项目三 位移检测（课件）- 《传感器与检测技术项目式教程》同步教学（人民邮电版）

项目三 位移检测 1 第二学习周 检测技术基础知识 知识目标： 了解位移测量的基本方法和位移传感器类型； 掌握电感式传感器的工作原理、基本特性和结构类型； 掌握电感式传感器的测量电路及应用； 掌握电涡流式传感器的工作原理、主要特性、测量电路和典型应用； 了解光栅式传感器的工作原理、主要特性、测量电路和典型应用。 能够根据需要选择合适的位移传感器进行测量电路设计； 学会位移测量系统的制作与调试。 技能目标： 学习目标 项目背景 目前在生产实践中，需要进行位移测量的场合非常多。位移测量通常是线位移和角位移测量的总称。位移是向量，对位移的测量，除了要确定大小以外，还要确定其方向。此外，还有许多被测物理量可以转化为位移进行测量，如压力、位置等都可以通过某种转换部件，先将它们转换为直线位移，然后通过测量位移间接得到被测量。 目前用于测量位移的传感器类型很多，最常用的位移传感器主要有电感式传感器和光电式传感器等。 本项目中主要介绍电感式、电涡流式、光栅式等位移传感器的工作原理及应用。 任务3.1 电机转轴直径的检测 知识分布网络 电机转轴直径的检测 任务实施 知识拓展 相关知识 自感式传感器 传感器选型 测量电路设计 模拟调试 自感式传感器的典型应用 差动变压器式传感器的典型应用 差动变压器式传感器 任务3.1 电机转轴直径的检测 【任务描述】 目前在机械行业中，电机作为最常用的驱动装置，其传动精度的高低在一定程度上影响整个机械系统的性能。电机传动精度的高低与性能的好坏在很大程度上，除了决定于电机转轴的强度和刚度之外，主要取决于电机转轴的尺寸精度，轴径的尺寸精度要求较高，一般都在IT7以上，其目前主要是靠仪器、设备来检测和判断的。因此，电机转轴直径检测仪自身是否先进，将直接影响到电机传动性能的准确性和可靠性。本任务中主要利用电感式传感器来完成电机转轴直径检测电路的设计和制作。 任务3.1 电机转轴直径的检测 【相关知识】 3.1.1 自感式传感器 1. 工作原理 自感式传感器又称为变磁阻式传感器，其结构如图3-1所示，它是由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。 图3-1 自感式传感器原理图 根据电感的定义，线圈的电感量L可由下式确定： 式中 I——通过线圈的电流； W——线圈的匝数； Φ——穿过线圈的磁通。 由磁路欧姆定律，得 式中：Rm——磁路总磁阻。 所以，线圈的电感量L为 任务3.1 电机转轴直径的检测 因为一般气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即 可得： 任务3.1 电机转轴直径的检测 由上式表明：当线圈匝数W为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变δ或A0均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积A0的传感器，若线圈中放入圆形衔铁，则又可变为螺管型电感传感器。 任务3.1 电机转轴直径的检测 2.结构形式及特性 1)变气隙型电感传感器 变气隙型电感传感器是传感器气隙截面积A0保持不变，令磁路气隙厚度δ随被测非电量而变，从而电感量Ｌ发生变化，如图3-2 a）所示。 （a）变气隙型电感传感器（b）变面积型电感传感器（c）螺管型电感传感器 图3-2 自感式传感器的结构 1—铁芯 2—线圈 3—衔铁 4—工件 假设传感器的初始气隙记作δ0，衔铁处于起始位置时的电感值L0为 当衔铁随外作用力向上移动Δδ时，气隙较少，为δ=δ0-Δδ，与之相对应的自感的变化量记作ΔL，则此时的电感量L为 则电感的变化量ΔL为 任务3.1 电机转轴直径的检测 电感的相对变化量为 当 时，则 同理，当衔铁随外作用力向下移动时，气隙增大，变为δ=δ0+Δδ，当时，电感相对变化量也满足上式，即ΔL与Δδ成比例关系。 任务3.1 电机转轴直径的检测 灵敏度为 由此可见：变气隙型电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变气隙型电感式传感器适用于测量微小位移的场合。为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变气隙型电感传感器。 任务3.1 电机转轴直径的检测 2)变面积型电感传感器 变面积型电感传感器如图3-2b所示，其气隙厚度δ保持不变，令磁通截面积随被测量而变（衔铁沿图示方向移动），即构成变面积型电感传感器。 假设初始磁通截面（即铁芯横截面）的面积为 ，a为铁芯截面长，b为铁芯截面宽，当衔铁随外作用力沿铁芯截面长度方向向下移动x，电感量L为 任务3