位移的测量精选课件.ppt

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1、关于位移的测量关于位移的测量第一页，本课件共有36页4 41 1概述概述l位移测量是线位移和角位移测量的统称。实际上就是长度和角度的测量。位移是矢量。它表示物体上某一点在两个不同瞬间的位置变化。因而对位长移的度量，应使测量方向与位移方向重合，这样才能真实地测量出位移量的大小。l位移测量在工程中应用很广。这不仅因为机械工程中以常要求精确地测量零部件的位移、位置和尺寸，而且许多机械量的测量往往可以先通过适当地转换变成为位移的测试，然后再换算成相应的被物理量。例如，在对力、扭矩、速度、加速度、温度、流量等参数的测量中，常 常采用这种方法。第二页，本课件共有36页l位移测量包括长度、厚度、高度、距离、

2、物位、镀层厚度、表面粗糙、角度等的测量。l能够测量位移的传感器很多，参见表1.5。除表中所列的传感器外，近年来各种新型传感器，如光导纤维传感器、电荷耦合器伯（CCD）传感器等均发展十分迅速，给位移的测量提供了不少新的方法。第三页，本课件共有36页4 42 2常用位移传感器及测量电路常用位移传感器及测量电路l421电感式传感器l电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感量的改变这一物理现象来实现测量的。l根据转换原理不同，电感式传感器可分为自感式和互感式两大类。l人们习惯上讲的电感式传感器通常是指自感式传感器。l而互感式传感器由于它是利用变压器原理，又往往做成差动式，故常称为差动变压器传感

3、器。第四页，本课件共有36页l4.2.1.1自感式传感器l（1）自感式传感器原理l由电工学磁路知识可知，线圈的自感量为l式中，N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻（H-1）。l由于自感式电感传感器中铁心和衔铁的磁阻比空气隙磁阻小很多，因此铁心和衔铁的磁阻可忽略不计，磁路总磁阻Rm近似空气隙磁阻，即l式中，为空气隙厚度；A为空气气隙的有效截面积；为真空磁导率，与空气的磁导率 第五页，本课件共有36页l相近。因此电感线圈的电感量为l此式表明，当被测量使、A或发和变化时，都会引起电感L的变化，如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，电感量即为该参数的单一函数。由此，电感传感器可人灵变隙型、变面积型

4、和螺管型三种类型，如图4.1所示。第六页，本课件共有36页l1)变隙型电感传感器变隙型电感传感器 l灵敏度为l灵敏度S1与空气隙厚度的平方成反比，越小，灵敏度越高。为了保证一定的线性度，变隙型电感传感器只能在较小间隙范围内工作，因而只能用一直于微小位移的测量，一般约为 0.001mm1mm。第七页，本课件共有36页l2）变面积型电感传感器）变面积型电感传感器 l其结构示意图如图4.1b所示。灵敏度为一常数。l由于漏感等原因，变面积型电感传感器在A=0时，仍有一定的电感，所以其线性区较小，而且灵敏度较低。第八页，本课件共有36页l3）螺管型电感传感器）螺管型电感传感器 l螺管型电感传感器的结构如

5、图4.1c所示。线圈电感量的大小与衔好的线性关系。螺管型电感传感器适用于测量比较大的位移。第九页，本课件共有36页l4）差动式电感传感器）差动式电感传感器l 以上三种电感传感器使用时，由于线圈中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起振动及附加误差，而且非线性误差较大；另外，外界的干扰如电源电压频率的变化，温度的变化都使输出产生误差。所以，在实际工作中常采用两个相同的传感器线圈共用一个衔铁，构成差动式电感传感器，这样可以提高传感器的灵敏度，减少测量误差。l差动式电感传感器的结构如图4.2所示。两个完全相同的单纯圈电感传感器共同一个活动衔铁就构成了差动式电感传感器。在变隙型差动电感传感

6、器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一具增加，一个减小，形成差动形式。在图 4.2a中，假设衔铁向上移动当满足时，则总的电感变化量为第十页，本课件共有36页l灵敏度为l l式中，L0为衔铁处于差动线圈中间位置时的初始电感量。l比较式（4.4）和（4.7）可以看出，差动式电感传感器灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。从图4.3也可以看出，差动式式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度较高。l采用差动结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以互相低消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。所以，实用的电感传感器几乎

7、全是差动的。第十一页，本课件共有36页l（2）电感传感器的测量电路l电感传感器可以通过交流电桥将线圈电感的变化转换成电压或电流信号输出。但是，为了判别衔铁位移的方向，测量电路一般采用带相敏整流的交流电桥，如图4.4所示。l图中，电桥的两个臂 Z1、Z2分别为差动式传感器中的电感线圈，另两个臂为平衡阻抗Z3、Z4（Z3=Z4=Z0），VD1、VD2、VD3、VD4四只二极管组成相敏整流器，激励交流电压加在A、B两点之间，输出直流电压U0由C、D两点输出，测量仪表可以是零刻度居中的直流电压表或数字电压表。l当衔铁处于中间位置时，传感器两上差动线圈的阻抗Z1=Z2=Z0，电桥处于平衡状态，C点电位等

8、于D点电位，电表指示为零。第十二页，本课件共有36页l当衔铁向一边移动时，传感器两个差动线圈的阻抗发生变化，当衔铁上移时，上部线圈阻抗增大，Z1=Z0+，下部线圈阻抗减少，Z2=Z0-。如果输入交流电压为正半周，则A点电位由于Z1增大而比平衡时的C点电位降低；而在AECB支路中，C点电位由于Z1增大而比平衡时的C点电位降低；而在AFDB去路中，D点电位由于Z2减少而比平衡时的D点电位增高，所以D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。第十三页，本课件共有36页l如果输入交流电压为负半周，则A点电位为负，B点电位为正，二极管VD2、VD3导通，VD1、VD4截止，在AECB支路中，C点电位由于Z

9、2减少而比平衡时的C点电位降低；而在AFDB支路中，D 点位由于Z1增大而比平衡时的D点电位增高，所以仍然是D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。l同样可以得出结论：当衔铁下移时，电压表总是反向偏转，输出为负。l由此可见，采用带相敏整流的交流电桥，输出电压既能反映位移量的大小，又能反映位移的方向，所以应用较为广泛。第十四页，本课件共有36页4.1.1.24.1.1.2差动变压器式传感器差动变压器式传感器l（1）差动变压器式传感器原理l差动变压器传感器是互感式传感器。其工作原理是把被测量的变化转换成线圈间的互感变化。传感器本身相当于一具互感系数可变的变压器。当一次线圈接入激励电源后，二次线圈

10、变将产生感应电动势。当互感变化时，感应电动势也相应变化。由于在使用时采用两个二次线圈反向串联，以差动方式输出，故称为差动变压器式传感器，通常简称差动变压器。第十五页，本课件共有36页l差动变压器工作在理想情况（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等的影响），它的等效电路如图4.6所示。l图中为一次线圈激励电压；M1、M2分别为一次线圈与两个二次线圈间的互感；L1、R1分别为一次线圈的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次线圈的电感；R21、R22分别为两个二次线圈的有效电阻。第十六页，本课件共有36页l对于差分变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次线圈互感相同，因而由一次线圈激励引起的感应电

11、动势相同。由于两个二次线圈反向串接，所以差动输出电压 为零。当衔铁移向二次线圈L21一边，这时互感M1大M2小，因而二次线圈L21内感应电动势大于二次线圈L22内感应电动势，这时输出电压 不为零。在传感器的量程内，衔铁移动越大，差动输出 就越大。第十七页，本课件共有36页l同样道理，当衔铁向二次线圈L22一边移动时，差动输出电压 也不为零，但由于移动方向改变，所以输出电压 反相。l因此，差动变压器输出电压 的大小和相位可以反应衔铁位移量的大小和方向。输出电压的有效值为l上式表明，当激励电压的幅值U1和角频率、一次线圈的有效电阻R1及电感L1为定值时，差动变压器输出电压的幅值U0与互感的变化量成

12、正比。l而且在衔铁上移或下移量相等时，输出电压幅值相同，但相位相差180。第十八页，本课件共有36页l差动变压器的输出特性曲线如图4.7a 所示。l图中U0为差动输出电压，表示衔铁偏离中心位置的距离。lUr为零点残余电压，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。第十九页，本课件共有36页（2 2）差动变压器式传感器的测量电路）差动变压器式传感器的测量电路l差动变压器的输出电压是交流分量，它与衔铁位移成正比，其输出电压如用交流电压表来测量时存在下述问题：总有残余电压输出，因而零点附近的小位移测量困难。无法判断衔铁移动的方向。为此，常采用相敏检波电路和差动整流电路来处理。l相敏

13、检波电路由变压器T1和T2以及接成环形的四个半导体二极管组成。差动变压器输出电压经过交流放大器放大后变为，从1、2端输入；参考电压由振荡器供给，通过3、4端输入；检波后的信号从5、6端输出。与频率相同，相位相同或相反，用它作为辩别极性的标准。一般情况下，的幅值应为幅值的35倍。第二十页，本课件共有36页l假设衔铁上移，放大器的输出与同相。在正半周，如图4.9a 所示，VD1、VD2导通，其内阻很小，变压器T1二次线圈上半个绕组等于直接接在电表的5、6端，流过电表的电流方向为从5到6；在负半周，VD3、VD4导通，变压器T1二次线圈下半个绕组直接接在电表的5、6端，流过电表的电流方向仍然为从5到

14、6（图4.9b）。l衔铁下移时，变压器输出电压相位与上移时相差180。放大器的输出与反相。在正半周，如图4.9c所示，VD1、VD2导通，流过电表的电流方向为从6到5；在负半周，VD3、VD4导通，流过电表的电流方向仍然为从6到5（图4.9d）。l由以上分析可知，相敏检波电路输出电压的变化规律，既反映了位移量的大小，又反映了位移的方向，其输出特性曲线如图4.7b所示。各点电压的波形如图4.10所示。第二十一页，本课件共有36页第二十二页，本课件共有36页4.2.2涡流式传感器涡流式传感器l涡流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的涡流效应。l当金属导体置于变化的磁场中或是在磁场中运动时，

15、金属表面将产生感应电流，这种电流在金属导体内是自己闭合的，称为电涡流或涡流。第二十三页，本课件共有36页l(1)涡流式传感器原理l涡流式传感器完整地看，是由一个传感器线圈加上被测金属导体组成的。l一个传感器线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流时，线圈周围就产生一个交变磁场H1。l置于该磁场中的金属导体就产生涡流，涡流敢将产生新个新磁场H2、H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。第二十四页，本课件共有36页l线圈的阻抗变化与金属导体的电导率、磁导率、厚度t以及线圈与金属导体的距离、线圈的几何参数r、线圈激磁电流的角频率等参数有关。l涡流式传感器工作时的总等效

16、阻抗是以上各参数的函数，即第二十五页，本课件共有36页 金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流或涡流。这种现象就称为涡流效应。形成涡流必须具备下列两个条件：1.存在交变磁场；2.导电体处于交变磁场中;3.被检对象必须是磁导体。第二十六页，本课件共有36页l涡流式位移传感器可用来测量两类参数：一类是位移、厚度、振动幅、压力和转速度参数；另一类是与被测对象材料导电、导磁性能有关的参量，如电导率、磁导率、温度、硬度、材质、裂纹和缺陷等。l涡流式传感器的工作对象必须是金属导体，且表面应光滑，为充分利用涡流效应，对于平板型的被测物体，如图

17、 4.13a所示，要求D1.8d；当被测物体为曲面型的圆柱体时，如图4.13b所示，则要求D3.5d倍，否则将导致灵敏度降低。第二十七页，本课件共有36页(2)涡流式传感器的测量电路涡流式传感器的测量电路l涡流传感器的测量转换电路有电桥法和谐振法。l谐振法是利用谐振回路，将传感器线圈的等效电感的变化转换为电压或电流的变化。l传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回路，其谐振频率为l且谐振时回路的等效阻抗最大，等于l式中，回路的等效损耗电阻第二十八页，本课件共有36页l当电感L发生变化时，回路的等效阻抗和谐振频率都将随L的变化而变化，因此可以利用测量回路阻抗的方法或测量回路谐振频率的方法间接测出传

18、感器的被测值。l谐振法主要有调幅式电路和调频式电路两种基本形式。调幅式由于采用了石英晶体振荡器，因此稳定性较高，而调频式结构简单，便于遥测和数字显示。图4.14为调幅式测量电路原理。第二十九页，本课件共有36页例1.谐振幅值电路第三十页，本课件共有36页2.2.电桥电路电桥电路第三十一页，本课件共有36页l由图中可以看出，LC谐振回路由一个频率及幅值稳定的晶体振荡器提供一个高频信号激励谐振回路。LC回路的输出电压为l试验证明，此电路有如图4.15所示的特性曲线，它在相当宽的范围内近似于一条直线，可看作是传感器的工作线段。l涡流式位移传感器的输出u(t)的频率虽然仍是振荡器的工作频率，但其幅值却

19、随线圈与被测金属材料的距离的改变的变化，相当于一个调幅波。l此调幅波经入大、检波和滤波后，既可得到位移量的动态变化信息。第三十二页，本课件共有36页(3)实用仪器举例l涡流传感器的结构是一个固定在框架上的扁平线圈，又称涡流探头。l线圈粘贴在框架的端部，也可以绕在框架端部的槽内。框架一般选用聚四氟乙稀、高频陶瓷、环氧玻璃纤维等材料制成。l图 4.16所示为CZF-1型涡流传感器的结构图，其性能如表4.1所示。由表 4 可知，涡流式传感器的线圈外径越大，线性范围也越大，但灵敏度也越低。l理论推导和实践都证明，细而长的线圈灵敏度，线性范围小；扁平线圈则相反。第三十三页，本课件共有36页安装涡流传感器

20、时，应注意以下问题：安装涡流传感器时，应注意以下问题：l被测对象的表面与传感器敏感部分表面安装时应平行。l用涡流传感器测量位移量，是对被测对象表面到传感器部分表面之间距离的平均值进行测量，所以两个表面之间即使有15的倾斜也问题不大。l由于涡流传感器是面测量而不是点测量，所以在测量凹凸不平的对象时，传感器输出的位移值，是传感器敏感部分直径范围内的平均值。第三十四页，本课件共有36页l当两个以上的涡流传感器并排使用时，它们之间的距离不能小于传感器的直径d，否则要相互影响。l当涡流传感器必须安装到金属内进行测量时，最好能车一个如图4.17a所示的圆槽，至少也要按图4.17b所示的要求去做。第三十五页，本课件共有36页08.12.2022感感谢谢大大家家观观看看第三十六页，本课件共有36页