选择恰当与否，对测量精度影响很大，必须特别注意。 针对位移测量的应用场合，可采用不同用途的位移传感器。表6-1中列出了较常见的位移传感器的主要特点和使用性能。。 表6-1 常用位移传感器一览表 6.2 用光栅测量位移 随着数字技术的发展，出现了各式各样的数字式位移传感器。 常用的数字位移传感器有计量光栅、磁尺、编码器和感应同步器等。 都有线位移测量和角位移测量两种构造形式。  (1) 光栅测量原理 光栅是在基体上刻有均匀分布条纹的光学元件。 用于位移测量的光栅称为计量光栅。 计量光栅分为投射式及反射式两种。前者使光线通过光栅后产生明暗条纹，后者反射光线并使之产生明暗条纹。 测量直线位移的光栅称为直光栅，测量角位移的光栅称为圆形光栅。 在直光栅中，若a为刻线宽度，b为缝隙宽度，则W＝a+b称为光栅的栅距(也称光栅常数)。通常a＝b，或a:b＝1.1:0.9。线纹密度一般为每毫米100、50、25和10线。有些栅距达1～2mm，但很少用。  标尺光栅的有效长度即为测量范围。必要时，标尺光栅还可接长。 指示光栅比标尺光栅短得多，但两者刻有同样栅距。 ....使用时两光栅相互重叠，两者之间有微小的空隙d（取d＝W 2/λ，λ为有效光波长），使其中一片固定，另一片随着被测物体移动，即可实现位移测量。 光栅式位移传感器 优点：具有分辨力高(可达1μm或更小）、测量范围大（几乎不受限制）、动态范围宽等优点，且易于实现数字化测量和自动控制，是数控机床和精密测量中应用较广的检测元件。 缺点： 对使用环境要求较高，在现场使用时要求密封，以防止油污、灰尘、铁屑等的污染。 “莫尔条纹”—当指示光栅和标尺光栅的线纹以一个微小的夹角相交时，由于挡光效应(当线纹密度≤50条/mm时)或光的衍射作用(当线纹密度≥100条/mm时)，在与光栅线纹大致垂直的方向上(两线纹夹角的等分线上)产生出亮、暗相间的条纹，这些条纹称为“莫尔条纹”。 如图6.1莫尔条纹的生成所示。 莫尔条纹有如下的重要特征： (1)莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。 (2)在两光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时，莫尔条纹在刻线方向移动。两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹也同步移动一个间距BH，固定点上的光强则变化一周。而且在光栅反向移动时，莫尔条纹移动方向也随之反向。  式中BH——莫尔条纹的间距；  W——光栅栅距；  θ——两光栅刻线间的夹角(rad)。  从式(6-1)可知，当W一定时，θ越小，则BＨ越大。这相当于把栅距放大了1/θ倍，提高了测量的灵敏度。 一般夹角θ很小，W可以做到约0.01mm，而BＨ可以做到6～8mm。采用特殊电子线路可以区分出BＨ/4的大小，因此可以分辨出W/4的位移量。例如W=0.01mm的光栅可以分辨0.0025mm的位移量。 若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则光信号被转换为电信号(电压或电流)输出。输出电压信号的幅值为光栅位移量x的函数，即 将该电压信号放大、整形使其变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经过辨向电路和可逆计数器计数，则可在显示器上以数字形式实时地显示出位移量的大小。 位移量为脉冲数与栅距的乘积。当栅距为单位长度时，所显示的脉冲数则直接表示出位移量的大小。 (2) 辨向原理 注意到无论可动光栅片是向左或向右移动，在一固定点观察时，莫尔条纹同样都是作明暗交替的变化，后面的数字电路都将发生同样的计数脉冲，从而无法判别光栅移动的方向，也不能正确测量出有往复移动时位移的大小。因而必须在测量电路中加入辨向电路。 .... 从图中波形的对应关系可看出，当光栅沿A向移动时，u1经微分电路后产生的脉冲（图中充填的脉冲）正好发生在u2′处于“l”电平时，从而经 Yl 输出一个计数脉冲；而u1′经反相并微分后产生