機械工程測試技術(shù)-位移測量

機械工程測試技術(shù)-位移測量第一頁，共22頁。第一節(jié)概述

位移測量是線位移和角位移測量的統(tǒng)稱，測量時應(yīng)根據(jù)具體的測量對象，來選擇或設(shè)計測量系統(tǒng)。在組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)中，傳感器性能特點的差異對測量的影響最為突出，應(yīng)給予特別注意。

在不同的場合下對位移測量的精度要求不同，位移參量本身的量值特征、頻率特征的不同，自然地形成了多種多樣的位移傳感器及其相應(yīng)的測量電路或系統(tǒng)。第一節(jié)概述第二頁，共22頁。類型測量范圍精確度性能特點滑線電阻式線位移1～300mm±0．1％結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，輸出大、性能穩(wěn)定角位移0°～360°±0．1％分辨率較低，輸出信號的噪聲大，不宜用于頻率較高時的動態(tài)測量電阻應(yīng)變片式直線式±250μm±2％結(jié)構(gòu)牢固、性能穩(wěn)定、動態(tài)特性好擺角式±12°電感式變氣隙型±0．2mm結(jié)構(gòu)簡單、可靠，僅用于小位移測量的場合差動變壓器型0．08～300mm±3％分辨力較好、輸出大，但動態(tài)特性不是很好渦電流型0～5000μm±3％非接觸式，使用簡便、靈敏度高、動態(tài)特性好電容式變面積型10-3～100mm±0．005％結(jié)構(gòu)非常簡單，動特性好，易受溫度、濕度等因素的影響變間隙型0．01～200μm±0．1％分辨力很好，但線性范圍小，其他特點同變面積型霍爾元件型±1．5mm±0．5％結(jié)構(gòu)簡單、動特性好、溫度穩(wěn)定性較差感應(yīng)同步器型10-3～幾米2．5μm/250mm數(shù)字式，結(jié)構(gòu)簡單、接長方便，適合大位移靜動態(tài)測量，用于自動檢測和數(shù)控機床

計量光柵長光柵10-3～幾米3μm／1m數(shù)字式，測量精度高，適合大位移靜動態(tài)測量，用于自動檢測和數(shù)控機床

圓光柵0°～360°±0．5°角度編碼器接觸式0°～360°10-6rad分辨率好、可靠性高光電式0°～360°10-8rad第一節(jié)概述第三頁，共22頁。第二節(jié)常用的位移傳感器一、滑線電阻式位移傳感器a）直線位移型b）角位移型c）測量電路1—滑線電阻2—滑動觸頭滑線電阻式位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、輸出大、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，但由于觸頭運動時有機械摩擦，其使用壽命受限、分辨率較低、輸出信號噪聲大、不宜用于頻率較高時的動態(tài)測量。第二節(jié)常用的位移傳感器第四頁，共22頁。二、應(yīng)變片式位移傳感器

應(yīng)變片式位移傳感器由彈性元件和應(yīng)變片等組成，其測量原理是利用彈性元件把位移量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量，而后由應(yīng)變片將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻的變化量。應(yīng)變片式位移傳感器的種類有多種，其區(qū)別點就在于彈性元件的結(jié)構(gòu)形式。常用的彈性元件有懸臂梁式、圓環(huán)式和半圓環(huán)式等。

▲懸臂梁彈性元件

a）懸臂梁及貼片b）應(yīng)變片接橋第二節(jié)常用的位移傳感器第五頁，共22頁。對于等斷面梁，貼片處的應(yīng)變與位移間的關(guān)系為

若按上圖所示的方法貼片和接橋，位移與應(yīng)變儀讀數(shù)的關(guān)系

對于等強度梁，則有

這種測量方法一般只用于小位移δ<250μm的情況下。其主要特點是結(jié)構(gòu)牢固、性能穩(wěn)定、可靠，有較高的測量精度和良好的線性關(guān)系，與之配用的測量電路和儀器也較為成熟。第二節(jié)常用的位移傳感器第六頁，共22頁?！鴪A環(huán)或半圓環(huán)彈性元件

在被測位移作用下，圓環(huán)或半圓環(huán)彈性元件會產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和應(yīng)變，其應(yīng)變值與位移成正比。第二節(jié)常用的位移傳感器第七頁，共22頁。這種方法直接測量的位移量較小，為了擴大其量程，可通過一些裝置將小位移進行變換。例如，用用一斜面將小位移變換成大位移的裝置。第二節(jié)常用的位移傳感器第八頁，共22頁。三、差動變壓器式位移傳感器

1—次側(cè)線圈2—二次側(cè)線圈3—二次側(cè)線圈4—鐵心輸出電壓第二節(jié)常用的位移傳感器第九頁，共22頁。

輸出信號e0是一個交流信號，其幅值與位移Δl成正比，而頻率則等于交流電源的頻率（當(dāng)Δl

是常量時）或與之有一定的關(guān)系。差動變壓器也是一種調(diào)制器。對于這樣一個調(diào)制信號，在其后續(xù)的測量環(huán)節(jié)中一般要設(shè)置一個典型的測量電路——相敏檢測電路，目的是即能檢測位移的大小又能分辨位移的方向。

國產(chǎn)的差動變壓器式位移傳感器已有多種，其測量位移范圍有：0～±5mm，0～10mm，…，0～300mm等。

差動變壓器式位移測量系統(tǒng)具有精度較高、性能穩(wěn)定、線性范圍大、輸出大、使用方便等優(yōu)點。由于可動鐵心具有一定的質(zhì)量，系統(tǒng)的動態(tài)特性較差。第二節(jié)常用的位移傳感器第十頁，共22頁。四、光電脈沖式位移傳感器

光電脈沖式位移傳感器實際上是一個位移-數(shù)字編碼器，工作時可將機械位移轉(zhuǎn)換成定數(shù)量的電脈沖信號輸出，其工作原理如下圖所示。a）測量角位移的透射式光電脈沖轉(zhuǎn)換器b）測量線位移的反射式光電脈沖轉(zhuǎn)換器1—圓盤2—被測軸3—光源4—光敏二極管5—平板第二節(jié)常用的位移傳感器第十一頁，共22頁。光電脈沖式位移傳感器的后續(xù)測量電路和顯示記錄裝置如下圖的框圖所示。用上述方法，無法判斷位移的正負方向，在需要判斷方向的場合，需要多加一個光電管和一套測量電路。兩光敏二極管的裝設(shè)位置如下圖所示。第二節(jié)常用的位移傳感器第十二頁，共22頁。采用兩個光敏二極管后，當(dāng)圓盤順時針轉(zhuǎn)動時，光敏二極管2比1先感光；當(dāng)逆時針轉(zhuǎn)動時，光電管1比2先感光?？赏ㄟ^光敏二極管感光先后次序的不同，來判斷其轉(zhuǎn)動方向。所以它的測量電路有兩路，經(jīng)邏輯電路對信號作出比較判斷后給出方向信號。第二節(jié)常用的位移傳感器第十三頁，共22頁。

光電脈沖式位移傳感器的優(yōu)點是非接觸測量，不影響被測對象；其輸出為數(shù)字信號，易于信號的傳輸和處理；測量裝置的安裝、使用方便；測量范圍大，長度可達數(shù)米，角度可在360°范圍內(nèi)等。當(dāng)采用普通光源和器件時，分辨率較低，因此這種測量方法常用于精度要求一般的大位移測量和簡易數(shù)控機械系統(tǒng)中。第二節(jié)常用的位移傳感器第十四頁，共22頁。第三節(jié)位移測量的應(yīng)用

一、回轉(zhuǎn)軸徑向運動誤差的測量

回轉(zhuǎn)軸運動誤差是指在回轉(zhuǎn)過程中回轉(zhuǎn)軸線偏離理想位置而出現(xiàn)的附加運動。運動誤差是回轉(zhuǎn)軸上任何一點發(fā)生與軸線平行的移動和在垂直于軸線的平面內(nèi)的移動。前一種移動稱為該點的端面運動誤差，后一種移動稱為該點的徑向運動誤差。端面運動誤差因測量點所在半徑位置不同而異，徑向運動誤差則因測量點所在的軸向位置不同而異。所以在討論運動誤差時，應(yīng)指明測量點的位置?！鴱较蜻\動誤差的測量方法：回轉(zhuǎn)軸運動誤差的定義：測量一根通用的回轉(zhuǎn)軸的徑向運動誤差時，可將參考坐標(biāo)選在軸承支承孔上。這時運動誤差所表示的是回轉(zhuǎn)過程中回轉(zhuǎn)軸線對于支承孔的相對位移，它主要反映軸承的回轉(zhuǎn)質(zhì)量。第三節(jié)位移測量的應(yīng)用第十五頁，共22頁。雙向測量法

單向測量法

Tx、Ty—位移傳感器M1、M2—測量儀T—位移傳感器M—測量儀在測量時，兩種方法都必須利用基準(zhǔn)面來“體現(xiàn)”回轉(zhuǎn)軸線。通常是選用具有高圓度的圓球或圓環(huán)來作為基準(zhǔn)面。第三節(jié)位移測量的應(yīng)用第十六頁，共22頁?！灰菩盘柗治?/p>

第三節(jié)位移測量的應(yīng)用第十七頁，共22頁。若、，則兩傳感器檢測到的位移信號分別為—轉(zhuǎn)角，令與軸平行時—理想回轉(zhuǎn)中心—基準(zhǔn)球的幾何中心—瞬時回轉(zhuǎn)中心—基準(zhǔn)球的安裝偏心—徑向運動誤差—基準(zhǔn)球半徑第三節(jié)位移測量的應(yīng)用第十八頁，共22頁。等號右側(cè)第一、二項分別為偏心和運動誤差在、方向方向上的投影，而第三項則為基準(zhǔn)球上相差90°的兩對應(yīng)點處的形狀誤差。由此可見：1）在一般情況下，而只有當(dāng)和均趨于零或已確知，由和才能確定。因此，如何消除或分離偏心和基準(zhǔn)球的形狀誤差就成為研究測量方法的重要任務(wù)。目前常采用形狀誤差遠小于回轉(zhuǎn)運動誤差的圓球來作為基準(zhǔn)球，力求減小它對測量結(jié)果的影響。當(dāng)圓球形狀誤差和運動誤差大小屬于同一數(shù)量級時，則必需采用誤差分離技術(shù)來消除其影響。2）在圓球形狀誤差可忽略的情況下，和是圓球中心的位移在、兩方向上的分量。換言之，由于偏心的存在，由、可以確定的是圓球幾何中心的軌跡而不是回轉(zhuǎn)軸心的軌跡。實際上，在同一根軸上，以相同條件運行（而應(yīng)一樣），由于偏心的大小和方位不同，測量的和亦不同。第三節(jié)位移測量的應(yīng)用第十九頁，共22頁。為了盡量減小偏心對、的影響，使得測量結(jié)果更能真實的反映，就必須盡量減小或消除值。如果這樣做有困難，那么只有在同一偏心大小和方位的條件下，測定的結(jié)果彼此間才有可比性。3）通常通過適當(dāng)?shù)臋C械裝置和精細調(diào)整來減小安裝偏心，或采用濾波法來減弱偏心的影響。二、物位測量

在生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到大量的固體和液體物料，存放在容器中或堆放在場地上，并占有一定的高度，此高度還可能是隨時間而變化的。對此高度的測量稱為物位測量。物位測量多是將物位轉(zhuǎn)換成位移量來進行的。多種不同轉(zhuǎn)換原理的位移傳感器可用于物位測量。下面介紹其中的兩種。第三節(jié)位移測量的應(yīng)用第二十頁，共22頁。1．沉筒式液位變送器

帶有差動變壓器的沉筒式液位變送器的沉筒由固定段1和浮力段2兩部分組成。調(diào)換浮力段可使變送器適應(yīng)于不