《傳感器與檢測技術(shù)》課件 項(xiàng)目5 位移檢測

項(xiàng)目5位移監(jiān)測任務(wù)5.1基于電感傳感器的軸承滾柱直徑分選裝置的設(shè)計

任務(wù)5.2基于電渦流傳感器的汽輪機(jī)脹差及軸向位移測量

任務(wù)5.3基于光柵傳感器的數(shù)控機(jī)床工作臺位移檢測項(xiàng)目5位移監(jiān)測

位移——表征物體位置變化的物理量。根據(jù)位移量的形式，可分為直線位移和角位移。

直線位移——指運(yùn)動的物體自初位置到末位置的有向線段。它的大小是運(yùn)動物體初位置到末位置的直線距離；方向是從初位置指向末位置。直線位移只與物體運(yùn)動的始末位置有關(guān)，而與運(yùn)動的軌跡無關(guān)。直線位移的單位為米、毫米、千米等。

角位移——轉(zhuǎn)動的物體自初位置到末位置轉(zhuǎn)過的角度。單位為弧度、度、轉(zhuǎn)數(shù)等。

按被測變量變換的形式不同，位移檢測可分為模擬式和數(shù)字式兩種。

按位移量的大小不同，位移傳感器還可分為小位移監(jiān)測和大位移監(jiān)測。小位移檢測的范圍小于200mm，大位移檢測的范圍可達(dá)100m。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，除了檢測機(jī)械位移外，經(jīng)常將工件的長度、厚度、高度、距離、角度等物體量的測量轉(zhuǎn)化為位移的測量。位移傳感器種類繁多，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，同時有越來越多的創(chuàng)新技術(shù)被運(yùn)用到傳感器中，如LVDT技術(shù)、超聲波技術(shù)、磁致伸縮技術(shù)、光纖技術(shù)、時柵技術(shù)等，位移傳感器技術(shù)已取得了突破性進(jìn)展。由于技術(shù)的進(jìn)步，使得各種傳感器性能大幅度提高，成本大幅度降低，從而極大地擴(kuò)展了應(yīng)用范圍，形成了一個高速增長的產(chǎn)業(yè)。任務(wù)5.1基于電感傳感器的軸承滾柱直徑分選裝置的設(shè)計

任務(wù)導(dǎo)入

某軸承廠生產(chǎn)汽車所用圓柱滾動體。按汽車廠商的要求，一個軸承中的滾柱直徑必須均勻，標(biāo)稱直徑為10.000mm，允許公差范圍為±0.5μm，并與軸承的內(nèi)外套的公差匹配，否則將造成汽車運(yùn)行噪聲和振動超標(biāo)。該軸承廠原采用人工測量和分選不同直徑滾柱，效率低，且易造成誤測、誤分組，需要的人力成本越來越高?，F(xiàn)希望能夠自動篩選合格的滾柱，最高速度為60轉(zhuǎn)/分鐘，提高整體檢測速度、質(zhì)量和成本。相關(guān)知識5.1.1自感式傳感器的基本原理電感式傳感器可分為自感式和互感式兩大類。實(shí)際上，人們習(xí)慣上講的電感傳感器通常是指自感式傳感器，而互感式傳感器是利用變壓器原理，通常做成差動式，故稱為差動變壓器式傳感器。5.1.1自感式傳感器的基本原理

如圖5-1所示，我們將一只380V交流接觸器的線圈接上安培表后通以36V的交流電，毫安表的初始值約為幾十毫安。若將接觸器的活動鐵芯慢慢往下按時，會發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當(dāng)銜鐵向下移動碰到固定鐵芯時，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。為什么會出現(xiàn)這種情況呢？首先，380V的交流接觸器接36V交流電，因?yàn)榻涣麟妷翰粔?，線圈電流較小，難以產(chǎn)生讓接觸器吸合的磁力，所以交流接觸器不動作。當(dāng)慢慢往下按時，銜鐵向下移動，氣隙的厚度δ發(fā)生改變，導(dǎo)致線圈的阻抗變大，電流慢慢降低。

5.1.1自感式傳感器的基本原理

根據(jù)電感的定義，我們知道，線圈的電感量L為：由電路知識可知，當(dāng)忽略繞組的直流電阻時，流過繞組的交流電流i為：式中：N——線圈的匝數(shù)；

A——?dú)庀兜挠行Ы孛娣e；

μ0——真空磁導(dǎo)率；

δ——?dú)庀兜暮穸?。式中：u——線圈兩端的交流電壓；Z——線圈的阻抗；

XL——線圈的感抗；

f——交流電壓的工作頻率。5.1.1自感式傳感器的基本原理

由式5-1、5-2可知：當(dāng)鐵心的氣隙較大時，線圈的電感L較小，電流i較大。當(dāng)鐵心閉合時，氣隙δ變小，電感L變大，電流i減小。

由式5-1可知，線圈的電感受三個因素影響，分別為線圈的匝數(shù)N、氣隙的有效截面積A以及氣隙的厚度δ。如果保持上述三個參數(shù)中的兩個參數(shù)不變，改變另外一個參數(shù)，就可以將該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電感量的變化，再通過測量電路將電感量的變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流或者頻率輸出并顯示，這就是自感式傳感器的工作原理（行業(yè)習(xí)慣稱為電感式傳感器）。電感器傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、分辨率高，可達(dá)到0.1μm；

2、靈敏度及精度高；3、可實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制。5.1.2電感式傳感器的分類及特性

電感式傳感器按結(jié)構(gòu)來分，有三種常見形式，分別為變氣隙式、變面積式、螺線管式電感傳感器。如圖5-2所示。5.1.2電感式傳感器的分類及特性1、變氣隙式電感傳感器變氣隙式電感傳感器是傳感器氣隙截面積及線圈匝數(shù)保持不變，使氣隙隨被測非電量而變化，從而引起電感的變化，如圖5-3（a）所示。由式5-1可知，變氣隙式電感傳感器的電感值與氣隙為反比例函數(shù)關(guān)系，其曲線圖如圖5-3（a）所示。假設(shè)傳感器的初始?xì)庀稙棣?，初始截面積為A0，則起始時電感值L0為：當(dāng)銜鐵隨外力作用向上移動Δδ時，氣隙減小為δ0-Δδ，則此時的電感L的值為：5.1.2電感式傳感器的分類及特性由式5-8可知：靈敏度與空氣隙的厚度平方成反比，所以為了保證一定的線性度，變隙式電感傳感器只能在較小的范圍內(nèi)工作，只能用于微小位移的測量，一般為0.001~1mm。5.1.2電感式傳感器的分類及特性2、變面積式電感傳感器

變面積式電感傳感器如圖5-2（b）所示，其線圈匝數(shù)與氣隙為常數(shù)，則電感僅與氣隙的有效投影面積有關(guān)。由式5-1可知，變面積式電感傳感器的電感值與投影面積是線性關(guān)系。

其靈敏度S1為常數(shù)：變面積式電感傳感器的電感-面積特性曲線如圖5-3（b）所示，從圖中可以看出由于漏感等原因，變面積型傳感器在A=0時存在一定的電感，影響線性范圍，且靈敏度較小。3、螺線管式電感傳感器

螺線管是具有多重卷繞的導(dǎo)線，卷繞內(nèi)部可以是空心的，或者有一個磁芯。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時，螺線管中間部位會產(chǎn)生比較均勻的磁場。

螺線管式電感傳感器如圖5-2（c）所示，螺線管電感傳感器的主要元器件是一只螺線管和一根可移動的圓柱形銜鐵。銜鐵插入繞組后，將引起螺線管內(nèi)部的磁阻的減小，電感隨插入的深度而增大。

對于長螺線管（l>>r），當(dāng)銜鐵工作在螺線管接近中部位置時，可以認(rèn)為繞組內(nèi)磁場強(qiáng)度是均勻的，此時繞組的電感量L與銜鐵插入深度成正比。螺線管越長，線性區(qū)就越大。螺線管式電感傳感器的線性區(qū)約為螺線管長度的1/10。5.1.2電感式傳感器的分類及特性例5.1：采用螺線管電感傳感器測量直徑為100mm的工件是否合格，被測工件的最大允許誤差為±2.5mm，求：應(yīng)選長度大于多少毫米的螺線管？

解：ΔD=2×2.5mm=5mm，則螺線管長度為：

l>5mm×10倍=50mm（不包括外殼）.

通過以上三種形式的單線圈電感式傳感器的分析，可得到：

（1）變氣隙型電感式傳感器：靈敏度最高，非線性誤差較大，量程必須限制在較小的范圍內(nèi)，通常為氣隙厚度δ的1/5以下，同時，制作裝配比較困難。

（2）變面積型電感式傳感器：靈敏度較變氣隙型電感式傳感器低，線性較好，量程較大，制造裝配比較方便。（3）螺管型電感式傳感器：靈敏度較變面積型電感式傳感器還低，量程大，線性較好，結(jié)構(gòu)簡單，易于制作和批量生產(chǎn)。5.1.2電感式傳感器的分類及特性4、差動式電感傳感器

上述三種電感式傳感器均是單線圈傳感器，使用時，由于線圈電流的存在，它們的銜鐵受單向電磁力作用，易受電源電壓和頻率的波動與溫度變化等外界干擾的影響，且變氣隙型和螺管型電感式傳感器都存在著不同程度的非線性，因此不適合精密測量。目前，多采用差動式結(jié)構(gòu)來改善其性能，即由兩個單線圈式結(jié)構(gòu)對稱組合，共用一個活動銜鐵，構(gòu)成差動自感式傳感器。

差動電感式位移傳感器如圖5-4所示。兩個完全相同、單個線圈的電感式傳感器共用一根活動銜鐵就構(gòu)成了差動電感式傳感器。差動電感式傳感器的結(jié)構(gòu)要求是兩個鐵磁體的幾何尺寸、材料、性能完全相同。兩個線圈的電氣參數(shù)(如匝數(shù)、直流電阻、電感、分布電容等)和幾何尺寸也完全相同。由于兩個線圈一樣，則外界對測量的影響對兩個線圈一樣，當(dāng)兩個線圈的相減后可以知道得，外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。線性度改善，靈敏度增加一倍。5.1.2電感式傳感器的分類及特性在變氣隙式差動電感式傳感器中，當(dāng)銜鐵隨被測量移動而偏離中間位置時，兩個線圈的電感量一個增加，另一個減小，形成差動形式。

由圖5-4（a）可知，當(dāng)銜鐵往上移動Δδ時，兩個線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2，其中一個增加一個減少，根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱的關(guān)系，其增加和減少的量ΔL1、ΔL2大小相等，則總的電感變化量為：靈敏度S為：從式5-10可以看出，ΔL與Δδ基本成線性關(guān)系；從式5-11與式5-8比較可以得出，靈敏度S是單線圈的兩倍。5.1.2電感式傳感器的分類及特性

差動線圈與單線圈變氣隙電感式位移傳感器的特性比較如圖5-5所示。從圖5-5可以看出，差動電感式傳感器的線性較好，且特性曲線較陡，靈敏度約為非差動電感式傳感器的兩倍。5.1.3電感傳感器的測量電路

電感式位移傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路的作用是將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號，以便進(jìn)行放大，然后用儀表指示或記錄下來。電感式傳感器的測量電路主要有交流電橋式、變壓器式交流電橋以及諧振式等幾種形式。1、交流電橋式測量電路

如圖5-6(a)所示，橋臂Z1和Z2是差動傳感器的兩個線圈的阻抗，另外兩個相鄰的橋臂用純電阻R代替。其輸出電壓UO為:當(dāng)電橋平衡時，即Z1Z3=Z2Z4，電橋輸出電壓UO=0，當(dāng)橋臂阻抗發(fā)生變化時，引起電橋不平衡，UO不再為0，通過UO的變化，可以確定橋臂阻抗的變化。5.1.3電感傳感器的測量電路現(xiàn)以變氣隙型差動傳感器為例，如圖5-4（a），假設(shè)銜鐵上移，則Z1=Z0+ΔZ，Z2=Z0－ΔZ，其中Z0是銜鐵在中間位置時單個線圈的復(fù)阻抗，ΔZ是銜鐵偏離中心位置時單線圈阻抗的變化量，Z3=Z4=R，則電橋輸出電壓UO為：由于線圈的電阻可以忽略，線圈的阻抗為電感，電感與氣隙成正比，即：由式5-14可知，UO與氣隙的變化量成線性關(guān)系。由于U是交流電壓，只能判別位移的大小，卻無法判別輸出電壓的相位和位移的方向.必須配合相敏檢波電路來解決。圖5-7是一種典型的相敏檢波電路。通過相敏檢波電路，當(dāng)銜鐵在零點(diǎn)以上移動時，不論載波是在正半周還是在負(fù)半周，負(fù)載電阻R25上得到的電壓始終為正的信號；當(dāng)銜鐵在零點(diǎn)以下移動時，負(fù)載電阻R25上得到的電壓始終為負(fù)的信號。即正位移輸出正電壓，負(fù)位移輸出負(fù)電壓，電壓值的大小表明位移的大小，電壓值的正負(fù)表明位移的方向?；瑒幼冏杵鱎P用于調(diào)零。5.1.3電感傳感器的測量電路5.1.3電感傳感器的測量電路因此，原來呈“V”形的輸出特性曲線（如圖5-8（a）所示）就變成過零點(diǎn)的一條直線（如圖5-8（b）所示）。即普通檢波電路輸出的電壓值均為正值，無法表征方向；相反，相敏檢波輸出特性曲線可以看出輸出電壓存在正負(fù)值，能夠表征方向。2、變壓器式交流電橋測量電路

如圖5-6（b）所示，橋臂Z1和Z2和是差動傳感器的兩個線圈的阻抗，另兩臂為電源變壓器的兩個二次線圈。

當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時，輸出空載電壓UO為：當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置，即Z1=Z2=Z0，此時電橋平衡，得到UO=0。當(dāng)傳感器銜鐵上移時，則Z1=Z0+ΔZ，Z2=Z0－ΔZ，電橋輸出電壓UO為：銜鐵上下移動相同距離時，輸出電壓相位相反，大小隨銜鐵的位移而變化。5.1.3電感傳感器的測量電路3、諧振式測量電路

諧振式測量電路分為諧振式調(diào)幅和諧振式調(diào)頻電路兩種，分別如圖5-9和圖5-10所示。5.1.3電感傳感器的測量電路(1)諧振式調(diào)幅電路

在圖5-9(a)所示調(diào)幅電路中，傳感器電感L、電容C與變壓器一次側(cè)串聯(lián)在一起，接入交流電源，變壓器二次側(cè)將有電壓輸出，輸出電壓的頻率與電源頻率相同，而幅值隨著電感L而變化。

圖5-9(b)所示為輸出電壓與電感L的關(guān)系曲線，其中L0為諧振點(diǎn)的電感值，此電路靈敏度很高，但是線性差，適用于線性要求小的場合。(2)諧振式調(diào)頻電路

調(diào)頻電路的基本原理是傳感器電感L變化將引起輸出電壓頻率的變化。一般是把傳感器電感L和電容C接入一個振蕩回路中，如圖5-10(a)所示。此時，其振蕩頻率為：當(dāng)L變化時，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)f的大小即可測出被測量的值。圖5-10（b）表示f與L的特性，它具有明顯的非線性關(guān)系。5.1.3電感傳感器的測量電路5.1.4差動變壓器式位移傳感器將被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感系數(shù)M變化的傳感器稱為互感式傳感器。差動變壓器就屬于互感式傳感器，它根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器結(jié)構(gòu)形式與自感式傳感器類似，也分為變氣隙型、變面積型和螺管型等。

在非電量測量中，最為常用的是螺管型差動變壓器，它可以測量1~100mm的機(jī)械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。

螺管型差動變壓器傳感器(LVDT)的工作原理如圖5-11(a)所示，它主要由一個線框和一個鐵芯組成。在線框上繞有一組線圈作為輸入線圈M。在同一線框上另繞兩組完全對稱的線圈作為輸出線圈N21、N22，它們反向串聯(lián)組成差動輸出形式，其等效電路如圖5-11(b)所示。5.1.3電感傳感器的測量電路當(dāng)一次繞組L1加入勵磁電壓Ui后，其二次繞組N21、N22產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E21、E22，由于變壓器兩二次繞組反向串聯(lián)，則變壓器的輸出為：故當(dāng)互感M1、M2隨著銜鐵位移x變化時，輸出電壓UO也必將隨x變化。因此，通過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。

5.1.3電感傳感器的測量電路差動變壓器輸出的電壓值為交流電壓，用電壓表測量，只能反映位移的大小，而不能反映移動的方向，而且，由于電路在原點(diǎn)時，不可能做到完全對稱，所以存在零點(diǎn)殘余電壓。要做到消除零點(diǎn)殘余電壓和測得位移的方向，通常我們采用差動整流電路和相敏檢波電路。現(xiàn)以電壓輸出型全波差動整流電路為例，說明其工作原理。差動整流電路如圖5-12所示。5.1.3電感傳感器的測量電路任務(wù)實(shí)施

1、系統(tǒng)總體設(shè)計

設(shè)計滾柱直徑分選機(jī)如圖5-13，該機(jī)器有如下功能：（1）在允許的誤差范圍內(nèi)，滾柱的直徑從9.997mm至10.003mm，分為A～G共7個等級，分別落入對應(yīng)的7個料箱中。用于選擇對應(yīng)精度的滾柱供供應(yīng)商選擇。（2）超出公差范圍，即不屬于9.997mm至10.003mm尺寸的滾柱，均予以剔除。分別落入正偏差和負(fù)偏差兩個廢料箱中。（3）滾柱的分選速度可在“人機(jī)界面”上調(diào)整，分選結(jié)果在液晶屏上顯示。

任務(wù)實(shí)施2、傳感器的選型根據(jù)任務(wù)的背景，物體的尺寸變化很小，考慮響應(yīng)速度，選擇電感傳感器。根據(jù)傳感器所需要的行程較短，可以選擇線圈骨架較短、直徑較小的型號，考慮到安裝高度的誤差，可以選擇線性區(qū)為3mm的電感傳感器。

最終本任務(wù)選擇Milont電感位移式傳感器，如圖5-14所示，該傳感器采用方便的單電源12或24VDC供電，電子電路密封在304不銹鋼金屬管內(nèi),可以在潮濕和灰塵等惡劣環(huán)境中工作,輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)的可被計算機(jī)或PLC使用的0-5V或4-20mA輸出。任務(wù)實(shí)施3、工作原理如圖所5-14示為圖滾柱直徑分選機(jī)的工作原理示意圖，該機(jī)器的工作過程如下：

（1）滾柱的推動與定位

批量滾柱放入圖左上端的“振動料斗”中，在電磁振動力的作用下，自動排成隊列，從給料管中下落到氣缸的推桿右端。氣缸的活塞在高壓氣體的推動下，將滾柱快速推至電感式傳感器測端下方的限位擋板位置。

（2）氣缸的控制

氣缸有“后進(jìn)/岀氣口”B和“前進(jìn)/出氣口”A。當(dāng)A向大氣敞開、高壓氣體從B口進(jìn)入時、活塞向右推動，氣缸前腔的氣體從A口排出。反之，活塞后退（向左運(yùn)動），氣缸后腔的氣體從B口排岀。氣缸A口與B口的開啟由電磁閥門控制。

欲使氣缸活塞后退，氣缸前部的“進(jìn)/出氣孔”A通過電磁閥與進(jìn)氣口P接通，高壓氣源經(jīng)空氣調(diào)理器和電磁閥進(jìn)入氣缸前腔，活塞往左運(yùn)動至終端位置。此時，氣缸后部的“進(jìn)/出氣孔”B被電磁閥內(nèi)的閥芯堵住，與高壓氣源隔斷而與電磁閥左邊的消音器接通，氣缸后部的殘余氣體從消音器排出。

（3）落料箱翻板的控制

按設(shè)計要求，共有9個落料箱，分別是-3μm、-2μm、-1μm、0、+1μm、+2μm、+3μm以及“偏大”、“偏小”廢品箱（圖中未畫出）。它們的翻板分別由9個交流電磁鐵控制。當(dāng)控制器或計算機(jī)計算出測量結(jié)果的誤差值后，對應(yīng)的翻板電磁鐵驅(qū)動電路導(dǎo)通，翻板打開。

（4）計算機(jī)接受系統(tǒng)的輸出電壓值后，將電壓值轉(zhuǎn)化成尺寸的變化量后，保存起來。通過大數(shù)據(jù)的分析，對生產(chǎn)線產(chǎn)品的質(zhì)量、工藝進(jìn)行鑒定和改進(jìn)。知識拓展1、變氣隙電感式壓力傳感器

如圖5-15所示為變氣隙式自感式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)。當(dāng)被測壓力p發(fā)生變化時，與傳感器銜鐵相連的彈性敏感元件也會發(fā)生形變，從而帶動銜鐵產(chǎn)生位移，使傳感器線圈的電感量L發(fā)生變化，然后通過交流電橋等測量電路將電感量L的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，經(jīng)過相敏整流、濾波等處理之后，輸出電壓的大小反映銜鐵位移的大小，相位反映銜鐵位移的方向，再通過換算即可得出壓力p的大小和方向。知識拓展2、螺線管式自感差壓傳感器

如圖5-16所示為螺線管式自感差壓傳感器的基本結(jié)構(gòu)。當(dāng)被測壓力p1=p2（即壓差Δp=0）時，彈性膜片沒有感受應(yīng)變，鐵芯的位移x=0，兩個線圈的電感量相等，交流電橋的輸出為零。當(dāng)被測壓力p1≠p2時，彈性膜片感受壓力差產(chǎn)生應(yīng)變，通過連桿帶動鐵芯移動，使兩個線圈的電感量發(fā)生大小相等、方向相反的變化，交流電橋輸出具有位移x包絡(luò)的調(diào)幅波，該調(diào)幅波經(jīng)放大、相敏檢波和濾波等處理之后，輸出的信號不僅能反映位移x的大小，還能反映位移x的方向，即反映壓差Δp的大小和方向。

知識拓展3、電感位移傳感器測加速度

如圖5-17所示為差動變壓器式加速度傳感器。它是由懸臂梁和差動變壓器構(gòu)成。測量時，將懸臂梁底座與差動變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵的A端與被測振動物體相連，此時傳感器作為加速度測量中的慣性元件，它的位移與被測加速度成正比，使加速度測量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y量。當(dāng)被測物體帶動銜鐵以振動時，導(dǎo)致差動變壓器的輸出電壓也按相應(yīng)規(guī)律變化。任務(wù)5.1基于電感傳感器的軸承滾柱直徑分選裝置的設(shè)計

任務(wù)5.2基于電渦流傳感器的汽輪機(jī)脹差及軸向位移測量

任務(wù)5.3基于光柵傳感器的數(shù)控機(jī)床工作臺位移檢測任務(wù)5.2基于電渦流傳感器的汽輪機(jī)脹差及軸向位移測量汽輪機(jī)——蒸汽透平發(fā)動機(jī)，是一種旋轉(zhuǎn)式蒸汽動力裝置，高溫高壓蒸汽穿過固定噴嘴成為加速的氣流后噴射到葉片上，使裝有葉片排的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，同時對外做功。汽輪機(jī)是現(xiàn)代火力發(fā)電廠的主要設(shè)備，也用于冶金工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、艦船動力裝置中，如圖5-18所示。脹差——汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與汽缸的相對膨脹。習(xí)慣上規(guī)定轉(zhuǎn)子膨脹大于汽缸膨脹時的脹差值為正脹差，汽缸膨脹大于轉(zhuǎn)子膨脹時的脹差值為負(fù)脹差。

脹差產(chǎn)生的原因及危害——在機(jī)組啟、停機(jī)及運(yùn)行過程中，由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與汽缸的質(zhì)量、熱膨脹系數(shù)和熱耗散系數(shù)不同，轉(zhuǎn)子的溫度和軸承的溫度上升或者下降的快慢不一樣，導(dǎo)致熱脹冷縮的程度不一樣，如果兩者間的熱脹冷縮的差值超過汽輪機(jī)所允許的間隙公差，就會發(fā)生動靜部分磨擦，嚴(yán)重時可能打斷葉片使設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，造成機(jī)組的損壞。軸向位移——汽輪機(jī)沿著軸的方向上的位移。軸向位移產(chǎn)生的原因及危害——負(fù)荷變化、氣溫變化、蒸汽流量變化、頻率變化等等。機(jī)組的軸向位移應(yīng)保持在允許范圍內(nèi)，一般為0.8～1.0mm，超過這個數(shù)值就會引起動靜部分發(fā)生摩擦碰撞，發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞事故，如軸彎曲，大批葉片折斷等。5.2.1電渦流傳感器的工作原理及分類

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，當(dāng)塊狀金屬導(dǎo)體放置在一變化的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流像水中旋渦那樣在導(dǎo)體內(nèi)轉(zhuǎn)圈，稱之為電渦流或渦流，這種現(xiàn)象就稱為電渦流效應(yīng)。

電渦流傳感器是利用電渦流效應(yīng)把被測量轉(zhuǎn)換為傳感器線圈阻抗的變化而進(jìn)行測量的一種裝置。如圖5-19所示為電渦流傳感器探頭的外形。其中（a）包含了探頭、前置器。電渦流式傳感器在金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生的渦流，其滲透深度與傳感器線圈的勵磁電流的頻率有關(guān)。渦流傳感器主要可分為高頻反射和低頻透射兩類。5.2.1電渦流傳感器的工作原理及分類1、高頻反射渦流傳感器5.2.1電渦流傳感器的工作原理及分類根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以高頻正弦交變電流I1時，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場H1，如果在這個交變磁場的有效范圍內(nèi)沒有被測金屬物體靠近，則這個磁場的能量會全部損失；如果在這個交變磁場的有效范圍內(nèi)有金屬物體，則將使金屬導(dǎo)體中感應(yīng)閉合的電渦流I2。高頻反射渦流傳感器簡化模型如圖5-22所示，在其簡化模型中，把在被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)，即假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi)，h為電渦流的貫穿深度。根據(jù)簡化模型，可畫出等效電路圖，如圖5-23所示。圖中R2為電渦流短路環(huán)等效電阻，其表達(dá)式為：根據(jù)基爾霍夫定律5.2.1電渦流傳感器的工作原理及分類實(shí)際上，阻抗的表達(dá)式中包含ω、R1、L1、R2、L2、M這些參數(shù)，這些參數(shù)與電導(dǎo)率σ、磁導(dǎo)率μ、表面因子r（包括粗超度、溝痕、裂紋等）、頻率f、間距x關(guān)等效阻抗可以表示為：

如果控制上式中的σ、μ、r、f、x不變，電渦流線圈的阻抗Z就成為線圈與被測金屬體的間距x的單值函數(shù)，屬于非接觸式測量。

當(dāng)被測物與電渦流線圈的間距x減小時，電渦流線圈與被測金屬的互感量M增大，等效電感L減小，Q值降低，等效電阻R增大。由于線圈的感抗XL的減小比R的增大大得多，故此時流過電渦流線圈的電流i1增大。

如果控制間距δ不變，就可以用來檢測與表面電導(dǎo)率σ有關(guān)的表面溫度、表面裂紋等參數(shù)，或者用來檢測與材料磁導(dǎo)率μ有關(guān)的磁性特性、表面硬度等參數(shù)。例如表面溫度升高，電導(dǎo)率σ降低；表面有裂紋時，電渦流減小。5.2.1電渦流傳感器的工作原理及分類2、低頻透射渦流傳感器如圖5-24所示，傳感器由兩個繞在膠木棒上的線圈組成，一個為發(fā)射線圈，一個為接受線圈，分別位于被測金屬材料的兩側(cè)。由振蕩器產(chǎn)生的低頻電壓U1加到發(fā)射線圈L1的兩端后，線圈中流過一個同頻率的交流電流，并在其周圍產(chǎn)生一個交變磁場，如果兩個線圈間不存在被測物體，那么L1的磁力線就能直接貫穿L2，于是L2的兩端就會感生出一交變電動勢E，它的大小與U1的幅值、頻率以及L1、L2的匝數(shù)、結(jié)構(gòu)和兩者間的相對位置有關(guān)。低頻透射式與高頻反射式的區(qū)別在于它采用低頻激勵，貫穿深度大，適用于測量金屬材料的厚度。5.2.2電渦流式傳感器測量電路由電渦流傳感器的工作原理可知，當(dāng)被測對象變化可引起渦流式傳感器線圈的阻抗Z、電感L發(fā)生變化，通過測量阻抗Z、電感L可求出被測量參數(shù)的變化。轉(zhuǎn)換電路的作用就是將阻抗Z、電感L轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。阻抗Z的轉(zhuǎn)換電路一般用電橋，電感L的轉(zhuǎn)換電路一般用諧振電路，又可以分為調(diào)幅法和調(diào)頻法兩種。1、電橋測量電路四個橋臂的阻抗分別為：

R1R2。初始狀態(tài)下電橋平衡，當(dāng)被測物體與線圈耦合時，使Z1、Z2發(fā)生變化，使得根據(jù)輸出電壓Uo的值可求得被測量。5.2.2電渦流式傳感器測量電路2、調(diào)頻式電路如圖5-26（a）所示，傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測導(dǎo)體距離x0改變時，在渦流影響下，傳感器的電感變化，導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離Δx的函數(shù)，該頻率可由數(shù)字頻率計直接測量，或者通過鑒頻器，將頻率轉(zhuǎn)換成電壓顯示。如圖5-26（b），當(dāng)被測金屬板處于單向勻速移動時，鑒頻器的頻率與電壓呈線性關(guān)系。

如果被測金屬板處于振動狀態(tài)，與渦流探頭的距離周期變化，鑒頻器的輸出信號為同頻率的交流電壓。5.2.2電渦流式傳感器測量電路3、調(diào)幅式測量電路任務(wù)實(shí)施1、傳感器的選型從轉(zhuǎn)子動力學(xué)、軸承學(xué)的理論上分析，大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)主要取決于其核心轉(zhuǎn)軸，而電渦流位移傳感器能直接測量轉(zhuǎn)軸的狀態(tài)，測量結(jié)果可靠、可信。非常契合這次任務(wù)的目的，所以首先我們選擇電渦流傳感器作為位移的檢測。

電渦流傳感器的選型主要是根據(jù)現(xiàn)場的需要，從靈敏度、量程、輸出方式、誤差、分辨率、延長電纜的長度等需要，綜合選擇。

本任務(wù)選擇本特利3300電渦流傳感器及監(jiān)測器，探頭線5米，延伸電纜長10m，線性范圍為4mm。其中傳感器由三部分組成，分別為探頭、延伸線纜以及前置器。任務(wù)實(shí)施2、位移測量的工作原理（1）軸向位移監(jiān)測系統(tǒng)測量原理由于本傳感器出廠設(shè)計為當(dāng)測量回路開路或者機(jī)組的軸向位移達(dá)到報警或跳閘值時均會發(fā)出報警和跳閘信號，故一般采用4只傳感器，分別送入兩個監(jiān)視器，其中一個監(jiān)視器的兩個信號相與后，再將兩個檢測器的開關(guān)量信號輸出相“或”作為跳機(jī)保護(hù)條件較為可靠，如圖5-30所示。任務(wù)實(shí)施（2）脹差傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理如圖5-32為脹差傳感器檢測系統(tǒng)的工作原理，脹差傳感器一般測量的是轉(zhuǎn)子與氣缸之間的位移。脹差傳感器固定在缸體上，而傳感器的被測金屬表面鑄造在轉(zhuǎn)子上。由于脹差傳感器采用斜坡式測量（坡度為8度），一個當(dāng)斜面相對探頭的距離x時，轉(zhuǎn)子的脹差L為：任務(wù)實(shí)施3、傳感器的標(biāo)定如圖5-33所示，在標(biāo)定區(qū)域里，共設(shè)置多個測量點(diǎn)。首先調(diào)節(jié)千分尺的讀數(shù)為0.000mm。旋松探頭夾具的調(diào)節(jié)螺母，使探頭與試件剛好接觸，計算機(jī)測得探頭絕對零位的輸出電壓。然后旋動千分尺，使試件緩慢離開探頭，每隔設(shè)定的位移，測量電渦流傳感器的輸出電壓。知識拓展1、轉(zhuǎn)速測量如圖5-34所示為電渦流傳感器測轉(zhuǎn)速的工作原理，軟磁材料制成的輸入軸上加工一個或多個鍵槽或做成齒狀，在距輸入表面d0處安裝一個電渦流式傳感器，輸入軸與被測旋轉(zhuǎn)軸相連。當(dāng)被測旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，輸出軸的距離發(fā)生d0+Δd的變化。由于電渦流效應(yīng)，這種變化將導(dǎo)致振蕩諧振回路的品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化，使傳感器線圈的電感隨Δd的變化也發(fā)生變化，它們將直接影響振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率。隨著輸入軸的旋轉(zhuǎn)，從振蕩器輸出的信號中包含有與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖頻率信號。該信號由檢波器檢出電壓幅值的變化量，然后經(jīng)整形電路輸出脈沖頻率信號f，可以用頻率計指示輸出頻率值，從而測出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，其關(guān)系式為：式中：f——頻率值(Hz)；n——旋轉(zhuǎn)體的槽(齒)數(shù)；

N——被測軸的轉(zhuǎn)速(r／min)。知識拓展2、電渦流式通道安全檢查門電渦流式通道安全檢查門工作原理圖如下圖5-36所示，

L11、L12與L21、L22相互垂直，成電氣正交狀態(tài)，無磁路交鏈,Ｕo=0。在有金屬物體通過L11、L12形成的交變磁場H1時，交變磁場就會在該金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流。電渦流也將產(chǎn)生一個新的微弱磁場H2。H2的相位與金屬體位置、大小等有關(guān)，但與L21、L22不再正交，因此可以在L21、L22中感應(yīng)出電壓。知識拓展3、電渦流傳感器振動的測量知識拓展4、電渦流傳感器測厚度任務(wù)5.1基于電感傳感器的軸承滾柱直徑分選裝置的設(shè)計

任務(wù)5.2基于電渦流傳感器的汽輪機(jī)脹差及軸向位移測量

任務(wù)5.3基于光柵傳感器的數(shù)控機(jī)床工作臺位移檢測任務(wù)5.3基于光柵傳感器的數(shù)控機(jī)床工作臺位移檢測

任務(wù)導(dǎo)入隨著數(shù)控機(jī)床在加工領(lǐng)域的普遍使用，對于數(shù)控機(jī)床所加工的產(chǎn)品的精度要求的不斷提高。光柵位移傳感器在數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)中作直線位移或者角位移的檢測，對刀具和工件的坐標(biāo)進(jìn)行檢測，來觀察和跟蹤走刀誤差，以起到一個補(bǔ)償?shù)毒叩倪\(yùn)動誤差的作用。由于光柵位移傳感器具有精度高、測量范圍大、信號抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在對傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)行數(shù)字化改造及現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中得到了廣泛的應(yīng)用。5.3.1光柵的基礎(chǔ)知識光柵是在基體（玻璃或者金屬）上刻有大量相互平行、等寬而又等間距的刻線。這些刻線有透明的和不透明，或者是對光反射的和不反射的。按照測量的位移的種類來分，測量直線位移的光柵為長光柵，測量角位移的光柵為圓光柵。分別如圖如圖5-39所示5.3.1光柵的基礎(chǔ)知識如圖5-40所示為黑白型長光柵，光柵上的刻線稱為柵線，圖中a

為刻線寬度，b

為縫隙寬度，一般取a=b，a+b=W，W稱光柵的柵距。柵距又稱為光柵常數(shù)或光柵節(jié)距，是光柵的重要參數(shù)，用每毫米內(nèi)的柵線數(shù)表示柵線密度，如100線/mm、250線/mm等光柵按其原理和用途可分為物理光柵和計量光柵。物理光柵刻線細(xì)密，利用光的衍射原理，主要用于光譜分析和光波長等量的測量。計量光柵主要利用莫爾條紋現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)長度、角度、速度、加速度、振動等物理量的測量。計量光柵按工作原理來分可分為透射式和反射式。透射式光柵如圖5-41，常采用光學(xué)玻璃做基體，并鍍鉻，在基體上均勻刻畫出間距、寬度相等的條紋，形成等間隔的透光區(qū)與不透光區(qū)，使光線透過光柵后產(chǎn)生明暗條紋；反射式光柵如圖5-42所示，常采用不銹鋼作基體，在基體上用化學(xué)腐蝕的方法制成黑白相間的條紋，形成反光區(qū)與不反光區(qū)，反射光線并使之產(chǎn)生明暗條紋。5.3.1光柵的基礎(chǔ)知識光柵式傳感器主要由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件等組成，如圖5-43所示。光柵副如圖5-44所示，是光柵傳感器的核心部分，其精度決定著整個光柵傳感器的精度。主光柵是測量的基準(zhǔn)（又稱為標(biāo)尺光柵），其長度由測量范圍確定，而指示光柵一般比主光柵短得多，為一小塊，只要能滿足測量所需的莫爾條紋數(shù)量即可，通?？逃信c主光柵同樣密度的線紋。5.3.2光柵式位移傳感器的工作原理

1、莫爾條紋如果把光柵常數(shù)相等的主光柵和指示光柵相對疊合（片間留有很小的間隔），并使兩者柵線（光柵刻線）之間保持很小夾角θ，在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶，在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形成暗帶，于是在垂直柵線的方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，即在a-a線上形成亮帶，在b-b線上形成暗帶，如圖5-45所示，這種明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋方向與刻線條紋方向近似垂直，當(dāng)指示光柵左右移動時，莫爾條紋上下移動變化。5.3.2光柵式位移傳感器的工作原理莫爾條紋有以下特性。（1）莫爾條紋的移動量和移動方向與標(biāo)尺光柵相對于指示光柵的位移量和位移方向有著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，可以通過測量莫爾條紋的運(yùn)動方向來判別光柵的運(yùn)動方向。（2）位移放大作用。莫爾條紋兩個亮條紋之間的寬度為其間距。從莫爾條紋圖5-46可知，在三角形AOC中，OC與AC垂直，根據(jù)三角關(guān)系可得，莫爾條紋的間距B與兩光柵夾角θ和柵距W的關(guān)系為：當(dāng)W一定時，θ越小，則B越大。若W=0.01mm，θ=0.01rad，通過上式計算可得B=1mm。（3）減小誤差作用。莫爾條紋是由光柵的大量柵線（常為數(shù)百條）共同形成的，對光柵的刻線誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除柵距的局部誤差和短周期誤差的影響。因此，莫爾條紋可以得到比光柵本身刻線精度更高的測量精度。5.3.2光柵式位移傳感器的工作原理2、光柵傳感器的工作原理圖5-43中，光源發(fā)出的輻射光線，經(jīng)過透鏡后變成平行光束，照射在標(biāo)尺光柵上。當(dāng)有位移帶動指示光柵移動時，產(chǎn)生莫爾條紋。若用光敏元件接收莫爾條紋移動時光強(qiáng)的變化，則光信號被轉(zhuǎn)換為電信號（電壓或電流信號）輸出，測量輸出電信號的大小，即可獲得位移量。由于光敏元件產(chǎn)生的電壓信號一般比較微弱，在長距離傳遞時很容易被各種干擾信號所淹沒、覆蓋，造成傳送失真。為了保證光敏元件輸出的信號在傳送中不失真，應(yīng)首先將該電壓信號進(jìn)行功率和電壓放大，然后再進(jìn)行傳送。光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由聚光鏡和光敏元件組成，如圖5-47所示，當(dāng)標(biāo)尺光柵移動一個柵距W時，電信號則變化一個周期，光柵輸出電壓信號的幅值為光柵位移量x的函數(shù)，即：當(dāng)檢測到的光電信號波形重復(fù)到原來的相位和幅值時，相當(dāng)于光柵移動了一個柵距W，如果光柵相對移動了N個柵距，此時位移為x=Nw。因此，只要記錄移動過的莫爾條紋數(shù)N，