精密測試技術(shù)：CH 7 位移的測量

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1、第第7 7章章 位移的測量位移的測量Displacement Measurement7.1 常用位移傳感器常用位移傳感器 Displacement Sensor7.2 位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例 Examples of Displacement Measurement返回返回位移的測量位移的測量 按被測量，位移的測量分為線位移測量和角位移測量。按測量參數(shù)的特性，位移測量分為靜態(tài)位移測量和動(dòng)態(tài)位移測量。（1）位移測量的分類：（2）位移測量注意問題：測量方向與位移方向重合位移是指物體上某一點(diǎn)在一定方向上的位置變動(dòng)，是矢量。如果測量方向與位移方向不重合，則測量結(jié)果僅僅反映該測量方向上的分量，而

2、不能真實(shí)反映需測位移的大小。位移測量時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的測量對象，選擇適當(dāng)?shù)臏y量點(diǎn)、測量方向和測量系統(tǒng)。7.1 常用位移傳感器常用位移傳感器型 式測量范圍精確度直線性特 點(diǎn)電阻式 滑線式 線位移 角位移 變阻器 線位移 角位移1300 mm0360 11000 mm060 rad0.1%0.1%0.5%0.5%0.1%0.1%0.5%0.5%分辨率較好，可用于靜態(tài)或動(dòng)態(tài)測量。機(jī)械結(jié)構(gòu)不牢固結(jié)構(gòu)牢固，壽命長，但分辨率差，電噪聲大應(yīng)變式 非粘貼式的 粘貼的 半導(dǎo)體的0.5%應(yīng)變0.3%應(yīng)變0.25%應(yīng)變0.1%2%3%2%3%1%滿刻度20%不牢固牢固，使用方便，需溫度補(bǔ)償和高絕緣電阻輸出幅值大，溫

3、度靈敏性高常用位移傳感器常用位移傳感器(2/4)型 式測量范圍精確度直線性特 點(diǎn)電感式 自感式 變氣隙型 螺管型 特大型差動(dòng)變壓器渦電流式同步機(jī)微動(dòng)同步器旋轉(zhuǎn)變壓器0.2 mm1.52 mm3002000 mm0.08 75 mm2.5 250 mm360 10601%0.5%1%3%0.10.7 1%3%0.15%0.1%0.0%3%0.5%0.05%0.1%只宜用于微小位移測量測量范圍較前者寬，使用方便可靠，動(dòng)態(tài)性能較差分辨率好，受到磁場干擾時(shí)需屏蔽分辨率好，受被測物體材料、形狀、加工質(zhì)量影響可在1200 r/min 的轉(zhuǎn)速下工作，堅(jiān)固、對溫度和濕度不敏感非線性誤差與變壓比和測量范圍有關(guān)常

4、用位移傳感器常用位移傳感器(3/4)型 式測量范圍精確度直線性特 點(diǎn)電容式 變面積 變間距10-3100 mm10-310 mm0.005%0.1%1%介電常數(shù)受環(huán)境溫度、濕度變化的影響分辨率很好，但測量范圍很小，只能在小范圍內(nèi)近似地保持線性霍爾元件1.5 mm0.5%結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)態(tài)特性好感應(yīng)同步器 直線式 旋轉(zhuǎn)式10-3100 mm03602.5m/250 mm0.5模擬和數(shù)字混合測量 系統(tǒng)，數(shù)字顯示(直線 式感應(yīng)同步器的分析率 可達(dá)1 m)常用位移傳感器常用位移傳感器(4/4)型 式測量范圍精確度直線性特 點(diǎn)計(jì)量光柵 長光柵 圓光柵10-31000 mm03603 m/1 mm1模擬和數(shù)字

5、混合測量系統(tǒng)，數(shù)字顯示(長光柵分辨率0.11 m)磁柵 長磁柵 圓磁柵10-310000 mm03605 m/1 mm1測量時(shí)工作速度可達(dá)12 m/min角度編碼器 接觸式 光電式0360036010-6 r10-8 r分辨率好，可靠性高7.2 位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例1.軸位移的測量軸位移不僅能表明機(jī)器的運(yùn)行特性和狀況。而且能夠指示推力軸承的磨損情況以及轉(zhuǎn)動(dòng)部件和靜止部件之間發(fā)生碰撞的可能性。在工業(yè)現(xiàn)場，常用電渦流位移傳感器來測量軸位移。在位移測量中只考慮傳感器中的直流電壓成分。軸位移分為相對軸位移（即軸向位置）和相對軸膨脹。（1）相對軸位移的測量相對軸位移是指軸向推力軸承和導(dǎo)向盤之

6、間的距離變化。導(dǎo)向盤和軸承之間必須有一定的間隙以便能夠形成承載油膜。位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例(2/21)渦流傳感器軸正常運(yùn)轉(zhuǎn)位置停機(jī)位置緊急報(bào)警位置相對軸位移測量示意圖位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例(3/21)(2)相對軸膨脹的測量 是指旋轉(zhuǎn)機(jī)器的旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件因?yàn)槭軣峄蚶鋮s導(dǎo)致膨脹或收縮量。相對軸膨脹的測量相對軸膨脹的測量在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的啟/停機(jī)過程十分重要。因?yàn)闄C(jī)組加熱和冷卻時(shí)轉(zhuǎn)子和機(jī)殼會(huì)發(fā)生不同的膨脹。例如，功率大于1000MW的大汽輪機(jī)的相對膨脹可能達(dá)到50mm。一般采用渦流傳感器在軸肩處測量軸肩測量不超過12.5 mm的相對軸膨脹位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例(4/21)

7、可以測量大約25 mm的相對軸膨脹在軸肩兩側(cè)相對地安裝渦流傳感器位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例(5/21)轉(zhuǎn)軸錐面二渦流傳感器構(gòu)成差分電路進(jìn)行補(bǔ)償原理原理？測量50mm或更大相對軸膨脹當(dāng)錐面移動(dòng)時(shí)，軸向位移與徑向位移的轉(zhuǎn)換位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例(6/21)雙錐面用一傳感器測量相對軸膨脹用另一傳感器補(bǔ)償軸的徑向浮動(dòng)位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例(7/21)空間有限、軸肩太低或太小或者相對軸膨脹太大擺，有磁性，使得擺能跟隨軸肩運(yùn)動(dòng)通過非接觸傳感器測量擺固定點(diǎn)附近的運(yùn)動(dòng)而測量相對軸膨脹位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例(8/21)2.回轉(zhuǎn)軸徑向運(yùn)動(dòng)誤差的測量回轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)是指在回轉(zhuǎn)過程中回轉(zhuǎn)

8、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)軸上任何一點(diǎn)發(fā)生與軸線平行的移動(dòng)（端面運(yùn)動(dòng)誤差）和在垂直于軸線的平面內(nèi)的移動(dòng)（徑向運(yùn)動(dòng)誤差）。端面運(yùn)動(dòng)誤差因測量點(diǎn)所在半徑位置不同而異，徑向運(yùn)動(dòng)誤差則因測量點(diǎn)所在的軸向位置不同而異。因此，在討論運(yùn)動(dòng)誤差時(shí)，應(yīng)指明測量點(diǎn)的位置。常用徑向誤差測量。位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例(9/21)回轉(zhuǎn)徑向運(yùn)動(dòng)誤差測量示意圖RmROrOmO0r()edydxSx()Sy()yx圓球理想圓球位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例(10/21)3.厚度測量厚度測量分為非接觸式測厚和接觸式測厚。1）非接觸式測厚n X射線測厚儀檢測器被測帶材放射源狀態(tài)控制閘門測量線路指示

9、器位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例(11/21)對于窄束入射線，在其穿透被測材料后，射線強(qiáng)度 I 的衰減規(guī)律為I=I0e-h其中，I0：入射射線強(qiáng)度；：吸收系數(shù)；h：被測材料的厚度。當(dāng)和I0一定時(shí)，I僅僅是板厚h的函數(shù)。所以，測出 I 就可以知道厚度 h位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例(12/21)2）接觸式測厚上傳感器導(dǎo)輥被測帶材下傳感器C型架導(dǎo)輥以保證在測量時(shí)帶鋼與傳感器垂直4.物位的測量物位是液位、料位以及界面位置的總稱測量物位有時(shí)是為了測知容器中物體的多少、大?。o態(tài)測量）；有時(shí)是為了對容器中的物體進(jìn)行監(jiān)控，調(diào)節(jié)物料的進(jìn)出速度，或在物位接近極限位置時(shí)能提前報(bào)警（動(dòng)態(tài)連續(xù)測量）常用測量方

10、法：4.放射性同位素測量法1.電感測量法2.電容測量法3.超聲測量法位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例(13/21)1）電感法測量液位位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例(14/21)缺點(diǎn)：機(jī)械和機(jī)電式測量儀幾乎無法測粘液粒狀、粉末狀材料的物面。鐵芯浮子剛性桿原理：利用電感探頭（線圈、鐵芯等）通過剛性桿感受浮子的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)液位數(shù)字顯示的2）電容測量法1部分或整體絕緣的棍電極；2具有內(nèi)外電極的管式電極；3、4拉緊或放松的繩電極；5反電極；容器壁由金屬材料制成：只需裝入電極 1或 3或 4容器壁作為另一電極與外殼相連（接地）容器壁由非金屬材料制成時(shí)用管式電極 2，或?qū)﹄姌O 1、3、4另附一個(gè)反電極

11、5，也可用金屬帶 6與1、3、4組合。5、6均需接地n 用于連續(xù)測量的探頭位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例(15/21)200mm15342測量電容器的上部隔著空氣，下部充滿液體或其它材料?？諝獾慕殡姵?shù)0=1，被測物的介電常數(shù)為r。物位變化時(shí)，電容器的電容變化值與被測材料的高度成線性關(guān)系式中：h 電容器的總高度；C0 初始電容值；n 用于極限位置監(jiān)控的探頭1、2 部分或全部絕緣的棍電極或繩電極；3 側(cè)面安裝的棍電極；4 平面電極，可用于一些不能在內(nèi)部插入電容探頭的容器物體的測量，如攪拌器；如果容器為非導(dǎo)電材料制成，同樣需另外附加一個(gè)反向電極。位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例(16/21)12

12、70343）超聲測量法通過被測物體使聲波短路或斷路,或使振蕩器頻率改變停振而定點(diǎn)發(fā)信號的物位計(jì)，多用于極限位置監(jiān)控。位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例(17/21)發(fā)射器接收器a)換能器b)連續(xù)發(fā)出聲波信號，其在界面處發(fā)生反射再由接收器接收，測出信號從發(fā)出到返回的時(shí)間，從而得物位高度，它多用于物位的連續(xù)測量。位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例(18/21)c)換能器d)4）放射性同位素測量法在那些由于極端條件（如高壓、高溫、高真空度、高腐蝕性等）而不能使用常規(guī)方法測量的場合，以及因結(jié)構(gòu)等因素不允許裝探頭或裝探頭成本較高的容器、地窖、地下庫可采用同位素法測量物位。放射性同位素測量物位的原理是基于射線

13、經(jīng)過被測物體時(shí)，會(huì)被材料吸收而使射線探測器接收到的射線強(qiáng)度發(fā)生變化。輻射器的配置方式1）測量結(jié)構(gòu)示意圖2）輸入量與輸出量之間的特性曲線一個(gè)輻射器發(fā)出兩束射線的配置方式。對準(zhǔn)兩束射線的計(jì)數(shù)器互相并聯(lián)。液位經(jīng)過極限位置時(shí)，輸出信號就會(huì)發(fā)生突變，以此來啟動(dòng)繼電器，而在液位 hmin 至hmax 之間輸出幾乎為常數(shù)。位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例(19/21)輸入量與輸出量之間的特性曲線位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例(20/21)h輻射源nhhminhmax0將接收計(jì)數(shù)器排成一排串聯(lián)起來，適用于大量程的測量，高度測量范圍可達(dá) 1.2 m。采用若干個(gè)輻射源整齊排列進(jìn)行近似連續(xù)測量，液位高度與輸出特性曲線有臺(tái)階。該方法可使被測高度三倍于容器直徑。位移測量應(yīng)用實(shí)例位移測量應(yīng)用實(shí)例(21/21)h0nh0nhminhmaxh輻射源h