第三章 位移的檢測

第三章位移的測量

3.1概述位移的測量：對線位移和角位移的測量的總稱。包括：長度、厚度、距離、物位、高度、鍍層、表面粗糙度、角度等的測量。1、直接非電測量：利用噴嘴-擋板，通過流量測位移；2、將位移量轉(zhuǎn)化為模擬電量：①位移使傳感器的結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生電信號；②位移量轉(zhuǎn)化為數(shù)字：如光電式編碼器、磁電式感應(yīng)同步器等。

3.2

光柵位移傳感器3.2.1莫爾條紋亮帶暗帶（1）莫爾條紋移動方向與兩光柵相對移動方向垂直。（2）莫爾條紋有位移的放大作用。

3.2

光柵位移傳感器3.2.1莫爾條紋3.2.2光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

光柵產(chǎn)生位移時，莫爾條紋便隨著產(chǎn)生位移，若用光電器件記錄莫爾條紋通過某點的數(shù)目，便可知主光柵移動的距離，也就測得了被測物體的位移量。為光柵設(shè)計的專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器（光柵計數(shù)卡）

內(nèi)部包含以下電路：放大、整形、細(xì)分、辨向、報警、阻抗變換等。光柵數(shù)顯表掃描頭（與移動部件固定）光柵尺可移動電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）3.3常用位移傳感器

3.3.1電感位移傳感器

電感式傳感器是利用線圈自感或互感量系數(shù)的變化來實現(xiàn)非電量電測的一種裝置。

結(jié)構(gòu):由線圈、鐵芯、銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為σ;

傳感器運(yùn)動部分與銜鐵相連，銜鐵移動時σ發(fā)生變化引起磁路的磁阻Rm變化，使電芯線圈的電感值L變化；自感式傳感器

當(dāng)銜鐵在中間位置

Z1=Z2=ZU0=0

當(dāng)銜鐵偏移時輸出電壓當(dāng)銜鐵偏向另一方向銜鐵上下移動相同距離時，輸出電壓大小相等方向相反，相差180o，要判斷銜鐵方向就是判斷信號相位，用相敏檢波。自感式傳感器

相敏檢波輸出特性曲線a）非相敏檢波b）相敏檢波

1—理想特性曲線2—實際特性曲線自感式傳感器

實測得到的相敏檢波電路的特性曲線

通過調(diào)零電路，可使輸出曲線平移到原點。標(biāo)定位移時的實驗數(shù)據(jù)及曲線自感式傳感器

相敏整流電橋

自感式傳感器

壓力測量用的膜盒

膜盒由兩片波紋膜片焊接而成。所謂波紋膜片是一種壓有同心波紋的圓形薄膜。當(dāng)膜片四周固定，兩側(cè)面存在壓差時，膜片將彎向壓力低的一側(cè)，因此能夠?qū)毫ψ儞Q為直線位移。自感式傳感器

一、變隙式差動變壓器

兩個初級繞組的同名端順向串聯(lián)，而兩個次級繞組的同名端則反相串聯(lián)。

差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖變壓器式傳感器二、螺線管式差動變壓器次級次級骨架初級銜鐵次級次級初級變壓器式傳感器

兩個次級線圈反相串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下,其等效電路如圖所示。當(dāng)初級繞組加以激勵電壓U時,根據(jù)變壓器的工作原理,在兩個次級繞組N21和N22中便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢U21和U22。如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對稱,則當(dāng)活動銜鐵處于初始平衡位置時,必然會使兩互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,將有U21=U22。由于變壓器兩次級繞組反相串聯(lián),因而Uo=U22-U21=0,即差動變壓器輸出電壓為零。變壓器式傳感器輸出電壓的特性曲線變壓器式傳感器為減小零點殘余電壓的影響，一般要用電路進(jìn)行補(bǔ)償,電路補(bǔ)償?shù)姆椒ㄝ^多,可采用以下方法。串聯(lián)電阻：消除兩次級繞組基波分量幅值上的差異；并聯(lián)電阻電容：消除基波分量相差，減小諧波分量；加反饋支路：初次級間反饋，減小諧波分量；相敏檢波對零點殘余誤差有很好的抑制作用。這些電路可單個使用也可綜合使用，需要通過實驗證實效果串聯(lián)電阻并聯(lián)電阻變壓器式傳感器三、差動變壓器式傳感器測量電路問題：（1）差動變壓器的輸出是交流電壓(用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向);

（2）測量值中將包含零點殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動方向和消除零點殘余電壓的目的，實際測量時，常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。

變壓器式傳感器(1)差動整流電路

這種電路是把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。（a）半波電壓輸出（b）半波電流輸出（c）全波電壓輸出（d）全波電流輸出變壓器式傳感器輸入一交流信號時整流電路的輸出電壓為：U0=U24-U68，鐵芯T在中間位置，U24=U68U0=0T上移，U24

＞U68U0

＞0，T下移，U24

＜U68U0

＜0

鐵芯上移鐵芯下移U0U0變壓器式傳感器開關(guān)式全波相敏檢波電路(2)相敏檢波電路變壓器式傳感器四、電感式傳感器的應(yīng)用1、位移測量軸向式電感測微器的外形

航空插頭紅寶石測頭變壓器式傳感器其他電感測微頭變壓器式傳感器模擬式及數(shù)字式電感測微儀變壓器式傳感器電感式滾柱直徑分選裝置測微儀圓柱滾子變壓器式傳感器電感式滾柱直徑分選裝置滑道分選倉位軸承滾子外形變壓器式傳感器電感式滾柱直徑分選裝置滑道11個分選倉位廢料倉變壓器式傳感器仿形銑床外形

仿形機(jī)床采用閉環(huán)工作方式仿形頭主軸變壓器式傳感器電感式不圓度測試系統(tǒng)旁向式電感測微頭變壓器式傳感器電感式不圓度測量系統(tǒng)外形

旋轉(zhuǎn)盤測量頭變壓器式傳感器粗糙度儀外形金剛石測頭變壓器式傳感器3.3.電渦流式位移傳感器

若改變這些參數(shù)中的任一物理量，都將引起的變化，這就是電渦流傳感器的工作原理。渦流式傳感器電渦流效應(yīng)演示

由法拉第電磁感應(yīng)原理可知：一個塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作用切割磁力線運(yùn)動時，導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生一圈圈閉合的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制作的傳感器稱電渦流傳感器;

電渦流式傳感器最大的特點是能夠?qū)ξ灰?、厚度、表面、溫度、速度、?yīng)力、材料損傷等被測量進(jìn)行非接觸測量。形成電渦流必須具備兩個條件：①存在交變磁場②導(dǎo)電體處于交變磁場中渦流式傳感器電渦流的應(yīng)用

干凈、高效的電磁爐渦流式傳感器一、工作原理

把一個扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，當(dāng)線圈中通以交變電流I1時，線圈周圍空間產(chǎn)生交變磁場H1，當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近交變磁場中時，導(dǎo)體內(nèi)部就會產(chǎn)生渦流I2，這個渦流同樣產(chǎn)生反抗H1的交變磁場H2。渦流線圈結(jié)構(gòu)雖然簡單，但要定量分析是很困難的，可根據(jù)實際情況建立一個模型，求出模型的等效電路。渦流式傳感器電渦流的應(yīng)用

干凈、高效的電磁爐渦流式傳感器一、工作原理

把一個扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，當(dāng)線圈中通以交變電流I1時，線圈周圍空間產(chǎn)生交變磁場H1，當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近交變磁場中時，導(dǎo)體內(nèi)部就會產(chǎn)生渦流I2，這個渦流同樣產(chǎn)生反抗H1的交變磁場H2。渦流線圈結(jié)構(gòu)雖然簡單，但要定量分析是很困難的，可根據(jù)實際情況建立一個模型，求出模型的等效電路。渦流式傳感器電磁爐內(nèi)部的勵磁線圈渦流式傳感器電磁爐的工作原理高頻電流通過勵磁線圈，產(chǎn)生交變磁場，在鐵質(zhì)鍋底會產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋內(nèi)的食物。渦流式傳感器三、渦流的分布和強(qiáng)度渦流的分布：因為金屬存在集膚效應(yīng)，電渦流只存在于金屬導(dǎo)體的表面薄層內(nèi),存在一個渦流區(qū)，實際上渦流的分布是不均勻的。渦流區(qū)內(nèi)各處的渦流密度不同，存在徑向分布和軸向分布。渦流式傳感器四、電渦流傳感器結(jié)構(gòu)及特性

電渦流探頭外形交變磁場渦流式傳感器電渦流探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)1—電渦流線圈2—探頭殼體3—?dú)んw上的位置調(diào)節(jié)螺紋4—印制線路板5—夾持螺母6—電源指示燈7—閾值指示燈8—輸出屏蔽電纜線9—電纜插頭渦流式傳感器大直徑電渦流探雷器

渦流式傳感器五、測量轉(zhuǎn)換電路1、調(diào)幅式（AM）電路

石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓(100kHz~1MHz）用于激勵電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場中產(chǎn)生電渦流，引起電渦流線圈端電壓的衰減，再經(jīng)高放、檢波、低放電路，最終輸出的直流電壓Uo反映了金屬體對電渦流線圈的影響（例如兩者之間的距離等參數(shù)）。渦流式傳感器二、調(diào)頻（FM）式電路(100kHz~1MHz）

當(dāng)電渦流線圈與被測體的距離x改變時，電渦流線圈的電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計算機(jī)測量。如果要用模擬儀表進(jìn)行顯示或記錄時，必須使用鑒頻器，將

f轉(zhuǎn)換為電壓

Uo

。渦流式傳感器位移測量儀

位移測量包含：偏心、間隙、位置、傾斜、彎曲、變形、移動、圓度、沖擊、偏心率、沖程、寬度等等。來自不同應(yīng)用領(lǐng)域的許多量都可歸結(jié)為位移或間隙變化。數(shù)顯位移測量儀及探頭渦流式傳感器4-20mA電渦流位移傳感器外形渦流式傳感器偏心和振動檢測渦流式傳感器通過測量間隙來測量徑向跳動渦流式傳感器測量彎曲、波動、變形

對橋梁、絲桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動測量，須使用多個傳感器。渦流式傳感器測量金屬薄膜、板材厚度電渦流測厚儀測量冷軋板厚度渦流式傳感器測量尺寸、公差及零件識別通過測量間隙來測定熱膨脹引起的上下平移渦流式傳感器測量封口機(jī)工作間隙間隙越大，電渦流越小渦流式傳感器測量注塑機(jī)開合模的間隙間距渦流式傳感器振動測量

汽輪機(jī)葉片測試

測量懸臂梁的振幅及頻率渦流式傳感器3、轉(zhuǎn)速測量若轉(zhuǎn)軸上開z個槽(或齒)，頻率計的讀數(shù)為f（單位為Hz），則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n（單位為r/min）的計算公式為渦流式傳感器各種測量轉(zhuǎn)速的傳感器及其與齒輪的相對位置渦流式傳感器電動機(jī)轉(zhuǎn)速測量渦流式傳感器4、厚度測量

低頻透射式渦流厚度傳感器渦流式傳感器電渦流涂層厚度儀渦流式傳感器測量金屬鍍層或絕緣層厚度渦流式傳感器5、電渦流式通道安全檢查門

安檢門的內(nèi)部設(shè)置有發(fā)射線圈和接收線圈。當(dāng)有金屬物體通過時，交變磁場就會在該金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流，會在接收線圈中感應(yīng)出電壓，計算機(jī)根據(jù)感應(yīng)電壓的大小、相位來判定金屬物體的大小。在安檢門的側(cè)面還安裝一臺“軟x光”掃描儀，它對人體、膠卷無害，用軟件處理的方法，可合成完整的光學(xué)圖像。

渦流式傳感器手持式裂紋測量儀油管探傷渦流式傳感器滾子渦流探傷機(jī)

滾子渦流探傷機(jī)是由計算機(jī)控制的軸承滾子表面微裂紋探傷的專用設(shè)備，可探出深30μm的表面微小裂紋。渦流式傳感器用掌上型電渦流探傷儀檢測飛機(jī)裂紋渦流式傳感器臺式電渦流探傷儀渦流式傳感器3.3電容式傳感器結(jié)論物體間的電容量與其結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。電容式測量利用被測量的變化去改變電容的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而改變物體間的電容量，通過測量電容來實現(xiàn)對被測量的檢測。電容式傳感器利用電容式測量原理實現(xiàn)的傳感器稱為電容式傳感器。電容式傳感器

優(yōu)點：測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、動態(tài)響應(yīng)時間短、易實現(xiàn)非接觸測量等。應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。3.5.1電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)

用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時，其電容C為

S—極板相對覆蓋面積；δ—極板間距離；εr—相對介電常數(shù)；ε0—真空介電常數(shù)，ε0

＝8.85pF/m；ε—電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。Sδε

上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？

δ、S和εr中的某一項或幾項有變化時，就改變了電容C0。δ或S的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變化；εr的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。

三種基本類型：變極距(變間隙)(δ)型變面積型(S)型變介電常數(shù)(εr)型1.變極距型電容傳感器平行板電容器的ε和S不變，只改變電容器兩極板之間距離d。該類型傳感器常用于壓力的測量。

設(shè)初始極距為，當(dāng)動極板有位移，使極板間距減小值后，其電容值變大。C0為初始電容值。電容量Cx與位移x不是線性關(guān)系。其靈敏度不為常數(shù)

為了提高傳感器靈敏度，減小非線性誤差，實際應(yīng)用中大都采用差動式結(jié)構(gòu)。

如圖示(1為動片、2為定片)，中間電極若受力向上位移Δd，則C1容量增加，C2容量減小，兩電容差值為：

電容傳感器做成差動型后之后，靈敏度提高一倍。

得到：2.變面積型傳感器

變面積式差動電容結(jié)構(gòu)原理圖

圖（a）所示平板形位移x后，電容量由初始值變?yōu)椋弘娙萘孔兓?/p>

靈敏度為：

圓柱形電容式位移傳感器，圖（b），設(shè)內(nèi)外電極長度為L，起始電容量為C0，動極向上位移y后，電容量變?yōu)镃y：

電容量變化

：

靈敏度為：

對于角位移傳感器，如圖，設(shè)兩片極板全重合（θ=0）時的電容量為C0，動片轉(zhuǎn)動角度θ后，電容量變?yōu)椋弘娙萘孔兓?/p>

靈敏度為：

3.變介電常數(shù)式在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)，電容器的電容量就不同，利用這種原理制作的變介電常數(shù)型電容式傳感器常被用來測量液體的液位和材料的厚度。

電容液位計原理圖

傳感器電容量C與被測液位高度hx成線性關(guān)系。

3.3.2電容式傳感器測量電路1．橋式電路單臂接法的橋式測量轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)交流電橋平衡時有：

當(dāng)Cx改變時，，有電壓信號輸出。圖(b)為差動電容式傳感器，其空載輸出電壓為：

電容式傳感器橋式轉(zhuǎn)換電路

式中，為傳感器的初始電容值；為傳感器的電容變化值。需要注意的是，該轉(zhuǎn)換電路的輸出需經(jīng)過相敏檢波電路處理才能分辨。2.調(diào)頻電路

調(diào)頻電路將電容式傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)電容傳感器工作時，電容Cx

發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率f產(chǎn)生相應(yīng)的變化。3.脈沖調(diào)制電路

脈沖寬度調(diào)制電路是利用傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨電容式傳感器的電容量變化而變化，通過低通濾波器得到對應(yīng)于被測量變化的直流信號。

脈沖寬度調(diào)制電路的輸出電壓波形圖差動電容的變化使充電時間t1、t2不相等，從而使觸發(fā)器輸出端的脈沖寬度不同，經(jīng)濾波器有直流電壓輸出。

P2玻璃盤鍍金層金屬膜片C2電極引線p1C1電容式差壓傳感器

結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快(約100ms)能測微小壓差(0～0.75Pa)、真空或微小絕對壓力需把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空(10-5Pa)即可。3.3.3電容式傳感器的應(yīng)用

231B面A面546Cx1Cx21、5－固定極板2－殼體3－簧片4－質(zhì)量塊6－絕緣體精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程大，可以測很高的加速度

.電容式加速度傳感器a)測振幅b)測軸回轉(zhuǎn)精度和軸心偏擺被測物振動電容式傳感器被測軸