机械工程测试技术第六章

第一节概述第三节位移测量的应用第二节常用的位移传感器精品资料2第一节概述(ɡàishù)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量对象,来选择(xuǎnzé)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，形成了多种多样的位移传感器及其相应的测量电路或系统精品资料表6-1常用(chánɡyònɡ)线位移传感器的性能与特点型式测量范围精确度线性度特点变阻式滑线1~300mm±0.1%±0.1%分辨力较高，机械结构不牢固，大位移时在电刷上加杠杆机构变阻器1~1000mm±0.5%±0.5%结构牢固，寿命长，分辨力较差，电噪声大电阻应变式不粘贴±0.15%应变±0.1%±1%不牢固粘贴±0.3%应变±(2~3)%±1%牢固，使用方便，需温度补偿和高绝缘电阻半导体±0.25%应变±(2~3)%满刻度±2%输出幅值大，温度灵敏性高精品资料电感式差动变压器0.1~5mm±(1~3)%±0.5%分辨力高，寿命长，后续电路较复杂螺管式0.2~100mn±(0.1~3)%±0.5%测量范围宽，使用方便可靠，寿命长，动态性能较差涡流式±0.25~±250mm±(1~3)%<3%结构简单，耐油污、水，被测对象材料，灵敏度不同，线性范围须重校电容式变面积(10-3~10)mm±0.005%±1%线性范围大，精确度高，受介质常数影响大（温度，湿度）变间隙(10-8~100)mm0.1%±1%分辨力高，非线性较大精品资料霍尔元件±1.5mm0.5%

结构简单，动态特性好，对温度敏感感应同步器10-3~10000mm2.5μm/250mm

模、数混合测量系统，数显长光栅10-3~1000mm3μm/1m

同上，分辨力高(0.1~1μm)长磁栅10-3~10000mm5μm/1m

制造简单，使用方便，分辨力1~5μm精品资料部分测量(cèliáng)角位移的传感器的性能及特点。型式测量范围精确度线性度特点滑线变阻式0°~360°±0.1%±0.1%结构简单，测量范围广，存在接触摩擦，动态响应差变阻器0~60转±0.5%±0.5%耐磨性好，阻值范围宽，接触电阻和噪声大，附加力矩较大差动变压器式0°~±120°(0.2~2.0)%±0.25%分辨力高，耐用，可测位移频率只是激励频率的1/10，后续电路复杂应变计式±180°1%

性能稳定可靠，利用应变片和弹性体结合测量角位移自整角机360°±0.1°~±7°±0.5%对环境要求低，有标准系列，使用方便，抗干扰能力强，性能稳，可在1200r/min下工作，精度低，线性范围小旋转变压器360°2′~5′小角度时0.1%精品资料微动同步器±5°~±40°(0.4~1)%±0.05%分辨力高，无接触，测量范围小，电路较复杂电容式70°25″

分辨力高，灵敏度高，耐恶劣环境，需屏蔽圆感应同步器0°~360°±0.5″

分辨力高，可数显圆光栅0°~360°±0.5″

分辨力高，可数显圆磁栅0°~360°±1″

磁信号可重录角度编码器接触式0°~360°10-6/r

分辨力高，可靠性高光电式0°~360°10-8/r

精品资料8第二节常用(chánɡyònɡ)的位移传感器一、滑线电阻(diànzǔ)式位移传感器滑线电阻式位移传感器和测量系统如图6-1所示。

a直线位移型b角位移型c测量电路1滑线电阻2滑动触头图6-1精品资料9第二节常用(chánɡyònɡ)的位移传感器一、滑线电阻(diànzǔ)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、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源，电桥的输出直接用光线示波器显示。精品资料10二、应变(yìngbiàn)片式位移传感器第二节常用(chánɡyònɡ)的位移传感器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、应变仪等测量记录。应变片式位移传感器如图6-2所示。

a悬臂梁及贴片b应变片接桥图6-2精品资料11第二节常用(chánɡyònɡ)的位移传感器二、应变(yìngbiàn)片式位移传感器对于等断面梁，贴片处的应变与位移间的关系为或式中l、h为梁的长度、厚度

X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<250m的情况下。精品资料12第二节常用(chánɡyònɡ)的位移传感器二、应变(yìngbiàn)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。精品资料13第二节常用(chánɡyònɡ)的位移传感器圆环或半圆环弹性元件，当它在被测位移(wèiyí)δ的作用时，会产生弯曲应力和应变，其应变值与位移(wèiyí)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，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二、应变片式位移传感器精品资料14第二节常用(chánɡyònɡ)的位移传感器图6-4是用一斜面将小位移(wèiyí)变换成大位移(wèiyí)的装置。二、应变片式位移传感器图6-4精品资料15第二节常用(chánɡyònɡ)的位移传感器三、差动变压器式位移(wèiyí)传感器图6-5示出了差动变压器的结构和接线情况。1一次侧线圈2、3二次侧线圈4铁心图6-5精品资料16第二节常用(chánɡyònɡ)的位移传感器差动变压器的差动整流(zhěngliú)电路如图所示。三、差动变压器式位移传感器精品资料17第二节常用(chánɡyònɡ)的位移传感器三、差动变压器式位移(wèiyí)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很小，当差动变压器的测量电路是电压输出时，振子回路应接入电阻，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。精品资料18第二节常用(chánɡyònɡ)的位移传感器四、光电脉冲(màichōng)式位移传感器光电脉冲式位移传感器：实际上是一个位移—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。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。1圆盘2被测轴3光源4光敏二极管5平板图6-7精品资料19第二节常用(chánɡyònɡ)的位移传感器图a是测量角位移的透射光电脉冲转换器。圆盘1与测轴2一起转动时，照射到光敏二极管4上的光线就会时有时无，通过光敏二极管的光电效应以及测量电路的变换就输出(shūchū)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。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精品资料20第二节常用(chánɡyònɡ)的位移传感器光电脉冲(màichōng)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。四、光电脉冲式位移传感器图6-8精品资料21第二节常用(chánɡyònɡ)的位移传感器用上述方法，无法判断(pànduàn)位移的正负方向，在需要判断(pànduàn)方向的场合，需要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6-9所示。四、光电脉冲式位移传感器图6-9精品资料22第二节常用(chánɡyònɡ)的位移传感器判断位移方向(fāngxiàng)的电路框图如图6-10所示。四、光电脉冲式位移传感器当用示波器记录时，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。用计数器计数时，要用可逆计算器、方向信号（＋）、（－）控制计数器的“加”、“减”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。图6-10精品资料23

第三节位移(wèiyí)测量的应用一、回转轴径向运动误差(wùchā)的测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。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时，应指明测量点的位置。精品资料24第三节位移(wèiyí)测量的应用一、回转轴径向运动(yùndòng)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。任意径向截面上的径向误差运动可采用置于x、y方向的两只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。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来检测。这种方式称为单向测量法。精品资料25第三节位移测量(cèliáng)的应用一、回转轴径向(jìnɡxiànɡ)运动误差的测量双向测量法，如图6-11所示Tx,Ty位移传感器M1M2测量仪图6-11精品资料26单向(dānxiànɡ)测量法，如图6-12所示。一、回转轴(zhuànzhóu)径向运动误差的测量第三节位移测量的应用T位移传感器M测量仪图6-12精品资料27传感器见到的位移信号(xìnhào)是很复杂的，如图6-13所示。一、回转轴径向运动误差(wùchā)的测量第三节位移测量的应用图6-13精品资料—位移(wèiyí)传感器；—位移(wèiyí)测量仪；—基圆发生器图双向测量法精品资料29第三节位移测量(cèliáng)的应用二、物位测量(cèliáng)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的。对此高度的测量称为物位测量。

液位检测总体上可分为直接检测和间接检测两种方法，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。精品资料直接(zhíjiē)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，将容器中的液体引入带有标尺的观察(guānchá)管中，通过标尺读出液位高度。下图所示的是玻璃管液位计。精品资料压力(yālì)法压力法依据液体重量所产生的压力进行测量。由于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压力即可测算出液位高度。 对常压开口(kāikǒu)容器，液位高度H与液体静压力P之间有如下关系：

精品资料下面图为用于测量开口容器液位高度(gāodù)的二种压力式液位计。(a)压力表式液位计(b)法兰式液位变送器精品资料浮力(fúlì)法 浮力法测液位是依据力平衡原理，通常借助浮子一类(yīlèi)的悬浮物，浮子做成空心刚体，使它在平衡时能够浮于液面。当液位高度发生变化时，浮子就会跟随液面上下移动。因此测出浮子的位移就可知液位变化量。浮子式液位计按浮子形状不同，可分为浮子式、浮筒式等等；按机构不同可分为钢带式、杠杆式等。精品资料钢带浮子(fúzi)式液位计 右图为直读式钢带浮子式液位计，这是一种最简单的液位计，一般只能(zhīnénɡ)就地显示。精品资料35二、物