幾何學量檢測技術

1、第6章 幾何學量檢測技術,6.1 模擬式位移檢測技術 6.2 數(shù)字式位置測量技術 6.3 厚度檢測,6.1 模擬式位移檢測技術,6.1.1 電位器式位移傳感器　　德國VOLFA位移傳感器（電子尺）用導電塑料做成電阻軌， 用不銹鋼軸承承托， 用稀土金屬多指接觸片作電刷， 操作順滑緊密， 信號穩(wěn)定， 噪音低， 壽命極高（＞100×106次）， 測量長度為50～1000 mm， 重復度為±0.013 mm， 線

2、性度為±0.05%。 適合位置測量及自動化控制等。 詳細資料可查閱http： //www.jjx88.com/product/htm。,6.1.2 電阻應變式位移傳感器　　電阻應變式位移傳感器的位移測量范圍較小，在0.1 μm～0.1 mm之間，其測量精度小于2％，線性度為0.1%～0.5%。 　　圖6－1是應變式角位移傳感器的結構圖。 在懸臂梁上粘貼有應變片，懸臂梁的自由端有一觸點與可轉動的凸輪相接觸， 當凸輪隨轉軸轉

3、動時， 推動懸臂梁產生應變，由電阻應變片轉換成電阻值變化量， 測量電阻變化量，便可確定轉軸轉動角度的大小。,圖6-1 應變式角位移傳感器結構示意圖,6.1.3 電感測微儀　　圖6-2為電感測微儀結構圖及其測量電路框圖。 電感式傳感器接成橋式電路， 由振蕩電路提供激勵電源。 不平衡電橋輸出的調幅信號經交流放大、 相敏檢波后， 輸出與銜鐵位移成正比的電壓， 送指示器顯示被測位移。 使用時， 將測頭接觸被測物表面， 可測量位移及物體表面粗糙

4、度等。,圖6-2 電感測微儀及其電路框圖（a） 軸向式測頭； （b） 測量電路框圖,常用的電感測微儀為CDH型，其量程分為±3 μm、 ±10 μm、±50 μm和±100 μm五擋，各擋相應的指示儀表分度值為0.1μm、0.5 μm、1 μm和5 μm。 　　同樣原理，差動變壓器也常用來測量位移。表6-1列出了WY系列差動變壓器式位移傳感器的主要技術指標。,表6-1 WY系列位移傳感器的

5、主要技術指標,6.1.4 電容式位移傳感器的實用結構T]　　電容式位移傳感器的位移測量范圍在1 μm～10 mm之間， 變極距式電容傳感器的測量精度約為2％，變面積式電容傳感器的測量精度較高， 其分辨率可達0.3 μm。 　　圖6-3是一個差動變面積式電容位移傳感器的應用結構圖。 它主要由兩個固定電極6和活動電極8構成變面積式電容傳感器。 活動電極8被固定在測量桿1上，并由兩個帶槽簧片2所定位。 為使測量桿1與被測物體可靠接觸，在

6、測量桿1的上端裝有彈簧3。 當進行測量時，測量桿1帶著活動電極8隨被測物體的位移而移動，從而使活動電極8與固定電極6之間的遮擋面積發(fā)生變化， 使它們之間兩個電容量發(fā)生大小相等、極性相反的變化。 電容量的變化由三根引線5與外接檢測電路相連， 完成對物體位移量的檢測。 這種傳感器的線性范圍寬，分辨率高，可使用在要求測量精度高的場合。,圖6-3 電容式位移傳感器的應用結構圖,6.1.5 光電式位移傳感器　　如圖6-4所示是反射式光電位移傳感

7、器的工作原理圖。 圖中1為脈沖閃光燈， 由脈沖電源供電點火。 脈沖閃光燈產生的光脈沖投向反射鏡2，經反射鏡2再投向與被測物體4相連的返轉反射鏡3上。 當脈沖閃光燈閃光時， 脈沖電源還向示波器8的X軸輸入端輸入掃描電壓， 使示波器上出現(xiàn)一條水平掃描線。,圖6-4 反射式光電位移傳感器工作原理圖,由返轉反射鏡3反射回來的光脈沖經反射鏡2、 平面反射鏡5反射后，由聚焦透鏡6聚焦后投射到光電倍增管7的陰極上。 光電倍增管7在光脈沖作用下產生的電

8、脈沖經放大器放大后， 輸入給示波器8的Y軸輸入端。這樣，在示波器的水平掃描線上就會出現(xiàn)一個反射信號的脈沖。由于掃描起始時間與脈沖閃光燈輸出的光脈沖同用一個脈沖電源工作， 它們在時間上是同步的。 所以， 從掃描的起始點到反射脈沖出現(xiàn)的時間就是光脈沖從發(fā)射到返回來傳播所需的時間，即t＝2S/C。式中，S為從反射鏡到被測物之間的距離；C為光在空氣中的傳播速度。 　　當被測物體產生位移時， 只要由示波器的標志脈沖和位移脈沖的時間間距， 測得

9、發(fā)生位移后的時間變化， 即可得到物體的位移量。,6.1.6 光纖位移傳感器及其應用　　1. 光纖位移傳感器的原理與特性　　光纖位移傳感器可分為元件型（FF型）和天線型（拾光型）兩種型式。 天線型光纖位移傳感器的工作原理如圖6-5所示。 其中， （a）為傳感器的工作原理。 由恒定光強的光源發(fā)出的光經耦合進入入射光纖， 并從入射光纖的出射端射向被測物體， 被測物體反射的光一部分被接收光纖接收， 根據(jù)光學原理可知反射光的強度與被測物體的距

10、離有關。 將反射光的強度通過光電轉換和處理電路輸出電信號， 測量電信號的變化即可得到物體的位移。,圖6-5 天線式光纖位移傳感器的工作原理與特性（a） 工作原理； （b） 光反射原理； （c） 輸出特性,如圖6-6所示為光電轉換及放大電路。 光電轉換元件通常使用光敏二極管， 放大電路由兩級運算放大器組成。 為保證轉換的穩(wěn)定性， 電路中的電阻應選用溫度系數(shù)小的精密電阻， 電容器應選用漏電小的滌綸電容器。,圖6-6 光纖位移傳感器光電轉

11、換及放大電路,2. 光纖位移傳感器的應用　　如圖6-7所示是用光纖傳感器測量立式銑床主軸變位量的裝置簡圖。傳感器由兩段光纖構成。當兩段光纖之間產生相對位移時，通過的光強便發(fā)生變化，從而可測量位移值。,圖6-7 光纖傳感器測量主軸變位量的裝置,6.1.7 激光掃描測徑儀 　激光掃描測徑儀原理圖如圖6-8所示。 同步電機1帶動位于透鏡3（能得到完全平行光和恒定掃速的透鏡）焦平面上的多面反射鏡2旋轉， 使激光束掃描被測物體4， 掃

12、描光束由光電器件5接收轉換成電信號并被放大。 為了確定被測物輪廓邊緣在光電信號中所對應的位置，采用了兩次微分電路，其輸出波形如圖6-9所示。其中，圖6-9（a）中， 由于物體輪廓的光強分布因激光衍射影響存在緩慢的過渡區(qū)而不能準確形成邊緣脈沖。 為了盡量減小衍射圖樣， 除了選取短焦距透鏡外， 還采用了電路處理方法。 在一般的信號處理中， 取最大輸出的半功率點（即I0/2）作為邊緣信號。 這種方法受激光光強波動、 放大器漂移等影響而不易得到

13、高的精度。,為了得到較高的測量精度， 可對光電信號通過電路二次微分，并以二次微分的過零點作為輪廓的邊緣位置。這種方法在激光光束直徑為0.8 mm的情況下， 可得到1 μm的分辨率和±3 μm的測量精度。二次微分電路的輸出經控制門電路， 讓時鐘脈沖在表征輪廓邊緣的電脈沖之間通過， 經電路運算處理， 最后以數(shù)字形式顯示出被測直徑。,圖6-8 激光掃描測徑儀原理圖,圖6-9 檢出被測輪廓邊緣兩次微分輸出波形,6.1.8 用PSD測量

14、移動物體的位置　　1. 測量原理　　如圖6-10所示，在被測物體上安裝發(fā)光二極管LED， 通過設置在PSD前面的聚光透鏡， 在受光面上得到光點。選擇合適的PSD受光面積， 確保這光點進入受光面。當位于PSD前面的物體在一定范圍內左右移動位置時，LED隨之移動，通過聚光透鏡在PSD上成像， 測量該移動點像， 根據(jù)簡單的幾何光學計算即可得到被測物體移動的位置。 按圖中數(shù)據(jù)，光點直徑為￠5 mm×20/200= ￠ 0.05

15、mm，光點移動范圍為1000mm×20/2000=10 mm。因此，選擇受光面為1×12 mm的一維PSD。,圖6-10 測量在左右方向移動物體的位置,2. 信號光源與偏置電壓的選擇　　如果被測量對象、 光源及PSD在外部有遮擋的情況下， 可采用在其敏感波長范圍內的任何光源。 然而， PSD多在周圍有光（白熾光、 熒光、 水銀光、 太陽光等）的情況下使用， 這就要采用可見光截止型（窗口材料）的PSD， 信號光源使

16、用紅外LED及白熾燈。 還可以根據(jù)周圍光的強度調整PSD的飽和電流值標準， 使PSD能在一定的周圍光強度下具有位置檢測功能。 電極間電阻越低， 反向偏置越大， 飽和電流越大， 在周圍光為強光的情況下， PSD照樣能工作。,3. 響應速度與電極間電阻和反偏置電壓的關系　　在PSD受光面上光點位置高速移動以及信號光源為脈沖燈光而消除周圍的光成分時， PSD需要高速響應工作， 應選用電極間電阻小的PSD， 加上較大的反偏置電壓，在結電容較小

17、的狀態(tài)下使用。 響應時間約為 1 μs左右。,4. 位置檢測誤差　　PSD位置檢測誤差最大約為全受光長度的2%～3%。 若要求檢測精度更高時， 可使用查表補償或調整增益等方法。,5. 電極間電阻與位置分辨率　　位置分辨率是指在PSD受光面上能檢測的最小變位， 用受光面上的距離Δx表示為,（6-1）,式中，I0=I1+I2，Δ(I2-I1）為Δx引起的(I2-I1）變化量。　　若電流差為無限小，則電流I1和I2中含有的噪聲電流分量

18、決定了位置分辨率。 電路中含有的噪聲電流分量主要有三種， 即電流中含有的散粒噪聲電流、 電極間電阻產生的熱噪聲電流和運放的輸入換算噪聲電壓除以電極間電阻的電流等。,6.1.9 數(shù)字式超聲波測距儀　　圖6-11是用數(shù)字測距專用集成電路SB5027組成的數(shù)字式超聲波測距儀電路原理圖。 集成電路SB5027為CMOS大規(guī)模集成電路， 電路內有動態(tài)數(shù)碼信息輸出電路、 鍵盤操作電路、 數(shù)據(jù)存儲電路、 參數(shù)設定電路、 準確度校正電路等全部儀表電路

19、功能， 而且外圍電路特別簡單， 是一種功能齊全的超聲波測距專用電路。,圖6-11 數(shù)字式超聲測距儀電路原理圖,SB5027采用40/44腳QFP、 DIP及PLCC封裝形式， 能輸出5位數(shù)碼和14位符號的距離、 狀態(tài)信息， 可進行人機對話。 SB5027內部集成有中央處理器、 存儲器、 日歷、 分頻器、 比較器、 標準40 kHz超聲波發(fā)生器以及回波響應脈沖接收處理器。 發(fā)射頻率穩(wěn)定度高， 與外置振蕩電路相比， 不易受溫度、 濕度和元件

20、參數(shù)一致性影響而改變頻率。,該超聲波測距儀采用動態(tài)跟蹤數(shù)字顯示方式。 它有六位數(shù)字顯示和六種狀態(tài)顯示， 其中S為秒信號顯示， B為報警信號輸出顯示， YJ為距離報警開關接通狀態(tài)顯示， SX、 ZX、 XX分別為三個限值信號輸出。 全鍵盤共15個鍵， 其中0～9為數(shù)字鍵， 用來輸入各預置參數(shù)的設定， 其余5個鍵為功能鍵。 在數(shù)字鍵中“0”、 “1”、 “2”、 “3”為雙功能鍵。 “0”為顯示消隱鍵， 按下此鍵后， 顯示器消隱， 可節(jié)省電

21、能。 “1”鍵又可作月日顯示操作， “2”鍵可作時分顯示操作， “3”鍵可作距離顯示操作。 在五個功能鍵中， MUP鍵為進入?yún)?shù)設定菜單/向前翻頁鍵， SEC鍵為退出設置狀態(tài)鍵， STP為測量精度定標鍵， ALM為報警聲開關， ENT為參數(shù)存儲設定鍵。,當需要進行測量精度標定時，在距離檢測儀工作正常的情況下， 按下MUP鍵， 在菜單中找出“OY”。在菜單OY下，輸入從收發(fā)傳感器位置平面到目標物平面的實際精確距離數(shù)值后， 按下STP鍵，最

22、后按下ENT鍵，將定標參數(shù)存儲到存儲器中。 　　本電路采用專用的紅外線前置放大電路CX20106放大超聲波傳感器R40（接收）輸出的十分微弱的信號電壓，以提高其測量精度。CX20106的7腳輸出，再通過兩級反相器F1、F2進行整形后從第12腳輸入到SB5027中。 　　超聲波發(fā)射信號由SB5027的1腳輸出，經F3緩沖和整形后， 由V1放大，通過變壓器T進行阻抗變換后，由發(fā)射頭T40向外發(fā)射。 報警信號由SB5027的8腳輸出，

23、經V2放大后，由揚聲器放出。,,6.2 數(shù)字式位置測量技術,6.2.1 位置檢測技術在機床上的應用　　1. 用光電旋轉編碼器控制機床的縱向進給速度　　如圖6-12所示，將光電旋轉編碼器安裝在機床的主軸上， 檢測主軸的轉速， 經脈沖分配器和數(shù)控邏輯的運算， 輸出進給速度指令控制絲桿進給電機， 達到控制機床的縱向進給速度的目的。 這種半閉環(huán)控制的精度受光電旋轉編碼器的分辨力和進給絲桿的累積誤差影響較大。,圖6-12 機床縱向進給速度控制

24、原理圖,2. 感應同步器在鏜床上的應用　　鏜床在加工零件前常使用塊規(guī)確定零件的加工中心以保證加工精度。 這種方法煩瑣、 效率低。 在鏜床的垂直方向和縱向安裝感應同步器， 用感應同步器和數(shù)顯表可直接準確地確定零件的加工中心， 既保證了精度又提高了效率。 如圖6-13所示為國產TX611型數(shù)顯臥式鏜床外觀圖。 在主軸上上下移動的垂直坐標（y軸）裝有感應同步器的定尺4和滑尺3， 在上滑座橫向移動的坐標（x軸）裝有感應同步器的定尺2和滑尺1

25、。 該鏜床采用最簡單的半開啟式防護罩， 主要防止鐵屑滑傷定、 滑尺繞組， 同時避免灰塵和油液的侵入。 數(shù)顯表5安裝在可以轉動的表架上， 以便操作者調整視角。,圖6-13 數(shù)顯臥式鏜床外觀圖,該鏜床坐標定位準確度在全行程為0.03 mm， 加工精度可優(yōu)于0.06 mm。 根據(jù)標準規(guī)定， 定位準確度是在全行程內每相距50 mm檢一點。 對于0.03 mm的定位準確度要求， 在調整接長感應同步器定尺和檢定精度時， 長度基準可以選用精密線紋米尺

26、（準確度為5 μm）， 用讀數(shù)值為1 μm的讀數(shù)顯微鏡讀數(shù)。,6.2.2 直線式感應同步器數(shù)顯裝置的安裝與調整　　1. 感應同步器的安裝與調整　　感應同步器安裝總圖如圖6-14所示。 標準型直線感應同步器安裝尺寸如圖6-15所示。,圖6-14 感應同步器安裝總圖,圖6-15 標準型直線感應同步器的外形尺寸、 安裝尺寸和安裝要求,1） 安裝要求　　安裝感應同步器時應注意以下幾點技術要求：　　（1） 定尺側母線與機床導軌基準面A

27、的不平行度允差0.1 mm/全長，定尺安裝平面與機床導軌基準面B的不平行度允差0.04 mm/全長。 　?。?） 滑尺側母線與機床導軌基準面A的不平行度允差0.02 mm/全長。 　?。?） 定尺基準側面與滑尺基準側面相距88±0.10 mm。,（4） 定尺與滑尺的間隙為0.25±0.05 mm， 在全行程中間隙變化應小于0.1 mm。 　?。?） 定尺與滑尺的平行度，在滑尺四角處用塞尺測得間隙差值應小于

28、0.05 mm，全行程中平行度變化應小于0.01 mm。　?。?） 定、 滑尺的繞組面應垂直安裝， 以防積塵。 定、 滑尺安裝位置應考慮調整和維修方便， 不宜安裝在易受扭動的位置。,2） 尺座和防護罩 　?。?） 定尺尺座： 它是安裝定尺的底座。 　　從結構上講， 定尺尺座應包括： 　?、?導緣和定尺的安裝面。 　　② 在每塊定尺的安裝位置，除了三個固緊定尺的M6螺孔外，還應該有一個孔徑為5 mm、深為5 mm接長用

29、調整孔，以調整定尺間的接縫。 　　③ 如果定尺尺座直接安裝在機床毛面上， 必須要有調整安裝面與機床導軌面不平行度的調整機構。 　?、?根據(jù)需要， 可以設銷釘孔和起吊孔。,圖6-16 裝在機床毛面上的定尺尺座,（2） 滑尺尺座： 如圖6-18所示， 滑尺的尺座應考慮定、 滑尺之間的間隙調整， 一般采用調整墊調整。 調整墊裝在滑尺與滑尺座之間， 如果間隙大了， 可取下調整墊磨去一些。 安裝好之后應打入銷釘， 防止松動。 

30、　　（3） 防護罩： 為防止撞傷、 切削及切削液進入氣隙， 應在定尺和滑尺的全行程中（包括兩端）加防護罩。 防護罩必須有一定的強度（如用1.5～2.5 mm鋼板）， 固定面要加防油墊。,圖6-17 裝在機床加工面上的定尺尺座,圖6-18 滑尺尺座,3） 感應同步器在機床上的安裝　?。?） 在機床毛面上的安裝：圖6-19是直線感應同步器在機床毛面上安裝定尺尺座的情況。這種安裝方法雖然比較復雜， 但可安裝在機床毛面上，又可在機床外接長

31、。接長的精度好， 可減少器件在機床上的安裝時間，因此應用較多。 　?。?） 在機床加工面上的安裝： 圖6-20是一臺臥式鏜床縱向安裝圖。 定尺組件直接安裝在機身加工面上。,圖6-19 感應同步器在機床毛面上的安裝,圖6-20 感應同步器在機床加工面上的安裝,4） 定尺接長 　　直線感應同步器定尺的每塊長度為250 mm(名義尺寸)， 在應用中因滑尺要全部覆蓋在定尺上， 在測全行程超過150 mm時， 必須使用多塊定尺接長。 定

32、尺接長應選擇誤差曲線偏上偏下的相間排列并調整兩塊定尺之間的接縫寬度， 使接長后的定尺組件在全行程上的累積誤差能最大限度地減小。,為了調整接長的定位精度， 可用數(shù)顯表顯示出來的尺寸（調好滑尺的匹配及增益）和標準刻線尺（精密光學線紋尺）或塊規(guī)千分表來比較。 先將第一塊定尺固定好， 使滑尺和第一塊定尺耦合。 按下校對開關， 即顯示尺位。 稍稍移動滑尺， 精密顯示為0.00， 并使μm表指示最小， 記下精密量儀的讀數(shù)。 移動滑尺到第二塊定尺，

33、使精密量儀讀數(shù)增加250.00 mm。 固定滑尺， 微動定尺， 使數(shù)顯表也增加250.00 mm， 并使μm表對零， 將第二塊定尺固定。 復查（每點讀三次， 重復誤差在3 μm內算穩(wěn)定）后調第三塊定尺。,5） 定、 滑尺安裝注意事項（1） 安裝螺孔要與安裝面垂直， 以免旋轉時移動定尺。 （2） 緊固螺釘應小于孔徑2 mm以上以便有足夠的調整余量。 （3） 緊固螺釘與尺面之間應加膠木墊， 以免絕緣損傷。 （4） 接線要牢固

34、， 對地絕緣電阻保持在1 MΩ以上。（5） 調整定尺時，應用如圖6-21所示的專用調整桿。嚴禁敲打定尺端來調整，以免將繞組和絕緣面砸傷。每塊定尺上有一個￠7 mm的調整用孔，尺座上對應位置有￠5 mm、深5 mm的孔。 調整時將調整桿的￠4.8 mm球頭塞入尺座的￠5 mm孔內，利用￠6.5 mm球面，如杠桿一樣來調整定尺位置。,圖6-21 定尺位置調整桿,（6） 定尺在調整前應該粗定位?？捎靡粋€如圖6-22所示的定位桿插入￠7 m

35、m和￠5 mm的調整孔， 然后將中間的緊固螺釘擰緊即可。 調整該定尺時再微微松開該螺釘。,圖6-22 定尺定位桿,2. 數(shù)顯表的安裝調試　　數(shù)顯表應選擇便于觀察和操作的位置安裝， 前置放大器裝在定尺的一端， 匹配變壓器裝在滑尺架上， 電纜盡量從機床內部穿過， 交流220 V電源最好接到機床的穩(wěn)壓電源上以減少干擾。 　　定、滑尺按技術要求安裝調整好、系統(tǒng)連接符合要求后， 數(shù)顯表按下面的步驟開機調試。　?。?） 接好電源：將面

36、板上的電源開關接通，數(shù)碼管應變亮。 　?。?） 檢查置數(shù)和復零： 將撥碼盤預置數(shù)（包括符號）， 按“置數(shù)”按鈕， 應該顯示撥碼盤預置的符號和數(shù)碼。 按下復零按鈕， 六位數(shù)碼管應全部顯示零。,（3） 檢查顯示器計數(shù)情況： 將后面板上的檢查開關撥到“正計”， 顯示器在“+”符號區(qū)作加計， “－”符號區(qū)應作減計。 如開關撥到“反計”， 則在“+”符號區(qū)作減計， “－”符號區(qū)作加計。 減計數(shù)過全零應改變符號， 同時變成加計數(shù)。 如計數(shù)正常，

37、 則將開關放在“工作”位置。 　?。?） 校對尺位： 按“校對”按鈕，應顯示正尺位。 連續(xù)按幾次，顯示數(shù)字應相同。 ,（5） 調整誤差放大量： 在極距零附近， 當滑尺與定尺相對位移為0.7 μm時， 誤差信號應超過門檻值， 使末位(0.01 mm)計一個數(shù)。 此時表頭的指針應逐漸偏轉擺到+7， 再突變到－3（或由－7突跳到+3， 視位移的方向而定）。 如誤差信號大小不合適， 不能達到此要求， 可調整面板上的“增益”。

38、如表針指示為+7到－1， 說明放大量不足， 應將“增益”電位器順時針旋轉， 提高增益。 此項調整需調整到使指針的偏轉達到+7到－3的要求為止。 　?。?） 前置放大器放大倍數(shù)的調整：如定尺接長超過10 m，此時誤差信號的放大量調到最大仍不夠，可打開前放盒，將輸入抽頭改接， 前放的放大倍數(shù)可增大到2000倍左右。 ,（7） 移動滑尺， 觀察顯示計數(shù)及符號。　　① 運動方向按習慣定出， 如橫坐標由左到右為正向， 縱坐標由下到上為正向

39、。此時要求顯示器在“+”符號區(qū)作加計， 若實際使用中作減計，可將勵磁到滑尺的正弦或余弦兩對勵磁接線中任意一對的兩個頭對調。 　?、?在任意位置復零作為坐標原點。 離開原點運動時， 計數(shù)器作加計，趨向原點時， 計數(shù)器作減計。 經過原點時， “+”、 “－”符號改變。 　　部分國產感應同步器數(shù)顯表的技術特性見表6-2。,表6-2 部分國產感應同步器數(shù)顯表的技術特性,3. 安裝變形誤差及其補償　　1） 安裝變形誤差　　理想的標尺

40、是絕對平直的，其安裝平面也是絕對平直的， 這時不產生變形誤差。 但是，如果定尺底面不平， 或者安裝面不平， 將引起定尺彎曲；另外一種情況是定尺在自由狀態(tài)下彎曲， 安裝時又未壓緊，最后也呈彎曲狀。 設定尺長為L， 厚度為H， 彎曲量為Δ，則彎曲變形偏差為,（6-2）,可見， 彎曲變形偏差δ與標尺長度成反比，與厚度和彎曲變形成正比。 當繞組面凸起變形時， 偏差為正， 表示伸長； 當繞組面凹曲變形時， 偏差為負， 表示縮短。,2） 誤差補償

41、　?。?） 位置測量誤差的主要來源如下： 　　① 測量系統(tǒng)帶來的誤差：包括標尺誤差和細分誤差。 標尺誤差，如光柵系統(tǒng)的標尺光柵誤差，感應同步器定尺零位誤差；細分誤差指數(shù)字系統(tǒng)細分標尺一個周期時的內插誤差。 　　② 阿貝誤差： 阿貝原理指出 “只有當被測量軸線與基準軸線重合， 或在其延長線上時， 由于導軌的直線度或間隙引起的測量誤差為最小”。 由于位置測量系統(tǒng)是作為基準安裝在機床、 儀器或機械上的， 因此， 必然存在阿貝誤差。 

42、,③ 機械變形誤差：由于機械的剛性（包括接觸剛性）不足，產生變形誤差，該項誤差常常在阿貝誤差中綜合反應出來。 　?、?熱誤差： 該誤差是由于測量標尺材料和被測工件材料不同， 且存在溫度差(溫度梯度)和溫度偏離標準恒溫20℃引起的。 除非是局部熱溫度影響， 一般情況熱誤差是線性誤差。,（2） 位置測量誤差補償方法　　位置測量精度的上限取決于機械(幾何精度、剛性)、測量系統(tǒng)(精度、安裝位置)和溫度因素。 即使不考慮溫度的影響， 要達

43、到5 μm/1000 mm的位置準確度也是很難的，因這時阿貝誤差的影響已很明顯。對普通精度的機械無需加補償。 而要求有足夠重復精度的，必須進行補償才能實現(xiàn)。一般說補償脈沖的當量應該與重復誤差值相當。例如，在進行位置測量時， 兩次測量的對應點差值和回零誤差如果是2 μm的話， 則補償脈沖當量可取為2 μm。,6.2.3 數(shù)顯表　　1. 光柵數(shù)顯表　　光柵測量系統(tǒng)， 主要是用長光柵作為檢測元件的直線位置測量系統(tǒng)，用圓光柵測角系統(tǒng)和

44、測量圓的分度。 圓光柵配以齒輪、齒條或摩擦輪等， 也可以用于長度測量系統(tǒng)。 不論是長光柵測量系統(tǒng)， 還是圓光柵測量系統(tǒng)， 數(shù)顯表的基本構成是類似的。 　　1） 光柵數(shù)顯表的基本構成　　如圖6-23所示為光柵數(shù)顯表的基本原理框圖。一般光柵數(shù)顯表的主要組成部分有：細分電路，方向判別電路（辨向電路），計數(shù)、顯示電路，絕對零位電路，功能電路。,圖6-23 光柵數(shù)顯表的基本原理框圖,2） 光柵數(shù)顯表的基本電路　　目前， 光柵傳

45、感器的輸出信號通常有兩種：第一種是相位差為90°的兩路方波信號，根據(jù)激勵源的幅值不同，又分為3～5 V和10～12 V兩種；第二種是相位依次相差90°的四路正弦波信號，幅值為1 Vp-p，除此之外，還有一個絕對零位脈沖信號輸出。它通常是一個脈寬略窄于光柵柵距的矩形波。上述信號分別由方向判別和細分電路進行處理。 　　（1） 辨向電路：光柵傳感器的信號可表示為,（6-3）,圖6-24 方向判別電路原理,（2） 細分電

46、路： 光柵傳感器的柵距比感應同步器的周期、 磁柵的波長要小得多。 目前， 常用的長光柵的柵距是0.04 mm、 0.02 mm、 0.01 mm和0.008 mm， 相當于25線/mm、 50線/mm、 100線/mm和125線/mm； 圓光柵的線紋數(shù)為129～250、 600線/周。 雖然光柵有很高的刻線密度， 但是在高精度的測量中， 要求獲得更高的分辨率。 雖然可以采用更小的光柵節(jié)距來實現(xiàn)， 但是這種方法在技術上難點較多， 在經濟上

47、也是不合算的。 因此， 采用電子技術對光柵莫爾條紋進行細分來提高分辨率是目前應用最廣的方法， 經細分后， 在相同的工作速度下， 計數(shù)脈沖的頻率相應地提高了， 故習慣上又稱為倍頻。,電子細分技術的基本原理是正/余弦信號組合技術。 由光源、 光柵副、光電元件和前置放大器組成的光柵讀數(shù)頭輸出的信號可以寫成正/余弦函數(shù)， 將它們進行不同的組合可以構成多種細分方案。主要有：直接細分，一般為四倍頻細分；電橋細分與電位器鏈細分，對光柵輸出信號要求嚴格

48、，且消耗一定的功率； 復合細分，細分數(shù)可以做到40～80，有較高的細分精度， 但是電路比較復雜； 相位調制細分， 細分數(shù)可以很高， 通常為200～1000， 但對電路中的濾波器有相應的要求； 鎖相倍頻， 在實現(xiàn)高細分數(shù)時有明顯的優(yōu)越性。 帶有單片機的數(shù)顯表， 還可用軟件實現(xiàn)任意的細分數(shù)。,最簡單的方法是通過四相光電元件獲得的四路相位差依次為90°的正弦信號， 是早期采用的細分方法， 目前仍廣泛應用于光柵測量系統(tǒng)中。 對于25線

49、/mm的光柵， 其分辨力為0.04 mm， 四倍頻細分后可得到0.01mm的數(shù)字讀數(shù)（分辨力）。 　　典型的四倍頻細分電路如圖6-25所示。,圖6-25 四倍頻細分和辨向電路（a） 電原理圖； （b） 波形圖,2.兼容式數(shù)顯表原理兼容式數(shù)顯表的原理方框圖如圖6-26所示。,圖6-26 兼容式數(shù)顯表的原理框圖,感應同步器、 光柵和磁柵兼容式數(shù)顯表電路的主要部分是兼容的。 以光柵數(shù)顯表為基礎， 在主機上僅增加了為感應同步器和磁柵設置

50、的濾波和放大整形電路。 因此， 其價格可以與目前國內生產的光柵數(shù)顯表相當。 兼容式數(shù)顯表用于感應同步器或磁柵測量系統(tǒng)時， 需要再配備一個前放盒， 它在整機成本中只占很小的一部分， 而且它可以根據(jù)用戶的需要來決定是否必須配置。 圖6-27為一種兼容式數(shù)顯表的外形圖。,圖6-27 POSITIP808兼容式數(shù)顯表的外形圖,6.2.4 數(shù)顯量具　　1. 數(shù)顯量具的特點　　1） 功能、性能和精度　?。?）LCD數(shù)字顯示： 大多用液晶顯示

51、， 讀數(shù)方便準確， 免除了機械量具的游標讀數(shù)誤差， 并可提高檢測效率， 對于大批量生產條件下的量限檢測優(yōu)點更為明顯。 　?。?）分辨率高和測量精度高： 例如電子卡尺分辨率都可達0.01 mm，測量準確度達±0.02～±0.03 mm；電子千分尺分辨率可達0.001 mm，測量準確度達±0.002 mm，能滿足精密加工測量的要求。 　?。?） 具有公英制轉換功能： 這是機械量具無法實現(xiàn)的。,（4） 浮

52、動置零功能： 零位任選， 即浮動置零， 因此可以作比較測量， 即在標稱尺寸位置置零時， 便可讀出一批零件的尺寸的正負偏差值， 這對于測錐度和壁厚等尺寸尤為方便， 不再需要進行運算。 　?。?） 有數(shù)據(jù)存儲功能。 　?。?） 有多種報警功能： 顯示方式有符號顯示或閃光報警。 可具有電源欠壓報警、 超速報警、 干擾報警、 傳感器玷污報警等。 　　（7） 抗干擾功能強： 能在車間條件下使用。 ,（8） 功耗?。?采用CMOS大規(guī)

53、模集成電路和LCD液晶顯示， 功耗小， 并有定時斷電功能， 在顯示讀數(shù)后2～3 min即自行切斷電源， 延長了電池使用壽命， 當采用二粒1.5 V氧化銀鈕扣電池時可連續(xù)工作3000 h。 　?。?） 帶有運算功能： 有的數(shù)顯量具帶有運算功能。 如日本NSK公司的DIGITRIX數(shù)顯千分尺能對256個被測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理， 并打印輸出各被測數(shù)據(jù)及平均值、 極大值和極小值。,2） 電氣和機械方面的特點　?。?） 采用各種新型位置檢測

54、元件： 數(shù)顯量具的核心部件都采用接觸式增量編碼器、 光縫碼盤、 透射光柵、 反射光柵、 磁柵、 容柵等新型位置檢測元件。 　?。?） 材料性能好： 由于測量精度高， 對主要機械零件的平行性、 平面性和配合精度要求也相應提高了， 有的材料采用不銹鋼。,（3） 接口電路：測量元件到數(shù)字顯示的接口電路主要有： 　　① 信號電路。一般為整形、細分、辨向等典型電路。 　?、?控制電路。可用一個或多個按鈕控制。 　?、?

55、微處理器。可完成公英制轉換、 數(shù)值存儲、 置零、 置數(shù)、報警。 　　④ 輸出部分。數(shù)字和符號顯示用LED或LCD七段顯示器， 可顯示五位數(shù)字。 　?、?電源電池。 有用2～4節(jié)氧化銀電池， 用蓄電池， 用交流供電幾種。 交流供電僅用于高度規(guī)。,2. 容柵數(shù)顯卡尺　　圖6-28為SYLVAC的數(shù)顯量具外觀圖。數(shù)顯游標卡尺量程為150～1000 mm； 數(shù)顯內徑千分尺的內徑測量范圍為2～308 mm； 內外徑測量游標卡尺測量范圍為

56、外徑0～1000 mm，內徑50～1050 mm。,圖6-28 SYLVAC的數(shù)顯量具外觀圖（a） 數(shù)顯游標卡尺； （b） 電子數(shù)字式量角器；（c） 電子內徑千分卡尺； （d） 水平方向內外徑游標卡尺,3. 數(shù)顯千分尺　　圖6-29是采用光縫盤編碼器的數(shù)顯千分尺外觀圖。 由于其耗電較大， 近期的產品較少采用。,圖6-29 三豐數(shù)顯千分尺外觀圖,用容柵傳感器取代光縫式傳感器構成的容柵數(shù)顯千分尺， 由旋轉容柵（感應容柵）和固定容柵

57、（激磁容柵）兩個元件組成， 如圖6-30所示。 旋轉容柵上面有5塊獨立的、 互相隔離且均勻分布的金屬導片， 其余部分的金屬連成一片和地相通， 形成感應極， 如圖6-30（a)[JP]所示。 固定容柵是激磁容柵， 它的外圈均勻分布著40條金屬導片， 共分成8組， 每組5條導片， 通過金屬化小孔， 從背面每隔4條連成一組， 形成發(fā)射極， 如圖6-30（b)所示。 它的中間有兩圈金屬環(huán)是接收極， 里圈的金屬環(huán)接地。 安裝時固定容柵不動， 旋轉

58、容柵隨螺桿旋轉， 由接收極送出角位移信號。 這種容柵傳感器只有兩個元件， 結構簡單； 但只有5組40條導片， 精度稍低。,圖6-30 數(shù)顯千分尺用容柵（a） 感應容柵； （b） 激磁容柵,4. 數(shù)顯高度規(guī)　　較先進的數(shù)顯高度尺可測量工件的高度、長度、內孔直徑、 孔距尺寸和形狀位置公差（直線度、 垂直度），在高度尺上裝有系統(tǒng)誤差自動補償機構，測量結果由液晶顯示，這種數(shù)顯尺采用玻璃光柵作檢測元件。高度尺底座中裝有空氣軸承，當按開關時

59、，氣泵打氣使底座和檢驗平臺之間形成幾個微米的氣墊， 以使移動輕快，便于操作，同時也減少了磨損。 　　圖6-31是TRIMOS公司的高度尺外觀圖。,圖6-31 TRIMOS的高度尺（a） 電子高度測量和垂直檢測儀；（b） 電子高度測量和劃線儀（c） 電子工具預調和二軸向測量儀,5. 數(shù)顯百分表（千分表）　　圖6-32是數(shù)顯千分表的外觀圖。 它具有數(shù)字和模擬兩種顯示功能， 數(shù)字讀數(shù)表示零位偏差， 模擬顯示表示測量情況。 模擬顯示

60、扇形顯示刻度值， 超差時閃光顯示， 有六個功能開關自動對零， 還有上下定位和測桿限位信號， 采用堿性電池供電， 量桿為淬硬不銹鋼。,圖6-32 數(shù)顯千分表外觀圖,,6.3 厚 度 檢 測,6.3.1 電容測厚儀　　如圖6-33所示，設電容傳感器兩極板間距離固定為d0， 被測金屬帶材上、下兩表面與兩側電容極板間距離為dx1、dx2， 它們分別構成兩個電容C1和C2， 把兩電容極板連接起來，總電容為Cx=C1+ C2 。當帶材厚度發(fā)生變化

61、時， 電容值也隨之變化。,圖6-33 電容測厚儀結構示意圖,如圖6-34所示為頻率型差動式電容測厚傳感器系統(tǒng)組成框圖。將被測電容C1和C2與電感L構成變換振蕩器，則dx1和dx2與振蕩頻率的關系為,（6-4）,式中，εr為極板間介質的相對介電常數(shù)； A為極板面積； C0為耦合和寄生電容。 那么，被測金屬板材厚度為,δ＝d0-(dx1+dx2),（6-5）,圖6-34 頻率型差動式電容測厚傳感器系統(tǒng)組成框圖,6.3.2 電渦流厚度傳感器

62、　　1. 低頻透射式電渦流厚度傳感器　　如圖6-35所示為透射式渦流厚度傳感器結構原理圖。 在被測金屬的上方設有發(fā)射傳感線圈L1，在被測金屬板下方設有接收傳感器線圈L2。 當在L1上加低頻電壓u1時， 則L1產生交變磁場Φ1， 若兩線圈間無金屬板， 則交變磁場直接耦合至L2中，L2產生感應電壓為u2。 如果將被測金屬板放入兩線圈之間， 則L1線圈產生的磁場將導致在金屬板中產生渦流。 此時磁場能量受到損耗，到達L2的磁場將減弱為Φ1′

63、，從而使L2產生的感應電壓下降。金屬板越厚，渦流損失就越大，u2電壓就越小。因此， 可根據(jù)u2電壓的大小得知被測金屬板的厚度， 透射式渦流厚度傳感器的檢測范圍可達1～100 mm，分辨力為0.1 μm，線性度為1%。,圖6-35 透射式渦流厚度傳感器結構原理圖,2. 高頻反射式電渦流測厚儀　　如圖6-36所示是高頻反射式渦流測厚儀測試系統(tǒng)原理圖。 為了克服帶材不夠平整或運行過程中上下波動的影響，在帶材的上、下兩側對稱地設置了兩個特性

64、完全相同的電渦流傳感器S1和S2。 S1和S2與被測帶材表面之間的距離分別為x1和x2。若帶材厚度不變，則被測帶材上、 下表面之間的距離總有x1+x2=常數(shù)的關系存在。,圖6-36 高頻反射式渦流測厚儀測試系統(tǒng)原理圖,6.3.3 數(shù)字式超聲波測厚儀　　超聲波測厚的方法有共振法， 干涉法及脈沖反射法等， 常用的是脈沖反射法。 如圖6-37所示為數(shù)字式超聲波測厚儀方框圖， 它由主控器、 發(fā)射電路、 接收放大器、 計數(shù)顯示器等部分組成。 主

65、控器發(fā)出啟動信號， 經發(fā)射電路中的發(fā)射頭發(fā)出超聲波； 并經補償延時電路使超聲波開始進入被測工件時， 產生計數(shù)開門信號， 計數(shù)器開始計數(shù)。 底面反射信號經放大后觸發(fā)厚度閘門控制電路， 產生計數(shù)關門信號， 計數(shù)器停止計數(shù)。 高頻振蕩器產生計數(shù)脈沖。 計數(shù)器所計的數(shù)字正比于超聲波發(fā)射和返回的時間間隔及計數(shù)脈沖頻率。 因此， 只要調節(jié)好高頻振蕩器的頻率， 就能直接顯示出工件厚度。,圖6-37 數(shù)字式超聲波測厚儀方框圖,6.3.4 大工件壁厚測試

66、臺　　大型工件的壁厚， 一般常利用超聲、射線或渦流等原理進行測量， 但測量精度不夠高， 滿足不了一些使用者的要求。 數(shù)顯壁厚測試臺是一種采用直線型感應同步器的專用壁厚測量裝置， 它由機身、 傳動裝置、 測量臂、 感應同步器、 數(shù)顯表控制器等組成， 如圖6-38所示。,圖6-38 壁厚測試臺結構示意圖,在機身上裝有兩條道軌， 電動機M帶動傳動機構可使測量臂沿道軌在機身上作縱向移動， 移動距離可達1.2 m。 在測量臂端部安裝有兩套感應同

67、步器， 并與一臺數(shù)顯表配套使用。 為保證測量的精度， 感應同步器采用滾動道軌， 滑尺由各自的伺服電機通過齒輪、 齒條傳動機構、 離合器、 壓縮彈簧帶動運動， 在其端部還裝有一個測量桿。 通過控制器的控制使它們可以相向或相背運動。 被測工件安裝在底座的支架上進行測量。,在測量工件壁厚之前，先讓測量桿相向運行， 待兩測量桿相接觸后， 使數(shù)顯表復位清零。 然后使測量桿后退張開， 移動測量臂至測量部位，再讓測量桿相向移動，直至測量桿與工件接觸，