第六章_機(jī)械工程測試技術(shù)-位移測量

1、機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 第二節(jié)第二節(jié) 常用的位移傳感器常用的位移傳感器 第三節(jié)第三節(jié) 位移測量的應(yīng)用位移測量的應(yīng)用 機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 位移測量是位移測量是線位移線位移和和角位移角位移測量的統(tǒng)稱，測量時(shí)應(yīng)根據(jù)具測量的統(tǒng)稱，測量時(shí)應(yīng)根據(jù)具體的測量對象，來選擇或設(shè)計(jì)測量系統(tǒng)。在組成系統(tǒng)的各環(huán)體的測量對象，來選擇或設(shè)計(jì)測量系統(tǒng)。在組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)中，傳感器性能特點(diǎn)的差異對測量的影響最為突出，應(yīng)給節(jié)中，傳感器性能特點(diǎn)的差異對測量的影響最為突出，應(yīng)給予特別注意。予特別注意。 在不同的場合下對位移測量的精度要求不同，位移參量在不同的場合下對

2、位移測量的精度要求不同，位移參量本身的量值特征、頻率特征的不同，自然地形成了多種多樣本身的量值特征、頻率特征的不同，自然地形成了多種多樣的位移傳感器及其相應(yīng)的測量電路或系統(tǒng)。的位移傳感器及其相應(yīng)的測量電路或系統(tǒng)。 機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 類 型測量范圍精確度性能特點(diǎn)滑線電 阻式線位移1300mm01結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，輸出大、性能穩(wěn)定角位移036001分辨率較低，輸出信號的噪聲大，不宜用于頻率較高時(shí)的動態(tài)測量電阻應(yīng)變片式直線式250m2結(jié)構(gòu)牢固、性能穩(wěn)定、動態(tài)特性好擺角式12電感式變氣隙型02mm結(jié)構(gòu)簡單、可靠，僅用于小位移測量的場合差動變壓器型008300mm3分辨力較好、

3、輸出大，但動態(tài)特性不是很好渦電流型05000m3非接觸式，使用簡便、靈敏度高、動態(tài)特性好電容式變面積型10-3100mm0005結(jié)構(gòu)非常簡單，動特性好，易受溫度、濕度等因素的影響變間隙型001200m01分辨力很好，但線性范圍小，其他特點(diǎn)同變面積型霍爾元件型15mm05結(jié)構(gòu)簡單、動特性好、溫度穩(wěn)定性較差感應(yīng)同步器型10-3幾米25m/250mm數(shù)字式，結(jié)構(gòu)簡單、接長方便，適合大位移靜動態(tài)測量，用于自動檢測和數(shù)控機(jī)床 計(jì)量光柵長光柵10-3幾米3m1m數(shù)字式，測量精度高，適合大位移靜動態(tài)測量，用于自動檢測和數(shù)控機(jī)床圓光柵036005角度編碼器接觸式036010-6rad分辨率好、可靠性高光電式0

4、36010-8rad機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 一、滑線電阻式位移傳感器一、滑線電阻式位移傳感器 a）直線位移型 b）角位移型 c）測量電路 1滑線電阻2滑動觸頭 滑線電阻式位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、輸出大、滑線電阻式位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、輸出大、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但由于觸頭運(yùn)動時(shí)有機(jī)械摩擦，其使用壽性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但由于觸頭運(yùn)動時(shí)有機(jī)械摩擦，其使用壽命受限、分辨率較低、輸出信號噪聲大、不宜用于頻率較高命受限、分辨率較低、輸出信號噪聲大、不宜用于頻率較高時(shí)的動態(tài)測量。時(shí)的動態(tài)測量。 機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 二、應(yīng)變片式位移傳感器二、應(yīng)變片式位移

5、傳感器 應(yīng)變片式位移傳感器由應(yīng)變片式位移傳感器由彈性元件彈性元件和和應(yīng)變片應(yīng)變片等組成，其測量等組成，其測量原理是利用彈性元件把位移量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量，而后由應(yīng)變片原理是利用彈性元件把位移量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量，而后由應(yīng)變片將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻的變化量。應(yīng)變片式位移傳感器的種類將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻的變化量。應(yīng)變片式位移傳感器的種類有多種，其有多種，其區(qū)別區(qū)別點(diǎn)就在于點(diǎn)就在于彈性元件的結(jié)構(gòu)形式彈性元件的結(jié)構(gòu)形式。常用的彈性。常用的彈性元件有元件有懸臂梁式懸臂梁式、圓環(huán)式圓環(huán)式和和半圓環(huán)式半圓環(huán)式等。等。 懸臂梁彈性元件懸臂梁彈性元件 a）懸臂梁及貼片）懸臂梁及貼片 b）應(yīng)變片接橋）應(yīng)變片接橋 機(jī)械工程測試技術(shù)基

6、礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 對于對于等斷面梁等斷面梁，貼片處的應(yīng)變與位移間的關(guān)系為，貼片處的應(yīng)變與位移間的關(guān)系為 hxl332若按上圖所示的方法貼片和接橋，若按上圖所示的方法貼片和接橋，位移位移與與應(yīng)變儀讀數(shù)應(yīng)變儀讀數(shù)的關(guān)系的關(guān)系 313233hxlhxl233hlhl對于對于等強(qiáng)度梁等強(qiáng)度梁，則有，則有 這種測量方法一般只用于小位移這種測量方法一般只用于小位移250m的情況下。其主要的情況下。其主要特特點(diǎn)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)牢固、性能穩(wěn)定、可靠，有較高的測量精度和良好的是結(jié)構(gòu)牢固、性能穩(wěn)定、可靠，有較高的測量精度和良好的線性關(guān)系，與之配用的測量電路和儀器也較為成熟。線性關(guān)系，與之配用的測量電路和儀器也較為成

7、熟。 機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 圓環(huán)或半圓環(huán)彈性元件圓環(huán)或半圓環(huán)彈性元件 在被測位移作用下，在被測位移作用下，圓環(huán)或半圓環(huán)彈性元件圓環(huán)或半圓環(huán)彈性元件會產(chǎn)生彎曲應(yīng)力會產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和應(yīng)變，其應(yīng)變值與位移成正比。和應(yīng)變，其應(yīng)變值與位移成正比。 機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 這種方法直接測量的位移量較小，為了擴(kuò)大其量程，可通過一些裝置將小位移進(jìn)行變換。例如，用用一斜面將小位移變換成大位移的裝置。 機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 三、差動變壓器式位移傳感器三、差動變壓器式位移傳感器 1次側(cè)線圈次側(cè)線圈2二次側(cè)線圈二次側(cè)線圈3二次側(cè)線圈二次側(cè)線圈4鐵心鐵心 輸出電壓

8、輸出電壓lKeeee2210111leKe222leKe機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 輸出信號e0是一個(gè)交流信號，其幅值與位移l 成正比，而頻率則等于交流電源的頻率（當(dāng)l 是常量時(shí)）或與之有一定的關(guān)系。差動變壓器也是一種調(diào)制器。對于這樣一個(gè)調(diào)制信號，在其后續(xù)的測量環(huán)節(jié)中一般要設(shè)置一個(gè)典型的測量電路相敏檢測電路，目的是即能檢測位移的大小又能分辨位移的方向。 國產(chǎn)的差動變壓器式位移傳感器已有多種，其測量位移范圍有：05mm，010mm，0300mm等。 差動變壓器式位移測量系統(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)。由于可動鐵心具有一定的質(zhì)量，系統(tǒng)的動態(tài)特性較差。

9、機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 四、光電脈沖式位移傳感器四、光電脈沖式位移傳感器 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)換成定數(shù)量的電脈沖信號輸出，其工作原理如下圖所示。 a）測量角位移的透射式光電脈沖轉(zhuǎn)換器 b）測量線位移的反射式光電脈沖轉(zhuǎn)換器 1圓盤2被測軸3光源4光敏二極管5平板 機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 光電脈沖式位移傳感器的后續(xù)測量電路和顯示記錄裝置如下圖的框圖所示。 用上述方法，無法判斷位移的正負(fù)方向，在需要判斷方向的場合，需要多加一個(gè)光電管和一套測量電路。兩光敏二極管的裝設(shè)位置如下圖所示。 機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試

10、技術(shù)基礎(chǔ) 采用兩個(gè)光敏二極管后，當(dāng)圓盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)，光敏二極管2比1先感光；當(dāng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)，光電管1比2先感光?？赏ㄟ^光敏二極管感光先后次序的不同，來判斷其轉(zhuǎn)動方向。所以它的測量電路有兩路，經(jīng)邏輯電路對信號作出比較判斷后給出方向信號。 機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 光電脈沖式位移傳感器的優(yōu)點(diǎn)是非接觸測量，不影響被測對象；其輸出為數(shù)字信號，易于信號的傳輸和處理；測量裝置的安裝、使用方便；測量范圍大，長度可達(dá)數(shù)米，角度可在360范圍內(nèi)等。當(dāng)采用普通光源和器件時(shí)，分辨率較低，因此這種測量方法常用于精度要求一般的大位移測量和簡易數(shù)控機(jī)械系統(tǒng)中。 機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 一

11、、回轉(zhuǎn)軸徑向運(yùn)動誤差的測量一、回轉(zhuǎn)軸徑向運(yùn)動誤差的測量 回轉(zhuǎn)軸運(yùn)動誤差是指在回轉(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。 運(yùn)動誤差是回轉(zhuǎn)軸上任何一點(diǎn)發(fā)生與軸線平行的移動和在垂直于軸線的平面內(nèi)的移動。前一種移動稱為該點(diǎn)的端面運(yùn)動誤差，后一種移動稱為該點(diǎn)的徑向運(yùn)動誤差。 端面運(yùn)動誤差因測量點(diǎn)所在半徑位置不同而異，徑向運(yùn)動誤差則因測量點(diǎn)所在的軸向位置不同而異。所以在討論運(yùn)動誤差時(shí)，應(yīng)指明測量點(diǎn)的位置。 徑向運(yùn)動誤差的徑向運(yùn)動誤差的測量方法測量方法：回轉(zhuǎn)軸運(yùn)動誤差的定義：回轉(zhuǎn)軸運(yùn)動誤差的定義：測量一根通用的回轉(zhuǎn)軸的徑向運(yùn)動誤差時(shí)，可將參考坐標(biāo)選在軸承支承孔上。這時(shí)運(yùn)動誤差所表示的是回轉(zhuǎn)過程中回轉(zhuǎn)軸

12、線對于支承孔的相對位移，它主要反映軸承的回轉(zhuǎn)質(zhì)量。 機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 雙向測量法 單向測量法 Tx、Ty位移傳感器M1、M2測量儀 T 位移傳感器M測量儀 在測量時(shí)，兩種方法都必須利用基準(zhǔn)面來“體現(xiàn)”回轉(zhuǎn)軸線。通常是選用具有高圓度的圓球或圓環(huán)來作為基準(zhǔn)面。 機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 位移信號分析位移信號分析 機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 若若 、 ，則兩傳感器檢測到的位移信號分別為，則兩傳感器檢測到的位移信號分別為 轉(zhuǎn)角，令轉(zhuǎn)角，令 與與 軸平行時(shí)軸平行時(shí) 0OmOrOeex0)(r理想回轉(zhuǎn)中心理想回轉(zhuǎn)中心基準(zhǔn)球的幾何中心基準(zhǔn)球的幾何中心瞬時(shí)

13、回轉(zhuǎn)中心瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心基準(zhǔn)球的安裝偏心基準(zhǔn)球的安裝偏心徑向運(yùn)動誤差徑向運(yùn)動誤差mR基準(zhǔn)球半徑基準(zhǔn)球半徑eRm)(rRm)()(cosxxSredx)()(sinyySredy機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 等號右側(cè)第一、二項(xiàng)分別為偏心 和運(yùn)動誤差 在 、 方向方向上的投影，而第三項(xiàng)則為基準(zhǔn)球上相差90的兩對應(yīng)點(diǎn)處的形狀誤差。由此可見： e)(rxy1）在一般情況下 ，而只有當(dāng) 和 均趨于零或已確知，由 和 才能確定 。因此，如何消除或分離偏心 和基準(zhǔn)球的形狀誤差 就成為研究測量方法的重要任務(wù)。目前常采用形狀誤差遠(yuǎn)小于回轉(zhuǎn)運(yùn)動誤差的圓球來作為基準(zhǔn)球，力求減小它對測量結(jié)果的影響。當(dāng)圓球形狀

14、誤差和運(yùn)動誤差大小屬于同一數(shù)量級時(shí)，則必需采用誤差分離技術(shù)來消除其影響。 )(rdydx)(xS)(ySdxdy)(reS2）在圓球形狀誤差可忽略的情況下， 和 是圓球中心的位移在 、 兩方向上的分量。換言之，由于偏心 的存在，由 、 可以確定的是圓球幾何中心的軌跡而不是回轉(zhuǎn)軸心的軌跡。實(shí)際上，在同一根軸上，以相同條件運(yùn)行（而 應(yīng)一樣），由于偏心 的大小和方位不同，測量的 和 亦不同。dxdyxyedxdy)(redxdy機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 為了盡量減小偏心對 、 的影響，使得測量結(jié)果更能真實(shí)的反映 ，就必須盡量減小或消除值 。如果這樣做有困難，那么只有在同一偏心大小和方

15、位的條件下，測定的結(jié)果彼此間才有可比性。 dxdy)(re3）通常通過適當(dāng)?shù)臋C(jī)械裝置和精細(xì)調(diào)整來減小安裝偏心，或采用濾波法來減弱偏心的影響。 二、物位測量 在生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到大量的固體和液體物料，存放在容器中或堆放在場地上，并占有一定的高度，此高度還可能是隨時(shí)間而變化的。對此高度的測量稱為物位測量。物位測量多是將物位轉(zhuǎn)換成位移量來進(jìn)行的。 多種不同轉(zhuǎn)換原理的位移傳感器可用于物位測量。下面介紹其中的兩種。 機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 1沉筒式液位變送器沉筒式液位變送器 帶有差動變壓器的沉筒式液位變送器的沉筒由固定段1和浮力段2兩部分組成。調(diào)換浮力段可使變送器適應(yīng)于不同的介質(zhì)和量程。沉筒所反映的浮力變化（即液位變化）通過彈簧3線性地轉(zhuǎn)換為銜鐵5的位移。銜鐵位移由差動變壓器4轉(zhuǎn)換成與之成正比的輸出電壓，因此輸出反映了液位的變化。