第9章 位移測量

第9章

位移測量目錄概述常用的位移傳感器位移測量的應用9.19.29.39.1概述

位移測量是線位移和角位移測量的統(tǒng)稱。測量時應根據(jù)具體的測量對象,來選擇或設計測量系統(tǒng)。在組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)中,傳感器性能特點的差異對測量的影響最為突出,應給予特別注意。表9-1介紹了一些常用的位移傳感器及其性能特點,通過該表可以對位移傳感器有一個總體的了解。

由于在不同場合下對位移測量的精度要求不同,位移參量本身的量值特征、頻率特征不同,自然地形成了多種多樣的位移傳感器及其相應的測量電路或系統(tǒng)。9.1概述9.2常用的位移傳感器9.2.1滑線電阻式位移傳感器

滑線電阻式或電位計式位移傳感器的工作原理已在第4章中做了介紹。這里介紹一種測量電路(見圖9-1)。由圖可見,當滑動觸點隨被測元件產生位移x或角位移α時,均可改變觸點與任一接點間的電阻值Rx,且Rx∝x/l,即阻值與位移x(或α)成正比。

圖9-1c為橋式測量電路,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。圖9-1滑線電阻式位移傳感器和測量電路9.2常用的位移傳感器

由于電橋必須輸出一定的電流驅動光線示波器的振子工作,同時又要求輸出在一定的范圍內是線性的,因此橋路中接入了電阻R0。為了保證電橋輸出的線性,要求橋臂值的相對改變量ΔR/R控制在10%以下。電阻阻值的大小就是按此條件來選取的,但R0也不宜過大,否則會降低電橋的輸出功率。為了提高電橋的靈敏度,還要求各橋臂的阻值相等,即組成全等臂電橋。電位器RH是用于預調平衡的。

滑線電阻的結構形式有纏繞式和單絲式。纏繞式是用電阻絲纏繞在絕緣骨架上制成。骨架的材料常用電木或塑料,其形狀可根據(jù)需要而定。纏繞時應保證一定的張力,且纏繞均勻。單絲式是用單根電阻絲張緊后固定在絕緣骨架的槽中而成。除自制的滑線電阻外,可利用現(xiàn)有的產品,如滑線變阻器、多圈電位器等。

滑線電阻式位移傳感器具有結構簡單、使用方便、輸出大、性能穩(wěn)定等優(yōu)點,但由于觸頭運動時有機械摩擦,其使用壽命受限、分辨率較低、輸出信號噪聲大,故不宜用于頻率較高時的動態(tài)測量。9.2常用的位移傳感器9.2.2應變片式位移傳感器

這種傳感器的測量原理是利用一彈性元件把位移量轉換成應變量,然后用應變片、應變儀等測量記錄。測量位移的彈性元件和應變片的組成,稱為應變片式位移傳感器。它的種類也有多種,其差別就在于彈性元件的結構形式。常用的彈性元件有懸臂梁、圓環(huán)和半圓環(huán)等。

圖9-2所示的懸臂梁彈性元件,若在其自由端有位移δ,則梁的表面會產生彎曲應變ε,其值與δ成正比。通過圖示的貼片測出應變ε,就可測得位移量δ。位移δ與應變ε間的關系隨梁的結構形式不同而異。圖9-2應變片式位移傳感器9.2常用的位移傳感器對于等截面梁,貼片處的應變ε與位移δ間的關系為式中

l、h——梁的長度、厚度; x——從自由端到貼片處的距離。若按圖9-2所示的方法貼片和接橋,則位移δ與應變儀讀數(shù)的關系為對于等強度梁,則有

這種測量方法一般只用于小位移δ<250μm的情況。其主要特點是結構牢固、性能穩(wěn)定、可靠,有較高的測量精度和良好的線性關系,與之配用的測量電路和儀器也較為成熟。9.2常用的位移傳感器

懸臂梁一般用彈簧鋼或磷銅片制成。梁的尺寸應按所測的位移來選擇。給定ε(一般取500~1000),根據(jù)所測位移量δ,就可由式(9-1)或式(9-2)選擇合適的l與h。為了盡量減小對被測對象的影響,設計彈性梁時,應根據(jù)具體情況,將變形梁的剛度限制在一定的范圍。

圖9-3所示的圓環(huán)或半圓環(huán)彈性元件,它在被測位移δ的作用下,會產生彎曲應力和應變,其應變值與位移成正比。圓環(huán)的貼片和接橋如圖9-3a、b所示。半圓環(huán)的貼片、接橋如圖9-3c、d所示。圖9-3圓環(huán)和半圓環(huán)彈性元件及其貼片和接橋9.2常用的位移傳感器

由于這種方法直接測量的位移量較小,為了擴大其量程,可通過一些裝置將小位移進行變換。圖9-4所示就是用一斜面將小位移變換成大位移的裝置。圖9-4擴大位移量程裝置9.2常用的位移傳感器9.2.3差動變壓器式位移傳感器

圖9-5示出了差動變壓器的結構和接線情況,其基本工作原理在前文中已有說明,現(xiàn)就其輸出再做如下分析。圖9-5差動變壓器的組成和接線9.2常用的位移傳感器

設一次側、二次側的互感系數(shù)分別為M1、M2,因互感M是和鐵心的搭接長度Δl成正比的,則兩個二次繞組的感應電動勢可表示為e1=K1eΔl1

e2=K2eΔl2式中

K1、K2——比例系數(shù); Δl1、Δl2——鐵心與兩個二次繞組搭接長度的變化量;

e——一次繞組交流電源。

由于結構的對稱性,有K1=K2,Δl1=-Δl2。這樣,W1、W2兩線圈反相串聯(lián)后的總輸出電壓可表示為e0=e1-e2=2KeΔl(9-3)

結構一旦確定,則式(9-3)中的2K為一常數(shù),輸出信號e0是一個交流信號,其幅值與位移Δl成正比,而頻率等于交流電源e的頻率(當Δl是常量時)或與之有一定的關系。

顯然,e0是調頻輸出,載波是e,調制信號是位移變化量Δl。差動變壓器也是一種調制器。對于這樣一個調制信號,在后續(xù)的測量環(huán)節(jié)中一般要設置一個典型的測量電路——相敏檢測電路,目的是既能檢測位移的大小,又能分辨位移的方向。

差動變壓器式位移傳感器的測量系統(tǒng)及其組成中各環(huán)節(jié)的工作原理可參閱本書的有關內容。下面再介紹一種可與差動變壓器配用的測量電路——差動整流電路。9.2常用的位移傳感器

如圖9-6所示,差動整流電路與相敏檢測電路的功能基本相同,雖然檢波效率低,但因其測量線路簡單,故用得也很多,差動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阻都很小,當差動變壓器的測量電路是電壓輸出時,振子回路應接入電阻,以保證線性。

國產的差動變壓器式位移傳感器已有多種,其測量位移范圍有:0~±5mm,0~10mm,…,0~300mm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。由于可動鐵心具有一定的質量,系統(tǒng)的動態(tài)特性較差。圖9-6差動變壓器的差動整流電路9.2常用的位移傳感器9.2.4光電脈沖式位移傳感器

光電脈沖式位移傳感器實際上是一個位移-數(shù)字編碼器,工作時可將機械位移轉換成定數(shù)量的電脈沖信號輸出,其工作原理如圖9-7所示。

圖9-7a是測量角位移的透射式光電脈沖轉換器。圓盤1與被測軸2一起轉動時,照射到光敏二極管4上的光線就會時有時無,通過光敏二極管的光電效應以及測量電路的變換就輸出電脈沖;電脈沖的數(shù)目與光線的通斷次數(shù)成正比,根據(jù)脈沖數(shù)目就可測出被測軸的轉角。圖9-7光電脈沖式位移傳感器的組成9.2常用的位移傳感器

圖9-7b是測量線位移的反射式光電脈沖轉換器。工作原理與透射式的基本相同,不同點僅在于照射光敏二極管的光是靠反射光。根據(jù)平板5上畫有黑白相間的等距反光條帶,當平板與被測件一起運動時,反射到光敏二極管4上的光線就會時有時無,同理就可輸出電脈沖信號,其電脈沖數(shù)目與位移成正比。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圖9-8的框圖所示。輸出的電脈沖信號用計數(shù)器和數(shù)字打印機打印(計算機處理和顯示)。圖9-8測量電路及其系統(tǒng)組成9.2常用的位移傳感器

用上述方法,無法判斷位移的正負方向,在需要判斷方向的場合,需要多加一個光敏二極管和一套測量電路。兩光敏二極管的裝設位置如圖9-9所示。采用兩個光敏二極管后,當圓盤順時針轉動時,光敏二極管2比1先感光;當逆時針轉動時,光敏二極管1比2先感光;我們可通過光敏二極管感光先后次序的不同,來判斷其轉動方向。所以它的測量電路有兩路,經(jīng)邏輯電路對信號做出比較判斷后給出方向信號,其測量線路框圖如圖9-10所示。圖9-9光敏二極管位置示意圖圖9-10判斷位移方向的電路框圖9.2常用的位移傳感器

其輸出信號有方向信號與脈沖信號。當用示波器記錄時,可用兩個或三個振子分別記錄方向信號和脈沖信號,處理數(shù)據(jù)時進行加減處理,才得真實位移。用計數(shù)器計數(shù)時,要用可逆計數(shù)器、方向信號(+)、(-)控制計數(shù)器的“加”、“減”法運算、脈沖信號作為計數(shù)器的計數(shù)脈沖,計數(shù)器所記錄的脈沖數(shù)就與實際位移成正比。如再增加脈沖數(shù)-位移轉換電路,則可制成各種數(shù)字式儀表,在LED等顯示器上直接讀出待測位移量。

這種測量方法的兩個顯著特征是測量的非接觸和信號的數(shù)字化。由此而帶出來的優(yōu)點是不影響被測對象,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,長度可達數(shù)米,角度可在360°范圍內進行測量等。當采用普通光源和器件時,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)控機械系統(tǒng)中。9.3位移傳感器的應用9.3.1回轉軸徑向運動誤差的測量

回轉軸運動誤差是指在回轉過程中回轉軸線偏離理想位置而出現(xiàn)的附加運動?；剞D軸運動誤差的測量,在機械工程的許多行業(yè)中都是很重要的。無論對于精密機床主軸的運動精確度,還是對于大型、高速機組(例如汽輪機-發(fā)電機組)的安全運行都有重要意義。

運動誤差是回轉軸上任何一點發(fā)生與軸線平行的移動和在垂直于軸線的平面內的移動。前一種移動稱為該點的端面運動誤差,后一種移動稱為該點的徑向運動誤差。

端面運動誤差因測量點所在半徑位置不同而異,徑向運動誤差則因測量點所在的軸向位置不同而異。所以在討論運動誤差時,應指明測量點的位置。

下面介紹徑向運動誤差的常用測量方法。9.3位移傳感器的應用

測量一根通用的回轉軸的徑向運動誤差時,可將參考坐標選在軸承支承孔上。這時運動誤差所表示的是回轉過程中回轉軸線對于支承孔的相對位移,它主要反映軸承的回轉質量。任意徑向截面上的徑向誤差運動可采用置于x、y方向的兩只位移傳感器來分別檢測徑向運動誤差在x、y方向的分量。在任何時刻兩分量的矢量和就是該時刻徑向運動誤差矢量。這種測量方式稱為雙向測量法(見圖9-11)。圖9-11雙向測量法9.3位移傳感器的應用

由于種種原因,有時不必測量總的徑向運動誤差,而只需測量它在某個方向上的分量(例如分析機床主軸的運動誤差對加工形狀的影響就屬于這種情況),則可將一只傳感器置于該方向來檢測。這種方式稱為單向測量法(見圖9-12)。

在測量時,兩種方法都必須利用基準面來“體現(xiàn)”回轉軸線。通常是選用具有高圓度的圓球或圓環(huán)來作為基準面。直接采用回轉軸上的某一回轉表面來作為基準面雖然可行,但由于該表面的形狀誤差不易滿足測量要求,測量精度較差。圖9-12單向測量法9.3位移傳感器的應用

實際上,傳感器所檢測到的位移信號是很復雜的?，F(xiàn)以雙向測量法為例(見圖9-13)來說明其復雜性。設O0為理想回轉中心,Om為基準球的幾何中心,Or為瞬時回轉中心,e為基準球的安裝偏心,θ為轉角,并令e與x軸平行時θ=0,r(θ)為徑向運動誤差。圖9-13位移信號分析9.3位移傳感器的應用

若基準球半徑Rm遠遠大于偏心e和徑向運動誤差r(θ),則兩傳感器檢測到的位移信號dx和dy分別為dx=ecosθ+rx(θ)+Sx(θ)(9-4)dy=esinθ+ry(θ)+Sy(θ)(9-5)

等號右側第一、二項分別為偏心e和運動誤差r(θ)在x、y方向上的投影,而第三項則為基準球上相差90°的兩對應點處的形狀誤差。由此可見:1)在一般情況下dx+dy=r(θ),而只有當Sx(θ)和Sy(θ)均趨于零或已確知,由dx和dy才能確定r(θ)。因此,如何消除或分離偏心e和基準球的形狀誤差S就成為研究測量方法的重要任務。目前常采用形狀誤差遠小于回轉運動誤差的圓球來作為基準球,力求減小它對測量結果的影響。當圓球形狀誤差和運動誤差大小屬于同一數(shù)量級時,則必須采用誤差分離技術來消除其影響。9.3位移傳感器的應用2)在圓球形狀誤差可忽略的情況下,dx和dy是圓球中心的位移在x、y兩方向上的分量。換言之,由于偏心e的存在,由dx、dy可以確定的是圓球幾何中心的軌跡而不是回轉軸心的軌跡。實際上,在同一根軸上,以相同條件運行(而r(θ)應一樣),由于偏心e的大小和方位不同,測量的dx和dy亦不同。為了盡量減小偏心對dx、dy的影響,使得測量結果更能真實地反映r(θ),就必須盡量減小或消除e值。如果這樣做有困難,那么只有在同一偏心大小和方位的條件下,測定的結果彼此間才有可比性。3)通常通過適當?shù)臋C械裝置和精細調整來減小安裝偏心,或采用濾波法來減弱偏心的影響。9.3位移傳感器的應用9.3.2物位測量

在生產過程中經(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,此高度可能是隨時間變化的。對此高度的測量稱為物位測量。液位測量、固體的料位測量、兩種液體或液體與固體間界面位置的測量均屬于物位測量。物位測量多是將物位轉換成位移量來進行的,這也是位移測量應用較多的一個方面。

多種不同轉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。9.3位移傳感器的應用1.沉筒式液位變送器

帶有差動變壓器的沉筒式液位變送器(見圖9-14)的沉筒由固定段1和浮力段2兩部分組成。調換浮力段可使變送器適應于不同的介質和量程。沉筒所反映的浮力變化(即液位變化)通過測量彈簧3線性地轉換為銜鐵5的位移。銜鐵位移由差動變壓器4轉換成與之成正比的輸出電壓uo,因此輸出反映了液位的變化。

浮力段的長度和質量,是根據(jù)液位變化滿量程時所受浮力變化與其質量相等而算出的。因此在現(xiàn)場校準時,只需在接上浮力段時,使彈簧3和銜鐵5占有相當于液位為零的位置;取下浮力段時,彈簧及銜鐵占有相當于液位為滿量程的位置即可。它不必用液位來校準和進行計算,因而使用比較方便,但這只適用于某一特定的介質和壓力的情況。圖9-14帶差動變壓器的沉筒式液位變送器9.3位移傳感器的應用2.電阻式液位計

電阻式液位計(見圖9-15)由兩根大電阻率的極棒1組成,兩根極棒的材料和截面完全一樣,兩端拉緊,并用絕緣套2與容器3絕緣。假如被測的是導電介質,因其電阻率很小,可忽略不計,再略去連接導線電阻,則整個傳感器的電阻R為式中

ρ——極棒的電阻率; A——極棒橫截面積;

L'——極棒全長; h——被測液面高度。