位移位置和物位的測試教材

1、第四章第四章 位移的測量位移的測量當(dāng)金屬塊當(dāng)金屬塊M接近到無接近到無觸點開關(guān)觸點開關(guān)P時開關(guān)起時開關(guān)起作用，切斷使鉆頭下作用，切斷使鉆頭下降的電源。降的電源。 圖圖(a)是確認傳送帶上的瓶有無金屬蓋的例子；是確認傳送帶上的瓶有無金屬蓋的例子； 圖圖(b)表示箱子里放入一定個數(shù)的金屬制品；表示箱子里放入一定個數(shù)的金屬制品； 圖圖(c)表示探測罐中液面是否到了設(shè)定高度；表示探測罐中液面是否到了設(shè)定高度； 圖圖(d)是探測差壓是否達到設(shè)定的大小。是探測差壓是否達到設(shè)定的大小。無觸點開關(guān)無觸點開關(guān) 無觸點開關(guān)只能知道對方金屬片接近一無觸點開關(guān)只能知道對方金屬片接近一事。事。 位移傳感器和它不同，還能知

2、道與對方位移傳感器和它不同，還能知道與對方的距離。的距離。 位移測量實際上就是長度和角度的測量位移測量實際上就是長度和角度的測量. 位移是物體上某一點在兩不同瞬間的位置位移是物體上某一點在兩不同瞬間的位置變化量，它是一種矢量。變化量，它是一種矢量。 速度、加速度、力、壓力、力矩、溫度、速度、加速度、力、壓力、力矩、溫度、流量、物位等參數(shù)，通過適當(dāng)轉(zhuǎn)換后也與相應(yīng)流量、物位等參數(shù)，通過適當(dāng)轉(zhuǎn)換后也與相應(yīng)的位移有關(guān)。的位移有關(guān)。 位移有線位移和角位移之分位移有線位移和角位移之分. 線位移是物體上某一點在兩不同瞬間的距離變化量，線位移是物體上某一點在兩不同瞬間的距離變化量，它是描述物體空間位置變化的物

3、理量。它是描述物體空間位置變化的物理量。 角位移則是在一平面內(nèi)，兩矢量之間夾角的變化量，角位移則是在一平面內(nèi)，兩矢量之間夾角的變化量，它是描述物體上某一點轉(zhuǎn)動時位置變化的物理量。它是描述物體上某一點轉(zhuǎn)動時位置變化的物理量。位移的概念位移的概念 因為位移是矢量，其大小是某一方向上因為位移是矢量，其大小是某一方向上的大小，所以位移測量時，測量方向應(yīng)與位的大小，所以位移測量時，測量方向應(yīng)與位移方向重合，這樣才能真實地測量出位移量移方向重合，這樣才能真實地測量出位移量的大小。否則，測量結(jié)果僅僅是被測位移量的大小。否則，測量結(jié)果僅僅是被測位移量在測量方向上的分量。在測量方向上的分量。4.1 常用位移傳感

4、器常用位移傳感器4.1.1 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電電感式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種器件。感量變化的一種器件。 按變換方式的不同可分為自感型和按變換方式的不同可分為自感型和互感型?；ジ行?。自感型自感型可變磁阻式傳感器可變磁阻式傳感器 可變磁阻式傳感器由線圈、鐵心可變磁阻式傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成。和銜鐵組成。 當(dāng)線圈中通以電流當(dāng)線圈中通以電流i時，產(chǎn)生磁通時，產(chǎn)生磁通m。其大小與電流成正比，即。其大小與電流成正比，即:式中式中 N-線圈匝數(shù)線圈匝數(shù) L-比例系數(shù)比例系數(shù),稱為自感稱為自感mNLi根據(jù)磁路歐姆定律根據(jù)磁路歐姆定律mmN iRmmFF

5、mmNLiR2N代 入 式得 ： L=mRmF -磁動勢磁阻如果空氣隙如果空氣隙較小較小,不考慮磁路的鐵損和鐵心磁阻時不考慮磁路的鐵損和鐵心磁阻時02mRA02AL2N則 上式表明上式表明,當(dāng)當(dāng),A,0發(fā)生變化時發(fā)生變化時,都會引起都會引起L變化。變化。 如果保持其中兩個參數(shù)不變?nèi)绻３制渲袃蓚€參數(shù)不變,僅改變另一個參數(shù)僅改變另一個參數(shù),電感量電感量即為該參數(shù)的單一函數(shù)即為該參數(shù)的單一函數(shù).7002410)mHmAm空氣隙厚度（ ）真空磁導(dǎo)率（空氣隙導(dǎo)磁橫截面積（傳感器靈敏度傳感器靈敏度S只改變只改變0022ALdLSd 2N靈敏度靈敏度S與氣隙長度的平方成反比，與氣隙長度的平方成反比，愈小，

6、靈敏度愈高。由愈小，靈敏度愈高。由于于S不是常數(shù)，故會出現(xiàn)非線性誤差。不是常數(shù)，故會出現(xiàn)非線性誤差。 為了減小非線性誤差，通常規(guī)定在較小間隙范圍內(nèi)工作。為了減小非線性誤差，通常規(guī)定在較小間隙范圍內(nèi)工作。例如，設(shè)間隙變化范圍為例如，設(shè)間隙變化范圍為( )，則靈敏度，則靈敏度000000222000(12)22 ()2AAAS 222NNN靈敏度靈敏度S趨于定值趨于定值,即輸出與輸入近似地成線性關(guān)系即輸出與輸入近似地成線性關(guān)系.00，00121可知，當(dāng)時，由于=只改變面積只改變面積A002dLSdA2N靈敏度靈敏度S為一常數(shù)為一常數(shù)幾種常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)構(gòu)幾種常用可變磁阻式傳感器的典型結(jié)

7、構(gòu)可變導(dǎo)磁面積型可變導(dǎo)磁面積型自感自感L和和A0成線性關(guān)系成線性關(guān)系,這種傳感器靈敏度較低這種傳感器靈敏度較低.差動型差動型銜鐵位移時銜鐵位移時,可以使兩個線圈可以使兩個線圈的間隙按的間隙按 變化。一個線圈自感增加變化。一個線圈自感增加,另一另一個線圈自感減少。個線圈自感減少。 將兩線圈接于電橋相鄰橋臂將兩線圈接于電橋相鄰橋臂時時,其輸出靈敏度可提高一倍其輸出靈敏度可提高一倍,并改善了線性特性。并改善了線性特性。00、單螺管線圈型單螺管線圈型 當(dāng)鐵心在線圈中運動時當(dāng)鐵心在線圈中運動時,將改變磁阻將改變磁阻,使線圈自感發(fā)使線圈自感發(fā)生變化。生變化。 雙螺管線圈差動雙螺管線圈差動型型 在實際工作中

8、常采用兩個相同的傳感器線圈共用一個銜鐵，構(gòu)成差動式電感傳感器，這樣可以提高傳感器的靈敏度，減少測量誤差。 這種傳感器的線圈接于交流電橋上，構(gòu)成兩個橋臂，線這種傳感器的線圈接于交流電橋上，構(gòu)成兩個橋臂，線圈電感圈電感L1、L2隨鐵心位移而變化，其隨鐵心位移而變化，其輸出特性如下圖所示。輸出特性如下圖所示。 為了判別銜鐵位移的方向，測量電路一般采用帶相敏整流的交流電橋，如圖所示。渦電流式渦電流式(渦流式渦流式)傳感器傳感器 渦流式傳感器的變換原理是利用金屬導(dǎo)體在交流磁場中的渦流渦流式傳感器的變換原理是利用金屬導(dǎo)體在交流磁場中的渦流效應(yīng)。效應(yīng)。當(dāng)線圈中有一高頻交變電流當(dāng)線圈中有一高頻交變電流i通通過

9、時過時,便產(chǎn)生磁通便產(chǎn)生磁通。此交變。此交變磁磁通通過鄰近的金屬板通通過鄰近的金屬板,金屬板上金屬板上便產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種電流在便產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的金屬體內(nèi)是閉合的,稱之為稱之為”渦渦電流電流”。 渦電流將產(chǎn)生交變磁通渦電流將產(chǎn)生交變磁通1。根據(jù)楞次定律。根據(jù)楞次定律,渦渦電電流的交變磁場與線圈的磁場變化方向相反流的交變磁場與線圈的磁場變化方向相反 , 1總是抵總是抵抗抗的變化。的變化。 由于渦流磁場的作用使原線圈的等效阻抗由于渦流磁場的作用使原線圈的等效阻抗Z發(fā)生變發(fā)生變化化 , 變化程度與距離變化程度與距離有關(guān)。有關(guān)。 分析表明分析表明,影響高頻線圈阻抗影響高頻線圈阻

10、抗Z的因素的因素,除了線圈與除了線圈與金屬板間距離金屬板間距離以外以外,還有金屬板的電阻率還有金屬板的電阻率, 磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率以以及線圈勵磁圓頻率及線圈勵磁圓頻率等。等。 變化變化,可作為位移可作為位移,振動測量振動測量; 變化變化或或值值,可作為材料鑒別或探傷等。可作為材料鑒別或探傷等。互感型互感型112dieMdt 這種傳感器是利用了電感原理中的互感現(xiàn)象這種傳感器是利用了電感原理中的互感現(xiàn)象 當(dāng)線圈當(dāng)線圈W1輸入交流電流輸入交流電流i1時，線圈時，線圈W2產(chǎn)生感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢電動勢e12，其大小與電，其大小與電流流i1的變化率成正比，即的變化率成正比，即 式中式中M比例系數(shù)，稱為互感，其大

11、小與兩線圈相對位置比例系數(shù)，稱為互感，其大小與兩線圈相對位置及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)，它表明兩線圈之及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)，它表明兩線圈之間的耦合程度。間的耦合程度。 1i 互感型傳感器就是利用這一原理，將被測位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感型傳感器就是利用這一原理，將被測位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。這種傳感器實質(zhì)上就是一個變壓器。互感的變化。這種傳感器實質(zhì)上就是一個變壓器。 由于常常采用兩個二次繞組組由于常常采用兩個二次繞組組成差動式，故又稱為差動變成差動式，故又稱為差動變壓器式傳感器。壓器式傳感器。 下圖所示為檢測汽車發(fā)動機吸氣管負壓的傳感器。下圖所示為檢測汽車發(fā)動機吸氣管負壓的傳感器。

12、由于壓力膜盒發(fā)生位移，用差動變壓器取出比例于這個由于壓力膜盒發(fā)生位移，用差動變壓器取出比例于這個位移的電壓。位移的電壓。測量這個電壓，便求得負壓。測量這個電壓，便求得負壓。 下圖是另一種傳感器示例。由于植物生長使掛下圖是另一種傳感器示例。由于植物生長使掛在線在線(靠滑輪改變方向靠滑輪改變方向)另一端的砝碼下降。這另一端的砝碼下降。這個位移個位移量作為差動變壓器的輸出電壓。量作為差動變壓器的輸出電壓。 螺管形差動變壓器。螺管形差動變壓器。 線圈中心插入圓柱形鐵心線圈中心插入圓柱形鐵心P，二次繞組，二次繞組W1及及W2反極性串聯(lián)。反極性串聯(lián)。當(dāng)一次繞組當(dāng)一次繞組W加上交流電壓時，二次繞組加上交流電

13、壓時，二次繞組W1和和W2分別產(chǎn)生感應(yīng)電分別產(chǎn)生感應(yīng)電動勢動勢e1與與e2，其大小與鐵心位置有關(guān)。，其大小與鐵心位置有關(guān)。 當(dāng)鐵心在中心位置時，當(dāng)鐵心在中心位置時，e1=e2，輸出電壓，輸出電壓e。=0； 鐵心向上運動時，鐵心向上運動時，e1e2，向下運動時，向下運動時，e1e2。 為了判斷銜鐵移動的方向，常采用相敏檢波電路和差動整流電路。 如圖所示為由變壓器T1和T2以及接成環(huán)形的四個半導(dǎo)體二極管組成的相敏檢波電路。 在鋁、銅等非磁性金屬表面上，測定氧在鋁、銅等非磁性金屬表面上，測定氧化鋁膜等鍍膜的厚度傳感器?；X膜等鍍膜的厚度傳感器。 因為膜厚愈薄線圈愈接近金屬面，所以因為膜厚愈薄線圈愈接

14、近金屬面，所以它相當(dāng)于位移傳感器。它相當(dāng)于位移傳感器。 上圖所示為探測金屬表面?zhèn)鄣臏u流傳感器。使用高上圖所示為探測金屬表面?zhèn)鄣臏u流傳感器。使用高頻時，渦電流主要沿著靠近金屬表面處流動。渦電流的流頻時，渦電流主要沿著靠近金屬表面處流動。渦電流的流動狀況受金屬表面的傷痕影響，有傷痕處渦電流流動困難，動狀況受金屬表面的傷痕影響，有傷痕處渦電流流動困難，有好像金屬在遠處的感覺。由此可知，此處有傷痕。有好像金屬在遠處的感覺。由此可知，此處有傷痕。 在差動變壓器式傳感器中，金屬表面無在差動變壓器式傳感器中，金屬表面無傷痕時調(diào)整差動傷痕時調(diào)整差動輸出為零。有傷痕有差動輸出輸出為零。有傷痕有差動輸出. 電

15、流在導(dǎo)線截面上均勻分布流動電流在導(dǎo)線截面上均勻分布流動,這是直流的情況這是直流的情況.對于交流的情況，有集中在外部周圍流動，而在中心部對于交流的情況，有集中在外部周圍流動，而在中心部位不怎么流動的傾向位不怎么流動的傾向(見下圖見下圖)，這種現(xiàn)象叫集膚效應(yīng)，這種現(xiàn)象叫集膚效應(yīng)(skin effect)。集膚效應(yīng)在商用頻率。集膚效應(yīng)在商用頻率(50Hz)中表現(xiàn)不怎么中表現(xiàn)不怎么顯著，但頻率越高顯著，但頻率越高(1000Hz)越顯著。越顯著。 由于集膚效應(yīng)的結(jié)果，使電流在狹窄的截面積上流由于集膚效應(yīng)的結(jié)果，使電流在狹窄的截面積上流動，所以在交流狀況下測定的電阻值比在直流狀況下測動，所以在交流狀況下測

16、定的電阻值比在直流狀況下測定的電阻值定的電阻值 。大大下圖所示為用于探測水平方向上不連續(xù)處，如金屬下圖所示為用于探測水平方向上不連續(xù)處，如金屬材料厚度突變處、接縫、焊接處等的傳感器。材料厚度突變處、接縫、焊接處等的傳感器。(a)、(b)但頻率過高時，圖但頻率過高時，圖 所示方法就失去探測能力。所示方法就失去探測能力。4.1.2 電容式傳感器電容式傳感器 電容式傳感器實質(zhì)上是一個具有可變參數(shù)的電電容式傳感器實質(zhì)上是一個具有可變參數(shù)的電容器。容器。 通過電容傳感元件將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為通過電容傳感元件將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。電容量的變化。構(gòu)成與工作原理構(gòu)成與工作原理從物理學(xué)可知從

17、物理學(xué)可知,由由2個平行極板組成的電容器其電容量個平行極板組成的電容器其電容量 A0128 85 10ACFmA 00式中C-電容器的電容量極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)，在空氣中 =1真空介電常數(shù)，.極板間距離極板相對面積 上式表明，當(dāng)被測的量使上式表明，當(dāng)被測的量使、A或或發(fā)生變化發(fā)生變化時，都會引起電容時，都會引起電容C的變化。如果保持其中的兩的變化。如果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。 根據(jù)電容器變化的參數(shù)，可將電容傳感器分根據(jù)電容器變化的參數(shù)，可將電容傳感器分為極

18、距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三類。為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三類。0AC 1）變極距型電容傳感器）變極距型電容傳感器 變極距型電容傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖 如果兩極板相互覆蓋面積及極間介質(zhì)不變，則電容量如果兩極板相互覆蓋面積及極間介質(zhì)不變，則電容量C與極距與極距呈非呈非線性線性關(guān)系關(guān)系(見下圖見下圖)。 當(dāng)極距有一微小變化量，引起電容的變化量為當(dāng)極距有一微小變化量，引起電容的變化量為 21Ad0 dC=-傳感器靈敏度傳感器靈敏度 21SAd0dC-靈敏度靈敏度S與極距平方成反比，極距越小靈敏度越高。與極距平方成反比，極距越小靈敏度越高。為了減小非線性誤差，通常規(guī)定在較小的間隙變化范為

19、了減小非線性誤差，通常規(guī)定在較小的間隙變化范圍內(nèi)工作，以便獲得近似的線性關(guān)系。圍內(nèi)工作，以便獲得近似的線性關(guān)系。一般取極距變化范圍約為一般取極距變化范圍約為 。00.1 為了提高靈敏度和改善線性，以及克服某些外界條件如電源電壓、環(huán)境溫度變化的影響，實際使用時常采用差動式結(jié)構(gòu)。 2）變面積型電容傳感器）變面積型電容傳感器 在變換極板面積的電容傳感器中，常用的有角位在變換極板面積的電容傳感器中，常用的有角位移型與線位移型兩種。移型與線位移型兩種。 面積變化型電容傳感器的優(yōu)點是輸出與輸入成線面積變化型電容傳感器的優(yōu)點是輸出與輸入成線性關(guān)系，但與極距變化型相比，靈敏度較低，適用于性關(guān)系，但與極距變化型

20、相比，靈敏度較低，適用于較大直線位移及角位移測量。較大直線位移及角位移測量。角位移型，當(dāng)動板有一轉(zhuǎn)角時，角位移型，當(dāng)動板有一轉(zhuǎn)角時，它與定板之間相互覆蓋的面積就它與定板之間相互覆蓋的面積就發(fā)生變化，因而導(dǎo)致電容量變化，發(fā)生變化，因而導(dǎo)致電容量變化，覆蓋面積覆蓋面積202rC 電容量202rdCSd 靈敏度常數(shù)輸出與輸入為線性關(guān)系。22rAr式中 覆蓋面積對應(yīng)的中心角極板半徑平面線位移型電容傳感器，平面線位移型電容傳感器，當(dāng)動板沿當(dāng)動板沿x方向移動時，覆方向移動時，覆蓋面積變化，電容量也蓋面積變化，電容量也隨之隨之變化。電容量變化。電容量 0bxb C=式 中 極 板 寬 度0b dC靈敏度S=

21、常數(shù)dx 3）變介電常數(shù)型電容傳感器）變介電常數(shù)型電容傳感器 因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器電容量也就不同，利用這種原理制作的電容傳感器稱為變介電常數(shù)型電容傳感器。 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路 電容式傳感器有多種轉(zhuǎn)換輸出電路，如交流電橋、脈寬調(diào)制電路、調(diào)頻電路、運算放大器電路等。 交流電橋是將電容傳感器接入電橋作為電橋的一個臂或兩個相鄰臂，其它橋臂可以是電阻、電容或電感，如圖所示。 圖4.22 電容傳感器交流電橋例1 一電容傳感器，其圓形極板r = 5mm，工作初始間隙0 = 0.3mm，問：工作時如果傳感器的工作間隙變化 =2m，

22、則電容變化量是多少？00201226626142:2,0.3,5111 8.85 10510( 2 10 )0.3101.54 101.54 10mmm rmmCAFpF 解 已知 例2 用結(jié)構(gòu)參數(shù)為長L = 100mm，寬b = 20mm，間隙 = 2mm的線位移電容傳感器，測試位移量x =40m的變化，試求：電容變化量是多少？312603153:20,2,4020 101 8.85 10( 40 10 )2 103.54 103.54 10bmmmmxmbCxFpF 解 已知4.1.3應(yīng)變式位移傳感器 應(yīng)變式位移傳感器采用懸臂梁螺旋彈簧串聯(lián)的組合結(jié)構(gòu)，因此適用于較大位移測試。 4.2 位移

23、的測試 在自動測試技術(shù)和工程技術(shù)中，測試機械零件的長度、厚度和表面粗糙度等，可以利用不同的位移傳感器進行線位移的測試。 4.2.1電容式測厚儀 如圖所示為電容式測厚儀測量板材厚度的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4.26 電容式測厚儀結(jié)構(gòu)示意圖4.2.2電感式輪廓儀 電感式輪廓儀是實現(xiàn)表面粗糙度測試的一種儀器，它是通過測量觸針的機械位移而獲得被測表面粗糙度信息的。4.2.3電感式滾柱直徑分選裝置 用人工測試和分選軸承用滾柱的直徑是一件十分費時且容易出錯的工作。4.2.4電感式仿形機床 在加工復(fù)雜機械零件時，采用仿形加工是一種較簡單的方法。4.2.5 超聲波測厚儀 如圖所示為數(shù)字式超聲波測厚儀方框圖，它由主控器、發(fā)射電路、接收放大器、計數(shù)顯示器等部分組成。 計數(shù)脈沖頻率計數(shù)脈沖頻率 f 計數(shù)器計數(shù)器 N 超聲波傳播速度超聲波傳播速度 v工件厚度工件厚度=2Nvf4.3 位置的測試 在數(shù)控機床或印刷機械、輸送機械、電梯、自動焊接機等自動化生產(chǎn)裝置中，常需要對某可動部件的動作位置進行檢測定位，或者判斷是否有工件存在等。 此時測試結(jié)果一般不需要是確定量，只需用開關(guān)形式判斷其位置或