模块小位移检测上.ppt

机、电类传感器与检测技术项目教程模块九、小位移检测模块九、小位移检测 课件统一书号：统一书号：ISBN 978-7-111-48817-0课程配套网站或或 2015年年2月第月第1版版（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）11/30/20221模块九、小位移检测模块九、小位移检测 内容简介内容简介简要介绍简要介绍“位移检测的基本概念位移检测的基本概念”、“电感式小位电感式小位移传感器移传感器”、“涡流式小位移传感器涡流式小位移传感器”、“接近开接近开关关”等知识，对等知识，对轴承滚柱直径的检测及分选轴承滚柱直径的检测及分选也作也作了介绍。了介绍。現在時間現在時間是：是：23:3123:3111/30/20222模块九、小位移检测（上）模块九、小位移检测（上）目录目录进入进入进入进入进入进入进入进入知识链接知识链接 位移检测的基本概念位移检测的基本概念项目一、电感式小位移传感器项目一、电感式小位移传感器项目二、涡流式小位移传感器项目二、涡流式小位移传感器项目三、接近开关项目三、接近开关拓展阅读拓展阅读 轴承滚柱直径的检测及分选轴承滚柱直径的检测及分选現在時間現在時間是：是：23:3123:3111/30/20223知识链接知识链接 小位移检测的基本概念小位移检测的基本概念位移是表示位移是表示物体位置变化物体位置变化的物理量。的物理量。可分为：可分为：直线位移直线位移检测和检测和角位移角位移检测。检测。直直线线位位移移是是指指质质点点由由初初位位置置到到末末位位置置的的有有向向线线段段。大大小小与与路路径径无无关关，方方向向由由起起点点指指向向终终点点（属属于于矢矢量量）。直直线线位位移移的的单单位位为为米米（m），此此外外还还有有毫毫米米（mm）、千米（千米（km）等。）等。角位移是描述物体转动时位置变化的物理量。角位移是描述物体转动时位置变化的物理量。通通常常是是指指：任任意意一一线线段段（或或平平面面）由由原原始始位位置置到到新新位置转过的角度位置转过的角度。单单位位为为弧弧度度（rad），此此外外还还有有度度（）、分分（）、秒（秒（）等。）等。1rad=360/(2)。11/30/20224位移的分类位移的分类位移传感器按输出信号的类型可分为位移传感器按输出信号的类型可分为模拟式位移传模拟式位移传感器感器和和数字式位移传感器数字式位移传感器两类。两类。小位移检测的范围大都小于小位移检测的范围大都小于200mm。可用：电感式、。可用：电感式、涡流式、霍尔式、激光式、光纤式以及纳米式等传感涡流式、霍尔式、激光式、光纤式以及纳米式等传感器来检测。器来检测。大多数小位移传感器属于模拟式位移传感器。大多数小位移传感器属于模拟式位移传感器。工件尺寸的变化可以转换为机械位移的变化。例如，工件尺寸的变化可以转换为机械位移的变化。例如，工件的长度、厚度、高度、距离、物位、角度、表面工件的长度、厚度、高度、距离、物位、角度、表面粗糙度等。粗糙度等。大位移检测范围可达大位移检测范围可达100m，具体方法见，具体方法见模块十模块十。大多数大位移传感器属于数字式位移传感器。大多数大位移传感器属于数字式位移传感器。11/30/20225表表9-1 9-1 常用小位移传感器的分类及特点常用小位移传感器的分类及特点结构型式结构型式测量原理测量原理量程量程/mm分辨力分辨力/m特特 点点电位器式电位器式欧姆定律欧姆定律0.1200100结构简单，结构简单，输出信号较大；分辨力不输出信号较大；分辨力不高，接触高，接触“噪声噪声”大，易磨损大，易磨损，动态，动态响应较差响应较差差动电感式差动电感式自感、互自感、互感感10-3200.1分辨力高分辨力高；有零点残余电压有零点残余电压，动态响动态响应慢应慢涡流式涡流式涡流效应涡流效应1105结构简单，非接触式测量结构简单，非接触式测量；线性差线性差，灵敏度易受被测对象材质的影响灵敏度易受被测对象材质的影响电容电容变气隙式变气隙式静电电容静电电容效应效应10-311非接触式测量，分辨力高非接触式测量，分辨力高；线性差；线性差霍尔式霍尔式霍尔效应霍尔效应0.012050非接触式测量，体积小，结构简单，非接触式测量，体积小，结构简单，输出信号大；温漂大，输出信号大；温漂大，需要磁路系统需要磁路系统纳米式纳米式量子隧道量子隧道效应效应10-610-310-4能检测极微小位移；结构复杂，重复能检测极微小位移；结构复杂，重复性较低；主要用于科学研究性较低；主要用于科学研究11/30/20226项目一项目一 电感式小位移传感器电感式小位移传感器【项目教学目标】【项目教学目标】知识目标知识目标1）了解电感式小位移传感器的基本工作原理。）了解电感式小位移传感器的基本工作原理。2）掌握差动整流电路。）掌握差动整流电路。技能目标技能目标熟悉电感式位移传感器的安装与应用。熟悉电感式位移传感器的安装与应用。回目录回目录11/30/20227任务一任务一 认识自感式传感器与差动变压器认识自感式传感器与差动变压器利用电感式传感器能对利用电感式传感器能对位移位移以及以及与位移有关的工与位移有关的工件尺寸等参数件尺寸等参数进行测量。进行测量。电感式传感器具有分辨力高（电感式传感器具有分辨力高（0.1m）等优点）等优点。主。主要要缺点是机械惯性大，响应慢，不适用于快速动态测缺点是机械惯性大，响应慢，不适用于快速动态测量量。电感式传感器的分辨力与测量范围有关，电感式传感器的分辨力与测量范围有关，测量范测量范围越大，分辨力（能够分辨的数值）就越差围越大，分辨力（能够分辨的数值）就越差。电感式传感器可分为自感式和互感式两大类。电感式传感器可分为自感式和互感式两大类。人们习惯上讲的人们习惯上讲的电感式传感器通常是指自感式传电感式传感器通常是指自感式传感器感器；而而互感式传感器是利用变压器原理互感式传感器是利用变压器原理，通常做成差通常做成差动式，故称为差动变压器式传感器动式，故称为差动变压器式传感器，以下，以下简称差动变简称差动变压器压器。11/30/20228电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理演示原理演示F F220V准备工作准备工作11/30/20229电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理演示原理演示电感线圈的电感线圈的气隙减小气隙减小，电感变大电感变大，流过线圈的流过线圈的电流变小。电流变小。F F11/30/202210自感式电感传感器常见的形式自感式电感传感器常见的形式 图图9-2 电感式位移传感器的结构电感式位移传感器的结构a）变气隙式）变气隙式 b）变面积式）变面积式 c）螺线管式）螺线管式1线圈线圈 2铁心铁心 3衔铁衔铁 4测杆测杆 5导轨导轨 6工件工件 7转轴转轴11/30/20221111/30/2022121.变气隙电感式传感器变气隙电感式传感器 当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，也较大，线圈的电感线圈的电感L及感抗及感抗XL 较小，所以电流较小，所以电流I 较大。当较大。当铁心闭合时，铁心闭合时，气隙气隙变小变小，磁阻变小磁阻变小，电感电感L变大，变大，电流电流 I 减小减小。11/30/202213减小铁心与衔铁之间的减小铁心与衔铁之间的有有效投影面积效投影面积，在较小的范，在较小的范围内，电感成比例减小。围内，电感成比例减小。变气隙电感式传感器的特性近似双曲线变气隙电感式传感器的特性近似双曲线变面积式电感传感器的变面积式电感传感器的理论特性为线性理论特性为线性AA1绕组绕组 2 铁铁心心 3 衔铁衔铁11/30/2022142.2.变面积电感式传感器变面积电感式传感器也也 称称“变变 截截 面面 式式”电电 感感 传传感器。感器。必必 须须 保保持持气气隙隙固固定定 不不 变变，电电感感L是是衔衔铁铁 与与 固固 定定铁铁 心心 之之 间间的的 有有 效效 投投影影截截面面积积A的函数的函数。衔铁上下移动，导致衔铁上下移动，导致衔铁与铁心的衔铁与铁心的有效投影面有效投影面积变大，积变大，电感也变大。电感也变大。A有效投有效投影面积影面积11/30/202215电感传感器的输出特性电感传感器的输出特性图图9-3 电感式位移传感器的特性曲线电感式位移传感器的特性曲线a）L-特性曲线特性曲线 b）L-A特性曲线特性曲线1实际输出特性实际输出特性 2理想输出特性理想输出特性11/30/2022163.3.螺线管式电感传感器螺线管式电感传感器螺螺线线管管是是具具有有多多重重卷卷绕绕的的导导线线，卷卷绕绕内内部部可可以以是是空空心心的的，或者有一个磁芯。或者有一个磁芯。当当有有电电流流通通过过导导线线时时，螺螺线线管管中中间间部部位位会会产产生生比比较较均均匀匀的的磁场磁场。作作为为传传感感器器，螺螺线线管管电电感感传传感感器器的的主主要要元元器器件件是是一一只只螺螺线线管管和和一一根根可可移移动动的的圆圆柱柱形形衔衔铁铁。衔衔铁铁插插入入绕绕组组后后，将将引引起起螺螺线线管管内内部部的的磁磁阻阻的的减减小小，电电感感随随插入的深度而增大插入的深度而增大。L空心空心螺线管螺线管x11/30/202217螺线管式电感传感器的线性区螺线管式电感传感器的线性区 对于长螺线管（对于长螺线管（l r），当衔铁工作在螺线管），当衔铁工作在螺线管接近接近中部位置中部位置时，可以认为绕组内磁场强度是均匀的，此时，可以认为绕组内磁场强度是均匀的，此时时绕组的电感量绕组的电感量L与衔铁插入深度大致成正比与衔铁插入深度大致成正比。螺线管螺线管越长，线性区就越大越长，线性区就越大。螺线管式电感传感器的。螺线管式电感传感器的线性区线性区约为螺线管长度的约为螺线管长度的1/10。测杆应选用非导磁测杆应选用非导磁材料，材料，电导电导率也应尽量小率也应尽量小，以减小铁磁损耗和涡流损耗。，以减小铁磁损耗和涡流损耗。例例：采用螺线管电感传感器测量：采用螺线管电感传感器测量直径为直径为100mm的工件的工件是否合格，被测工件的是否合格，被测工件的最大允许误差为最大允许误差为 1.5mm，求求：应选长度大于多少毫米的螺线管应选长度大于多少毫米的螺线管？解解 D=21.5mm=3mm，则螺线管长度为：，则螺线管长度为：l 3mm10倍倍=30mm（不包括外壳）。（不包括外壳）。11/30/202218电感传感器的灵敏度电感传感器的灵敏度1绕组绕组 3可动衔铁可动衔铁 4测杆测杆 6被测工件被测工件采取以下措施可以提高电感灵采取以下措施可以提高电感灵敏度：敏度：在在绕组不致过热绕组不致过热的情况的情况下，可下，可适当提高励磁电压适当提高励磁电压，但以，但以不超过不超过10V为宜为宜；激励源激励源电源频电源频率以率以(110)kHz为好为好。如果频率。如果频率太低，感抗较小，激励电流较大；太低，感抗较小，激励电流较大；频率太高，衔铁的磁滞损耗加大频率太高，衔铁的磁滞损耗加大，分布电容也将引起绕组的分布电容也将引起绕组的Q值下降；值下降；选用导磁性能好、铁损小、涡选用导磁性能好、铁损小、涡流损耗小的导磁材料作为衔铁的流损耗小的导磁材料作为衔铁的材料材料，例如铁氧体、非晶铁磁材，例如铁氧体、非晶铁磁材料等。料等。11/30/202219当衔铁偏离中间位置时，两个绕组的电感一个当衔铁偏离中间位置时，两个绕组的电感一个增加增加,一个减小一个减小,形成形成差动形式差动形式。4.差动电感传感器差动电感传感器a)变隙式差动传感器变隙式差动传感器b)螺线管差动传感器螺线管差动传感器1上差动绕组上差动绕组 2铁心铁心 3衔铁衔铁 4下差动绕组下差动绕组 5测杆测杆 6工件工件 7基座基座图图9-4 差动电感式位移传感器差动电感式位移传感器11/30/202220由于两个绕组的由于两个绕组的结构完全对称结构完全对称，电磁吸力电磁吸力以及以及温漂大部分温漂大部分相互抵消。相互抵消。差动电感传感器动作演示差动电感传感器动作演示 差动螺线管式差动螺线管式差动变隙式差动变隙式11/30/202221差动式电感传感器对外界影响，如差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源温度的变化、电源频率的变化频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸电磁吸力也较小力也较小，从而减小了测量误差。，从而减小了测量误差。差动式电感传感器的特点差动式电感传感器的特点线性度改善线性度改善，灵敏度是非差动的灵敏度是非差动的2倍倍。11/30/202222差动电感传感器的特性差动电感传感器的特性 图图9-5 差动线圈与单线圈变气隙电感式差动线圈与单线圈变气隙电感式位移传感器的特性比较位移传感器的特性比较1上绕组特性上绕组特性 2下绕组特性下绕组特性 3L1、L2差接后的特性差接后的特性从输出从输出/输入特性曲线输入特性曲线图可以看出，与图可以看出，与非差动非差动电电感传感器相比较，差动式感传感器相比较，差动式电感传感器的特性曲线的电感传感器的特性曲线的斜率变大，灵敏度提高；斜率变大，灵敏度提高；输出曲线变直，线性度改输出曲线变直，线性度改善。善。11/30/2022235.5.电感传感器的测量转换电路电感传感器的测量转换电路图图9-6 差动电感式传感器的差动电感式传感器的交流电桥电路交流电桥电路1衔铁的位移曲线衔铁的位移曲线 2激励源波形激励源波形 11/30/2022245.5.电感传感器的测量转换电路电感传感器的测量转换电路图图9-6（续）（续）3交流电桥的输出波形交流电桥的输出波形4普通检波后的直流平均值普通检波后的直流平均值5相敏检波后的直流平均值相敏检波后的直流平均值t0衔铁上下位移到达差动衔铁上下位移到达差动螺线管绕组中间位置的时刻螺线管绕组中间位置的时刻e0零点残余电压的瞬时值零点残余电压的瞬时值 E0零点残余电压的平均值零点残余电压的平均值11/30/202225采用相敏检波电路的必要性采用相敏检波电路的必要性检波：将交变信号转换为直流平均值。检波：将交变信号转换为直流平均值。检波电路的作用是将电感的变化转换成直流电压或检波电路的作用是将电感的变化转换成直流电压或电流，以便用仪表指示出来。电流，以便用仪表指示出来。但但若仅若仅采用电桥电路配采用电桥电路配以普通的检波电路以普通的检波电路，则，则只能判别位移的大小只能判别位移的大小，却，却无法无法判别输出电压的相位和位移的方向判别输出电压的相位和位移的方向。如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映位的检波电路，则不但可以反映幅值（位移的大小）幅值（位移的大小），还可以反映输出电压的还可以反映输出电压的相位（位移的方向）相位（位移的方向）。这种检。这种检波电路称为波电路称为相敏检波电路相敏检波电路。11/30/202226普通的整流电路及波形普通的整流电路及波形只能得到单一方向的直流电，不能反映被只能得到单一方向的直流电，不能反映被整流信号的相位。整流信号的相位。全波整流后全波整流后,正负半周均变为正电压正负半周均变为正电压检波用于信号转换；检波用于信号转换；整流用于功率转换。整流用于功率转换。11/30/202227一种典型的相敏检波电路一种典型的相敏检波电路（有集成模块）（有集成模块）参考电压参考电压UR起相敏开关电路作用起相敏开关电路作用，并，并能克服检波二能克服检波二极管死区电压对小信号检波的影响极管死区电压对小信号检波的影响。11/30/202228相敏检波电路的输出波形比较相敏检波电路的输出波形比较 第第1根信号波形为传感器输出电压根信号波形为传感器输出电压us的波形，由被测的波形，由被测物的低频振动所调制物的低频振动所调制；第第2根为参考电压根为参考电压UR的波形的波形，（大于被测信号（大于被测信号10倍以上）；倍以上）；第第3根为相敏检波后的低频振动波形（解调信号根为相敏检波后的低频振动波形（解调信号)。11/30/202229相敏检波相敏检波输出特性与非相敏检波比较输出特性与非相敏检波比较图图9-7 不同检波方式的输出特性曲线不同检波方式的输出特性曲线a）普通检波）普通检波 b）相敏检波）相敏检波1理想理想特性曲线特性曲线 2实际实际特性曲线特性曲线 E0零点残余电压零点残余电压 x0位移的不灵敏区位移的不灵敏区具有中央零位的指示仪表11/30/202230实测得到的实测得到的 相敏检波电路相敏检波电路的特性曲线的特性曲线 通过调零电通过调零电路路，可使输出可使输出曲线平移到原曲线平移到原点的上下点的上下。衔铁位移时的实验数据及曲线衔铁位移时的实验数据及曲线麻点是微小的干扰麻点是微小的干扰（也称为（也称为噪声噪声）“之之”字形曲线字形曲线是是正向与反向正向与反向的的“迟滞特性迟滞特性”11/30/202231二、差动变压器式位移传感器二、差动变压器式位移传感器 复习电工知识：复习电工知识：全波全波整流电路整流电路中用到的中用到的“单相变压器单相变压器”有有一个一次一个一次绕组绕组，有，有两个二次绕组两个二次绕组。当一次线圈加上交流激磁电压当一次线圈加上交流激磁电压Ui后，将在两个二次后，将在两个二次线圈中产生感应电动势线圈中产生感应电动势E2a2a、E2b2b。在全波整流电路中，。在全波整流电路中，两个二次绕组正向串联两个二次绕组正向串联。11/30/202232普通的全波整流变压器接线普通的全波整流变压器接线两个二次侧绕组两个二次侧绕组同向串联同向串联（第一个绕组的尾端与第一个绕组的尾端与第二个绕组的首端相连第二个绕组的首端相连），），串联后的输出电压等于串联后的输出电压等于两个绕组电压之和两个绕组电压之和。11/30/202233普通整流用的普通整流用的变压器的两个变压器的两个二次绕组二次绕组N21、N22的有关端点按的有关端点按全波整流电路全波整流电路的的连接（头尾连接）连接（头尾连接）Uo10V10V=20V接地接地11/30/202234差动变压器式传感器的工作原理差动变压器式传感器的工作原理 差动变压器是把差动变压器是把被测位移量被测位移量转换为一次线圈与二次绕转换为一次线圈与二次绕组间的组间的互感量互感量M的变化的变化的装置。由于两个二次线圈采用的装置。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器。差动接法，故称为差动变压器。目前目前应用应用最广泛的结最广泛的结构型式是螺构型式是螺线管式线管式差动差动变压器。变压器。11/30/202235差动变压器式传感器的结构差动变压器式传感器的结构 在差动变压器的线框上绕有一个在差动变压器的线框上绕有一个输入绕组（称一次绕输入绕组（称一次绕组）组）；在同一线框的上端和下端再绕制两个完全对称的在同一线框的上端和下端再绕制两个完全对称的绕组绕组（称二次线圈称二次线圈），它们），它们反向串联反向串联（输出电压相互抵输出电压相互抵消消），），组成差动输出形式组成差动输出形式。图。图中标有黑点的一端称为同中标有黑点的一端称为同名端名端，通俗的说法是指，通俗的说法是指绕组的绕组的“头头”。11/30/202236差动变压器式传感器的等效电路及接线差动变压器式传感器的等效电路及接线 结构特点：结构特点：两个二次绕组两个二次绕组反向串联，组成反向串联，组成差动输出形式。差动输出形式。请将二次绕组请将二次绕组N21、N22的有关的有关端点正确地连接端点正确地连接起来，并指出哪起来，并指出哪两个为输出端点。两个为输出端点。差动接法的输出电压为差动接法的输出电压为uo=u21-u2211/30/202237差动变压器的输出波形差动变压器的输出波形.11/30/202238差动变压器的输出特性差动变压器的输出特性1理想输出特性理想输出特性 2非相敏检波实际输出特性非相敏检波实际输出特性 3相敏检波实际输出特性相敏检波实际输出特性 x0位移的不灵敏区位移的不灵敏区图图9-10 差动变压差动变压器的三种状态器的三种状态(放大图见后页放大图见后页)11/30/202239差动变压器式传感器的工作原理分析差动变压器式传感器的工作原理分析 1）当衔铁处于中间位置时，）当衔铁处于中间位置时，M1=M2=M0，所以，所以uo=0。2）当当衔衔铁铁偏偏离离中中间间位位置置向向左左移移动动时时，N1与与N21之之间间的的互互感感量量M1减减小小，所所以以u21减减小小；与与此此同同时时，N1与与N22之之间间的的互互感感量量M2增增大大，u22增增大大，uo不不再再为为零零，输输出出电电压压与与激励源反相激励源反相。3）当衔铁偏离中间位置向右移动时当衔铁偏离中间位置向右移动时，输出电压与激输出电压与激励源同相励源同相。与差动电感相似的原理，必须。与差动电感相似的原理，必须用相敏检波电用相敏检波电路才能判断衔铁位移的方向路才能判断衔铁位移的方向。放大图放大图11/30/2022402主要性能主要性能 差动变压器的灵敏度一般可达差动变压器的灵敏度一般可达10mV/(mmV)，行程，行程越小，灵敏度越高。越小，灵敏度越高。为了提高灵敏度，励磁电压不超过为了提高灵敏度，励磁电压不超过10V为宜。电源频为宜。电源频率以率以110kHz为好。为好。差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右左右。例例：欲测量：欲测量120mm 2mm轴的直径误差，轴的直径误差，应选择线应选择线圈骨架长度圈骨架长度为多少的差动变压器（或电感传感器）为为多少的差动变压器（或电感传感器）为宜宜？（注：（注：x=4mm）解解 如果差动变压器的衔铁已经正确调零，处于传感器如果差动变压器的衔铁已经正确调零，处于传感器线圈的中央位置，则输出电压与轴的长度线圈的中央位置，则输出电压与轴的长度（120mm）无关。）无关。仅与仅与 2mm轴的直径误差有关。轴的直径误差有关。传感器的衔铁的位移量大约为传感器的衔铁的位移量大约为x=4mm，可以选择，可以选择线圈长度为最大位移量的线圈长度为最大位移量的10倍的倍的400mm的传感器。的传感器。11/30/2022413.差动变压器的差动整流测量电路差动变压器的差动整流测量电路差动变压器的二次电压差动变压器的二次电压u21、u22分别经分别经VD1VD4、VD5VD8组成的两个普通桥式电路整流，变成直流电组成的两个普通桥式电路整流，变成直流电压压Ua0和和Ub0。由于。由于Uao与与Ubo是反向串联是反向串联的，所以的，所以UC3=Uab=Ua0-Ub0。该。该电路是以两个桥路整流后的直流电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出电压之差作为输出,不涉及相位不涉及相位。RP是调零电位器。是调零电位器。图图9-12 差动整流电路差动整流电路11/30/202242图图9-12 差动整流电路（续）差动整流电路（续）11/30/202243工件直径工件直径D增大，衔增大，衔铁上移时的输出波形铁上移时的输出波形在第一象限在第一象限 3、4和和3、4组成低通滤波电路组成低通滤波电路，其其时间常数时间常数10T （T为激励源的周期为激励源的周期）Ua0Ub0,所以所以Uab 0输出直流电压为正值输出直流电压为正值11/30/202244工件直径工件直径D减小时减小时，衔铁下移时的输出波形衔铁下移时的输出波形在第四象限在第四象限,可以从输可以从输出电压的正负值来判断出电压的正负值来判断衔铁位移的方向衔铁位移的方向。当差动变压器采用差动整流测量电路时当差动变压器采用差动整流测量电路时,应恰当设置二次绕组的电压应恰当设置二次绕组的电压,使在衔铁最大使在衔铁最大位移时位移时,仍然能仍然能大于二极管的死区电压大于二极管的死区电压（0.5V）的）的10倍倍,才能克服二极管的才能克服二极管的正向非正向非线性的影响线性的影响,减小测量误差。减小测量误差。Ua0Ub0,所以所以Uab 0输出直流电压为负值输出直流电压为负值11/30/202245差动整流的特点差动整流的特点电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映位移的大不但可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。图图9-12中的中的RP是用来微调电路平衡是用来微调电路平衡的，的，VD1VD4、VD5VD8组成组成普通桥式整流电路普通桥式整流电路，3、4、3、4组成组成低通滤波电路低通滤波电路，1及及21、22、f、23组成组成差动减法放差动减法放大器大器，用于克服，用于克服a、b两点的两点的对地共模电压对地共模电压。11/30/202246线性差动变压器（线性差动变压器（LVDT）随着微电子技术的发展，随着微电子技术的发展，目前已能目前已能将差动整流电路将差动整流电路中的激励源、相敏或差动中的激励源、相敏或差动整流电路、信号放大电路、整流电路、信号放大电路、温度补偿电路等做成厚膜温度补偿电路等做成厚膜电路电路，装入差动变压器的，装入差动变压器的外壳（靠近电缆引出部位）外壳（靠近电缆引出部位）内。内。输出信号可设计成符合输出信号可设计成符合国家标准的国家标准的1 15V5V或或4 420mA20mA，这种型式的差动变，这种型式的差动变压器称为压器称为线性差动变压器线性差动变压器。11/30/202247任务二任务二 电感式位移传感器测量小位移电感式位移传感器测量小位移一、电感式测微器一、电感式测微器 轴向式轴向式电感测微电感测微器的外形器的外形 高可靠性高可靠性航空插头航空插头耐磨耐磨红宝石测头红宝石测头11/30/202248其他电感测微器其他电感测微器a）测微器结构（见后页）测微器结构（见后页）b)模拟指针式测微仪外形模拟指针式测微仪外形 c）数字式测微仪外形）数字式测微仪外形 d）测微器在工件直径测）测微器在工件直径测量中的使用量中的使用1引线电缆引线电缆 2固定磁固定磁筒筒 3衔铁衔铁 4线圈线圈 5恢复弹簧恢复弹簧 6防转销防转销 7钢球导轨钢球导轨（直线轴承）（直线轴承）8测杆测杆 9密封套密封套 10测端测端 11被测工件被测工件 12基准面基准面11/30/202249电感测微器放大图电感测微器放大图11/30/202250表表9-2 DX1数显电感式测微仪的数显电感式测微仪的主要技术指标主要技术指标模拟式档模拟式档位位第第一一档档第第二二档档第第三三档档第第四四档档第第五五档档测量范围测量范围/m31030100300分辨力分辨力/m0.10.51510示值误差示值误差/m0.060.250.52.55长时间稳长时间稳定性定性/m(4h)-10.1（3m档，预热档，预热15min）温度特性温度特性1个字每个字每10输出电压输出电压/V满量程满量程DC 5电源电源/VAC22010，50Hz11/30/202251模拟式及模拟式及数字式数字式电感测微仪电感测微仪比较比较11/30/202252轴向式电感测微器特性轴向式电感测微器特性量程量程3m时的绝对误差时的绝对误差：0.1m长时间稳定性：长时间稳定性：0.1m/4h（预热预热15min后，后，3m档。）档。）温度特性：温度特性：1分度值分度值/10电源电压：电源电压：17V25V的的范围内变化时，对示值范围内变化时，对示值的影响的影响1/7满度值。满度值。11/30/202253差动变压器式厚度测量原理差动变压器式厚度测量原理 11/30/202254差动变压器式布匹张力控制差动变压器式布匹张力控制当当卷取辊转动太快卷取辊转动太快时，时，布料的张力将增大布料的张力将增大，导致张力导致张力辊向上位移辊向上位移，使差动变压器的衔铁不再处于中间位置。，使差动变压器的衔铁不再处于中间位置。N21与与N1之间的互感量之间的互感量M1减小减小，N22与与N1的互感量的互感量M2增大增大，因此因此U21减小减小，U22增大增大，经差动整流之后经差动整流之后，Uo2为负值为负值，去控制伺服电动机，去控制伺服电动机，使它的转速变慢使它的转速变慢，从而，从而使张力恒定使张力恒定。11/30/202255差动变压器式布匹张力控制差动变压器式布匹张力控制（放大图放大图）11/30/202256二、电感式不圆度计二、电感式不圆度计 采用采用旁向式电感测微头旁向式电感测微头11/30/202257电感式不圆度测试系统电感式不圆度测试系统旁向式电感测微头旁向式电感测微头11/30/202258电感式不圆度测量系统电感式不圆度测量系统旋转盘旋转盘测量头测量头图图9-14 11/30/202259不圆度测量显示和打印图不圆度测量显示和打印图11/30/202260三、电感传感器式工件截面轮廓仪三、电感传感器式工件截面轮廓仪 旁向式旁向式电感电感 测微头测微头11/30/202261工件或管型产品的管壁厚度的测量工件或管型产品的管壁厚度的测量11/30/202262皮带厚度的测量（双传感器叠加法）皮带厚度的测量（双传感器叠加法）上下传感器的位移量相加上下传感器的位移量相加，可以，可以克服皮带的自然克服皮带的自然下垂下垂以及以及松紧程度松紧程度引起的误差。引起的误差。11/30/202263图图9-159-15 电感式工件表面轮廓测量仪原理图电感式工件表面轮廓测量仪原理图11/30/202264图图9-159-15 电感式工件表面轮廓测量波形图电感式工件表面轮廓测量波形图11/30/202265纳米扫描隧道电极纳米扫描隧道电极一根一根钨丝探针慢慢钨丝探针慢慢地通过被分析的材料地通过被分析的材料。针尖极为尖锐（仅由针尖极为尖锐（仅由一个原子组成）一个原子组成）。一个一个定量的电荷被定量的电荷被逐次放置在探针上逐次放置在探针上。电流从探针流出，通电流从探针流出，通过材料的表面，到达过材料的表面，到达底层。底层。由于材料的轮由于材料的轮廓高度不同，流过探廓高度不同，流过探针的电流量也有所不针的电流量也有所不同同，便极其细致地探，便极其细致地探出材料表面的轮廓。出材料表面的轮廓。11/30/202266项目二项目二 涡流式小位移传感器涡流式小位移传感器【项目教学目标】【项目教学目标】知识目标知识目标了解位移传感器的标定方法。了解位移传感器的标定方法。技能目标技能目标掌握涡流式小位移传感器测量转速的原理。掌握涡流式小位移传感器测量转速的原理。回目录回目录現在時間現在時間是：是：23:3123:3111/30/202267任务一任务一 涡流式位移传感器测量小位移涡流式位移传感器测量小位移一、轴向位移的监测一、轴向位移的监测图图9-16 汽轮机主轴轴向位移的监测汽轮机主轴轴向位移的监测1旋转设备（汽轮机）旋转设备（汽轮机）2主轴主轴 3刚性联轴器刚性联轴器 4涡流式位移传感器探头涡流式位移传感器探头 5夹紧螺母夹紧螺母 6涡流式传感器支架涡流式传感器支架 7发电机发电机 8基座基座11/30/202268汽轮机主轴轴向位移的监测原理汽轮机主轴轴向位移的监测原理在汽轮机停机时，将涡流式位移传感器探头安装在基在汽轮机停机时，将涡流式位移传感器探头安装在基座上座上，探头的端面被调整到距离联轴器端面探头的端面被调整到距离联轴器端面2mm的位置的位置，再调节二次仪表使示值为零再调节二次仪表使示值为零，并，并设置二次仪表的报警值设置二次仪表的报警值。当汽轮机启动后，由于轴向推力导致联轴器端面与传感当汽轮机启动后，由于轴向推力导致联轴器端面与传感器端面的距离减小器端面的距离减小，二次仪表的输出电压从零开始增大二次仪表的输出电压从零开始增大。若位移量达到危险值（例如：若位移量达到危险值（例如：0.9mm）时，二次仪表发）时，二次仪表发出报警信号出报警信号；当位移量达到；当位移量达到1.2mm时，发出停机信号，时，发出停机信号，以以避免叶片摩擦、碰撞事故的发生避免叶片摩擦、碰撞事故的发生。11/30/202269二、转速测量二、转速测量做圆周运动的物体做圆周运动的物体单位时间内单位时间内绕圆心转过的绕圆心转过的圈数圈数称为称为转速转速。转速的单位是转每秒（。转速的单位是转每秒（r/s），或转每分），或转每分（r/min）。）。11/30/202270涡流式转速测量方法涡流式转速测量方法若若旋旋转转体体转转轴轴上上有有z个个槽槽（或或齿齿），微微处处理理器器计计算算得得到到的的输输入入脉脉冲冲频频率率为为f（单单位位为为Hz），则则转转轴轴的的转转速速n（单位为（单位为r/min）为：）为：n=60 f/z （9-3）a）带有）带有凹槽的转凹槽的转轴及输出轴及输出波形波形 b）带有）带有凸起的转凸起的转轴及输出轴及输出波形波形图图9-171传感器传感器 2被测物被测物11/30/202271例例9-19-1 用用图图9-17b(z改为改为12)中的涡流式位移传感器测得中的涡流式位移传感器测得脉冲的周期脉冲的周期T=20ms，求：转轴的转速，求：转轴的转速n为多少转每分钟为多少转每分钟？解解 f =1/T=1/0.02s=50Hz。n=60 f/z=60(50/12)r/min=250 r/min。11/30/202272任务二任务二 涡流式位移传感器的静态标定涡流式位移传感器的静态标定一、传感器标定的概念一、传感器标定的概念1传感器的静态标定与动态标定传感器的静态标定与动态标定通过静态标定可以获取传感器的通过静态标定可以获取传感器的静态模型静态模型，并研究和，并研究和分析其静态特性；分析其静态特性；动态标定：建立传感器动态模型，过程比静态标定的动态标定：建立传感器动态模型，过程比静态标定的过程复杂得多。必须进行快速、逐点测量过程复杂得多。必须进行快速、逐点测量。静态标定主要作用是：静态标定主要作用是：确定仪器或测量系统的输入确定仪器或测量系统的输入/输出关系，赋予传感器分度值输出关系，赋予传感器分度值；确定仪器或测量系确定仪器或测量系统的静态特性指标统的静态特性指标；减小系统误差减小系统误差。静态标定必须在传感器的静态标定必须在传感器的若干个输入点（至少为：零若干个输入点（至少为：零点点0，25%，50%。75%，满量程等），满量程等）进行，检验被标进行，检验被标定传感器是否在允许的准确度范围内。定传感器是否在允许的准确度范围内。11/30/202273静态标定的场合与方法静态标定的场合与方法2需要进行静态标定的场合需要进行静态标定的场合新产品试制时新产品试制时；传感器定型生产前传感器定型生产前；改变传感改变传感器的生产工艺后器的生产工艺后；传感器在重要场合使用一段时间，传感器在重要场合使用一段时间，到达设定的周期后到达设定的周期后。3静态标定的基本方法静态标定的基本方法标定设备的综合准确度标定设备的综合准确度应比被标定的传感器等级高出应比被标定的传感器等级高出一个（或以上）等级一个（或以上）等级。首先应对标定的传感器进行振动首先应对标定的传感器进行振动和循环升温、降温老化处理和循环升温、降温老化处理。标定系统包括标准给定装。标定系统包括标准给定装置、标准传感器和被标定传感器，以及计算机系统等。置、标准传感器和被标定传感器，以及计算机系统等。图图9-1811/30/202274二、涡流式位移传感器的标定二、涡流式位移传感器的标定标准位移给定装置可根据被标定传感器的准确度高标准位移给定装置可根据被标定传感器的准确度高低，选用以下仪表来进行标定：低，选用以下仪表来进行标定：激光测长仪激光测长仪、万能光万能光学测长仪学测长仪、阿贝比较仪阿贝比较仪、千分表千分表、千分尺千分尺等。等。动态标定需要使用机械振动台或液压振动台。指示动态标定需要使用机械振动台或液压振动台。指示仪器通常用高速数字电压表、示波器或其他动态记录仪器通常用高速数字电压表、示波器或其他动态记录设备。设备。涡流式位移传感器的静态标定环境涡流式位移传感器的静态标定环境：静态、室温：静态、室温（202）、相对湿度应小于、相对湿度应小于85%、大气压为、大气压为（76060）mmHg。11/30/202275例例9-29-2 被标定的涡流式位移传感器探头被标定的涡流式位移传感器探头直径直径11mm。传感器的主要技术指标：传感器的主要技术指标：量程范围量程范