位移检测仪表原理结构和应用.docx

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位移检测仪表原理结构和应用

1位移检测仪表原理、结构和应用

1.1位移检测仪表原理、结构

1.1.1位移检测概述

（1）传感器的分类

传感器是一种以测量为目的，以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于处理的另一种物理量的测量器件。

传感器的输出信号多为易于处理的电量，如电压、电流、频率等。

传感器由敏感元件（Elasticsensor）、传感元件及转换电路三部分组成。

敏感元件是在传感器中直接感受被测量的元件。

即被测量x通过传感器的敏感元件转换成一与x有确定关系的非电量或其它量。

这一非电量通过传感元件后就被转换成电参量。

转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成电压、电流或频率量。

应该指出，不是所有的传感器都有敏感、传感元件之分，有些传感器是将二者合二为一了。

传感器的种类繁多，分类方法也不尽相同，一般常用的分类方法有两种：

一种是按被测对象的参数分类；另一种是按传感器的变换原理分类。

此外，还有其他的分类方法，如按传感器材料分类，按传感器本身是否能产生电动势分类和按输入、输出特性分类等。

①按被测对象的参数分类的传感器有：

温度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、力矩传感器、加速度传感器、流速传感器、振动传感器等。

②按变换原理分类的传感器有：

电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、光电式传感器、光栅式传感器、热电式传感器、红外传感器、光纤传感器、超声波传感器、激光传感器等。

有时人们常把被测参数和变换原理结合在一起来称呼传感器，例如电阻式压力传感器、电容式液位传感器、压电式加速度传感器等。

③按传感器输出信号的性质分类有：

输出为开关量（“１”和“０”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。

④按照其用途，传感器可分类为：

压力敏和力敏传感器，位置传感器，液面传感器，能耗传感器，速度传感器，热敏传感器，加速度传感器，射线辐射传感器，振动传感器，湿敏传感器，磁敏传感器，气敏传感器，真空度传感器，生物传感器等。

⑤以其输出信号为标准可将传感器分为：

模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。

数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接和间接转换）。

膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出（包括直接或间接转换）。

开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

（2）位移传感器种类

位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。

小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测；大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。

其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。

　　位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。

①电位器式位移传感器：

它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。

普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。

但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。

电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。

物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。

阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。

通常在电位器上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。

线绕式电位器由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯而变化，其输出特性亦呈阶梯形。

如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件，则过大的阶跃电压会引起系统振荡。

因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。

电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损。

它的优点是：

结构简单，输出信号大，使用方便，价格低廉。

②霍耳式位移传感器：

它的测量原理是保持霍耳元件（见半导体磁敏元件）的激励电流不变，并使其在一个梯度均匀的磁场中移动，则所移动的位移正比于输出的霍耳电势。

磁场梯度越大，灵敏度越高；梯度变化越均匀,霍耳电势与位移的关系越接近于线性。

霍耳式位移传感器的惯性小、频响高、工作可靠、寿命长，因此常用于将各种非电量转换成位移后再进行测量的场合。

③光电式位移传感器：

它根据被测对象阻挡光通量的多少来测量对象的位移或几何尺寸。

特点是属于非接触式测量，并可进行连续测量。

光电式位移传感器常用于连续测量线材直径或在带材边缘位置控制系统中用作边缘位置传感器。

传感器的分类。

④依据传感器的相对式机械接收原理，电感式传感器能把被测的机械振动参数的变化转换成为电参量信号的变化。

因此，电感传感器有二种形式，一是可变间隙，二是可变导磁面积。

电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。

电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。

⑤电涡流式传感器：

电涡流传感器是一种相对式非接触式传感器，它是通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值的。

电涡流传感器具有频率范围宽（0～10kHZ），线性工作范围大、灵敏度高以及非接触式测量等优点，主要应用于静位移的测量、振动位移的测量、旋转机械中监测转轴的振动测量。

⑥电容式传感器：

电容式传感器一般分为两种类型。

即可变间隙式和可变公共面积式。

可变间隙式可以测量直线振动的位移。

可变面积式可以测量扭转振动的角位移。

　　在实际应用中，位移具有两个方向，即选定一个方向后，位移有正负之分。

1.1.2常用位移检测仪表的工作原理及其结构

位移检测仪表按工作原理分有电感式、电涡流式等。

在大型旋转机械中较多地使用电涡流式位移检测系统。

（1）电感式位移检测仪表：

是利用电磁感应原理进行工作，被测物体位移的变化转为感应电压的变化，传感器由山型铁心和绕组组成，中间柱上绕有线圈，稳压器稳定供电36V。

当被测物体在铁芯中发生位移时，铁芯左右两边气隙变化，使磁阻变化，于是传感器左右铁芯柱上次级感应出大小不同电势。

电感式传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量检测的一种装置，可用来侧位移、振动、压力、应变、流量、比重等参数，在铁芯与磁性材料间有一介质间隙，当间隙距离变化时，引起电感量变化，此变化与铁芯和磁线材料距离相对应，随意只要测出电感量变化即能测出铁芯和磁性材料的位量变化。

这就是电感传感器检测原理，要测得线圈电感的变化，须把电感传感器接到测量电路中，使电感的变化转换为电压、电流或频率的变化，然后进行显示。

实际运用中铁芯即为位移检测探头，是一线圈、从探头测得的线圈磁性材料即为被测物件，探头与被测物体间距离发生变化时，电感发生变化，经转换器转换城4-20mA信号进行远程传输。

（2）电涡流式检测仪表：

是利用高频电磁场与被测导体间涡流效应原理而制成，由探头、前置器、显示、稳压电源组成。

探头对着转子被测表面，但并不接触，留有一定的间隙，用支架固定在轴承的瓦座上或机壳上，通过延伸电缆与机壳外的前置放大器相连。

探头检测线圈电感L与电容C组成并联络谐振回路，此LC回路由前置器内石英高频振荡器（1MH2）经耦合电阻R提供一高频电流。

如检测线圈附近无金属，LC处谐振状态，输出电压最大。

当有金属物时，检测涡流线圈产生的高频磁通就会在金属物表面感应出涡流，从而改变L，使LC回路失谐，输出电压降低。

　　电涡流式位移传感器的工作原理是，传感器的头部线圈与谐振电容、前置器内的石英振荡器构成高频（1～2MHz）电流振荡回路，在头部线圈周围产生高频交变磁场。

当磁场范围内出现金属导体、如转子时，转子表面会产生感应电流，即电涡流，涡流的强弱与间隙的大小成正比。

电涡流产生的感应磁场反作用于线圈的高频磁场，使线圈的阻抗（或者说电感）发生变化，转子与探头之间的间隙δ越小，电涡流就越大，线圈的阻抗就越大、电感量就越小。

在振荡器激励电流参数、线圈参数、金属（转子）电导率和磁导率都为常数的情况下，电感量是间隙δ的单值函数。

测出电感量的变化，即可知道转子与探头的间隙变化。

因而，传感器的输出与振动位移成正比。

由延伸电缆输出的电感量变化信号为高频载波信号，经前置放大器内的检波器放大、转换后输出的是直流电压信号。

该电压与探头和转子之间的间隙δ成正比，因此称为间隙电压。

间隙电压U又可分为直流分量Uo和变化分量Ua两部分。

直流分量对应于初始间隙（又称安装间隙）或平均间隙，用于测量轴位移；变化分量对应于振动间隙，用于测量振动。

测隙仪输出的间隙电压信号经后续仪表的进一步处理，即可转化成轴振动、轴位移、转速、相位的数值以及状态监测的各种图谱。

线圈与被测物距离越小，输出间隙电压越低。

此电压经前置器放大、检测后输出与间隙变化成正比的电压信号，输入监视器进行指示、报警。

电涡流式传感器测振动，则测量反映间隙动态变化的交流电压；用来测位移变化，则测量平均直流电压。

（3）本特利3300电涡流式位移检测仪表

电涡流式位移传感器是非接触式传感器，具有灵敏度高、线性范围大、频响范围宽、具有零频响应、探头结构尺寸小、抗干扰能力强、适于远距离传送、易于校准标定等优点。

与接触式传感器（速度传感器、加速度传感器都是接触式）相比，电涡流式传感器能够更准确地测量出转子振动状况的各种参数，尤其适用于大型旋转机械轴振动、轴位移、相位、轴心轨迹、轴心位置、差胀、等等的测量，用途十分广泛。

在大型旋转机械中电涡流式检测装置大多用美国本特利公司的BN7200、3300、3500等。

3300电涡流传感器系统由以下几部分组成：

3300探头、3300延伸电缆、3300前置器。

图1.1.2-1图1.1.2-2

图1.1.2-3图1.1.2-4

系统输出正比于探头端部与被测导体表面之间的距离的电压信号。

它既能进行静态（位移）测量又能进行动态（振动）测量，主要用于油膜轴承机械的振动和位移测量，以及键相位和转速测量。

所有的3300XL8mm电涡流传感器探头、延伸电缆和前置器具有完全可互换性，不需要单独的匹配组件或工作台校准。

3300XL前置器有重大的改进，它既可以采用紧凑的导轨安装，也可以采用传统的面板安装。

当采用面板安装时，其安装孔位置与以前四孔安装的3300前置器相同。

两种形式的安装基板均具有电绝缘性，不需要独立的绝缘板。

1.2位移测量

1.2.1安装要点与日常点检

（1）安装步骤及要点：

①探头先安装固定在保护外壳内，并使探头与外壳连接紧固，固定探头的螺母应用止动垫片，防止设备运转中的振动使探头松动。

②探头安装可采用机械法，像1800型的1.27mm（用一隔片）或电测法，间隙电压在9V左右（电压一半）。

一般位移、振动探头安装时，先用与探头直径基本相同的干净直棒测出转子到探头安装孔外端面的深度L，并使探头端面与固定螺母的距离稍大于L1-2mm；然后，从设备的探头安装孔中缓慢旋转探头，使之接近转子，当固定螺母与安装孔外端面基本接近时，使探头与延长线相连接，同时用万用表在前置器上测量间隙电压。

如大于探头要求的间隙电压（如9V、5V等），则边观察电压值，边旋转探头，直至间隙电压符合要求。

③探头与延长线连接后继续旋转探头时，应注意每旋转一圈左右，让探头与延长线分离，使探头线及延长线自然挺直，以免损坏它们。

④在间隙电压符合要求后紧固固定螺母，紧固时应防止探头转动，紧固中应密切观察间隙电压值防止间隙电压偏离。

⑤探头固定后，让探头与延长线分离，使探头线及延长线自然挺直，然后使它们可靠连接以免松动，在探头与延长线的连接头