塑性敏感元件高度自动测量仪研制+文献综述(4)
图2.1 总体方案框图
该自动测量仪系统的工作过程：将塑性敏感元件放在工作台上，测量头对准元件，测出压前的高度值；然后拿去做膛压的试验，再来测一次高度。反复测多次，计算平均值。
为了使塑性敏感元件与转台之间不产生相对运动，将光栅位移传感器安装在具有高精度工作基准面的支架上，工作台水平基准面的不平度优于0.001mm。由于光栅位移传感器的输出极易数字化，无需A/D转换，特别适合静态和动态情况下的实时测量。
光栅位移传感器是基于莫尔条纹现象来测量的，要想提高分辨率，必须对对光栅信号进行细分、辨向。信号经细分与辨向后输入计数模块，计数模块完成16位可逆计数后将光栅信号对应的二进制计数值输出到单片机，然后通过串口通信模块送入上位机系统。测高系统的总体框图如图2.2所示。
图 2.2 总体系统框图
2.3 传感器的选择
传感器是数据采集和数据转换的重要部件，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。本系统主要涉及位移的测量，根据系统要求传感器的分辨率要求达到0.001mm。目前常见的位移（高度）传感器主要有电涡流式、电容式、差动变压器式、光栅式等[3]。
电涡流式位移传感器利用电涡流效应制成，传感器主要由探头和检测电路两部分构成，探头由线圈和骨架组成，检测电路由振荡器、检波器及放大器等组成。电涡流传感器通过检测电路测出阻抗Z的变化量，检测出被测导体的的位移量。在使用上，电涡流传感器测量属于非接触式测量，若被测导体为圆柱形时，只有导体直径 D/d＞3.5时，传感器灵敏度才有稳定值。本系统被测对象为铜柱，尺寸较小，因此不适用于本系统。
电容式位移传感器以电容为敏感元件，将机械位移量转化为电容量的变化。电容式位移传感器形式很多，其中变极距式适于线性位移的测量。变极距式位移传感器一个电极板固定不动，另一个极板可以移动，引起极板间距离 相应变化，从而引起电容量的变化。因此只要测出电容变化量 ，便可测得动极板的位移量 。但是，电容式传感器输出特性非线性较严重。
差动变压器式位移传感器是互感式电感传感器中常见的一种，基于变压器作用原理，次级采用两个相同绕组而将同名端串接，以差动方式输出[5]。一般输出为模拟的电压信号或电流信号，差动变压器式传感器具有线性范围大，测量精度高、稳定性好等优点，但其动态性能差，而且需要屏蔽消除杂磁场的干扰。
光栅式位移传感器用光栅的莫尔条纹测量位移，传感器内有两块光栅，一块固定，另一块随侧头移动。当两块光栅发生相对运动时，莫尔条纹光强发生变化，光电元件把接收到的光强变化转化为电信号输出，根据输出电压与位移的关系即可得到位移量。光栅式位移传感器具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、测量范围大、动态范围宽、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，因此适合本系统。
1. 光栅位移传感器的工作原理
光栅位移传感器也称计量光栅,被广泛用于直线位移检测[ ],也可用于角度位移检测。计量光栅位置检测系统的原理是莫尔条纹效应，产生莫尔条纹的装置如图所示。当指示光栅和主光栅的线纹相交一个微小的夹角时，由于挡光效应或光的衍射作用，在与光栅线条大致垂直的方向上，产生明暗相交的条纹，这些条纹称为莫尔条纹，如图2.2所示。
图 2.3 光栅常数W、夹角θ与莫尔条纹宽度B的关系示意图