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机、电类传感器与检测技术项目教程模块九、小位移检测 课件统一书号：ISBN 978-7-111-48817-0课程配套网站或 2015年2月第1版,（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）,2023/6/22,2,模块九、小位移检测 内容简介,简要介绍“位移检测的基本概念”、“电感式小位移传感器”、“涡流式小位移传感器”、“接近开关”等知识，对轴承滚柱直径的检测及分选也作了介绍。,現在時間是：07:11,模块九、小位移检测（上）目录,知识链接 位移检测的基本概念项目一、电感式小位移传感器项目二、涡流式小位移传感器项目三、接近开关拓展阅读 轴承滚柱直径的检测及分选,現在時間是：07:11,知识链接 小位移检测的基本概念,位移是表示物体位置变化的物理量。可分为：直线位移检测和角位移检测。直线位移是指质点由初位置到末位置的有向线段。大小与路径无关，方向由起点指向终点（属于矢量）。直线位移的单位为米（m），此外还有毫米（mm）、千米（km）等。角位移是描述物体转动时位置变化的物理量。通常是指：任意一线段（或平面）由原始位置到新位置转过的角度。单位为弧度（rad），此外还有度（）、分（）、秒（）等。1rad=360/(2)。,位移的分类,位移传感器按输出信号的类型可分为模拟式位移传感器和数字式位移传感器两类。小位移检测的范围大都小于200mm。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器来检测。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，工件的长度、厚度、高度、距离、物位、角度、表面粗糙度等。大位移检测范围可达100m，具体方法见模块十。大多数大位移传感器属于数字式位移传感器。,表9-1 常用小位移传感器的分类及特点,项目一 电感式小位移传感器,【项目教学目标】知识目标1）了解电感式小位移传感器的基本工作原理。2）掌握差动整流电路。技能目标熟悉电感式位移传感器的安装与应用。,任务一 认识自感式传感器与差动变压器,利用电感式传感器能对位移以及与位移有关的工件尺寸等参数进行测量。电感式传感器具有分辨力高（0.1m）等优点。主要缺点是机械惯性大，响应慢，不适用于快速动态测量。电感式传感器的分辨力与测量范围有关，测量范围越大，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。人们习惯上讲的电感式传感器通常是指自感式传感器；而互感式传感器是利用变压器原理，通常做成差动式，故称为差动变压器式传感器，以下简称差动变压器。,电感传感器的基本工作原理演示,F,220V,准备工作,电感传感器的基本工作原理演示,电感线圈的气隙减小，电感变大，流过线圈的电流变小。,F,自感式电感传感器常见的形式,图9-2 电感式位移传感器的结构a）变气隙式 b）变面积式 c）螺线管式1线圈 2铁心 3衔铁 4测杆 5导轨 6工件 7转轴,1.变气隙电感式传感器,当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感L及感抗XL 较小，所以电流I 较大。当铁心闭合时，气隙变小，磁阻变小，电感L变大，电流 I 减小。,减小铁心与衔铁之间的有效投影面积，在较小的范围内，电感成比例减小。,变气隙电感式传感器的特性近似双曲线,变面积式电感传感器的理论特性为线性,1绕组 2 铁心 3 衔铁,2.变面积电感式传感器,也称“变截面式”电感传感器。必须保持气隙固定不变，电感L是衔铁与固定铁心之间的有效投影截面积A的函数。,衔铁上下移动，导致衔铁与铁心的有效投影面积变大，电感也变大。,A,有效投影面积,电感传感器的输出特性,图9-3 电感式位移传感器的特性曲线a）L-特性曲线 b）L-A特性曲线1实际输出特性 2理想输出特性,3.螺线管式电感传感器,螺线管是具有多重卷绕的导线，卷绕内部可以是空心的，或者有一个磁芯。当有电流通过导线时，螺线管中间部位会产生比较均匀的磁场。作为传感器，螺线管电感传感器的主要元器件是一只螺线管和一根可移动的圆柱形衔铁。衔铁插入绕组后，将引起螺线管内部的磁阻的减小，电感随插入的深度而增大。,空心螺线管,x,螺线管式电感传感器的线性区,对于长螺线管（l r），当衔铁工作在螺线管接近中部位置时，可以认为绕组内磁场强度是均匀的，此时绕组的电感量L与衔铁插入深度大致成正比。螺线管越长，线性区就越大。螺线管式电感传感器的线性区约为螺线管长度的1/10。测杆应选用非导磁材料，电导率也应尽量小，以减小铁磁损耗和涡流损耗。例：采用螺线管电感传感器测量直径为100mm的工件是否合格，被测工件的最大允许误差为 1.5mm，求：应选长度大于多少毫米的螺线管？解 D=21.5mm=3mm，则螺线管长度为：l 3mm10倍=30mm（不包括外壳）。,电感传感器的灵敏度,1绕组 3可动衔铁 4测杆 6被测工件,采取以下措施可以提高电感灵敏度：在绕组不致过热的情况下，可适当提高励磁电压，但以不超过10V为宜；激励源电源频率以(110)kHz为好。如果频率太低，感抗较小，激励电流较大；频率太高，衔铁的磁滞损耗加大，分布电容也将引起绕组的Q值下降；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材料，例如铁氧体、非晶铁磁材料等。,当衔铁偏离中间位置时，两个绕组的电感一个增加,一个减小,形成差动形式。,4.差动电感传感器,a)变隙式差动传感器b)螺线管差动传感器1上差动绕组 2铁心 3衔铁 4下差动绕组 5测杆 6工件 7基座,图9-4 差动电感式位移传感器,由于两个绕组的结构完全对称，电磁吸力以及温漂大部分相互抵消。,差动电感传感器动作演示,差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。,差动式电感传感器的特点,线性度改善，灵敏度是非差动的2倍。,差动电感传感器的特性,图9-5 差动线圈与单线圈变气隙电感式位移传感器的特性比较1上绕组特性 2下绕组特性 3L1、L2差接后的特性,从输出/输入特性曲线图可以看出，与非差动电感传感器相比较，差动式电感传感器的特性曲线的斜率变大，灵敏度提高；输出曲线变直，线性度改善。,5.电感传感器的测量转换电路,图9-6 差动电感式传感器的交流电桥电路1衔铁的位移曲线 2激励源波形,5.电感传感器的测量转换电路,图9-6（续）3交流电桥的输出波形4普通检波后的直流平均值5相敏检波后的直流平均值t0衔铁上下位移到达差动螺线管绕组中间位置的时刻e0零点残余电压的瞬时值 E0零点残余电压的平均值,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。但若仅采用电桥电路配以普通的检波电路，则只能判别位移的大小，却无法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，经过一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映幅值（位移的大小），还可以反映输出电压的相位（位移的方向）。这种检波电路称为相敏检波电路。,普通的整流电路及波形,只能得到单一方向的直流电，不能反映被整流信号的相位。,全波整流后,正负半周均变为正电压,检波用于信号转换；整流用于功率转换。,一种典型的相敏检波电路（有集成模块）,参考电压UR起相敏开关电路作用，并能克服检波二极管死区电压对小信号检波的影响。,相敏检波电路的输出波形比较,第1根信号波形为传感器输出电压us的波形，由被测物的低频振动所调制；第2根为参考电压UR的波形，（大于被测信号10倍以上）；第3根为相敏检波后的低频振动波形（解调信号)。,相敏检波输出特性与非相敏检波比较,图9-7 不同检波方式的输出特性曲线a）普通检波 b）相敏检波1理想特性曲线 2实际特性曲线 E0零点残余电压 x0位移的不灵敏区,具有中央零位的指示仪表,实测得到的 相敏检波电路的特性曲线,通过调零电路，可使输出曲线平移到原点的上下。,衔铁位移时的实验数据及曲线麻点是微小的干扰（也称为噪声）“之”字形曲线是正向与反向的“迟滞特性”,二、差动变压器式位移传感器,复习电工知识：全波整流电路中用到的“单相变压器”有一个一次绕组，有两个二次绕组。当一次线圈加上交流激磁电压Ui后，将在两个二次线圈中产生感应电动势E2a、E2b。在全波整流电路中，两个二次绕组正向串联。,普通的全波整流变压器接线,两个二次侧绕组同向串联（第一个绕组的尾端与第二个绕组的首端相连），串联后的输出电压等于两个绕组电压之和。,普通整流用的变压器的两个二次绕组N21、N22的有关端点按全波整流电路的连接（头尾连接）,Uo,10V,10V,=20V,接地,差动变压器式传感器的工作原理,差动变压器是把被测位移量转换为一次线圈与二次绕组间的互感量M的变化的装置。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器。,目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。,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输入绕组（称一次绕组）；在同一线框的上端和下端再绕制两个完全对称的绕组（称二次线圈），它们反向串联（输出电压相互抵消），组成差动输出形式。图中标有黑点的一端称为同名端，通俗的说法是指绕组的“头”。,差动变压器式传感器的等效电路及接线,结构特点：两个二次绕组反向串联，组成差动输出形式。,请将二次绕组N21、N22的有关端点正确地连接起来，并指出哪两个为输出端点。,差动接法的输出电压为uo=u21-u22,差动变压器的输出波形,.,差动变压器的输出特性,1理想输出特性 2非相敏检波实际输出特性 3相敏检波实际输出特性 x0位移的不灵敏区,图9-10 差动变压器的三种状态(放大图见后页),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，M1=M2=M0，所以uo=0。2）当衔铁偏离中间位置向左移动时，N1与N21之间的互感量M1减小，所以u21减小；与此同时，N1与N22之间的互感量M2增大，u22增大，uo不再为零，输出电压与激励源反相。3）当衔铁偏离中间位置向右移动时，输出电压与激励源同相。与差动电感相似的原理，必须用相敏检波电路才能判断衔铁位移的方向。,2主要性能,差动变压器的灵敏度一般可达10mV/(mmV)，行程越小，灵敏度越高。为了提高灵敏度，励磁电压不超过10V为宜。电源频率以110kHz为好。差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右。,例：欲测量120mm2mm轴的直径误差，应选择线圈骨架长度为多少的差动变压器（或电感传感器）为宜？（注：x=4mm）解 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（120mm）无关。仅与2mm轴的直径误差有关。传感器的衔铁的位移量大约为x=4mm，可以选择线圈长度为最大位移量的10倍的400mm的传感器。,3.差动变压器的差动整流测量电路,差动变压器的二次电压u21、u22分别经VD1VD4、VD5VD8组成的两个普通桥式电路整流，变成直流电压Ua0和Ub0。由于Uao与Ubo是反向串联的，所以UC3=Uab=Ua0-Ub0。该电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出,不涉及相位。RP是调零电位器。,图9-12 差动整流电路（续）,工件直径D增大，衔铁上移时的输出波形在第一象限,3、4和3、4组成低通滤波电路，其时间常数10T（T为激励源的周期）,Ua0Ub0,所以Uab 0,输出直流电压为正值,工件直径D减小时，衔铁下移时的输出波形在第四象限,可以从输出电压的正负值来判断衔铁位移的方向。,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,使在衔铁最大位移时,仍然能大于二极管的死区电压（0.5V）的10倍,才能克服二极管的正向非线性的影响,减小测量误差。,Ua0Ub0,所以Uab 0,输出直流电压为负值,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的，所以称为差动整流电路。它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。,图9-12中的RP是用来微调电路平衡的，VD1VD4、VD5VD8组成普通桥式整流电路，3、4、3、4组成低通滤波电路，,1及21、22、f、23组成差动减法放大器，用于克服a、b两点的对地共模电压。,线性差动变压器（LVDT）,随着微电子技术的发展，目前已能将差动整流电路中的激励源、相敏或差动整流电路、信号放大电路、温度补偿电路等做成厚膜电路，装入差动变压器的外壳（靠近电缆引出部位）内。输出信号可设计成符合国家标准的15V或420mA，这种型式的差动变压器称为线性差动变压器。,任务二 电感式位移传感器测量小位移,一、电感式测微器,轴向式电感测微器的外形,高可靠性航空插头,耐磨红宝石测头,其他电感测微器,a）测微器结构（见后页）b)模拟指针式测微仪外形 c）数字式测微仪外形 d）测微器在工件直径测量中的使用1引线电缆 2固定磁筒 3衔铁 4线圈 5恢复弹簧 6防转销 7钢球导轨（直线轴承）8测杆 9密封套 10测端 11被测工件 12基准面,电感测微器放大图,表9-2 DX1数显电感式测微仪的主要技术指标,模拟式及数字式电感测微仪比较,轴向式电感测微器特性,量程3m时的绝对误差：0.1m长时间稳定性：0.1m/4h（预热15min后，3m档。）温度特性：1分度值/10电源电压：17V25V的范围内变化时，对示值的影响1/7满度值。,差动变压器式厚度测量原理,2023/6/22,55,差动变压器式布匹张力控制,当卷取辊转动太快时，布料的张力将增大，导致张力辊向上位移，使差动变压器的衔铁不再处于中间位置。N21与N1之间的互感量M1减小，N22与N1的互感量M2增大，因此U21减小，U22增大，经差动整流之后，Uo2为负值，去控制伺服电动机，使它的转速变慢，从而使张力恒定。,2023/6/22,56,差动变压器式布匹张力控制（放大图）,二、电感式不圆度计,采用旁向式电感测微头,电感式不圆度测试系统,旁向式电感测微头,电感式不圆度测量系统,旋转盘,测量头,图9-14,不圆度测量显示和打印图,三、电感传感器式工件截面轮廓仪,旁向式电感 测微头,工件或管型产品的管壁厚度的测量,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，可以克服皮带的自然下垂以及松紧程度引起的误差。,图9-15 电感式工件表面轮廓测量仪原理图,图9-15 电感式工件表面轮廓测量波形图,纳米扫描隧道电极,一根钨丝探针慢慢地通过被分析的材料。针尖极为尖锐（仅由一个原子组成）。一个定量的电荷被逐次放置在探针上。电流从探针流出，通过材料的表面，到达底层。由于材料的轮廓高度不同，流过探针的电流量也有所不同，便极其细致地探出材料表面的轮廓。,项目二 涡流式小位移传感器,【项目教学目标】知识目标了解位移传感器的标定方法。技能目标掌握涡流式小位移传感器测量转速的原理。,現在時間是：07:11,任务一 涡流式位移传感器测量小位移,一、轴向位移的监测,图9-16 汽轮机主轴轴向位移的监测1旋转设备（汽轮机）2主轴 3刚性联轴器 4涡流式位移传感器探头 5夹紧螺母 6涡流式传感器支架 7发电机 8基座,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座上，探头的端面被调整到距离联轴器端面2mm的位置，再调节二次仪表使示值为零，并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器端面的距离减小，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：0.9mm）时，二次仪表发出报警信号；当位移量达到1.2mm时，发出停机信号，以避免叶片摩擦、碰撞事故的发生。,二、转速测量,做圆周运动的物体单位时间内绕圆心转过的圈数称为转速。转速的单位是转每秒（r/s），或转每分（r/min）。,涡流式转速测量方法,若旋转体转轴上有z个槽（或齿），微处理器计算得到的输入脉冲频率为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单位为r/min）为：n=60 f/z（9-3）,a）带有凹槽的转轴及输出波形 b）带有凸起的转轴及输出波形,图9-17,1传感器 2被测物,例9-1 用图9-17b(z改为12)中的涡流式位移传感器测得脉冲的周期T=20ms，求：转轴的转速n为多少转每分钟？,解 f=1/T=1/0.02s=50Hz。,n=60 f/z=60(50/12)r/min=250 r/min。,任务二 涡流式位移传感器的静态标定,一、传感器标定的概念1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静态模型，并研究和分析其静态特性；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：确定仪器或测量系统的输入/输出关系，赋予传感器分度值；确定仪器或测量系统的静态特性指标；减小系统误差。静态标定必须在传感器的若干个输入点（至少为：零点0，25%，50%。75%，满量程等）进行，检验被标定传感器是否在允许的准确度范围内。,静态标定的场合与方法,2需要进行静态标定的场合新产品试制时；传感器定型生产前；改变传感器的生产工艺后；传感器在重要场合使用一段时间，到达设定的周期后。3静态标定的基本方法标定设备的综合准确度应比被标定的传感器等级高出一个（或以上）等级。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。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。,图9-18,二、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低，选用以下仪表来进行标定：激光测长仪、万能光学测长仪、阿贝比较仪、千分表、千分尺等。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设备。涡流式位移传感器的静态标定环境：静态、室温（202）、相对湿度应小于85%、大气压为（76060）mmHg。,例9-2 被标定的涡流式位移传感器探头直径11mm。传感器的主要技术指标：量程范围05.6mm，非线性误差小于1.5%、重复性误差小于0.3%、迟滞误差小于0.2%、灵敏度大于3mV/m。请设计、组装一个涡流式位移传感器的标定系统。,解 根据上述涡流式位移传感器的技术指标，利用方均根误差方法（此处略）计算出该涡流式位移传感器的准确度为1.55%。为此，标准位移给定装置可以选用千分表校定仪，它的分辨率为0.05%，准确度为0.6%。涡流式位移传感器的显示器选取4位LCD指示仪表，准确度为0.03%1个字。（具体见下页）,图9-19 涡流式位移传感器静态标定试验台,1探头夹具 2涡流探头 3标准圆片状试件 4千分尺测杆 5千分尺套筒 6套筒固定螺钉 7千分尺 8底座 9水平调节垫脚标准圆片状试件的材料必须与实际工作中被检测工件的材料相同，直径应比探头直径大2倍以上，厚度应大于0.2mm。本例中，标准圆片状试件的直径取100mm，厚度为5mm，表面抛光。,具体标定方法,在05.6mm的标定区域里，共设置8个测量点，或设置更加密集的测试点。测试室的环境温度稳定在（202）。4h后，开始标定。先调节千分尺的读数为0.000mm。旋松探头夹具的调节螺母，使探头与标准圆片状试件刚好接触，计算机记录此时探头绝对零位的输出电压，然后旋紧探头夹具的调节螺母。再逆时针旋动千分尺，使标准圆片状试件缓慢地向右离开探头。每向右位移0.8mm，记录涡流式传感器的输出电压，如图9-20中的8个黑点所示。至5.6mm时，再往回程减小间距，又得到8点数据，如图9-20中的空心圈所示。测试结果是两组离散的点。相邻点用直线连接，形成一条折线。再用计算机软件完成曲线拟合。,图9-20 钢板与涡流探头的Uo-关系曲线,1正程数据（黑点）2正程折线（细实线）3回程数据（空心圆圈）4回程折线（虚线）5计算机拟合曲线（粗实线）,休 息 一 下,拓展阅读网络资料列表网址：,2023/6/22,現在時間是：07:11 休息一下！,差动变压器式传感器的工作原理放大图,