机械工程测试技术基础第九讲位移测量及静态测量系统设计

1、湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院第九讲第九讲 位移测量及静态测量系统设计位移测量及静态测量系统设计 工程测试技术基础工程测试技术基础学习要求：学习要求：1.1.了解位移测量分析的分类了解位移测量分析的分类2.2.建立测试系统的概念建立测试系统的概念 3.3.了解静态测量仪器选用与设计了解静态测量仪器选用与设计湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 位移是物体上某一点在一定方向上的位置变动，因此位移是矢量。 测量方向与位移方向重合才能真实地测量出位移量的大小。若测量方向与位移方向不重合，则测量结果仅是该位移量在测量方向上的分量。 位移测量从被测量来的角度可分为线位移测量和角位移测量相移

2、测量；从测量参数特性的角度可分为静态位移测量和动态位移测量。 许多动态参数，如力、扭矩、速度、加速度等都是以位移测量为基础的。7.1 概述概述湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院位移的测量系统1.机械测量系统 利用杠杆齿轮、曲柄、膜盒等机构对所测参量进行放大、传递，用指针显示。2.光学测量系统 用光电法、光的干涉法、激光多普勒效应及光导纤维等方法进行测量。这是一种非接触测量，有较高的频响和精度，可获数字量。3.电测量系统 用各种传感器及配套使用的仪器测量。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院7.1 位移传感器位移传感器 根据传感器的变换原理，常用的位移测量传感器类型有： 电阻式、电阻应

3、变式、电感式、电容式、霍尔元件、感应同步器、光栅、磁栅和角度编码器等位移计以及电动千分表等。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院表1 位移传感器一览表 型式测量范围准确度直线度特点电阻式滑线式 变阻式1mm300mm1mm1000mm 0.1% 0.5% 0.1% 0.5%应变式非粘贴式 粘贴式 半导体式 0.15%应变 0.3%应变 0.25%应变 0.1% 2% 2% 1% 20%FS电感式自感式变气隙式 螺管型 特大型差动变压器电涡流式同步机 0.2mm1.5mm 2mm200 300mm 0.0875mm 2.5250mm360 1% 0.5% 13% 3%0.151% 0.5%

4、3% 0.5%湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院型式测量范围准确度直线度特点电容式变面积式 变极距式1m100mm1m3mm 0. 05% 0.1% 0.1% 0.5%霍尔元件 1.5mm 0.5%分辨率可达1m专用方法感应同步器 直线式 旋转式计量光栅 长光栅 圆光栅1m10m360 1m10m360 2.5m/250mm 0.5角秒1m/1m 0.5角秒分辨率可达1m分辨率可达0.1m表1 位移传感器一览表 (续）湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院7.2.1 常用位移传感器常用位移传感器1. 电阻应变式位移传感器电阻应变式位移传感器 用于小位移测量用于小位移测量（0.1m0.1

5、mm）测量精度优于测量精度优于2%线性度线性度0.1%0.5%国产：YWB-10型（量程10mm)湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院2. 电感式位移传感器电感式位移传感器 常用于微小位移测量，其测常用于微小位移测量，其测量范围一般为几毫米量范围一般为几毫米分辨率和测量精度可达分辨率和测量精度可达0.1m0.01m测量范围：测量范围： 0.08mm 75mm非线性误差一般优于非线性误差一般优于0.5% 灵敏度：灵敏度：1.电压灵敏度电压灵敏度 （5002000）mV/mm2.电流灵敏度电流灵敏度 (0.11）mA/mm差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器湖北工业大学机械学院湖北工业大学

6、机械学院差动螺线管电感传感器及测微仪线路差动螺线管电感传感器及测微仪线路湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电涡流式位移传感器电涡流式位移传感器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电感测微仪电感测微仪湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院涡流式测微仪涡流式测微仪湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院3. 电容式位移传感器电容式位移传感器 非接触测量，动态响应好非接触测量，动态响应好精度高，分辨率最高可达精度高，分辨率最高可达0.1nm，精度最高可达精度最高可达1nm线性好，优于线性好，优于0.5% 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电容测微仪电容测微仪湖北工业大学机械学院湖北

7、工业大学机械学院4.光栅式传感器光栅式传感器 由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件称为光栅，在玻璃(或金属)上进行刻划,可得到一系列密集刻线。光栅的刻痕密度一般为每厘米10、25、50、100线。刻痕之间的距离为栅距W特点特点:1.精度高,长度与直线位移方面仅低于激光干涉传感器.圆分度和角位移连续测量方面,精度最高；2 大量程测量兼有高分辨率,比感应同步器与磁栅式均高；3 可实现动态测量,易于实现测量及数据处理的自动化；4 具有较强的抗干扰能力湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院一、计量光栅的种类一、计量光栅的种类 利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量称为计量光栅， 基材不同：金属光栅与

8、玻璃光栅 刻划形式：振幅与相位 光线的走向：透射与反射 用途：长光栅与圆光栅湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院1 长光栅：光栅尺，振幅与相位2 圆光栅wW=0.02mm,栅线密度为50线/mm栅距角（节距角）湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院光栅测量原理（莫尔条纹的形成）cos221222121wwwwwwB标尺光栅指示光栅w1w2B湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院图7-39 圆弧形莫尔条纹湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院莫尔条纹的重要特性 运动对应关系 莫尔条纹的移动量和移动方向与两光栅的相对移动量和位移方向有严格的关系：当

9、主光栅向右运动一个栅距W1，则莫尔条纹向下移动一个条纹间距B；当主光栅向左运动，则莫尔条纹向上移。 位移放大作用 由于两光栅的夹角很小，若光栅常数W相等，则有如下关系： 误差平均效应 莫尔条纹是由光栅的大量光栅共同形成，对光栅的刻划误差有平均作用，从而提高的测量精度。WB湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院莫尔条纹的种类 横向莫尔条纹 两光栅栅距相等，栅线夹角为时形成的莫尔条纹 光闸莫尔条纹 当W1=W2=W，且=0，当两光栅相对移动时，入射光像闸门一样时启时闭，故称光闸莫尔条纹湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院图7-38 光闸莫尔条纹a) 刻线对齐 b) 错开W/4 c) 错开W/

10、2 d) 错开3W/4湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院光栅测量原理湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院光栅测量原理湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 光栅位移传感器的结构原理图光栅位移传感器的结构原理图 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院透射式光栅传感器透射式长光栅传感器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院透射式圆光栅传感器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院反射式光栅传感器反射式长光栅传感器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 图 为 利图 为 利用光栅传感用光栅传感器测量数控器测量数控机床工作台机床工作台位移量的现位移量的现场照片。场照片。 工作台工作台

11、光栅光栅工作台运动方向工作台运动方向湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院位移测试实例位移测试实例1. 自动尺寸分选系统自动尺寸分选系统 图图 滚柱直径分选装置滚柱直径分选装置 11气缸气缸 22活塞活塞 33推杆推杆 44被测滚柱被测滚柱 55落料管落料管 66电感测电感测微器微器 7 7钨钢测头钨钢测头 8 8限位挡板限位挡板 9 9电磁翻板电磁翻板 1010容器（料斗）容器（料斗） 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院二、电感式滚柱直径分选装置二、电感式滚柱直径分选装置 测微仪测微仪圆柱滚子圆柱滚子湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置

12、（外形）（外形） 滑道滑道分选仓位分选仓位轴承滚子外形轴承滚子外形（参考中原量仪股份有限公司资料）（参考中原量仪股份有限公司资料）湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院落料振动台落料振动台滑道滑道11个分选仓位个分选仓位（参考无锡市通达滚（参考无锡市通达滚子有限公司资料）子有限公司资料）废料仓废料仓湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电感式滚柱直径分选装置（电感式滚柱直径分选装置（机械结构放大）机械结构放大）汽缸汽缸控制键盘控制键盘直径测微装置直径测微装置长度测微装置长度测微装置滑道滑道湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院机械及气动元件机械及气动元件电感测微器电感测微器汽缸汽缸 气水

13、分离器气水分离器（供气三联件）（供气三联件）储气罐储气罐导气管导气管 气压表气压表（0.4MPa左右）左右）湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电感式仿形铣床电感式仿形铣床 2. 仿形测量仿形测量 11标准靠模样板标准靠模样板 22测端（靠模轮）测端（靠模轮） 33电感测微器电感测微器 44铣刀龙门框架铣刀龙门框架 55立柱立柱 66伺服电动机伺服电动机 77铣刀铣刀 88毛坯毛坯 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院3. 物位的测量物位的测量 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电容式油量电容式油量表表 当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为当油箱中注满油时，液位上升，指针

14、停留在转角为 m处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动。当的滑动臂移动。当RP阻值阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（停转，指针停留在新的位置（ x 处）。处）。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电容式液位计电容式液位计 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院超声波液位计超声波液位计 湖

15、北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院射频电容式物位限位开关射频电容式物位限位开关超声波液位开关超声波液位开关智能型射频电容物位仪智能型射频电容物位仪射频电容物位计射频电容物位计双联式液位计双联式液位计磁浮式液位计磁浮式液位计湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院4. 轴承外圈直径测量轴承外圈直径测量 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电感式不圆度计原理电感式不圆度计原理 该圆度计采用该圆度计采用旁向式电感测微头旁向式电感测微头湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电感式不圆度测试系统电感式不圆度测试系统旁向式电感测微头旁向式电感测微头湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院不圆度测

16、量打印不圆度测量打印湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，反射型可用于超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院超声波传感器应用举例超声波传感器应用举例 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院质量检查质量检查紧固件的安装错误检测紧固件的安装错误检测湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院叠放高度测量叠放高度测量超声波传感器应用举例（续）超声波传感器应用举例（续）

17、湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院物件放置错误检测物件放置错误检测湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院透明塑料张力控制透明塑料张力控制湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院纸卷直径检测纸卷直径检测超声波传感器超声波传感器应用举例（续）应用举例（续）湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院超长距离检测超长距离检测超声波传感器超声波传感器应用举例应用举例湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院静态测量系统设计一、测量量分析l测量范围 1mm, 1m, 1km,l测量精度 1, 10, l测量分辨率 l使用环境 温/湿/振动/磁l测量方式 机/电，模拟/数字，手动/自动，在线/离线，l 实时/非实时l工作场所 实验室/生产线 测量节拍