第五章 位移测量与控制系统
位移测量与控制系统概述 位移测量传感器 位移测量和控制的应用
❖ 位移测量包括长度、厚度 、高度、距离、物位、镀层厚 度、表面粗糙、角度等的测量。
❖ 测量位移广泛地应用非电量的电测法，能够测量位移的 传感器很多，典型的传感器有电阻、电容、电感以及磁电、 压电、压磁、光电、霍尔元件等，此外还有超声波、放射线 等。此外，近年来各种新型传感器，如光导纤维传感器、电 荷耦合器（CCD）传感器等均发展十分迅速，给位移的测 量提供了不少新的方法。
参考信号
测量信号
f2-f1
Hale Waihona Puke ±Δf激光干涉位移传感器
HP5528A Laser interferometer： 量程：100m 分辨力： 0.01 m
角位移检测
1、绝对码光电编码器 组成：光源、码盘、光电元件
原理：平行光源→码盘→ 光电元件→电信号输出 码盘：光学玻璃，透光/不透光→ 照相腐蚀
要求：分度准确（工艺）、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）
(2) 光栅传感器特点
① 精度高：测长±(0.2+2×10-6L)μm，测角±0.1″ ② 量程大：透射式---光栅尺长（<1米），反射式--->几十米 ③ 响应快：可用于动态测量 ④ 增量式：增量码测量 → 计数 断电→数据消失 ⑤ 要求高：对环境要求高→温度、湿度、灰尘、振动、移动精度 ⑥ 成本高：电路复杂
位移测量与控制系统中典型的机电传动结构类型
螺母 1．螺杆，螺母
副传动结构
丝杠
θ
x
2．齿轮．齿条副传动结构
齿距
齿轮
齿条
x
θ
3．凸轮一顶杆副传动结构
4．磁性轮一靠模副传动结构
位移控制系统的类型 1．按位移控制的维数分类
❖ 一维 ❖ 二维 ❖ 三维 ❖ 多维
2．按位置给定量的性质分类
❖ 位移程序控制系统 ❖ 位移随动控制系统
编码码制： 十进制码 --- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 读数直观，不易电路处理
二进制码 --- 0000 0001 0010 0011 0100 直观，易于后续电路和计算机处理
多位码同时动作→同步误差→错码 格 雷 码---循环码：相邻两数只有一位不同
每次只有一位变化→转换
角度
0.0 22.5 45.0 67.5 90.0 112.5 135.0 157.5 180.0 202.5 225.0 247.5 270.0 292.5 315.0 337.5
光源：LED → 光学系统 → 平行光 → 投影精确 光电元件：硅光电池，光电晶体管 滞后 → 响应速度
码道：位数→每个码道对应一个光电元件→分辨率
角度分辨率：α=360º/2n n-码道数（位数）
提高精度
增加码道、增大码盘尺寸 → 有限 光学细分 → 附加码道
测量电路：放大 → 足够电平 ，驱动 整形 → 接近理想方波 细分 → 提高分辨率（光学+电路）
（4）分光镜（半透半反）
（5）固定参考反射镜
双频激光干涉位移传感器 测量原理：
激光器发出一束激光，
含有两束偏振光：
左旋光，频率f1 右旋光，频率f2， 振幅相同，
频率相差约2MHz。
激光束
分光器
测量光束 参考光束
λ/4波片 光电检测
渥氏棱镜
f1→角锥棱镜 f1±Δf1
f2→光电检测
f2-(f1± Δf)
Rm
l uA
l u0 A
L W 2 u0W 2 A u0W 2 A
Rm
l
l ur
l
思考：灵敏度？ 线性度？
改进方法？
差动式
(2) 变面积式 (3) 螺管式
线圈 铁芯
衔铁
1 2 l
(3) 螺管式
蔡萍教材P40 图3-5
2、光栅位移传感器（Grating）
(1) 光栅传感器原理 (莫尔条纹) 构成： 主光栅---标尺光栅，定光栅；
(3) 光栅传感器结构
透射式结构：
1 – 主光栅尺（定光栅） 2 – 指示光栅（动光栅） 3 – 光电元件 4 – 透镜 5 – 光源
光源 → 指示光栅 → 透射 → 主光栅 → 光电元件
反射式结构： 光源 → 主光栅 → 反射 → 指示光栅 → 光电元件
(4) 代表性产品：
德国Heidenhain（海德汉）： 封闭式：量程3000mm，分辨力0.1 m
4位绝对码光电编码器码制
位置
二进制码
十进制码
A
0000
0
B
0001
1
C
0010
2
D
0011
3
E
0100
4
F
0101
5
G
0110
6
H
0111
7
I
1000
8
J
1001
9
K
1010
10
L
1011
11
M
1100
12
N
1101
13
O
1110
14
p
1111
15
格雷码
0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000
两束同频光束在空间相遇会发生干涉条纹,其亮暗程度取决于两束光间 的相位差Δφ
亮条： 暗条：
Δφ=2kπ, k=0,1,l,2,… 相长干涉
Δφ=2kπ, k=0,1,l,2,… 相消干涉
结构：
光 源
观察屏、 光电接收
固定 反射镜 半透半反镜
被测物体
实现要点:（1）单一光源
（2）被测物体
（3）光电接收
5.2 位移测量与控制系统的组成
位移随动控制系统的组成
位移程序控制系统的组成
5.3 常用测量方法和装置
直线位移的检测
1、电感式位移传感器
W2 L
Rm
Rm
li uiAi
W---线圈匝数 Rm---磁路总磁阻 Ai---各段导磁体的截面积
li---各段导磁体的长度 ui---各段导磁体的磁导率
电感位移传感器—基本形式 (1) 变气隙式
开放式：量程270mm 分辨力1nm
开放式：量程1440mm，分辨力0.01m
英国Renishaw（雷尼绍）： 量程：任意 分辨力： 0.1 m 0.01 m
中国长春光机所： 量 程：1000mm 分辨力：0.01 m 精 度：2 m
2、光学干涉（Interference）
干涉原理（单频干涉）：
指示光栅---动光栅
主光栅 指示光栅
叠合
夹角
移动
明暗相间条纹
莫尔条纹
条纹宽度： B W W
2sin(/2)
W-栅距， a-线宽， b-缝宽 W=a+b ，a=b=W/2
莫尔条纹特性：
方向性：垂直于角平分线 → 与光栅移动方向垂直 同步性：光栅移动一个栅距 → 莫尔条纹移动一个间距 放大性：夹角θ很小 → B>>W → 光学放大 → 提高灵敏度 准确性：误差平均效应 → 克服个别/局部误差 → 提高精度