机械工程测试技术第六章

1、第一节第一节 概述概述 第三节第三节 位移测量的应用位移测量的应用 第二节第二节 常用的位移传感器常用的位移传感器 第一节第一节 概述概述 位移测量是线位移和角位移测量的统称位移测量是线位移和角位移测量的统称,测量时应根据具体的测测量时应根据具体的测 量对象量对象,来选择或设计测量系统来选择或设计测量系统. 由于在不同的场合下对位移测量的精度要求不同，形成了多由于在不同的场合下对位移测量的精度要求不同，形成了多 种多样的位移传感器及其相应的测量电路或系统种多样的位移传感器及其相应的测量电路或系统 表6-1 常用线位移传感器的性能与特点 型型 式式测量范围测量范围精确度精确度线性度线性度特特 点

2、点 变变 阻阻 式式 滑滑 线线1300mm0.1%0.1% 分辨力较高，机械结构分辨力较高，机械结构 不牢固，大位移时在电不牢固，大位移时在电 刷上加杠杆机构刷上加杠杆机构 变阻器变阻器11000mm0.5%0.5% 结构牢固，寿命长，分结构牢固，寿命长，分 辨力较差，电噪声大辨力较差，电噪声大 电电 阻阻 应应 变变 式式 不粘贴不粘贴 0.15%应变应变0.1%1% 不牢固不牢固 粘粘 贴贴0.3%应变应变(23)%1% 牢固，使用方便，需温牢固，使用方便，需温 度补偿和高绝缘电阻度补偿和高绝缘电阻 半导体半导体0.25%应变应变(23)% 满刻度满刻度2 % 输出幅值大，温度灵敏输出幅

3、值大，温度灵敏 性高性高 电电 感感 式式 差动变差动变 压压 器器 0.15mm(13)%0.5% 分辨力高，寿命长，后分辨力高，寿命长，后 续电路较复杂续电路较复杂 螺管式螺管式0.2100mn(0.13)%0.5% 测量范围宽，使用方便测量范围宽，使用方便 可靠，寿命长，动态性可靠，寿命长，动态性 能较差能较差 涡流式涡流式 0.2525 0mm (13)%3% 结构简单，耐油污、水结构简单，耐油污、水 ，被测对象材料，灵敏，被测对象材料，灵敏 度不同，线性范围须重度不同，线性范围须重 校校 电电 容容 式式 变面积变面积 (10-3 10)m m 0.005%1% 线性范围大，精确度高

4、线性范围大，精确度高 ，受介质常数影响大（，受介质常数影响大（ 温度，湿度）温度，湿度） 变间隙变间隙 (10-8 100)m m 0.1%1% 分辨力高，非线性较大分辨力高，非线性较大 霍尔元件霍尔元件1.5mm0.5% 结构简单，动态特性好结构简单，动态特性好 ，对温度敏感，对温度敏感 感应同步器感应同步器 10-3 10000 mm 2.5m/250m m 模、数混合测量系统，模、数混合测量系统， 数显数显 长光栅长光栅 10-3 1000m m 3m/1m 同上，分辨力高同上，分辨力高(0.11 m) 长磁栅长磁栅 10-3 10000 mm 5m/1m 制造简单，使用方便，制造简单，

5、使用方便， 分辨力分辨力15m 部分测量角位移的传感器的性能及特点。 型型 式式 测量范围测量范围精精 确确 度度线性度线性度特特 点点 滑线变阻式滑线变阻式 03600.1%0.1% 结构简单，测量范围广，存在结构简单，测量范围广，存在 接触摩擦，动态响应差接触摩擦，动态响应差 变阻器变阻器060转转 0.5%0.5% 耐磨性好，阻值范围宽，接触耐磨性好，阻值范围宽，接触 电阻和噪声大，附加力矩较大电阻和噪声大，附加力矩较大 差动变压器式差动变压器式 0120 (0.22.0) % 0.25% 分辨力高，耐用，可测位移频分辨力高，耐用，可测位移频 率只是激励频率的率只是激励频率的1/10，后

6、续，后续 电路复杂电路复杂 应变计式应变计式1801% 性能稳定可靠，利用应变片和性能稳定可靠，利用应变片和 弹性体结合测量角位移弹性体结合测量角位移 自整角机自整角机 360 0.1 7 0.5%对环境要求低，有标准系列，对环境要求低，有标准系列， 使用方便，抗干扰能力强，性使用方便，抗干扰能力强，性 能稳，可在能稳，可在1200r/min下工作下工作 ，精度低，线性范围小，精度低，线性范围小旋转变压器旋转变压器 36025 小角度时小角度时0.1 % 微动同步器微动同步器 5 40 (0.41) % 0.05% 分辨力高，无接触，测量分辨力高，无接触，测量 范围小，电路较复杂范围小，电路较

7、复杂 电电 容容 式式7025 分辨力高，灵敏度高，耐分辨力高，灵敏度高，耐 恶劣环境，需屏蔽恶劣环境，需屏蔽 圆感应同步器圆感应同步器 0360 0.5 分辨力高，可数显分辨力高，可数显 圆光栅圆光栅 0360 0.5 分辨力高，可数显分辨力高，可数显 圆磁栅圆磁栅 0360 1 磁信号可重录磁信号可重录 角 度角 度 编编 码码 器器 接 触接 触 式式 0360 10-6/r 分辨力高，可靠性高分辨力高，可靠性高 光 电光 电 式式 0360 10-8/r 第二节第二节 常用的位移传感器常用的位移传感器 一、滑线电阻式位移传感器一、滑线电阻式位移传感器 滑线电阻式位移传感器和测量系统如图

8、滑线电阻式位移传感器和测量系统如图6-1所示。所示。 a直线位移型直线位移型b 角位移型角位移型 c 测量电路测量电路 1 滑线电阻滑线电阻 2 滑动触头滑动触头 图图6-1 第二节第二节 常用的位移传感器常用的位移传感器 一、滑线电阻式位移传感器一、滑线电阻式位移传感器 滑线电阻的结构形式有缠绕式和单丝式。滑线电阻的结构形式有缠绕式和单丝式。 滑线电阻式位移传感器具有结构简单、使用方便、输出大、性能滑线电阻式位移传感器具有结构简单、使用方便、输出大、性能 稳定等优点，但由于触头运动时有机械摩擦，其使用寿命受限、稳定等优点，但由于触头运动时有机械摩擦，其使用寿命受限、 分辨率较低、输出信号噪声

9、大、不宜用于频率较高时的动态测量分辨率较低、输出信号噪声大、不宜用于频率较高时的动态测量 上图上图c为桥式测量电路，供桥电源为具有一定精度的直流稳压电为桥式测量电路，供桥电源为具有一定精度的直流稳压电 源，电桥的输出直接用光线示波器显示。源，电桥的输出直接用光线示波器显示。 二、应变片式位移传感器二、应变片式位移传感器 第二节第二节 常用的位移传感器常用的位移传感器 应变片式位移传感器的测量原理：应变片式位移传感器的测量原理： 利用一弹性元件把位移量转换成应变量，而后用应变片、应变仪等利用一弹性元件把位移量转换成应变量，而后用应变片、应变仪等 测量记录。测量记录。 应变片式位移传感器如图应变片

10、式位移传感器如图6-2所示。所示。 a 悬臂梁及贴片悬臂梁及贴片 b应变片接桥应变片接桥 图图6-2 第二节第二节 常用的位移传感器常用的位移传感器 二、应变片式位移传感器二、应变片式位移传感器 对于等断面梁，贴片处的应变对于等断面梁，贴片处的应变 与位移与位移 间的关系为间的关系为 或或 3 3 2 hx l 3 2 3 l hx 式中式中 l、h为梁的长度、厚度为梁的长度、厚度 X为从自由端到贴片处距离为从自由端到贴片处距离 这种测量方法一般只用于小位移这种测量方法一般只用于小位移 250 m的情况下。的情况下。 第二节第二节 常用的位移传感器常用的位移传感器 二、应变片式位移传感器二、应

11、变片式位移传感器 圆环和半圆环式弹性元件及其贴片和接桥如图示。圆环和半圆环式弹性元件及其贴片和接桥如图示。 第二节第二节 常用的位移传感器常用的位移传感器 圆环或半圆环弹性元件，当它在被测位移圆环或半圆环弹性元件，当它在被测位移的作用时，会产的作用时，会产 生弯曲应力和应变，其应变值与位移成正比。生弯曲应力和应变，其应变值与位移成正比。 由于这种方法直接测量的位移量较小，为了扩大其量程，由于这种方法直接测量的位移量较小，为了扩大其量程， 可通过一些装置将小位移进行变换。可通过一些装置将小位移进行变换。 下面所示就是用一斜面将小位移变换成大位移的装置下面所示就是用一斜面将小位移变换成大位移的装置

12、 二、应变片式位移传感器二、应变片式位移传感器 第二节第二节 常用的位移传感器常用的位移传感器 图图6-4是用一斜面将小位移变换成大位移的装置。是用一斜面将小位移变换成大位移的装置。 二、应变片式位移传感器二、应变片式位移传感器 图图6-4 第二节第二节 常用的位移传感器常用的位移传感器 三、三、 差动变压器式位移传感器差动变压器式位移传感器 图图6-5示出了差动变压器的结构和接线情况。示出了差动变压器的结构和接线情况。 1 一次侧线圈一次侧线圈 2、3二次侧线圈二次侧线圈 4 铁心铁心 图图6-5 第二节第二节 常用的位移传感器常用的位移传感器 差动变压器的差动整流电路如图所示。差动变压器的

13、差动整流电路如图所示。 三、差动变压器式位移传感器三、差动变压器式位移传感器 第二节第二节 常用的位移传感器常用的位移传感器 三、差动变压器式位移传感器三、差动变压器式位移传感器 差动整流电路与相後检测电路的功能基本相同，虽然检波效差动整流电路与相後检测电路的功能基本相同，虽然检波效 率低，但其测量线路简单，故用得也很多，差动变压器的最率低，但其测量线路简单，故用得也很多，差动变压器的最 后输出一般可用示波器直接显示。由于示波器振子的内阻都后输出一般可用示波器直接显示。由于示波器振子的内阻都 很小，当差动变压器的测量电路是电压输出时，振子回路应很小，当差动变压器的测量电路是电压输出时，振子回路

14、应 接入电阻，以保证线性接入电阻，以保证线性 差动变压器式位移测量系统具有精度较高、性能稳定、线差动变压器式位移测量系统具有精度较高、性能稳定、线 性范围大、输出大、使用方便等优点。由于可动铁心具有性范围大、输出大、使用方便等优点。由于可动铁心具有 一定的质量，系统的动态特性较差。一定的质量，系统的动态特性较差。 第二节第二节 常用的位移传感器常用的位移传感器 四、光电脉冲式位移传感器四、光电脉冲式位移传感器 光电脉冲式位移传感器：光电脉冲式位移传感器： 实际上是一个位移实际上是一个位移数字编码器，工作时可将机械位移转数字编码器，工作时可将机械位移转 换成数量的电脉冲信号输出。换成数量的电脉冲

15、信号输出。 光电脉冲式位移传感器的组成及其工作原理如图光电脉冲式位移传感器的组成及其工作原理如图6-7所示。所示。 1 圆盘圆盘 2 被测轴被测轴 3 光源光源 4 光敏二极管光敏二极管 5 平板平板 图图6-7 第二节第二节 常用的位移传感器常用的位移传感器 图图a是测量角位移的透射光电脉冲转换器。是测量角位移的透射光电脉冲转换器。 圆盘圆盘1 与测轴与测轴2一起转动时，照射到光敏二极管一起转动时，照射到光敏二极管4上的光线就会上的光线就会 时有时无，通过时有时无，通过 光敏二极管的光电效应以及测量电路的变换就光敏二极管的光电效应以及测量电路的变换就 输出电脉冲；电脉冲的数目与光线的通断交数

16、成正比，根据脉输出电脉冲；电脉冲的数目与光线的通断交数成正比，根据脉 冲数目就可测出被测轴的转角。冲数目就可测出被测轴的转角。 图图b是测量线位移的反射式光电脉冲转换器。工作原理与透射是测量线位移的反射式光电脉冲转换器。工作原理与透射 式的基本相同，不同点在于照射光敏二极管的光是靠反射光。式的基本相同，不同点在于照射光敏二极管的光是靠反射光。 四、光电脉冲式位移传感器四、光电脉冲式位移传感器 第二节第二节 常用的位移传感器常用的位移传感器 光电脉冲式位移传感器的后续测量电路和显示记录装置如图光电脉冲式位移传感器的后续测量电路和显示记录装置如图6- 8的框图所示。的框图所示。 四、光电脉冲式位移

17、传感器四、光电脉冲式位移传感器 图图6-8 第二节第二节 常用的位移传感器常用的位移传感器 用上述方法，无法判断位移的正负方向，在需要判断方向的场合，需要用上述方法，无法判断位移的正负方向，在需要判断方向的场合，需要 多加一个光电管和一套测量电路。多加一个光电管和一套测量电路。 两光敏二极管的装设位置如图两光敏二极管的装设位置如图6-9所示。所示。 四、光电脉冲式位移传感器四、光电脉冲式位移传感器 图图6-9 第二节第二节 常用的位移传感器常用的位移传感器 判断位移方向的电路框图如图判断位移方向的电路框图如图6-10所示。所示。 四、光电脉冲式位移传感器四、光电脉冲式位移传感器 当用示波器记录

18、时，可用两个或三个振子分别记录方向信号和脉当用示波器记录时，可用两个或三个振子分别记录方向信号和脉 冲信号，处理数据时进行加减处理，才得真实位移。用计数器计冲信号，处理数据时进行加减处理，才得真实位移。用计数器计 数时，要用可逆计算器、方向信号（）、（）控制计数器的数时，要用可逆计算器、方向信号（）、（）控制计数器的 “加加”、“减减”法运算、脉冲信号作计数器的计数脉动，计算法运算、脉冲信号作计数器的计数脉动，计算 所记录的脉冲数就与实际位移成正比所记录的脉冲数就与实际位移成正比。 图图6-10 第三节第三节 位移测量的应用位移测量的应用 一、回转轴径向运动误差的测量一、回转轴径向运动误差的测

19、量 回转轴运动误差是指在回转过程中回转轴线偏离理想位置而出现回转轴运动误差是指在回转过程中回转轴线偏离理想位置而出现 的附加运动。的附加运动。 运动误差是回转轴上任何发生与轴线平行的移动和在垂直于轴线运动误差是回转轴上任何发生与轴线平行的移动和在垂直于轴线 的平面内的移动。前一种移动称为该点的端面运动误差，后一种的平面内的移动。前一种移动称为该点的端面运动误差，后一种 移动称为该点的径向运动误差。移动称为该点的径向运动误差。 端面运动误差因测量点所在半径位置不同而异，径向运动误端面运动误差因测量点所在半径位置不同而异，径向运动误 差则因测量点所在的轴向位置不同而异。所以在讨论运动误差则因测量点

20、所在的轴向位置不同而异。所以在讨论运动误 差时，应指明测量点的位置。差时，应指明测量点的位置。 第三节第三节 位移测量的应用位移测量的应用 一、一、 回转轴径向运动误差的测量回转轴径向运动误差的测量 测量一根通用的回转轴的径向运动误差时，可将参考坐标选测量一根通用的回转轴的径向运动误差时，可将参考坐标选 在轴承支承孔上。这时运动误差所表示的是回转过程中回转在轴承支承孔上。这时运动误差所表示的是回转过程中回转 轴线对于支承孔的相对位移，它主要反映轴承的回转质量。轴线对于支承孔的相对位移，它主要反映轴承的回转质量。 任意径向截面上的径向误差运动可采用置于任意径向截面上的径向误差运动可采用置于x、y

21、方向的两只方向的两只 位移传感器来分别检测径向运动误差在位移传感器来分别检测径向运动误差在x、y方向的分量。在方向的分量。在 任何时刻两分量的矢量和就是该时刻径向运动误差矢量。这任何时刻两分量的矢量和就是该时刻径向运动误差矢量。这 种测量方式称为双向测量法。种测量方式称为双向测量法。 由于种种原因，有时不必测量总的径向运动误差，而只需由于种种原因，有时不必测量总的径向运动误差，而只需 测量它在某个方向的分量，则可将一只传感器置于该方向测量它在某个方向的分量，则可将一只传感器置于该方向 来检测。这种方式称为单向测量法。来检测。这种方式称为单向测量法。 第三节第三节 位移测量的应用位移测量的应用

22、一、一、 回转轴径向运动误差的测量回转轴径向运动误差的测量 双向测量法，如图双向测量法，如图6-11所示所示 Tx,Ty位移传感器位移传感器 M1M2测量仪测量仪 图图6-11 单向测量法，如图单向测量法，如图6-12所示。所示。 一、一、 回转轴径向运动误差的测量回转轴径向运动误差的测量 第三节第三节 位移测量的应用位移测量的应用 T位移传感器位移传感器 M测量仪测量仪 图图6-12 传感器见到的位移信号是很复杂的，如图传感器见到的位移信号是很复杂的，如图6-13所示。所示。 一、一、 回转轴径向运动误差的测量回转轴径向运动误差的测量 第三节第三节 位移测量的应用位移测量的应用 图图6-13

23、 x T y T 1 M 2 M R 位移传感器位移传感器 ； 位移测量仪；位移测量仪； 基圆发生器基圆发生器 图图 双向测量法双向测量法 第三节第三节 位移测量的应用位移测量的应用 二、物位测量二、物位测量 在生产过程中经常遇到大量的固体和液体物料，存放在容器中或在生产过程中经常遇到大量的固体和液体物料，存放在容器中或 堆在场地上，并占有一定的高度，此高度还可能是随时间而变化堆在场地上，并占有一定的高度，此高度还可能是随时间而变化 的。对此高度的测量称为物位测量。的。对此高度的测量称为物位测量。 液位检测总体上可分为液位检测总体上可分为直接检测和和间接 检测两种方法，由于测量状况及条件复杂两

24、种方法，由于测量状况及条件复杂 多样，因而往往采用间接测量，即将液位多样，因而往往采用间接测量，即将液位 信号转化为其它相关信号进行测量，如信号转化为其它相关信号进行测量，如压 力法、浮力法、电学法、热学法等。等。 直接测量法直接测量法 直接测量是一种最为简单、直观的测量方 法，它是利用连通器的原理，将容器中的液体利用连通器的原理，将容器中的液体 引入带有标尺的观察管中，通过标尺读出液位引入带有标尺的观察管中，通过标尺读出液位 高度高度。下图所示的是玻璃管液位计。 压力法压力法 压力法依据液体重量所产生的压力压力法依据液体重量所产生的压力 进行测量。进行测量。由于液体对容器底面产生的静压力由于

25、液体对容器底面产生的静压力 与液位高度成正比，因此通过测容器中液体的与液位高度成正比，因此通过测容器中液体的 压力即可测算出液位高度。压力即可测算出液位高度。 对常压开口容器，液位高度对常压开口容器，液位高度H H与液体静压与液体静压 力力P P之间有如下关系：之间有如下关系： g P H 下面图为用于测量开口容器液位高下面图为用于测量开口容器液位高 度的二种压力式液位计。度的二种压力式液位计。 (a) 压力表式液位计压力表式液位计 (b)法兰式液位变送器法兰式液位变送器 浮力法浮力法 浮力法测液位是依据力平衡原理浮力法测液位是依据力平衡原理，通常，通常 借助浮子一类的悬浮物，浮子做成空心刚体

26、，使借助浮子一类的悬浮物，浮子做成空心刚体，使 它在平衡时能够浮于液面。它在平衡时能够浮于液面。当液位高度发生变化当液位高度发生变化 时，浮子就会跟随液面上下移动。时，浮子就会跟随液面上下移动。因此测出浮子因此测出浮子 的位移就可知液位变化量。的位移就可知液位变化量。 浮子式液位计按浮子形状不同，可分浮子式液位计按浮子形状不同，可分 为为浮子式浮子式、浮筒式浮筒式等等；按机构不同可分为钢带等等；按机构不同可分为钢带 式、杠杆式等。式、杠杆式等。 钢带浮子式液位计钢带浮子式液位计 右图为直读右图为直读 式钢带浮子式液位计式钢带浮子式液位计 ，这是一种最简单的，这是一种最简单的 液位计，一般只能就液位计，一般只能就 地显示。地显示。 二、物位测量二、物位测量 1、 沉