第六章-机械工程测试技术-位移测量..

机械工程测试技术基础第六章位移测量第一节概述第二节常用的位移传感器第三节位移测量的应用第六章位移测量机械工程测试技术基础第一节概述位移测量是线位移和角位移测量的统称，测量时应根据具体的测量对象，来选择或设计测量系统。在组成系统的各环节中，传感器性能特点的差异对测量的影响最为突出，应给予特别注意。在不同的场合下对位移测量的精度要求不同，位移参量本身的量值特征、频率特征的不同，自然地形成了多种多样的位移传感器及其相应的测量电路或系统。第一节概述机械工程测试技术基础类型测量范围精确度性能特点滑线电阻式线位移1～300mm±0．1％结构简单、使用方便，输出大、性能稳定角位移0°～360°±0．1％分辨率较低，输出信号的噪声大，不宜用于频率较高时的动态测量电阻应变片式直线式±250µm±2％结构牢固、性能稳定、动态特性好摆角式±12°电感式变气隙型±0．2mm结构简单、可靠，仅用于小位移测量的场合差动变压器型0．08～300mm±3％分辨力较好、输出大，但动态特性不是很好涡电流型0～5000µm±3％非接触式，使用简便、灵敏度高、动态特性好电容式变面积型10-3～100mm±0．005％结构非常简单，动特性好，易受温度、湿度等因素的影响变间隙型0．01～200µm±0．1％分辨力很好，但线性范围小，其他特点同变面积型霍尔元件型±1．5mm±0．5％结构简单、动特性好、温度稳定性较差感应同步器型10-3～几米2．5µm/250mm数字式，结构简单、接长方便，适合大位移静动态测量，用于自动检测和数控机床计量光栅长光栅10-3～几米3µm／1m数字式，测量精度高，适合大位移静动态测量，用于自动检测和数控机床圆光栅0°～360°±0．5°角度编码器接触式0°～360°10-6rad分辨率好、可靠性高光电式0°～360°10-8rad第一节概述机械工程测试技术基础第二节常用的位移传感器一、滑线电阻式位移传感器a）直线位移型b）角位移型c）测量电路1—滑线电阻2—滑动触头滑线电阻式位移传感器具有结构简单、使用方便、输出大、性能稳定等优点，但由于触头运动时有机械摩擦，其使用寿命受限、分辨率较低、输出信号噪声大、不宜用于频率较高时的动态测量。第二节常用的位移传感器机械工程测试技术基础二、应变片式位移传感器应变片式位移传感器由弹性元件和应变片等组成，其测量原理是利用弹性元件把位移量转换成应变量，而后由应变片将应变量转换成电阻的变化量。应变片式位移传感器的种类有多种，其区别点就在于弹性元件的结构形式。常用的弹性元件有悬臂梁式、圆环式和半圆环式等。▲悬臂梁弹性元件a）悬臂梁及贴片b）应变片接桥第二节常用的位移传感器机械工程测试技术基础对于等断面梁，贴片处的应变与位移间的关系为hxl332若按上图所示的方法贴片和接桥，位移与应变仪读数的关系ˆ313233hxlhxl2ˆ33hlhl对于等强度梁，则有这种测量方法一般只用于小位移δ250μm的情况下。其主要特点是结构牢固、性能稳定、可靠，有较高的测量精度和良好的线性关系，与之配用的测量电路和仪器也较为成熟。第二节常用的位移传感器机械工程测试技术基础▲圆环或半圆环弹性元件在被测位移作用下，圆环或半圆环弹性元件会产生弯曲应力和应变，其应变值与位移成正比。第二节常用的位移传感器机械工程测试技术基础这种方法直接测量的位移量较小，为了扩大其量程，可通过一些装置将小位移进行变换。例如，用用一斜面将小位移变换成大位移的装置。第二节常用的位移传感器机械工程测试技术基础三、差动变压器式位移传感器1—次侧线圈2—二次侧线圈3—二次侧线圈4—铁心输出电压lKeeee2210111leKe222leKe第二节常用的位移传感器机械工程测试技术基础输出信号e0是一个交流信号，其幅值与位移Δl成正比，而频率则等于交流电源的频率（当Δl是常量时）或与之有一定的关系。差动变压器也是一种调制器。对于这样一个调制信号，在其后续的测量环节中一般要设置一个典型的测量电路——相敏检测电路，目的是即能检测位移的大小又能分辨位移的方向。国产的差动变压器式位移传感器已有多种，其测量位移范围有：0～±5mm，0～10mm，…，0～300mm等。差动变压器式位移测量系统具有精度较高、性能稳定、线性范围大、输出大、使用方便等优点。由于可动铁心具有一定的质量，系统的动态特性较差。第二节常用的位移传感器机械工程测试技术基础四、光电脉冲式位移传感器光电脉冲式位移传感器实际上是一个位移-数字编码器，工作时可将机械位移转换成定数量的电脉冲信号输出，其工作原理如下图所示。a）测量角位移的透射式光电脉冲转换器b）测量线位移的反射式光电脉冲转换器1—圆盘2—被测轴3—光源4—光敏二极管5—平板第二节常用的位移传感器机械工程测试技术基础光电脉冲式位移传感器的后续测量电路和显示记录装置如下图的框图所示。用上述方法，无法判断位移的正负方向，在需要判断方向的场合，需要多加一个光电管和一套测量电路。两光敏二极管的装设位置如下图所示。第二节常用的位移传感器机械工程测试技术基础采用两个光敏二极管后，当圆盘顺时针转动时，光敏二极管2比1先感光；当逆时针转动时，光电管1比2先感光。可通过光敏二极管感光先后次序的不同，来判断其转动方向。所以它的测量电路有两路，经逻辑电路对信号作出比较判断后给出方向信号。第二节常用的位移传感器机械工程测试技术基础光电脉冲式位移传感器的优点是非接触测量，不影响被测对象；其输出为数字信号，易于信号的传输和处理；测量装置的安装、使用方便；测量范围大，长度可达数米，角度可在360°范围内等。当采用普通光源和器件时，分辨率较低，因此这种测量方法常用于精度要求一般的大位移测量和简易数控机械系统中。第二节常用的位移传感器机械工程测试技术基础第三节位移测量的应用一、回转轴径向运动误差的测量回转轴运动误差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。运动误差是回转轴上任何一点发生与轴线平行的移动和在垂直于轴线的平面内的移动。前一种移动称为该点的端面运动误差，后一种移动称为该点的径向运动误差。端面运动误差因测量点所在半径位置不同而异，径向运动误差则因测量点所在的轴向位置不同而异。所以在讨论运动误差时，应指明测量点的位置。▲径向运动误差的测量方法：回转轴运动误差的定义：测量一根通用的回转轴的径向运动误差时，可将参考坐标选在轴承支承孔上。这时运动误差所表示的是回转过程中回转轴线对于支承孔的相对位移，它主要反映轴承的回转质量。第三节位移测量的应用机械工程测试技术基础双向测量法单向测量法Tx、Ty—位移传感器M1、M2—测量仪T—位移传感器M—测量仪在测量时，两种方法都必须利用基准面来“体现”回转轴线。通常是选用具有高圆度的圆球或圆环来作为基准面。第三节位移测量的应用机械工程测试技术基础▲位移信号分析第三节位移测量的应用机械工程测试技术基础若、，则两传感器检测到的位移信号分别为—转角，令与轴平行时0OmOrOeex0)(r—理想回转中心—基准球的几何中心—瞬时回转中心—基准球的安装偏心—径向运动误差mR—基准球半径eRm)(rRm)()(cosxxSredx)()(sinyySredy第三节位移测量的应用机械工程测试技术基础等号右侧第一、二项分别为偏心和运动误差在、方向方向上的投影，而第三项则为基准球上相差90°的两对应点处的形状误差。由此可见：e)(rxy1）在一般情况下，而只有当和均趋于零或已确知，由和才能确定。因此，如何消除或分离偏心和基准球的形状误差就成为研究测量方法的重要任务。目前常采用形状误差远小于回转运动误差的圆球来作为基准球，力求减小它对测量结果的影响。当圆球形状误差和运动误差大小属于同一数量级时，则必需采用误差分离技术来消除其影响。)(rdydx)(xS)(ySdxdy)(reS2）在圆球形状误差可忽略的情况下，和是圆球中心的位移在、两方向上的分量。换言之，由于偏心的存在，由、可以确定的是圆球几何中心的轨迹而不是回转轴心的轨迹。实际上，在同一根轴上，以相同条件运行（而应一样），由于偏心的大小和方位不同，测量的和亦不同。dxdyxyedxdy)(redxdy第三节位移测量的应用机械工程测试技术基础为了尽量减小偏心对、的影响，使得测量结果更能真实的反映，就必须尽量减小或消除值。如果这样做有困难，那么只有在同一偏心大小和方位的条件下，测定的结果彼此间才有可比性。dxdy)(re3）通常通过适当的机械装置和精细调整来减小安装偏心，或采用滤波法来减弱偏心的影响。二、物位测量在生产过程中经常遇到大量的固体和液体物料，存放在容器中或堆放在场地上，并占有一定的高度，此高度还可能是随时间而变化的。对此高度的测量称为物位测量。物位测量多是将物位转换成位移量来进行的。多种不同转换原理的位移传感器可用于物位测量。下面介绍其中的两种。第三节位移测量的应用机械工程测试技术基础1．沉筒式液位变送器带有差动变压器的沉筒式液位变送器的沉筒由固定段1和浮力段2两部分组成。调换浮力段可使变送器适应于不同的介质和量程。沉筒所反映的浮力变化（即液位变化）通过弹簧3线性地转换为衔铁5的位移。衔铁位移由差动变压器4转换成与之成正比的输出电压，因此输出反映了液位的变化。1—沉筒固定段2—沉筒浮力段3—测量弹簧4—差动变压器5—衔铁6—密封隔离筒7—沉筒室壳体第三节位移测量的应用机械工程测试技术基础2．电阻式液位计电阻式液位计由两根大电阻率的棒料1组成，两根棒的材料和截面完全一样，两端拉紧，并用绝缘套2与容器3绝缘。假如被测的是导电介质，因其电阻率很小，可忽略不计，再略去连接导线电阻，则整个传感器的电阻为hKKhALAhLAR2122)(21—电阻极棒2—绝缘套3—容器4—电桥—棒的电阻率—极棒横截面积—极棒全长—被测液面高度ALh第三节位移测量的应用