工程测试第六章位移测量

工程测试第六章位移测量第一页，共三十九页，编辑于2023年，星期六位移测量方法

位移测量包括线位移测量和角位移测量。位移测量的方法多种多样，常用的有下述几种。（1）积分法

（2）回波法

（3）线位移和角位移相互转换

（4）位移传感器法第二页，共三十九页，编辑于2023年，星期六（1）积分法

测量运动体的速度或加速度，经过积分或二次积分求得运动体的位移。例如在惯性导航中，就是通过测量载体的加速度，经过二次积分而求得载体的位移。第三页，共三十九页，编辑于2023年，星期六（2）回波法

从测量起始点到被测面是一种介质，被测面以后是另一种介质，利用介质分界面对波的反射原理测位移。例如激光测距仪、超声波液位计都是利用分界面对激光、超声波的反射测量位移的。相关测距则是利用相关函数的时延性质，将向某被测物发射信号与经被测物反射的返回信号作相关处理，求得时延τ，从而推算出发射点与被测物之间的距离。第四页，共三十九页，编辑于2023年，星期六（3）线位移和角位移相互转换

被测量是线位移时，若测量角位移更方便，则可用间接测量方法，通过测角位移再换算成线位移。

同样，被测量是角位移时，也可先测线位移再进行转换。例如汽车的里程表，是通过测量车轮转数再乘以周长而得到汽车的里程的。第五页，共三十九页，编辑于2023年，星期六（4）位移传感器法

通过位移传感器，将被测位移量的变化转换成电量（电压、电流、阻抗等）、流量、光通量、磁通量等的变化。位移传感器法是目前应用最广泛的一种方法。 一般来说，在进行位移测量时，要充分利用被测对象所在场合和具备的条件来设计、选择测量方法。第六页，共三十九页，编辑于2023年，星期六6.1表面粗糙度测量表面粗糙度测量是一种微观几何形状误差。特点：量值小（小于1mm)，变化频率高，所以粗糙度测量方法必须具有分辨率高和频响快的特性。接触式轮廓仪（触针式轮廓仪）针描法是一种接触式测量方法。用一个很尖的触针垂直于表面横移，触针将随着表面轮廓几何形状作垂直起伏运动，把这个微小位移的信号转换成电量加以放大，再进行运算处理即可获得某个表面光洁度参数数值，或者用记录器描绘出放大了的表面轮廓图形（早期曾经采用机械或机械一光学的方法放大触针的垂直位移量，现基本上已被淘汰）。第七页，共三十九页，编辑于2023年，星期六第八页，共三十九页，编辑于2023年，星期六

装有测针T的杠杆M固定在绕有线圈的磁铁中心枢轴上，触针垂直位移改变磁铁两端的空气隙，转换为电感线圈的电感量变化，从而对载波信号进行调制，产生交变电流，然后再通过解调器获得截面轮廓信号，送入下级放大和运算电路。这类电感传感器的特点是输出信号只和触针位移有关，亦称位移灵敏传感器，它可以把轮廓图形逐点描绘出来，所以一般带有记录器。第九页，共三十九页，编辑于2023年，星期六2、非接触式轮廓仪第十页，共三十九页，编辑于2023年，星期六国家标准中规定的评定基准为轮廓中线，有1、最小二乘中线2、算术平均中线。中线上下部分所包含的轮廓面积相等(常用)第十一页，共三十九页，编辑于2023年，星期六表面粗糙度的高度评定参数：轮廓算术平均偏差:微观不平度十点高度：轮廓最大高度：表面粗糙度的评定方法第十二页，共三十九页，编辑于2023年，星期六6.2常用的位移传感器

在很多情况下，位移可以通过位移传感器直接测得。 用于线位移测量的传感器的种类很多，较常见的线位移传感器的主要特点及使用性能列于表中。第十三页，共三十九页，编辑于2023年，星期六表6-1常用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，温度灵敏性高第十四页，共三十九页，编辑于2023年，星期六电感式差动变压器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，非线性较大第十五页，共三十九页，编辑于2023年，星期六霍尔元件±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第十六页，共三十九页，编辑于2023年，星期六部分测量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%第十七页，共三十九页，编辑于2023年，星期六微动同步器±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

第十八页，共三十九页，编辑于2023年，星期六1．电感式位移传感器（1）螺管差动型位移传感器1-引线2-固定磁筒3-衔铁4-线圈5-弹簧6-防转销7-钢球滚动导轨8-测杆9-密封套10-测端图螺管差动型位移传感器结构图图电感测微仪测量系统方框图第十九页，共三十九页，编辑于2023年，星期六（2）涡电流式位移传感器（3）差动变压器式位移传感器图差动变压器式位移传感器第二十页，共三十九页，编辑于2023年，星期六图差动相敏检波电路的工作原理第二十一页，共三十九页，编辑于2023年，星期六（4）旋转变压器式角位移传感器1-定子；2-转子；3-电刷；4-滑环图旋转变压器结构第二十二页，共三十九页，编辑于2023年，星期六eR1=Kees1cosθeR2=-Kees1sinθ式中Ke——旋转变压器的变压比，Ke=W1/W2；

W1W2——分别为转子和定子绕组的匝数。图正余弦旋转变压器第二十三页，共三十九页，编辑于2023年，星期六当输出绕组接有负载时，就有电流通过输出绕组并产生电枢反应磁通，使气隙中磁场发生畸变，输出电压亦产生变化。为了减小这种变化，应将辅助绕组D3D4短接，或在两输出绕组上接对称负载。为提高旋转变压器的精确度，其负载阻抗应尽量大。

6.3位移测量应用实例1．回轴轴误差运动的测量回转轴误差运动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。径向误差运动的常用测量方法第二十四页，共三十九页，编辑于2023年，星期六图双向测量法时的位移信号分析第二十五页，共三十九页，编辑于2023年，星期六—位移传感器；—位移测量仪；—基圆发生器图双向测量法第二十六页，共三十九页，编辑于2023年，星期六T—位移传感器；M—位移测量仪；R—基圆发生器；Mu—乘法器图单向测量法第二十七页，共三十九页，编辑于2023年，星期六2、液位检测方法

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。第二十八页，共三十九页，编辑于2023年，星期六直接测量法

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，将容器中的液体引入带有标尺的观察管中，通过标尺读出液位高度。下图所示的是玻璃管液位计。第二十九页，共三十九页，编辑于2023年，星期六压力法

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。

对常压开口容器，液位高度H与液体静压力P之间有如下关系：

第三十页，共三十九页，编辑于2023年，星期六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。(a)压力表式液位计(b)法兰式液位变送器第三十一页，共三十九页，编辑于2023年，星期六浮力法

浮力法测液位是依据力平衡原理，通常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。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。第三十二页，共三十九页，编辑于2023年，星期六钢带浮子式液位计 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，一般只能就地显示。第三十三页，共三十九页，编辑于2023年，星期六浮筒式液位计

浮筒式液位计属于变浮力液位计，当被测液面位置变化时，浮筒浸没体积变化，所受浮力也变化，通过测量浮力变化确定出液位的变化量。 图中：1-浮筒；2-弹簧；3-差动变压器。第三十四页，共三十九页，编辑于2023年，星期六图所示的液位计是用弹簧平衡浮力，用差动变压器测量浮筒位移，平衡时压缩弹簧的弹力与浮筒浮力及重力G平衡。即

液位高度变化与弹簧变形量成正比。弹簧变形量可用多种方法测量，既可就地指示，也可用变换器(如差动变压器)变换成电信号进行远传控制。第三十五页，共三十九页，编辑于2023年，星期六电学法

电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电感式和电容式。用电学法测量无摩擦件和可动部件，信号转换、传送方便，便于远传，工作可靠，且输出可转换为统一的电信号，与电动单元组合仪表配合使甩，可方便地实现液位的自动检测和自动控制。

第三十六页，共三十九页，编辑于2023年，星期六电阻式液位计 电阻式液位计既可进行定点液位控制，也可进行连续测量。所谓定点控制是指液位上升或下降到一定位置时引起电路的接通或断开，引发报警器报警。电阻式液位计的原理是基于液位变化引起电极间电阻变化，由电阻变化反映液位情况。第三十七页，共三十九页，编辑于2023年