第8章 机械量检测技术 （课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（西安电子科大版）

第8章 机械量检测技术 本章提要 本章介绍机械量中常见的位移、速度（转速）与厚度的检测技术。 重点阐述了接触式、非接触式位移检测的方法和常用位移传感器的性能与选用； 速度（转速）的检测方法，传感器的性能与选用； 厚度检测中常用的高频反射式与低频透射式测厚的检测原理。 8.1 位移检测技术 位移是指物体或其某一部分的位置对参考点产生的偏移量。 位移可以是直线位移或角位移。 长度检测：直线位移检测。 角度检测：角位移检测。 根据位移检测范围变化的大小，可分为微小位移检测、小位移检测和大位移检测三种。 8.1.1 常见位移的检测方法 1. 积分法 检测运动物体的速度或加速度，经过积分或二次积分求得运动物体的位移。 2. 相关测距法 利用相关函数的时延性质，向某被测物发射信号，将发射信号与经被测物反射的返回信号作相关处理，求得时延，若发射信号的速度已知，则可求得发射点与被测物之间的距离。 3. 回波法 从测量起始点到被测面是一种介质，被测面以后是另一种介质，利用介质分界面对波的反射原理测位移。 4. 线位移和角位移相互转换 被测量是线位移时，若检测角位移更方便，则可用间接测量方法，通过测角位移再换算成线位移。 同样，被测是角位移时，也可先测线位移再进行转换。 5. 位移传感器法 通过位移传感器，将被测位移量的变化转换成电量（电压、电流、阻抗等）、流量、磁通量等的变化，间接测位移。 8.1.2 常用的位移传感器 小位移通常采用应变式、电感式、差动变压器式、电容式、霍尔式等传感器，测量精度可以达到0.5～1.0%，其中电感式和差动变压器式传感器的测量范围要大一些，有些可达100mm。 小位移传感器主要用于测量微小位移，从微米级到毫米级，如进行蠕变测量、振幅测量等。 大位移的测量则常采用感应同步器、计量光栅、磁栅、编码器等传感器，这些传感器具有较易实现数字化、测量精度高、抗干扰性能强、避免了人为的读数误差、方便可靠等特点。 8.1.3 接触式位移检测技术 1. 电容式传感器在位移检测中的应用 （a）振动（b）垂直位移（c）弹性位移（d）厚度检测（e）曲度检测（f）中心度检测 图8-1 电容式位移传感器应用示意图 在位移检测中，主要利用变极距型电容式传感器的原理来实现位移的检测。 （a）结构 （b）外形 图8-2 单电极电容位移传感器 1－电极；2－绝缘衬套；3－壳体；4－弹簧卡圈；5－电极座；6－盘形电容；7－螺母 图8-3 振荡位移和回转精度的测量 （a）振动测量；（b）轴的回转精度测量 图8-3（a）是振动位移测量，可测0.05μm的位移。 图8-3（b）是转轴回转精度的测量，利用正交方向安放的两个电容位移传感器，可测出转轴的轴心动态偏摆情况。 适合于测量高频振动的微小位移。 2. 电感式传感器在位移检测中的应用 在位移检测中，电感式传感器是把被测位移转换为自感系数L的变化。然后将L接入一定的转换电路，位移变化便可变成电信号。 下面以轴向电感式位移计为例说明其结构及应用。 1）轴向电感式位移计的结构。轴向电感式位移计的结构和外形如图8-4所示。 轴向电感式位移计 （a）结构 （b）外形 图8-4 电感式位移计结构 1－引线；2－固定磁筒；3－衔铁；4－线圈；5－弹簧； 6－防转销；7－钢球导轨；8－测杆；9－密封套；10－测端 . 变压器式交流电桥 电桥的两臂Z1和Z2是电感位移计两个线圈的阻抗。电桥的另外两个桥臂为电源变压器次级线圈的两个半绕组，半绕组的电压为U/2。电桥对角A、B两点的电位差为电桥的输出电压U0。 假设阻抗Z1上端点处的电位为零，则A、B两点的电位分别为 B两点的电位差即输出电压 由上式可知： ①当测杆的铁心或衔铁处于中间位置时，两线圈的电感相等。如果两线圈绕制得对称，则阻抗也相等。因Z1＝Z2＝Z0，则输出电压 ②当测杆的铁心向上移动时，上线圈的阻抗增加，下线圈的阻抗减小，即Z1＝Z0＋ΔZ，Z2＝Z0－ΔZ，则输出电压 ③当测杆的铁心向下移动时，上线圈的阻抗减小，下线圈的阻抗增大，即Z1＝Z0－ΔZ，Z2＝Z0＋ΔZ，则输出电压 衔铁上下移动相同距离时, 输出电压的大小相等, 但方向相反, 由于 U0是交流电压, 输出指示无法判断位移方向, 必须配合相敏检波电路来解决。 3. 差动变压器在位移检测中的应用 把被测位移量转换为传感器线圈的互感系数M的变化（1）差动变压器位移计的结构 图8-6 差动变压器位移计 1－测头；2－轴套；3－测杆；4－活动铁芯；5－线圈架； 6－导线；7－屏蔽筒；8－圆片弹簧