第6章位移測(cè)量

1、第六章位移測(cè)量 位移測(cè)試包括線位移和角位移的測(cè)試。位移測(cè)試在工程中的應(yīng)用十分廣泛，這不僅因?yàn)樵诟鞣N工程中經(jīng)常需要精確地測(cè)量物體的位移或位置，而且還因?yàn)樗俣?、加速度、力、壓力、扭矩、溫度、流量及物位等參?shù)的許多測(cè)試方法，都是以位移測(cè)試作為基礎(chǔ)的。 位移是向量，它表示物體上某一點(diǎn)在一定方向上的位置變動(dòng)。因而對(duì)位移的度量，除了確定其大小之外，還應(yīng)考慮其方向。一般情況下，應(yīng)使測(cè)量方向與位移方向重合。位移測(cè)量方法位移測(cè)量方法 位移測(cè)量包括線位移測(cè)量和角位移測(cè)量位移測(cè)量包括線位移測(cè)量和角位移測(cè)量。位移測(cè)量的方法多種多樣，常用的有下述幾種。（1 1）積分法）積分法 （2 2）回波法）回波法 （3 3）線位移

2、和角位移相互轉(zhuǎn)換）線位移和角位移相互轉(zhuǎn)換 （4 4）位移傳感器法）位移傳感器法（1 1）積分法）積分法 測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的速度或加速度，經(jīng)過積分或二次積分求得運(yùn)動(dòng)體的位移。 例如在慣性導(dǎo)航中，就是通過測(cè)量載體的加速度，經(jīng)過二次積分而求得載體的位移。（2 2）回波法）回波法 從測(cè)量起始點(diǎn)到被測(cè)面是一種介質(zhì)，被測(cè)從測(cè)量起始點(diǎn)到被測(cè)面是一種介質(zhì)，被測(cè)面以后是另一種介質(zhì)，利用介質(zhì)分界面對(duì)波的面以后是另一種介質(zhì)，利用介質(zhì)分界面對(duì)波的反射原理測(cè)位移。反射原理測(cè)位移。 例如激光測(cè)距儀、超聲波液位計(jì)都是利用分界面對(duì)激光、超聲波的反射測(cè)量位移的。相關(guān)測(cè)距則是利用相關(guān)函數(shù)的時(shí)延性質(zhì)，將向某被測(cè)物發(fā)射信號(hào)與經(jīng)被測(cè)物反射的

3、返回信號(hào)作相關(guān)處理，求得時(shí)延，從而推算出發(fā)射點(diǎn)與被測(cè)物之間的距離。（3 3）線位移和角位移相互轉(zhuǎn)換）線位移和角位移相互轉(zhuǎn)換 被測(cè)量是線位移時(shí)，若測(cè)量角位移更方被測(cè)量是線位移時(shí)，若測(cè)量角位移更方便，則可用間接測(cè)量方法，通過測(cè)角位移再便，則可用間接測(cè)量方法，通過測(cè)角位移再換算成線位移。換算成線位移。同樣，被測(cè)量是角位移時(shí)，也可先測(cè)線位移再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 例如汽車的里程表，是通過測(cè)量車輪轉(zhuǎn)數(shù)再乘以周長(zhǎng)而得到汽車的里程的。（4 4）位移傳感器法）位移傳感器法 通過位移傳感器，將被測(cè)位移量的變化通過位移傳感器，將被測(cè)位移量的變化轉(zhuǎn)換成電量（電壓、電流、阻抗等）、流量、轉(zhuǎn)換成電量（電壓、電流、阻抗等）、流量、

4、光通量、磁通量等的變化。光通量、磁通量等的變化。位移傳感器法是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法。 一般來說，在進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，要充分利用被測(cè)對(duì)象所在場(chǎng)合和具備的條件來設(shè)計(jì)、選擇測(cè)量方法。6.1表面粗糙度測(cè)量 表面粗糙度測(cè)量是一種微觀幾何形狀誤差。特點(diǎn)：量值?。ㄐ∮?mm)，變化頻率高，所以粗糙度測(cè) 量方法必須具有分辨率高和頻響快分辨率高和頻響快的特性。1. 接觸式輪廓儀（觸針式輪廓儀） 針描法是一種接觸式測(cè)量方法。用一個(gè)很尖的觸針垂直于表面橫移，觸針將隨著表面輪廓幾何形狀作垂直起伏運(yùn)動(dòng)，把這個(gè)微小位移的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電量加以放大，再進(jìn)行運(yùn)算處理即可獲得某個(gè)表面光潔度參數(shù)數(shù)值，或者用記錄器描繪出放大了的表面

5、輪廓圖形（早期曾經(jīng)采用機(jī)械或機(jī)械一光學(xué)的方法放大觸針的垂直位移量，現(xiàn)基本上已被淘汰）。 裝有測(cè)針裝有測(cè)針T的杠桿的杠桿M固定在繞有線圈的磁鐵中心樞軸上，觸針垂固定在繞有線圈的磁鐵中心樞軸上，觸針垂直位移改變磁鐵兩端的空氣隙，轉(zhuǎn)換為電感線圈的電感量變化，直位移改變磁鐵兩端的空氣隙，轉(zhuǎn)換為電感線圈的電感量變化，從而對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生交變電流，然后再通過解調(diào)器獲從而對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生交變電流，然后再通過解調(diào)器獲得截面輪廓信號(hào)，送入下級(jí)放大和運(yùn)算電路。這類電感傳感器的得截面輪廓信號(hào)，送入下級(jí)放大和運(yùn)算電路。這類電感傳感器的特點(diǎn)是輸出信號(hào)只和觸針位移有關(guān)，亦稱位移靈敏傳感器，它可特點(diǎn)是輸出信

6、號(hào)只和觸針位移有關(guān)，亦稱位移靈敏傳感器，它可以把輪廓圖形逐點(diǎn)描繪出來，所以一般帶有記錄器。以把輪廓圖形逐點(diǎn)描繪出來，所以一般帶有記錄器。2、非接觸式輪廓儀國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的評(píng)定評(píng)定基準(zhǔn)為輪廓中線基準(zhǔn)為輪廓中線，有1、最小二乘中線2、算術(shù)平均中線。中線上下部分所包含的輪廓面積相等(常用)2111minniinniiiiyFF表面粗糙度的高度評(píng)定參數(shù)：輪廓算術(shù)平均偏差輪廓算術(shù)平均偏差:011()/laniiRy dxlyn或微觀不平度十點(diǎn)高度微觀不平度十點(diǎn)高度：55maxmin11()/5zpiviiiRyy輪廓最大高度輪廓最大高度：maxmaxypvRyy表面粗糙度的評(píng)定方法表面粗糙度的評(píng)定方法6

7、.2常用的位移傳感器常用的位移傳感器 在很多情況下，位移可以通過位移在很多情況下，位移可以通過位移傳感器直接測(cè)得。傳感器直接測(cè)得。 用于線位移測(cè)量的傳感器的種類很多，較常見的線位移傳感器的主要特點(diǎn)及使用性能列于表中。表6-1 常用線位移傳感器的性能與特點(diǎn) 型 式測(cè)量范圍精確度線性度特 點(diǎn)變阻式滑 線1300mm0.1%0.1%分辨力較高，機(jī)械結(jié)構(gòu)不牢固，大位移時(shí)在電刷上加杠桿機(jī)構(gòu)變阻器11000mm0.5%0.5%結(jié)構(gòu)牢固，壽命長(zhǎng)，分辨力較差，電噪聲大電阻應(yīng)變式不粘貼0.15%應(yīng)變0.1%1%不牢固粘 貼0.3%應(yīng)變(23)%1%牢固，使用方便，需溫度補(bǔ)償和高絕緣電阻半導(dǎo)體0.25%應(yīng)變(23

8、)%滿刻度2%輸出幅值大，溫度靈敏性高電感式差動(dòng)變壓 器0.15mm(13)%0.5%分辨力高，壽命長(zhǎng)，后續(xù)電路較復(fù)雜螺管式0.2100mn(0.13)%0.5%測(cè)量范圍寬，使用方便可靠，壽命長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)性能較差渦流式0.25250mm(13)%3%結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐油污、水，被測(cè)對(duì)象材料，靈敏度不同，線性范圍須重校電容式變面積(10-3 10)mm0.005%1%線性范圍大，精確度高，受介質(zhì)常數(shù)影響大（溫度，濕度）變間隙(10-8 100)mm0.1%1%分辨力高，非線性較大霍爾元件1.5mm0.5% 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)特性好，對(duì)溫度敏感感應(yīng)同步器10-3 10000mm2.5m/250mm 模、數(shù)混合測(cè)

9、量系統(tǒng)，數(shù)顯長(zhǎng)光柵10-3 1000mm3m/1m 同 上 ， 分 辨 力 高(0.11m)長(zhǎng)磁柵10-3 10000mm5m/1m 制造簡(jiǎn)單，使用方便，分辨力15m部分測(cè)量角位移的傳感器的性能及特點(diǎn)。型 式測(cè)量范圍精 確 度線性度特 點(diǎn)滑線變阻式03600.1%0.1%結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍廣，存在接觸摩擦，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差變阻器060轉(zhuǎn)0.5%0.5%耐磨性好，阻值范圍寬，接觸電阻和噪聲大，附加力矩較大差動(dòng)變壓器式0120(0.22.0)%0.25%分辨力高，耐用，可測(cè)位移頻率只是激勵(lì)頻率的1/10，后續(xù)電路復(fù)雜應(yīng)變計(jì)式1801% 性能穩(wěn)定可靠，利用應(yīng)變片和彈性體結(jié)合測(cè)量角位移自整角機(jī)3600.17

10、0.5%對(duì)環(huán)境要求低，有標(biāo)準(zhǔn)系列，使用方便，抗干擾能力強(qiáng)，性能穩(wěn)，可在1200r/min下工作，精度低，線性范圍小旋轉(zhuǎn)變壓器36025小角度時(shí)0.1%微動(dòng)同步器540(0.41)%0.05%分辨力高，無接觸，測(cè)量范圍小，電路較復(fù)雜電 容 式7025 分辨力高，靈敏度高，耐惡劣環(huán)境，需屏蔽圓感應(yīng)同步器03600.5 分辨力高，可數(shù)顯圓光柵03600.5 分辨力高，可數(shù)顯圓磁柵03601 磁信號(hào)可重錄角 度編碼 器接 觸式036010-6/r 分辨力高，可靠性高光 電式036010-8/r v1電感式位移傳感器 v（1）螺管差動(dòng)型位移傳感器 1-引線 2-固定磁筒 3-銜鐵 4-線圈 5-彈簧 6

11、-防轉(zhuǎn)銷 7-鋼球滾動(dòng)導(dǎo)軌 8-測(cè)桿 9-密封套 10-測(cè)端圖 螺管差動(dòng)型位移傳感器結(jié)構(gòu)圖圖 電感測(cè)微儀測(cè)量系統(tǒng)方框圖v（2）渦電流式位移傳感器 v（3）差動(dòng)變壓器式位移傳感器 圖 差動(dòng)變壓器式位移傳感器圖 差動(dòng)相敏檢波電路的工作原理v（4）旋轉(zhuǎn)變壓器式角位移傳感器 1-定子；2-轉(zhuǎn)子；3-電刷；4-滑環(huán)圖 旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu) eR1= Kees1cos eR2= - Kees1sin 式中 Ke 旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比， Ke=W1/W2 ； W1 W2分別為轉(zhuǎn)子和定子繞組的匝數(shù)。圖 正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器當(dāng)輸出繞組接有負(fù)載時(shí)，就有電流通過輸出繞組并產(chǎn)生電樞反應(yīng)磁通，使氣隙中磁場(chǎng)發(fā)生畸變，輸出電壓亦產(chǎn)生變

12、化。為了減小這種變化，應(yīng)將輔助繞組D3D4短接，或在兩輸出繞組上接對(duì)稱負(fù)載。為提高旋轉(zhuǎn)變壓器的精確度，其負(fù)載阻抗應(yīng)盡量大。 6.3 位移測(cè)量應(yīng)用實(shí)例1回軸軸誤差運(yùn)動(dòng)的測(cè)量回轉(zhuǎn)軸誤差運(yùn)動(dòng)是指在回轉(zhuǎn)過程中回轉(zhuǎn)軸線偏離理想位置而出現(xiàn)的附加運(yùn)動(dòng)。徑向誤差運(yùn)動(dòng)的常用測(cè)量方法 圖 雙向測(cè)量法時(shí)的位移信號(hào)分析xTyT1M2MR位移傳感器 ；位移測(cè)量?jī)x；基圓發(fā)生器圖 雙向測(cè)量法T位移傳感器；M位移測(cè)量?jī)x；R基圓發(fā)生器；Mu乘法器圖 單向測(cè)量法2、液位檢測(cè)方法液位檢測(cè)方法 液位檢測(cè)總體上可分為直接檢測(cè)直接檢測(cè)和間接檢測(cè)間接檢測(cè)兩種方法，由于測(cè)量狀況及條件復(fù)雜多樣，因而往往采用間接測(cè)量，即將液位信號(hào)轉(zhuǎn)化為其它相關(guān)

13、信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，如壓力法壓力法、浮力法浮力法、電學(xué)法電學(xué)法、熱學(xué)法熱學(xué)法等。 直接測(cè)量法直接測(cè)量法 直接測(cè)量是一種最為簡(jiǎn)單、直觀的測(cè)量方法，它是利用連通器的原理，將容器中的液體利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶有標(biāo)尺的觀察管中，通過標(biāo)尺讀出液位引入帶有標(biāo)尺的觀察管中，通過標(biāo)尺讀出液位高度高度。下圖所示的是玻璃管液位計(jì)。 壓力法壓力法 壓力法依據(jù)液體重量所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行壓力法依據(jù)液體重量所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量。由于液體對(duì)容器底面產(chǎn)生的靜壓力與液位高度成正比，因此通過測(cè)容器中液體的壓力即可測(cè)算出液位高度。 對(duì)常壓開口容器，液位高度H與液體靜壓力P之間有如下關(guān)系： gPH 下面圖為用于測(cè)量開口

14、容器液位高度的二種壓力式液位計(jì)。(a) 壓力表式液位計(jì) (b)法蘭式液位變送器浮力法浮力法 浮力法測(cè)液位是依據(jù)力平衡原理浮力法測(cè)液位是依據(jù)力平衡原理，通常借助浮子一類的懸浮物，浮子做成空心剛體，使它在平衡時(shí)能夠浮于液面。當(dāng)液位高度發(fā)生變化時(shí)，當(dāng)液位高度發(fā)生變化時(shí)，浮子就會(huì)跟隨液面上下移動(dòng)。浮子就會(huì)跟隨液面上下移動(dòng)。因此測(cè)出浮子的位移就可知液位變化量。 浮子式液位計(jì)按浮子形狀不同，可分為浮子浮子式式、浮筒式浮筒式等等；按機(jī)構(gòu)不同可分為鋼帶式、杠桿式等。 鋼帶浮子式液位計(jì)鋼帶浮子式液位計(jì) 右圖為直讀式鋼帶浮子式液位計(jì)，這是一種最簡(jiǎn)單的液位計(jì)，一般只能就地顯示。浮筒式液位計(jì)浮筒式液位計(jì) 浮筒式液位計(jì)

15、屬于變浮力液位計(jì)，當(dāng)被測(cè)液面位置變化時(shí)，浮筒浸沒體積變化，所受浮力也變化，通過測(cè)量浮力變化確定出液位的變化量。圖中： 1-浮筒；2-彈簧；3-差動(dòng)變壓器 。 圖所示的液位計(jì)是用彈簧平衡浮力，用差動(dòng)變壓器測(cè)量浮筒位移，平衡時(shí)壓縮彈簧的彈力與浮筒浮力及重力G平衡。即 液位高度變化與彈簧變形量成正比。液位高度變化與彈簧變形量成正比。彈簧變形量可用多種方法測(cè)量，既可就地指示，也可用變換器(如差動(dòng)變壓器)變換成電信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)傳控制。GgAHkx電學(xué)法電學(xué)法 電學(xué)法按工作原理不同又可分為電阻式、電感電學(xué)法按工作原理不同又可分為電阻式、電感式和電容式。式和電容式。用電學(xué)法測(cè)量無摩擦件和可動(dòng)部件，信號(hào)轉(zhuǎn)換、傳送方便，便于遠(yuǎn)傳，工作可靠，且輸出可轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電信號(hào)，與電動(dòng)單元組合儀表配合使甩，可方便地實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制。 電阻式液位計(jì)電阻式液位計(jì) 電阻式液位計(jì)既可進(jìn)行定點(diǎn)液位控制，也可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。所謂定點(diǎn)控制是指液位上升所謂定點(diǎn)控制是指液位上升或下降到一定位置時(shí)引起電路的接通或斷開，或下降到一定位置