机械工程测试技术基础第6章位移测量

2、非接触式轮廓仪
国家标准中规定的评定 基准为轮廓中线，
有
1、最小二乘中线
n
yi2 min
i 1
2、算术平均中线。中 线上下部分所包含的轮 廓面积相等(常用)
n
n
Fi Fi'
i 1
i 1
表面粗糙度的高度评定 参数：
轮廓算术平均偏差:
Ra
1 l
l 0
y
dx
n
或 ( yi ) / n i 1
位移测量方法
位移测量包括线位移测量和角位移测量。位 移测量的方法多种多样，常用的有下述几种。
（1）积分法 （2）回波法 （3）线位移和角位移相互转换 （4）位移传感器法
（1）积分法
测量运动体的速度或加速度，经 过积分或二次积分求得运动体的位移。
例如在惯性导航中，就是通过测 量载体的加速度，经过二次积分而求得 载体的位移。
图 正余弦旋转变压器
当输出绕组接有负载时，就有电流通过输出绕组并产 生电枢反应磁通，使气隙中磁场发生畸变，输出电压 亦产生变化。为了减小这种变化，应将辅助绕组 D3D4短接，或在两输出绕组上接对称负载。为提高 旋转变压器的精确度，其负载阻抗应尽量大。
6.3 位移测量应用实例 1．回轴轴误差运动的测量 回转轴误差运动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。 径向误差运动的常用测量方法
分辨力高，寿命长， 后续电路较复杂
测量范围宽，使用方 便可靠，寿命长，动 态性能较差
结构简单，耐油污、
水，被测对象材料，
<3%
灵敏度不同，线性范
围须重校
变面
电
积
容
式
变间
隙
(10-3 ~10)mm
(10-8 ~100)mm
±0.005% 0.1%
±1% ±1%
线性范围大，精确度 高，受介质常数影响 大（温度，湿度）
分辨力高，非线性较 大
霍尔元件
±1.5mm
0.5%
感应同步器
10-3 ~10000mm
2.5μm/250m m
长光栅
10-3 ~1000mm
3μm/1m
长磁栅
10-3 ~10000mm
5μm/1m
结构简单，动态特性好， 对温度敏感
模、数混合测量系统， 数显
同上，分辨力高 (0.1~1μm)
制造简单，使用方便， 分辨力1~5μm
右图为 用于连续测量 的电阻式液位 计原理图。图 中：
1-电阻棒； 2-绝缘套；
3-测量电桥
该液位计的两根电极是由两根材料、
截面积相同的具有大电阻率的电阻棒组 成，电阻棒两端固定并与容器绝缘。整 个传感器电阻为
R
2
A
H
h
2
A
H
2
A
h
K1
K2h
该传感器的材料、结构与尺寸确定
后，K1、K2均为常数，电阻大小与液位 高度成正比。电阻的测量可用图中的电 桥电路完成。
电学法
电学法按工作原理不同又可分为电阻式、电感 式和电容式。用电学法测量无摩擦件和可动部件， 信号转换、传送方便，便于远传，工作可靠，且输 出可转换为统一的电信号，与电动单元组合仪表配 合使甩，可方便地实现液位的自动检测和自动控制。
电阻式液位计
电阻式液位计既可进行定点液位控制，也 可进行连续测量。所谓定点控制是指液位上升 或下降到一定位置时引起电路的接通或断开， 引发报警器报警。电阻式液位计的原理是基于 液位变化引起电极间电阻变化，由电阻变化反 映液位情况。
微观不平度十点高度：
5
5
Rz ( ymax pi yminvi ) / 5
i 1
i 1
轮廓最大高度：
表面粗糙度的评定方法
Ry y p max yvmax
6.2常用的位移传感器
在很多情况下，位移可以通过位移 传感器直接测得。
用于线位移测量的传感器的种类很多， 较常见的线位移传感器的主要特点及使用性能 列于表中。
微动同步器
±5°~ ±40°
(0.4~1) %
电容式
70°
25″
圆感应同步器
0°~360 °
圆光栅
0°~360 °
圆磁栅
0°~360 °
角度 编 码 器
接触 式
光电 式
0°~360 °
0°~360 °
±0.5″ ±0.5″ ±1″ 10-6/r 10-8/r
±0.05%
分辨力高，无接触，测量 范围小，电路较复杂
表6-1 常用线位移传感器的性能与特点
型式
测量范围
精确度
线性度
特点
滑线
变 阻 式
变阻器
1~300mm 1~1000mm
±0.1% ±0.5%
±0.1% ±0.5%
分辨力较高，机械结构不 牢固，大位移时在电刷上 加杠杆机构
结构牢固，寿命长，分辨 力较差，电噪声大
不粘贴
电
阻
粘贴
应
变
式
半导体
±0.15%应变 ±0.3%应变 ±0.25%应变
分辨力高，耐用，可测位移频 率只是激励频率的1/10，后续 电路复杂
性能稳定可靠，利用应变片和 弹性体结合测量角位移
自整角机 旋转变压器
360° 360°
±0.1°~ ±7°
2′~5′
±0.5%
小角度时 0.1%
对环境要求低，有标准系列，
使用方便，抗干扰能力强，性 能稳，可在1200r/min下工作， 精度低，线性范围小
间的距离。
（3）线位移和角位移相互转换 被测量是线位移时，若测量角位移更方
便，则可用间接测量方法，通过测角位移再 换算成线位移。
同样，被测量是角位移时，也可先测线位 移再进行转换。
例如汽车的里程表，是通过测量车轮转 数再乘以周长而得到汽车的里程的。
（4）位移传感器法
通过位移传感器，将被测位移量的变化 转换成电量（电压、电流、阻抗等）、流量、 光通量、磁通量等的变化。位移传感器法是目 前应用最广泛的一种方法。
直接测量法
直接测量是一种最为简单、直观的测量方 法，它是利用连通器的原理，将容器中的液体 引入带有标尺的观察管中，通过标尺读出液位 高度。下图所示的是玻璃管液位计。
压力法
压力法依据液体重量所产生的压力进行 测量。由于液体对容器底面产生的静压力与液 位高度成正比，因此通过测容器中液体的压力 即可测算出液位高度。
（2）回波法
从测量起始点到被测面是一种介质，被测 面以后是另一种介质，利用介质分界面对波的 反射原理测位移。
例如激光测距仪、超声波液位计都是利用 分界面对激光、超声波的反射测量位移的。相关 测距则是利用相关函数的时延性质，将向某被测 物发射信号与经被测物反射的返回信号作相关处
理，求得时延τ，从而推算出发射点与被测物之
图中： 1-浮筒；2-弹簧； 3-差动变压器 。
图所示的液位计是用弹簧平衡浮力， 用差动变压器测量浮筒位移，平衡时压 缩弹簧的弹力与浮筒浮力及重力G平衡。
即 kx gAH G
液位高度变化与弹簧变形量成正比。 弹簧变形量可用多种方法测量，既可就 地指示，也可用变换器(如差动变压器)变
换成电信号进行远传控制。
图 双向测量法时的位移信号分析
Tx Ty —位移传感器 ；
M1 M 2 —位移测量仪；
R —基圆发生器
图 双向测量法
T—位移传感器；M—位移测量仪；R—基圆发生器；Mu—乘法器 图 单向测量法
2、液位检测方法
液位检测总体上可分为直接检测和间接检测 两种方法，由于测量状况及条件复杂多样，因而 往往采用间接测量，即将液位信号转化为其它相 关信号进行测量，如压力法、浮力法、电学法、 热学法等。
浮子式液位计按浮子形状不同，可分为浮子 式、浮筒式等等；按机构不同可分为钢带式、杠 杆式等。
钢带浮子式液位计
右图为直读式钢 带浮子式液位计，这 是一种最简单的液位 计，一般只能就地显 示。
浮筒式液位计
浮筒式液位计属于变 浮力液位计，当被测液面 位置变化时，浮筒浸没体 积变化，所受浮力也变化， 通过测量浮力变化确定出 液位的变化量。
第六章位移测量
位移测试包括线位移和角位移的测试。位移测试在工程中的 应用十分广泛，这不仅因为在各种工程中经常需要精确地测量 物体的位移或位置，而且还因为速度、加速度、力、压力、扭 矩、温度、流量及物位等参数的许多测试方法，都是以位移测 试作为基础的。
位移是向量，它表示物体上某一点在一定方向上的位置变动。 因而对位移的度量，除了确定其大小之外，还应考虑其方向。 一般情况下，应使测量方向与位移方向重合。
部分测量角位移的传感器的性能及特点。
型式
测量范围
精确度
线性度
特点
滑线变阻式
0°~360°
±0.1%
±0.1%
结构简单，测量范围广，存在 接触摩擦，动态响应差
变阻器
0~60转
±0.5%
差动变压器式
0°~±120 °
(0.2~2.0) %
应变计式
±180°
1%
±0.5% ±0.25%
耐磨性好，阻值范围宽，接触 电阻和噪声大，附加力矩较大
分辨力高，灵敏度高，耐 恶劣环境，需屏蔽
分辨力高，可数显
分辨力高，可数显
磁信号可重录
分辨力高，可靠性高
❖ 1．电感式位移传感器 ❖ （1）螺管差动型位移传感器
1-引线 2-固定磁筒 3-衔铁 4-线圈 5-弹簧 6-防转销 7-钢球滚动导轨 8-测杆 9-密封套 10-测端 图 螺管差动型位移传感器结构图
对常压开口容器，液位高度H与液体静压 力P之间有如下关系：
H P
g
下面图为用于测量开口容器液位高度的二 种压力式液位计。
(a) 压力表式液位计 (b)法兰式液位变送器
浮力法
浮力法测液位是依据力平衡原理，通常借助 浮子一类的悬浮物，浮子做成空心刚体，使它在 平衡时能够浮于液面。当液位高度发生变化时， 浮子就会跟随液面上下移动。因此测出浮子的位 移就可知液位变化量。
±0.1% ±(2~3)% ±(2~3)%
±1% ±1%
不牢固
牢固，使用方便，需温度 补偿和高绝缘电阻
满刻度 ±2%
输出幅值大，温度灵敏性 高
差动 变 压器
螺管
电
式
感
式
0.1~5mm 0.2~100mn
±(1~3)% ±(0.1~3)%
涡流 式
±0.25~±2 50mm
±(1~3)%
±0.5% ±0.5%
图 电感测微仪测量系统方框图
❖ （2）涡电流式位移传感器 ❖ （3）差动变压器式位移传感器
图 差动变压器式位移传感器
图 差动相敏检波电路的工作原理
❖ （4）旋转变压器式角位移传感器
1-定子；2-转子；3-电刷；4-滑环 图 旋转变压器结构
eR1= Kees1cosθ eR2= - Kees1sinθ 式中 Ke—— 旋转变压器的变压比， Ke=W1/W2 ； W1 W2——分别为转子和定子绕组的匝数。
装有测针T的杠杆M固定在绕有线圈的磁铁中心枢轴上，触针垂 直位移改变磁铁两端的空气隙，转换为电感线圈的电感量变化， 从而对载波信号进行调制，产生交变电流，然后再通过解调器获 得截面轮廓信号，送入下级放大和运算电路。这类电感传感器的 特点是输出信号只和触针位移有关，亦称位移灵敏传感器，它可 以把轮廓图形逐点描绘出来，所以一般带有记录器。
一般来说，在进行位移测量时，要充分 利用被测对象所在场合和具备的条件来设计、 选择测量方法。
6.1表面粗糙度测量
表面粗糙度测量是一种微观几何形状误差。
特点：量值小（小于1mm)，变化频率高，所以粗糙度测 量方法必须具有分辨率高和频响快的特性。
1. 接触式轮廓仪（触针式轮廓仪）
针描法是一种接触式测量方法。用一个很尖的触针垂直 于表面横移，触针将随着表面轮廓几何形状作垂直起伏 运动，把这个微小位移的信号转换成电量加以放大，再 进行运算处理即可获得某个表面光洁度参数数值，或者 用记录器描绘出放大了的表面轮廓图形（早期曾经采用 机械或机械一光学的方法放大触针的垂直位移量，现基 本上已被淘汰）。