機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)第六章

第一節(jié)概述第三節(jié)位移測(cè)量的應(yīng)用第二節(jié)常用的位移傳感器精品資料2第一節(jié)概述(ɡàishù)位移測(cè)量是線位移和角位移測(cè)量的統(tǒng)稱,測(cè)量時(shí)應(yīng)根據(jù)具體的測(cè)量對(duì)象,來(lái)選擇(xuǎnzé)或設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng).由于在不同的場(chǎng)合下對(duì)位移測(cè)量的精度要求不同，形成了多種多樣的位移傳感器及其相應(yīng)的測(cè)量電路或系統(tǒng)精品資料表6-1常用(chánɡyònɡ)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1~300mm±0.1%±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1~1000mm±0.5%±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±(2~3)%±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±(2~3)%滿刻度±2%輸出幅值大，溫度靈敏性高精品資料電感式差動(dòng)變壓器0.1~5mm±(1~3)%±0.5%分辨力高，壽命長(zhǎng)，后續(xù)電路較復(fù)雜螺管式0.2~100mn±(0.1~3)%±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±0.25~±250mm±(1~3)%<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)mm±0.005%±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，非線性較大精品資料霍爾元件±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10-3~10000mm2.5μm/250mm

模、數(shù)混合測(cè)量系統(tǒng)，數(shù)顯長(zhǎng)光柵10-3~1000mm3μm/1m

同上，分辨力高(0.1~1μm)長(zhǎng)磁柵10-3~10000mm5μm/1m

制造簡(jiǎn)單，使用方便，分辨力1~5μm精品資料部分測(cè)量(cèliáng)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0°~360°±0.1%±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0~60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0°~±120°(0.2~2.0)%±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±180°1%

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)360°±0.1°~±7°±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360°2′~5′小角度時(shí)0.1%精品資料微動(dòng)同步器±5°~±40°(0.4~1)%±0.05%分辨力高，無(wú)接觸，測(cè)量范圍小，電路較復(fù)雜電容式70°25″

分辨力高，靈敏度高，耐惡劣環(huán)境，需屏蔽圓感應(yīng)同步器0°~360°±0.5″

分辨力高，可數(shù)顯圓光柵0°~360°±0.5″

分辨力高，可數(shù)顯圓磁柵0°~360°±1″

磁信號(hào)可重錄角度編碼器接觸式0°~360°10-6/r

分辨力高，可靠性高光電式0°~360°10-8/r

精品資料8第二節(jié)常用(chánɡyònɡ)的位移傳感器一、滑線電阻(diànzǔ)式位移傳感器滑線電阻式位移傳感器和測(cè)量系統(tǒng)如圖6-1所示。

a直線位移型b角位移型c測(cè)量電路1滑線電阻2滑動(dòng)觸頭圖6-1精品資料9第二節(jié)常用(chánɡyònɡ)的位移傳感器一、滑線電阻(diànzǔ)式位移傳感器滑線電阻的結(jié)構(gòu)形式有纏繞式和單絲式?；€電阻式位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、輸出大、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但由于觸頭運(yùn)動(dòng)時(shí)有機(jī)械摩擦，其使用壽命受限、分辨率較低、輸出信號(hào)噪聲大、不宜用于頻率較高時(shí)的動(dòng)態(tài)測(cè)量上圖c為橋式測(cè)量電路，供橋電源為具有一定精度的直流穩(wěn)壓電源，電橋的輸出直接用光線示波器顯示。精品資料10二、應(yīng)變(yìngbiàn)片式位移傳感器第二節(jié)常用(chánɡyònɡ)的位移傳感器應(yīng)變片式位移傳感器的測(cè)量原理：利用一彈性元件把位移量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量，而后用應(yīng)變片、應(yīng)變儀等測(cè)量記錄。應(yīng)變片式位移傳感器如圖6-2所示。

a懸臂梁及貼片b應(yīng)變片接橋圖6-2精品資料11第二節(jié)常用(chánɡyònɡ)的位移傳感器二、應(yīng)變(yìngbiàn)片式位移傳感器對(duì)于等斷面梁，貼片處的應(yīng)變與位移間的關(guān)系為或式中l(wèi)、h為梁的長(zhǎng)度、厚度

X為從自由端到貼片處距離這種測(cè)量方法一般只用于小位移<250m的情況下。精品資料12第二節(jié)常用(chánɡyònɡ)的位移傳感器二、應(yīng)變(yìngbiàn)片式位移傳感器圓環(huán)和半圓環(huán)式彈性元件及其貼片和接橋如圖示。精品資料13第二節(jié)常用(chánɡyònɡ)的位移傳感器圓環(huán)或半圓環(huán)彈性元件，當(dāng)它在被測(cè)位移(wèiyí)δ的作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和應(yīng)變，其應(yīng)變值與位移(wèiyí)成正比。由于這種方法直接測(cè)量的位移量較小，為了擴(kuò)大其量程，可通過(guò)一些裝置將小位移進(jìn)行變換。下面所示就是用一斜面將小位移變換成大位移的裝置二、應(yīng)變片式位移傳感器精品資料14第二節(jié)常用(chánɡyònɡ)的位移傳感器圖6-4是用一斜面將小位移(wèiyí)變換成大位移(wèiyí)的裝置。二、應(yīng)變片式位移傳感器圖6-4精品資料15第二節(jié)常用(chánɡyònɡ)的位移傳感器三、差動(dòng)變壓器式位移(wèiyí)傳感器圖6-5示出了差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)和接線情況。1一次側(cè)線圈2、3二次側(cè)線圈4鐵心圖6-5精品資料16第二節(jié)常用(chánɡyònɡ)的位移傳感器差動(dòng)變壓器的差動(dòng)整流(zhěngliú)電路如圖所示。三、差動(dòng)變壓器式位移傳感器精品資料17第二節(jié)常用(chánɡyònɡ)的位移傳感器三、差動(dòng)變壓器式位移(wèiyí)傳感器差動(dòng)整流電路與相後檢測(cè)電路的功能基本相同，雖然檢波效率低，但其測(cè)量線路簡(jiǎn)單，故用得也很多，差動(dòng)變壓器的最后輸出一般可用示波器直接顯示。由于示波器振子的內(nèi)阻都很小，當(dāng)差動(dòng)變壓器的測(cè)量電路是電壓輸出時(shí)，振子回路應(yīng)接入電阻，以保證線性差動(dòng)變壓器式位移測(cè)量系統(tǒng)具有精度較高、性能穩(wěn)定、線性范圍大、輸出大、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。由于可動(dòng)鐵心具有一定的質(zhì)量，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性較差。精品資料18第二節(jié)常用(chánɡyònɡ)的位移傳感器四、光電脈沖(màichōng)式位移傳感器光電脈沖式位移傳感器：實(shí)際上是一個(gè)位移—數(shù)字編碼器，工作時(shí)可將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成數(shù)量的電脈沖信號(hào)輸出。光電脈沖式位移傳感器的組成及其工作原理如圖6-7所示。1圓盤2被測(cè)軸3光源4光敏二極管5平板圖6-7精品資料19第二節(jié)常用(chánɡyònɡ)的位移傳感器圖a是測(cè)量角位移的透射光電脈沖轉(zhuǎn)換器。圓盤1與測(cè)軸2一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，照射到光敏二極管4上的光線就會(huì)時(shí)有時(shí)無(wú)，通過(guò)光敏二極管的光電效應(yīng)以及測(cè)量電路的變換就輸出(shūchū)電脈沖；電脈沖的數(shù)目與光線的通斷交數(shù)成正比，根據(jù)脈沖數(shù)目就可測(cè)出被測(cè)軸的轉(zhuǎn)角。圖b是測(cè)量線位移的反射式光電脈沖轉(zhuǎn)換器。工作原理與透射式的基本相同，不同點(diǎn)在于照射光敏二極管的光是靠反射光。四、光電脈沖式位移傳感器精品資料20第二節(jié)常用(chánɡyònɡ)的位移傳感器光電脈沖(màichōng)式位移傳感器的后續(xù)測(cè)量電路和顯示記錄裝置如圖6-8的框圖所示。四、光電脈沖式位移傳感器圖6-8精品資料21第二節(jié)常用(chánɡyònɡ)的位移傳感器用上述方法，無(wú)法判斷(pànduàn)位移的正負(fù)方向，在需要判斷(pànduàn)方向的場(chǎng)合，需要多加一個(gè)光電管和一套測(cè)量電路。兩光敏二極管的裝設(shè)位置如圖6-9所示。四、光電脈沖式位移傳感器圖6-9精品資料22第二節(jié)常用(chánɡyònɡ)的位移傳感器判斷位移方向(fāngxiàng)的電路框圖如圖6-10所示。四、光電脈沖式位移傳感器當(dāng)用示波器記錄時(shí)，可用兩個(gè)或三個(gè)振子分別記錄方向信號(hào)和脈沖信號(hào)，處理數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行加減處理，才得真實(shí)位移。用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)，要用可逆計(jì)算器、方向信號(hào)（＋）、（－）控制計(jì)數(shù)器的“加”、“減”法運(yùn)算、脈沖信號(hào)作計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈動(dòng)，計(jì)算所記錄的脈沖數(shù)就與實(shí)際位移成正比。圖6-10精品資料23

第三節(jié)位移(wèiyí)測(cè)量的應(yīng)用一、回轉(zhuǎn)軸徑向運(yùn)動(dòng)誤差(wùchā)的測(cè)量回轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)誤差是指在回轉(zhuǎn)過(guò)程中回轉(zhuǎn)軸線偏離理想位置而出現(xiàn)的附加運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)誤差是回轉(zhuǎn)軸上任何發(fā)生與軸線平行的移動(dòng)和在垂直于軸線的平面內(nèi)的移動(dòng)。前一種移動(dòng)稱為該點(diǎn)的端面運(yùn)動(dòng)誤差，后一種移動(dòng)稱為該點(diǎn)的徑向運(yùn)動(dòng)誤差。端面運(yùn)動(dòng)誤差因測(cè)量點(diǎn)所在半徑位置不同而異，徑向運(yùn)動(dòng)誤差則因測(cè)量點(diǎn)所在的軸向位置不同而異。所以在討論運(yùn)動(dòng)誤差時(shí)，應(yīng)指明測(cè)量點(diǎn)的位置。精品資料24第三節(jié)位移(wèiyí)測(cè)量的應(yīng)用一、回轉(zhuǎn)軸徑向運(yùn)動(dòng)(yùndòng)誤差的測(cè)量測(cè)量一根通用的回轉(zhuǎn)軸的徑向運(yùn)動(dòng)誤差時(shí)，可將參考坐標(biāo)選在軸承支承孔上。這時(shí)運(yùn)動(dòng)誤差所表示的是回轉(zhuǎn)過(guò)程中回轉(zhuǎn)軸線對(duì)于支承孔的相對(duì)位移，它主要反映軸承的回轉(zhuǎn)質(zhì)量。任意徑向截面上的徑向誤差運(yùn)動(dòng)可采用置于x、y方向的兩只位移傳感器來(lái)分別檢測(cè)徑向運(yùn)動(dòng)誤差在x、y方向的分量。在任何時(shí)刻兩分量的矢量和就是該時(shí)刻徑向運(yùn)動(dòng)誤差矢量。這種測(cè)量方式稱為雙向測(cè)量法。由于種種原因，有時(shí)不必測(cè)量總的徑向運(yùn)動(dòng)誤差，而只需測(cè)量它在某個(gè)方向的分量，則可將一只傳感器置于該方向來(lái)檢測(cè)。這種方式稱為單向測(cè)量法。精品資料25第三節(jié)位移測(cè)量(cèliáng)的應(yīng)用一、回轉(zhuǎn)軸徑向(jìnɡxiànɡ)運(yùn)動(dòng)誤差的測(cè)量雙向測(cè)量法，如圖6-11所示Tx,Ty位移傳感器M1M2測(cè)量?jī)x圖6-11精品資料26單向(dānxiànɡ)測(cè)量法，如圖6-12所示。一、回轉(zhuǎn)軸(zhuànzhóu)徑向運(yùn)動(dòng)誤差的測(cè)量第三節(jié)位移測(cè)量的應(yīng)用T位移傳感器M測(cè)量?jī)x圖6-12精品資料27傳感器見到的位移信號(hào)(xìnhào)是很復(fù)雜的，如圖6-13所示。一、回轉(zhuǎn)軸徑向運(yùn)動(dòng)誤差(wùchā)的測(cè)量第三節(jié)位移測(cè)量的應(yīng)用圖6-13精品資料—位移(wèiyí)傳感器；—位移(wèiyí)測(cè)量?jī)x；—基圓發(fā)生器圖雙向測(cè)量法精品資料29第三節(jié)位移測(cè)量(cèliáng)的應(yīng)用二、物位測(cè)量(cèliáng)在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常遇到大量的固體和液體物料，存放在容器中或堆在場(chǎng)地上，并占有一定的高度，此高度還可能是隨時(shí)間而變化的。對(duì)此高度的測(cè)量稱為物位測(cè)量。

液位檢測(cè)總體上可分為直接檢測(cè)和間接檢測(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)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，如壓力法、浮力法、電學(xué)法、熱學(xué)法等。精品資料直接(zhíjiē)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，將容器中的液體引入帶有標(biāo)尺的觀察(guānchá)管中，通過(guò)標(biāo)尺讀出液位高度。下圖所示的是玻璃管液位計(jì)。精品資料壓力(yālì)法壓力法依據(jù)液體重量所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行測(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(guò)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(kāikǒu)容器，液位高度H與液體靜壓力P之間有如下關(guān)系：

精品資料下面圖為用于測(cè)量開口容器液位高度(gāodù)的二種壓力式液位計(jì)。(a)壓力表式液位計(jì)(b)法蘭式液位變送器精品資料浮力(fúlì)法 浮力法測(cè)液位是依據(jù)力平衡原理，通常借助浮子一類(yīlèi)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)，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，可分為浮子式、浮筒式等等；按機(jī)構(gòu)不同可分為鋼帶式、杠桿式等。精品資料鋼帶浮子(fúzi)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(zhīnénɡ)就地顯示。精品資料35二、物