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 www.sensor-measurement.net 或www.liangsen.net 2015年2月第1版 提示：如果发现本PPT或教材有错误，可以来信与作者讨论。作者的邮箱是：liangsen2@126.com，谢谢。作者，2015年2月 （作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）

模块九、小位移检测（上） 目录 現在時間是：19:49 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 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 进入 进入 进入 提示：1.本课件，基本上每一页面都有“提问”，主要是用于教师思考与提高，也可以用于提问学生。 2.本PPT的页数较多，主要是为了拓展学生的知识面。各校可以根据自己的专业方向作加减法。 进入 現在時間是：19:49

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。 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（º）、分（′）、秒（″）等。1rad=360º/(2π)。 提问：1.如果一个质点，从一个直径为D的圆的顶点，沿圆周方向，顺时针旋转到圆的底部， 该质点的直线位移是一个D ？还是πD ？为什么？ 2.该质点的角位移为多少rad？

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。 提问：用位移传感器测量大型汽轮机轴（3m）的直径偏差（±0.1mm），属于小位移检测？还是大位移检测？

表9-1 常用小位移传感器的分类及特点 结构型式 测量原理 量程/mm 分辨力/μm 特 点 电位器式 欧姆定律 0.1~200 100 表9-1 常用小位移传感器的分类及特点 结构型式 测量原理 量程/mm 分辨力/μm 特 点 电位器式 欧姆定律 0.1~200 100 结构简单，输出信号较大；分辨力不高，接触“噪声”大，易磨损，动态响应较差 差动电感式 自感、互感 10-3~20 0.1 分辨力高；有零点残余电压，动态响应慢 涡流式 涡流效应 1~10 5 结构简单，非接触式测量；线性差，灵敏度易受被测对象材质的影响 电容 变气隙式 静电电容效应 10-3~1 1 非接触式测量，分辨力高；线性差 霍尔式 霍尔效应 0.01~20 50 非接触式测量，体积小，结构简单，输出信号大；温漂大，需要磁路系统 纳米式 量子隧道效应 10-6~10-3 10-4 能检测极微小位移；结构复杂，重复性较低；主要用于科学研究 提问：1.电位器式位移传感器使用久了之后，暴露出来的最大问题是什么？ 2.请上网查阅什么是“量子隧道效应”？

项目一 电感式小位移传感器 【项目教学目标】 ☞ 知识目标 ☞ 技能目标 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。 项目一 电感式小位移传感器 回目录 【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。 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（0.1μm）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。 提问：什么是“自感”？ 什么是“电感”？ 什么是“互感”？

电感传感器的基本工作原理演示 准备工作 F 220V 提问：为什么本实验不能改用直流电源（例如干电池）？

电感传感器的基本工作原理演示 F 提问：为什么电感线圈的气隙减小，电感就变大？ 电感线圈的气隙减小，电感变大， 流过线圈的电流变小。

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 右边的面积就不会变化呢？ 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

提问：1,为什么a图中的线圈不会往下掉呢？ 2.C图中，衔铁完全插入线圈好呢？还是只插入三分之一好？还是插入三分之二好？

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δ变小，磁阻变小， 电感L变大，电流 I 减小。 提问：什么是“磁路的磁阻”？请上网查阅空气、水、铜、铁等材料的磁阻。

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 1－绕组 2 －铁心 3 －衔铁 变面积式电感传感器的理论特性为线性 提问：1.数学中，双曲线应该是第一象限和第三象限两根曲线啦！ 现在左上图的输出/输入曲线只有第一象限一根曲线，这是什么原因造成的？ 2.为什么右下图的变面积式中，当下方的衔铁向左运动时，铁心右侧与衔铁的投影有效面积会变小？ 3.为什么说右下图的输出/输入特性曲线不可能像黄 色的图片演示的那样，是“线性”的？ A 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。

2.变面积电感式传感器 A 也称“变截面式”电感传感器。 必须保持气隙δ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。 有效投影面积 提问：为什么变截面式电感传感器中，必须保持气隙δ固定不变？ 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。

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-δ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 图9-3 电感式位移传感器的特性曲线 a）L-δ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 L x 空心 螺线管 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。 L 提问：如果衔铁处于右下图的线圈的中间位置，而上下位移3mm，线圈的电感会有变化吗？ 为什么这样设置衔铁的初始位置是错误的？ x

l >3mm×10倍=30mm（不包括外壳）。 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 ΔD=2×1.5mm=3mm，则螺线管长度为： l >3mm×10倍=30mm（不包括外壳）。 提问：1.为什么螺线管式电感传感器的线性区约为螺线管长度的1/10，而不是1/2？ 2.上例中，为什么应选的螺线管长度不是100mm直径的10倍？

电感传感器的灵敏度 采取以下措施可以提高电感灵敏度：①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；②激励源电源频率以(1～10)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；③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。 提问：1.为什么说：“适当提高励磁电压，但以不超过10V为宜”？ 2.为什么说：“激励频率太高，衔铁的磁滞损耗就会加大”？ 1－绕组 3－可动衔铁 4－测杆 6－被测工件

4.差动电感传感器 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。 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 提问：为什么当衔铁偏离中间位置时，两个绕组的电感一个增加？ 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 差动变隙式 差动螺线管式 提问：为什么差动电感传感器的两个绕组的结构必须完全对称？ 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。

差动式电感传感器的特点 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。 线性度改善， 灵敏度是非差动的2倍。 提问：1.为什么“差动式电感传感器对温度的变化等基本上可以互相抵消”？ 2.为什么衔铁承受的电磁吸力也较小？

差动电感传感器的特性 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。 提问：为什么传感器的输出/输入特性曲线的斜率变大，意味着灵敏度提高？ 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 3－L1、L2差接后的特性

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 提问：为什么“差动电感式传感器的交流电桥电路”的左右、上下桥路必须尽量对称？ 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 提问：1.为什么普通检波后的直流平均值只有正的？没有负的？ 2.请上网查阅什么是“零点残余电压”？

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。 提问：请上网查阅什么是“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。 检波用于信号转换； 整流用于功率转换。 提问：去上网查阅“整流”与“检波”的定义。 检波用于信号转换； 整流用于功率转换。 全波整流后,正负半周均变为正电压

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。 提问：这么复杂的电路的可靠性会怎样？为什么说，实际应用中，必须购买现成的相敏检波电路模块？ 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 提问：什么是“调制”？什么是“解调”？ 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 具有中央零位的 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 指示仪表 提问：为什么普通的全波整流电路只能得到第一与第二象限的输出电压？ 2.为什么相敏整流电路必须使用具有中央零位的指示仪表，或者使用能够显示正负输出的数字仪表？ 具有中央零位的 指示仪表 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 Δx0－位移的不灵敏区

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） 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。 提问：我们知道：调零可以使仪表的零输入时的输出变为0。 但是，为什么通过调零电路，可使仪表的整个输出曲线平移？ 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。 提问：全波整流电路中用到的“单相变压器”的两个二次绕组的头尾接错，会怎样？

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。 提示：请注意上图中两个绕组的首端与尾端的接线方法。

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） 10V Uo =20V 接地 提问：为什么普通整流用的变压器的两个二次绕组N21、N22的端点按全波整流电路的连接后，总电压为20V？ 10V

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。 提示：请注意上图中两个绕组的首端与尾端的接线方法。

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”。 提问：请上网查阅“绕组”与“线圈”的不同表达方式的区别。

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。 问题：为什么差动接法的输出电压为uo= u21-u22 ？ 差动接法的输出电压为uo= u21-u22

差动变压器的输出波形 提问：实际使用的差动变压器的二次侧线圈与一次侧线圈的空间几何位置是怎样布置的？ .

差动变压器的输出特性 图9-10 差动变压器的三种状态 (放大图见后页) 1－理想输出特性 2－非相敏检波实际输出特性 图9-10 差动变压器的三种状态 (放大图见后页) 提问：相敏检波实际输出特性与理想输出特性的区别有哪些？ 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 Δx0－位移的不灵敏区

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。 放大图 提问：为什么“当衔铁处于中间位置时，M1=M2=M0”？

2．主要性能 差动变压器的灵敏度一般可达10mV/(mm•V)，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1~10kHz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Φ120mm2mm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：Δx=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（Φ120mm）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Δx=4mm，可以选择线圈长度为最大位移量的10倍的400mm的传感器。 提问：差动变压器的灵敏度单位用“mV/(mm•V)”表示，其中的“V”是什么意思？

3.差动变压器的差动整流测量电路 图9-12 差动整流电路 图9-12 差动整流电路 提问：1.图9-12为什么称为“差动整流电路”？而不是“相敏整流电路”？ 2. 为什么“相敏整流电路”需要设置“参考电压”？ “参考电压”可以是直流电压吗？应该是怎样的电压？ 差动变压器的二次电压u21、u22分别经VD1～VD4、VD5～VD8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） 提问：1.如果差动变压器的电气、机械参数结构完全对称，调零电位器RP的触点应该是处于什么样的位置？ 图9-12 差动整流电路（续） 提问：1.如果差动变压器的电气、机械参数结构完全对称，调零电位器RP的触点应该是处于什么样的位置？ 2.Ｃ3、Ｃ4和Ｒ3、Ｒ4组成低通滤波电路的时间常数与差动变压器的一次侧激励电压的周期T的关系应该是怎样的？

工件直径D增大，衔铁上移时的输出波形在第一象限 Ua0＞Ub0 , 所以Uab ＞0 提问： τ≥10T是什么意思？ 输出直流电压为正值 Ｃ3、Ｃ4和Ｒ3、Ｒ4组成低通滤波电路，其时间常数τ≥10T （T为激励源的周期）

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。 Ua0＜Ub0 , 所以Uab ＜ 0 输出直流电压为负值 提问：什么是二极管的死区电压？ 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。

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， VD1~VD4、VD5~VD8组成普通桥式整流电路， Ｃ3、Ｃ4、Ｒ3、Ｒ4组成低通滤波电路， Ａ1及Ｒ21、Ｒ22、Ｒf、Ｒ23组成差动减法放大器，用于克服a、b两点的对地共模电压。 提问：1.如果U21略大于U22 ，则调零电位器应该往上调还是往下调？为什么？ 2.上网查阅什么是“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1～5V或4～20mA，这种型式的差动变压器称为线性差动变压器。 提问：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，有什么好处？估计上述模块的尺寸有多大？

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 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 提问：为什么左上图称为“测微器”？ 2.红宝石测头很贵吗？ 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 提问：怎样使得测杆的测端能够处于球体的最高点？（会滑下来的）

电感测微器放大图 提问：1.“密封套”用于何目的？ 2.“防转销”用于何目的？ 3.“恢复弹簧”用于何目的？

表9-2 DX1数显电感式测微仪的 主要技术指标 模拟式档位 第一档 第二档 第三档 第四档 第五档 测量范围/µm ±3 ±10 ±30 ±100 ±300 分辨力/µm 0.1 0.5 1 5 10 示值误差/µm ≤±0.06 ≤±0.25 ≤±0.5 ≤±2.5 ≤±5 长时间稳定性/µm·(4h)-1 ≤0.1（±3µm档，预热15min） 温度特性 ≤1个字每10℃ 输出电压/V 满量程DC ±5 电源/V AC220±10％，50Hz 提问：测量范围与分辨力之间有何关系？

模拟式及 数字式 电感测微仪 比较 提问：指针式有什么好处？（从动态过程来分析）

轴向式电感测微器特性 量程±3μm时的绝对误差：0.1μm 长时间稳定性：≤0.1μm/4h （预热15min后，±3μm档。） 温度特性：≤1分度值/10℃ 电源电压：17V～25V的 范围内变化时，对示值 的影响≤1/7满度值。 提问：为什么精密仪表需要预热？（例如此处的15min）

差动变压器式厚度测量原理 提问：如果被测板材的下表面不是平整的，会带来什么问题？

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。 2019/1/16

差动变压器式布匹张力控制（放大图） 2019/1/16

二、电感式不圆度计 提问：旁向式电感测微头与轴向式电感测微头有 区别？ 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 提问：请上网查阅什么是“不圆度”？什么是“圆度”？

电感式不圆度测量系统 测量头 图9-14 提问：测头旋转有什么不好的问题？ 旋转盘

不圆度测量显示和打印图 提问：不圆的工件（例如轴）真的有上图这么不圆吗？

三、电感传感器式工件截面轮廓仪 旁向式电感 测微头 提问：请上网查阅什么是“轮廓仪”？

工件或管型产品的管壁厚度的测量 提问：上图的管壁厚度的测量有什么问题？

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。 提问：为什么“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”？ 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 提问：表面轮廓估计是指多少微米以上的上下起伏？

图9-15 电感式工件表面轮廓测量波形图 提问：为什么需要“载波”呢？

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。 提问：“隧道电极”中的“隧道”是什么意思？

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。 项目二 涡流式小位移传感器 回目录 【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：19:49

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 任务一 涡流式位移传感器测量小位移 一、轴向位移的监测 提问：去上网查阅什么是“刚性联轴器”？什么是“柔性联轴器”？ 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。 提问：1.什么是“轴向推力”？为什么汽轮机工作时会产生轴向推力？ 2.叶片摩擦汽轮机壁，会产生什么问题？

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）。 提问：为什么测量转速的时候，多数被测物的表面总有凹凸？

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 提问：为什么传感器输出的波形不是正弦波？ 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。 提问：为什么测量转速时，总要乘以60？

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 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：①确定仪器或测量系统的输入/输出关系，赋予传感器分度值；②确定仪器或测量系统的静态特性指标；③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。 提问：为什么重点讲“静态标定”？难道“动态标定”不重要？

静态标定的场合与方法 图9-18 2．需要进行静态标定的场合 ①新产品试制时；②传感器定型生产前；③改变传感器的生产工艺后；④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。 提问：用于做标定的仪表应该比被标定的仪表的指标？ 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（20±2）℃、相对湿度应小于85%、大气压为（760±60）mmHg。 提问：1.上网查阅什么是“阿贝比较仪”？ 2.上图是千分表？千分尺？

例9-2 被标定的涡流式位移传感器探头直径ϕ11mm。传感器的主要技术指标：量程范围0～5. 6mm，非线性误差小于1 例9-2 被标定的涡流式位移传感器探头直径ϕ11mm。传感器的主要技术指标：量程范围0～5.6mm，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/μm。 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） 提问：被标定的涡流式位移传感器的量程范围0～5.6mm，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/μm。其中的哪一项最难达到？

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 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。 提问：1.为什么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？ 2.为什么直径应比探头直径大2倍以上？ 3.为什么厚度应大于0.2mm？

具体标定方法 在0~5.6mm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（20±2）℃。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δ，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。 提问：在标定区域里，设置更加密集的测试点不是更好吗？

1—正程数据（黑点☻） 2—正程折线（细实线） 图9-20 钢板与涡流探头的Uo-δ关系曲线 提问：为什么正程折线（细实线）与回程折线不重合？ 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）

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差动变压器式传感器的工作原理放大图 返回 P39页