《传感器与检测技术》课件项目5 位移检测.pptx

项目5位移监测

任务5.1基于电感传感器的轴承滚柱直径分选装置的设计

任务5.2基于电涡流传感器的汽轮机胀差及轴向位移测量

任务5.3基于光栅传感器的数控机床工作台位移检测

项目5位移监测

位移——表征物体位置变化的物理量。根据位移量的形式，可分为直线位移和角位移。直线位移——指运动的物体自初位置到末位置的有向线段。它的大小是运动物体初位置到末位置的直线距离；方向是从初位置指向末位置。直线位移只与物体运动的始末位置有关，而与运动的轨迹无关。直线位移的单位为米、毫米、千米等。角位移——转动的物体自初位置到末位置转过的角度。单位为弧度、度、转数等。按被测变量变换的形式不同，位移检测可分为模拟式和数字式两种。按位移量的大小不同，位移传感器还可分为小位移监测和大位移监测。小位移检测的范围小于200mm，大位移检测的范围可达100m。在实际生产过程中，除了检测机械位移外，经常将工件的长度、厚度、高度、距离、角度等物体量的测量转化为位移的测量。位移传感器种类繁多，应用领域不断扩大，同时有越来越多的创新技术被运用到传感器中，如LVDT技术、超声波技术、磁致伸缩技术、光纤技术、时栅技术等，位移传感器技术已取得了突破性进展。由于技术的进步，使得各种传感器性能大幅度提高，成本大幅度降低，从而极大地扩展了应用范围，形成了一个高速增长的产业。

任务5.1基于电感传感器的轴承滚柱直径分选装置的设计

任务导入某轴承厂生产汽车所用圆柱滚动体。按汽车厂商的要求，一个轴承中的滚柱直径必须均匀，标称直径为10.000mm，允许公差范围为±0.5μm，并与轴承的内外套的公差匹配，否则将造成汽车运行噪声和振动超标。该轴承厂原采用人工测量和分选不同直径滚柱，效率低，且易造成误测、误分组，需要的人力成本越来越高。现希望能够自动筛选合格的滚柱，最高速度为60转/分钟，提高整体检测速度、质量和成本。相关知识5.1.1自感式传感器的基本原理电感式传感器可分为自感式和互感式两大类。实际上，人们习惯上讲的电感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。

5.1.1自感式传感器的基本原理

如图5-1所示，我们将一只380V交流接触器的线圈接上安培表后通以36V的交流电，毫安表的初始值约为几十毫安。若将接触器的活动铁芯慢慢往下按时，会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁向下移动碰到固定铁芯时，毫安表的读数只剩下十几毫安。为什么会出现这种情况呢？首先，380V的交流接触器接36V交流电，因为交流电压不够，线圈电流较小，难以产生让接触器吸合的磁力，所以交流接触器不动作。当慢慢往下按时，衔铁向下移动，气隙的厚度δ发生改变，导致线圈的阻抗变大，电流慢慢降低。

5.1.1自感式传感器的基本原理

根据电感的定义，我们知道，线圈的电感量L为：由电路知识可知，当忽略绕组的直流电阻时，流过绕组的交流电流i为：式中：N——线圈的匝数；A——气隙的有效截面积；μ0——真空磁导率；δ——气隙的厚度。式中：u——线圈两端的交流电压；Z——线圈的阻抗；XL——线圈的感抗；f——交流电压的工作频率。

5.1.1自感式传感器的基本原理

由式5-1、5-2可知：当铁心的气隙较大时，线圈的电感L较小，电流i较大。当铁心闭合时，气隙δ变小，电感L变大，电流i减小。由式5-1可知，线圈的电感受三个因素影响，分别为线圈的匝数N、气隙的有效截面积A以及气隙的厚度δ。如果保持上述三个参数中的两个参数不变，改变另外一个参数，就可以将该参数的变化转换成电感量的变化，再通过测量电路将电感量的变化转换为电压、电流或者频率输出并显示，这就是自感式传感器的工作原理（行业习惯称为电感式传感器）。电感器传感器具有如下优点：1、分辨率高，可达到0.1μm；2、灵敏度及精度高；3、可实现信息的远距离传输、记录、显示和控制。

5.1.2电感式传感器的分类及特性

电感式传感器按结构来分，有三种常见形式，分别为变气隙式、变面积式、螺线管式电感传感器。如图5-2所示。

5.1.2电感式传感器的分类及特性1、变气隙式电感传感器变气隙式电感传感器是传感器气隙截面积及线圈匝数保持不变，使气隙随被测非电量而变化，从而引起电感的变化，如图5-3（a）所示。由式5-1可知，变气隙式电感传感器的电感值与气隙为反比例函数关系，其曲线图如图5-3（a）所示。假设传感器的初始气隙为δ0，初始截面积为A0，则起始时电感值L0为：当衔铁随外力作用向上移动Δδ时，气隙减小为δ0-Δδ，则此时