精密测试技术：CH 7 位移的测量

第第7 7章章 位移的测量位移的测量Displacement Measurement7.1 常用位移传感器常用位移传感器 Displacement Sensor7.2 位移测量应用实例位移测量应用实例 Examples of Displacement Measurement返回返回位移的测量位移的测量 按被测量，位移的测量分为线位移测量和角位移测量。按测量参数的特性，位移测量分为静态位移测量和动态位移测量。（1）位移测量的分类：（2）位移测量注意问题：测量方向与位移方向重合位移是指物体上某一点在一定方向上的位置变动，是矢量。如果测量方向与位移方向不重合，则测量结果仅仅反映该测量方向上的分量，而不能真实反映需测位移的大小。位移测量时，应当根据不同的测量对象，选择适当的测量点、测量方向和测量系统。7.1 常用位移传感器常用位移传感器型 式测量范围精确度直线性特 点电阻式 滑线式 线位移 角位移 变阻器 线位移 角位移1300 mm0360 11000 mm060 rad0.1%0.1%0.5%0.5%0.1%0.1%0.5%0.5%分辨率较好，可用于静态或动态测量。机械结构不牢固结构牢固，寿命长，但分辨率差，电噪声大应变式 非粘贴式的 粘贴的 半导体的0.5%应变0.3%应变0.25%应变0.1%2%3%2%3%1%满刻度20%不牢固牢固，使用方便，需温度补偿和高绝缘电阻输出幅值大，温度灵敏性高常用位移传感器常用位移传感器(2/4)型 式测量范围精确度直线性特 点电感式 自感式 变气隙型 螺管型 特大型差动变压器涡电流式同步机微动同步器旋转变压器0.2 mm1.52 mm3002000 mm0.08 75 mm2.5 250 mm360 10601%0.5%1%3%0.10.7 1%3%0.15%0.1%0.0%3%0.5%0.05%0.1%只宜用于微小位移测量测量范围较前者宽，使用方便可靠，动态性能较差分辨率好，受到磁场干扰时需屏蔽分辨率好，受被测物体材料、形状、加工质量影响可在1200 r/min 的转速下工作，坚固、对温度和湿度不敏感非线性误差与变压比和测量范围有关常用位移传感器常用位移传感器(3/4)型 式测量范围精确度直线性特 点电容式 变面积 变间距10-3100 mm10-310 mm0.005%0.1%1%介电常数受环境温度、湿度变化的影响分辨率很好，但测量范围很小，只能在小范围内近似地保持线性霍尔元件1.5 mm0.5%结构简单，动态特性好感应同步器 直线式 旋转式10-3100 mm03602.5m/250 mm0.5模拟和数字混合测量 系统，数字显示(直线 式感应同步器的分析率 可达1 m)常用位移传感器常用位移传感器(4/4)型 式测量范围精确度直线性特 点计量光栅 长光栅 圆光栅10-31000 mm03603 m/1 mm1模拟和数字混合测量系统，数字显示(长光栅分辨率0.11 m)磁栅 长磁栅 圆磁栅10-310000 mm03605 m/1 mm1测量时工作速度可达12 m/min角度编码器 接触式 光电式0360036010-6 r10-8 r分辨率好，可靠性高7.2 位移测量应用实例位移测量应用实例1.轴位移的测量轴位移不仅能表明机器的运行特性和状况。而且能够指示推力轴承的磨损情况以及转动部件和静止部件之间发生碰撞的可能性。在工业现场，常用电涡流位移传感器来测量轴位移。在位移测量中只考虑传感器中的直流电压成分。轴位移分为相对轴位移（即轴向位置）和相对轴膨胀。（1）相对轴位移的测量相对轴位移是指轴向推力轴承和导向盘之间的距离变化。导向盘和轴承之间必须有一定的间隙以便能够形成承载油膜。位移测量应用实例位移测量应用实例(2/21)涡流传感器轴正常运转位置停机位置紧急报警位置相对轴位移测量示意图位移测量应用实例位移测量应用实例(3/21)(2)相对轴膨胀的测量 是指旋转机器的旋转部件和静止部件因为受热或冷却导致膨胀或收缩量。相对轴膨胀的测量相对轴膨胀的测量在旋转机器的启/停机过程十分重要。因为机组加热和冷却时转子和机壳会发生不同的膨胀。例如，功率大于1000MW的大汽轮机的相对膨胀可能达到50mm。一般采用涡流传感器在轴肩处测量轴肩测量不超过12.5 mm的相对轴膨胀位移测量应用实例位移测量应用实例(4/21)可以测量大约25 mm的相对轴膨胀在轴肩两侧相对地安装涡流传感器位移测量应用实例位移测量应用实例(5/21)转轴锥面二涡流传感器构成差分电路进行补偿原理原理？测量50mm或更大相对轴膨胀当锥面移动时，轴向位移与径向位移的转换位移测量应用实例位移测量应用实例(6/21)双锥面用一传感器测量相对轴膨胀用另一传感器补偿轴的径向浮动位移测量应用实例位移测量应用实例(7/21)空间有限、轴肩太低或太小或者相对轴膨胀太大摆，有磁性，使得摆能跟随轴肩运动通过非接触传感器测量摆固定点附近的运动而测量相对轴膨胀位移测量应用实例位移测量应用实例(8/21)2.回转轴径向运动误差的测量回转轴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。运动误差是回转轴上任何一点发生与轴线平行的移动（端面运动误差）和在垂直于轴线的平面内的移动（径向运动误差）。端面运动误差因测量点所在半径位置不同而异，径向运动误差则因测量点所在的轴向位置不同而异。因此，在讨论运动误差时，应指明测量点的位置。常用径向误差测量。位移测量应用实例位移测量应用实例(9/21)回转径向运动误差测量示意图RmROrOmO0r()edydxSx()Sy()yx圆球理想圆球位移测量应用实例位移测量应用实例(10/21)3.厚度测量厚度测量分为非接触式测厚和接触式测厚。1）非接触式测厚n X射线测厚仪检测器被测带材放射源状态控制闸门测量线路指示器位移测量应用实例位移测量应用实例(11/21)对于窄束入射线，在其穿透被测材料后，射线强度 I 的衰减规律为I=I0e-h其中，I0：入射射线强度；：吸收系数；h：被测材料的厚度。当和I0一定时，I仅仅是板厚h的函数。所以，测出 I 就可以知道厚度 h位移测量应用实例位移测量应用实例(12/21)2）接触式测厚上传感器导辊被测带材下传感器C型架导辊以保证在测量时带钢与传感器垂直4.物位的测量物位是液位、料位以及界面位置的总称测量物位有时是为了测知容器中物体的多少、大小（静态测量）；有时是为了对容器中的物体进行监控，调节物料的进出速度，或在物位接近极限位置时能提前报警（动态连续测量）常用测量方法：4.放射性同位素测量法1.电感测量法2.电容测量法3.超声测量法位移测量应用实例位移测量应用实例(13/21)1）电感法测量液位位移测量应用实例位移测量应用实例(14/21)缺点：机械和机电式测量仪几乎无法测粘液粒状、粉末状材料的物面。铁芯浮子刚性杆原理：利用电感探头（线圈、铁芯等）通过刚性杆感受浮子的运动，从而实现液位数字显示的2）电容测量法1部分或整体绝缘的棍电极；2具有内外电极的管式电极；3、4拉紧或放松的绳电极；5反电极；容器壁由金属材料制成：只需装入电极 1或 3或 4容器壁作为另一电极与外壳相连（接地）容器壁由非金属材料制成时用管式电极 2，或对电极 1、3、4另附一个反电极 5，也可用金属带 6与1、3、4组合。5、6均需接地n 用于连续测量的探头位移测量应用实例位移测量应用实例(15/21)200mm15342测量电容器的上部隔着空气，下部充满液体或其它材料。空气的介电常数0=1，被测物的介电常数为r。物位变化时，电容器的电容变化值与被测材料的高度成线性关系式中：h 电容器的总高度；C0 初始电容值；n 用于极限位置监控的探头1、2 部分或全部绝缘的棍电极或绳电极；3 侧面安装的棍电极；4 平面电极，可用于一些不能在内部插入电容探头的容器物体的测量，如搅拌器；如果容器为非导电材料制成，同样需另外附加一个反向电极。位移测量应用实例位移测量应用实例(16/21)1270343）超声测量法通过被测物体使声波短路或断路,或使振荡器频率改变停振而定点发信号的物位计，多用于极限位置监控。位移测量应用实例位移测量应用实例(17/21)发射器接收器a)换能器b)连续发出声波信号，其在界面处发生反射再由接收器接收，测出信号从发出到返回的时间，从而得物位高度，它多用于物位的连续测量。位移测量应用实例位移测量应用实例(18/21)c)换能器d)4）放射性同位素测量法在那些由于极端条件（如高压、高温、高真空度、高腐蚀性等）而不能使用常规方法测量的场合，以及因结构等因素不允许装探头或装探头成本较高的容器、地窖、地下库可采用同位素法测量物位。放射性同位素测量物位的原理是基于射线经过被测物体时，会被材料吸收而使射线探测器接收到的射线强度发生变化。辐射器的配置方式1）测量结构示意图2）输入量与输出量之间的特性曲线一个辐射器发出两束射线的配置方式。对准两束射线的计数器互相并联。液位经过极限位置时，输出信号就会发生突变，以此来启动继电器，而在液位 hmin 至hmax 之间输出几乎为常数。位移测量应用实例位移测量应用实例(19/21)输入量与输出量之间的特性曲线位移测量应用实例位移测量应用实例(20/21)h辐射源nhhminhmax0将接收计数器排成一排串联起来，适用于大量程的测量，高度测量范围可达 1.2 m。采用若干个辐射源整齐排列进行近似连续测量，液位高度与输出特性曲线有台阶。该方法可使被测高度三倍于容器直径。位移测量应用实例位移测量应用实例(21/21)h0nh0nhminhmaxh辐射源h