工程測試第六章位移測量

工程測試第六章位移測量第一頁，共三十九頁，2022年，8月28日位移測量方法

位移測量包括線位移測量和角位移測量。位移測量的方法多種多樣，常用的有下述幾種。（1）積分法

（2）回波法

（3）線位移和角位移相互轉(zhuǎn)換

（4）位移傳感器法第二頁，共三十九頁，2022年，8月28日（1）積分法

測量運動體的速度或加速度，經(jīng)過積分或二次積分求得運動體的位移。例如在慣性導航中，就是通過測量載體的加速度，經(jīng)過二次積分而求得載體的位移。第三頁，共三十九頁，2022年，8月28日（2）回波法

從測量起始點到被測面是一種介質(zhì)，被測面以后是另一種介質(zhì)，利用介質(zhì)分界面對波的反射原理測位移。例如激光測距儀、超聲波液位計都是利用分界面對激光、超聲波的反射測量位移的。相關測距則是利用相關函數(shù)的時延性質(zhì)，將向某被測物發(fā)射信號與經(jīng)被測物反射的返回信號作相關處理，求得時延τ，從而推算出發(fā)射點與被測物之間的距離。第四頁，共三十九頁，2022年，8月28日（3）線位移和角位移相互轉(zhuǎn)換

被測量是線位移時，若測量角位移更方便，則可用間接測量方法，通過測角位移再換算成線位移。

同樣，被測量是角位移時，也可先測線位移再進行轉(zhuǎn)換。例如汽車的里程表，是通過測量車輪轉(zhuǎn)數(shù)再乘以周長而得到汽車的里程的。第五頁，共三十九頁，2022年，8月28日（4）位移傳感器法

通過位移傳感器，將被測位移量的變化轉(zhuǎn)換成電量（電壓、電流、阻抗等）、流量、光通量、磁通量等的變化。位移傳感器法是目前應用最廣泛的一種方法。 一般來說，在進行位移測量時，要充分利用被測對象所在場合和具備的條件來設計、選擇測量方法。第六頁，共三十九頁，2022年，8月28日6.1表面粗糙度測量表面粗糙度測量是一種微觀幾何形狀誤差。特點：量值?。ㄐ∮?mm)，變化頻率高，所以粗糙度測量方法必須具有分辨率高和頻響快的特性。接觸式輪廓儀（觸針式輪廓儀）針描法是一種接觸式測量方法。用一個很尖的觸針垂直于表面橫移，觸針將隨著表面輪廓幾何形狀作垂直起伏運動，把這個微小位移的信號轉(zhuǎn)換成電量加以放大，再進行運算處理即可獲得某個表面光潔度參數(shù)數(shù)值，或者用記錄器描繪出放大了的表面輪廓圖形（早期曾經(jīng)采用機械或機械一光學的方法放大觸針的垂直位移量，現(xiàn)基本上已被淘汰）。第七頁，共三十九頁，2022年，8月28日第八頁，共三十九頁，2022年，8月28日

裝有測針T的杠桿M固定在繞有線圈的磁鐵中心樞軸上，觸針垂直位移改變磁鐵兩端的空氣隙，轉(zhuǎn)換為電感線圈的電感量變化，從而對載波信號進行調(diào)制，產(chǎn)生交變電流，然后再通過解調(diào)器獲得截面輪廓信號，送入下級放大和運算電路。這類電感傳感器的特點是輸出信號只和觸針位移有關，亦稱位移靈敏傳感器，它可以把輪廓圖形逐點描繪出來，所以一般帶有記錄器。第九頁，共三十九頁，2022年，8月28日2、非接觸式輪廓儀第十頁，共三十九頁，2022年，8月28日國家標準中規(guī)定的評定基準為輪廓中線，有1、最小二乘中線2、算術平均中線。中線上下部分所包含的輪廓面積相等(常用)第十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日表面粗糙度的高度評定參數(shù)：輪廓算術平均偏差:微觀不平度十點高度：輪廓最大高度：表面粗糙度的評定方法第十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日6.2常用的位移傳感器

在很多情況下，位移可以通過位移傳感器直接測得。 用于線位移測量的傳感器的種類很多，較常見的線位移傳感器的主要特點及使用性能列于表中。第十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日表6-1常用線位移傳感器的性能與特點

型式測量范圍精確度線性度特點變阻式滑線1~300mm±0.1%±0.1%分辨力較高，機械結構不牢固，大位移時在電刷上加杠桿機構變阻器1~1000mm±0.5%±0.5%結構牢固，壽命長，分辨力較差，電噪聲大電阻應變式不粘貼±0.15%應變±0.1%±1%不牢固粘貼±0.3%應變±(2~3)%±1%牢固，使用方便，需溫度補償和高絕緣電阻半導體±0.25%應變±(2~3)%滿刻度±2%輸出幅值大，溫度靈敏性高第十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日電感式差動變壓器0.1~5mm±(1~3)%±0.5%分辨力高，壽命長，后續(xù)電路較復雜螺管式0.2~100mn±(0.1~3)%±0.5%測量范圍寬，使用方便可靠，壽命長，動態(tài)性能較差渦流式±0.25~±250mm±(1~3)%<3%結構簡單，耐油污、水，被測對象材料，靈敏度不同，線性范圍須重校電容式變面積(10-3~10)mm±0.005%±1%線性范圍大，精確度高，受介質(zhì)常數(shù)影響大（溫度，濕度）變間隙(10-8~100)mm0.1%±1%分辨力高，非線性較大第十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日霍爾元件±1.5mm0.5%

結構簡單，動態(tài)特性好，對溫度敏感感應同步器10-3~10000mm2.5μm/250mm

模、數(shù)混合測量系統(tǒng)，數(shù)顯長光柵10-3~1000mm3μm/1m

同上，分辨力高(0.1~1μm)長磁柵10-3~10000mm5μm/1m

制造簡單，使用方便，分辨力1~5μm第十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日部分測量角位移的傳感器的性能及特點。型式測量范圍精確度線性度特點滑線變阻式0°~360°±0.1%±0.1%結構簡單，測量范圍廣，存在接觸摩擦，動態(tài)響應差變阻器0~60轉(zhuǎn)±0.5%±0.5%耐磨性好，阻值范圍寬，接觸電阻和噪聲大，附加力矩較大差動變壓器式0°~±120°(0.2~2.0)%±0.25%分辨力高，耐用，可測位移頻率只是激勵頻率的1/10，后續(xù)電路復雜應變計式±180°1%

性能穩(wěn)定可靠，利用應變片和彈性體結合測量角位移自整角機360°±0.1°~±7°±0.5%對環(huán)境要求低，有標準系列，使用方便，抗干擾能力強，性能穩(wěn)，可在1200r/min下工作，精度低，線性范圍小旋轉(zhuǎn)變壓器360°2′~5′小角度時0.1%第十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日微動同步器±5°~±40°(0.4~1)%±0.05%分辨力高，無接觸，測量范圍小，電路較復雜電容式70°25″

分辨力高，靈敏度高，耐惡劣環(huán)境，需屏蔽圓感應同步器0°~360°±0.5″

分辨力高，可數(shù)顯圓光柵0°~360°±0.5″

分辨力高，可數(shù)顯圓磁柵0°~360°±1″

磁信號可重錄角度編碼器接觸式0°~360°10-6/r

分辨力高，可靠性高光電式0°~360°10-8/r

第十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日1．電感式位移傳感器（1）螺管差動型位移傳感器1-引線2-固定磁筒3-銜鐵4-線圈5-彈簧6-防轉(zhuǎn)銷7-鋼球滾動導軌8-測桿9-密封套10-測端圖螺管差動型位移傳感器結構圖圖電感測微儀測量系統(tǒng)方框圖第十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日（2）渦電流式位移傳感器（3）差動變壓器式位移傳感器圖差動變壓器式位移傳感器第二十頁，共三十九頁，2022年，8月28日圖差動相敏檢波電路的工作原理第二十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日（4）旋轉(zhuǎn)變壓器式角位移傳感器1-定子；2-轉(zhuǎn)子；3-電刷；4-滑環(huán)圖旋轉(zhuǎn)變壓器結構第二十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日eR1=Kees1cosθeR2=-Kees1sinθ式中Ke——旋轉(zhuǎn)變壓器的變壓比，Ke=W1/W2；

W1W2——分別為轉(zhuǎn)子和定子繞組的匝數(shù)。圖正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器第二十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日當輸出繞組接有負載時，就有電流通過輸出繞組并產(chǎn)生電樞反應磁通，使氣隙中磁場發(fā)生畸變，輸出電壓亦產(chǎn)生變化。為了減小這種變化，應將輔助繞組D3D4短接，或在兩輸出繞組上接對稱負載。為提高旋轉(zhuǎn)變壓器的精確度，其負載阻抗應盡量大。

6.3位移測量應用實例1．回軸軸誤差運動的測量回轉(zhuǎn)軸誤差運動是指在回轉(zhuǎn)過程中回轉(zhuǎn)軸線偏離理想位置而出現(xiàn)的附加運動。徑向誤差運動的常用測量方法第二十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日圖雙向測量法時的位移信號分析第二十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日—位移傳感器；—位移測量儀；—基圓發(fā)生器圖雙向測量法第二十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日T—位移傳感器；M—位移測量儀；R—基圓發(fā)生器；Mu—乘法器圖單向測量法第二十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日2、液位檢測方法

液位檢測總體上可分為直接檢測和間接檢測兩種方法，由于測量狀況及條件復雜多樣，因而往往采用間接測量，即將液位信號轉(zhuǎn)化為其它相關信號進行測量，如壓力法、浮力法、電學法、熱學法等。第二十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日直接測量法

直接測量是一種最為簡單、直觀的測量方法，它是利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶有標尺的觀察管中，通過標尺讀出液位高度。下圖所示的是玻璃管液位計。第二十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日壓力法

壓力法依據(jù)液體重量所產(chǎn)生的壓力進行測量。由于液體對容器底面產(chǎn)生的靜壓力與液位高度成正比，因此通過測容器中液體的壓力即可測算出液位高度。

對常壓開口容器，液位高度H與液體靜壓力P之間有如下關系：

第三十頁，共三十九頁，2022年，8月28日下面圖為用于測量開口容器液位高度的二種壓力式液位計。(a)壓力表式液位計(b)法蘭式液位變送器第三十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日浮力法

浮力法測液位是依據(jù)力平衡原理，通常借助浮子一類的懸浮物，浮子做成空心剛體，使它在平衡時能夠浮于液面。當液位高度發(fā)生變化時，浮子就會跟隨液面上下移動。因此測出浮子的位移就可知液位變化量。浮子式液位計按浮子形狀不同，可分為浮子式、浮筒式等等；按機構不同可分為鋼帶式、杠桿式等。第三十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日鋼帶浮子式液位計 右圖為直讀式鋼帶浮子式液位計，這是一種最簡單的液位計，一般只能就地顯示。第三十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日浮筒式液位計

浮筒式液位計屬于變浮力液位計，當被測液面位置變化時，浮筒浸沒體積變化，所受浮力也變化，通過測量浮力變化確定出液位的變化量。 圖中：1-浮筒；2-彈簧；3-差動變壓器。第三十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日圖所示的液位計是用彈簧平衡浮力，用差動變壓器測量浮筒位移，平衡時壓縮彈簧的彈力與浮筒浮力及重力G平衡。即

液位高度變化與彈簧變形量成正比。彈簧變形量可用多種方法測量，既可就地指示，也可用變換器(如差動變壓器)變換成電信號進行遠傳控制。第三十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日電學法

電學法按工作原理不同又可分為電阻式、電感式和電容式。用電學法測量無摩擦件和可動部件，信號轉(zhuǎn)換、傳送方便，便于遠傳，工作可靠，且輸出可轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電信號，與電動單元組合儀表配合使甩，可方便地實現(xiàn)液位的自動檢測和自動控制。

第三十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日電阻式液位計 電阻式液位計既可進行定點液位控制，也可進行連續(xù)測量。所謂定點控制是指液位上升或下降到一定位置時引起電路的接通或斷開，引發(fā)報警器報警。電阻式液位計的原理是基于液位變化引起電極間電阻變化，由電阻變化反映液位情況。第三十七頁，共三十九頁，2022年，8