电感式传感器在圆度仪中的应用

４
３
滤波， 可使干扰减少到最少。其调制的过程是通过线性差 动变压器（ ＬＶ源自文库Ｔ： Ｌｉｎｅａｒ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）
采用屏蔽双绞线。２、４ 引脚间 的载波信号为一正弦波， 频
１２
来实现的。
率： ｆ＝１０ｋＨｚ。传感器的精度为
线性差动变压器是一种电气变换机构， 可将与线圈 分离的磁芯的位移变换为正比于该位移的电气信号。其
５结 论 实际测试表明， 采用电感式传感器的圆度仪具有
体 积 小 、精 度 高 的 特 点 ， 测 试 精 度 达 到 了 工 厂 的 标 准
ｘ ３
要求。
［ 参考文献］
Ｏ
ｔ
［ １］ 陈 立 杰 ， 张 玉 ．虚 拟 圆 度 误 差 测 量 仪 的 研 制［ Ｊ］ ．东 北 大 学 学 报
２
（ ａ）
ｕ０ ｕ０
件轮廓接触， 在转台转动过程
中， 传感器测端的径向变化与
被测轮廓相当， 此变化量由传
感器接收， 并转换成电信号输
入到信号调理电路， 最后送入
单片机进行数据处理和分析，
并驱动记录仪表头， 用电敏方
式将轮廓的径向变化记录在与 转台同步转动的记录器的火花
图 １ 圆度仪工作台
记录纸上， 然后由检测人员借助一个同心圆透明样板， 人
社， １９９９． ［ ２］ 吕乃光．傅里叶光学［ Ｍ］ ．北京： 机械工业出版社， ２００６． ［ ３］ Ｕ．Ｗｉｅｄｍａｎｎ， Ｐ．Ｇａｌｌｉｏｎ ａｎｄ Ｇ．Ｈ．Ｄｕａｎ．Ａ ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ
ｔｏ ｏｐｔｉｃａｌ ｌｏｗ － ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ ［ Ｊ］ ． Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．， １９９８， １６ （ ７） ： １３４３－ １３４７． ［ ４］ Ｔｕｒａｎ Ｅｒｄｏｇａｎ．Ｆｉｂｅｒ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒａ ［ Ｊ］ ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， １９９７， １５（ ８） ： １２７７－ １２９４ ［ ５］ 胡广书．数字信号处理［ Ｍ］ ．北京： 清华大学出版社， ２００３．
图 ２ 线性差动变压器原理图 铁芯偏离中心位置的方向不同， 线圈输出端电压的
［ ５］ 朱学濂．精密测量和计算［ Ｍ］ ．北京： 机械工业出版社， １９８１． （ 编辑 立 明）
相位就不同， 通过鉴相， 并根据电压的大小， 即可判别铁 芯的移动方向， 并可求得铁芯的位移大小。输出电压与铁
作者简介： 殷建（ １９７４－） 男， 讲师， 硕士研究生， 研究方向为检测与传感。 收稿日期： ２００７－ ０３－ ０５
关键词： 电感式传感器；信号调理；圆度仪
中图分类号： ＴＧ８３４
文献标识码： Ｂ
文章编号： １００２－ ２３３３（ ２００７） ０５－ ０１０７－ ０２
１引言 机械加工中常需要测量工件的圆度误差或机床的主
轴回转误差， 圆度误差的检测是一项重要而且繁琐的工 作。按 ＧＢ１１８３－ ８０ 与 ＧＢ１９５８－ ８０ 规定， 对于一个回转体 零件， 其横截面轮廓是否为一正圆， 需要与一理想圆进行 比较才能得出结论。圆度误差的评定过程就是将被测横 截面的实际轮廓与理想圆比较的过程。 ２ 圆度仪的工作过程及检测原理
工评定被测工件的圆度误差及其偏心值。在整个仪器中
核心部分是信号拾取， 也就是利用传感器来检测被测工
件轮廓的变化并转换成电信号， 在将此电信号进行信号
调理后送入微机中进行处理。
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性最好。在 ＦＢＧ 的 ３ｄＢ 反射带宽以上的区域， 测量的重 复性优于 ５ｐｓ。
３ 电感式传感器
芯位移之间线性关系的特性
圆度误差测量的传感器有很多种， 如电容式传感器、 曲线如图 ３ 所示。
涡 流 式 传 感 器 、电 感 式 传 感 器 等 。本 文 选 用 的 是 电 感 式 传
传感器的磁芯要求用软
感器， 它是将被测部件几何尺寸的微小变化转换为线圈 磁材料， 剩磁要小， 以免影响
基于傅里叶变换光谱技术建立了光纤光栅色散测量
系统。测量系统具有高通量、多路接收、高分辨率、宽自由 光谱范围和杂散光低、结构简单、测量速度快等优点。所测 啁啾光纤光栅群时延具有 ５ｐｓ 的重复性。对系统进一步改 进、集成和小型化后， 具有很高的实用转化推广价值。
［ 参考文献］ ［ １］ 李 全 臣 ， 蒋 月 娟．光 谱 仪 器 原 理［ Ｍ］ ．北 京 ： 北 京 理 工 大 学 出 版
（ 编辑 立 明） !!!!!!!!!! 作者简 介： 姜 峰（ １９７３－ ） ， 男 ， 在职硕 士研 究 生 ， 主 要 从 事 光 学 信 息 处
理方面的研究。 收稿日期： ２００７－ ０２－ ２８
机械工程师 ２００７ 年第 ５ 期 １０７
Ｄ 诊断与检测 Ｄｉａ ｇ ｎ ｏ ｓ ｉｓ ＆ Ｄｅ ｔｅ ｃ ｔｉｏ ｎ
的电感变化来实现测量。它具有精度高、工作稳定、结构 传感器的线性和跟踪特性。热
简单的特点。
稳定性要好， 不致于因温度变
检 测 工 作 台 上 的 电 感 传 感 器 与 工 件 表 面 轮 廓 相 接 化造成传感器输出的漂移。磁
触， 将其径向位移信号转换成高频调制信号， 输入到信号 芯尺寸及磁特性要一致， 以免
电感传感器的信号线为
变化的过程。在精密检测（ 例如检测精度 ０．０１μｍ） 中， 检 四线式， 其接口引脚如 图 ４ 所
测传感器的选择对最后的计算结果有很大的影响。采用 调制信号可大大提高信号的抗干扰能力， 加上适当的带通
示 ： ２、４ 为 载 波 信 号 输 入 线 ， １ 为输出线， ３ 为地线。传送电缆
１０８ 机械工程师 ２００７ 年第 ５ 期
波，并将此作为传感器的输出信号的载波信号 ｕｏ。ｕｏ 通过 变压器加到电感传感器的线圈 ２ 上， 当传感器的测杆头 位置沿工件表面移动时， 磁芯 ３ 位置上下移动。当磁芯处
交流放大、滤波电路完成调制信号的预处理， 这一部分不 仅增强了有用信号， 而且对杂波和其它噪声信号进行有 效的虑除； 随后与原载波信号共同输入调制检波电路， 实
诊断与检测 Ｄ
Ｄｉａ ｇ ｎ ｏ ｓ ｉｓ ＆ Ｄｅ ｔｅ ｃ ｔｉｏ ｎ
电感式传感器在圆度仪中的应用
殷建， 李志远 （铜陵学院 机械工程系，安徽 铜陵 ２４４０００）
摘 要： 介绍了电感式传感器在圆度仪中的设计与实现。阐述了高精度电感式传感器的工作原理以及信号调理电路的
设计，实现了圆度误差的精确测量。
０．０１μｍ。 ４ 信号调理
测量范围由线圈的长度和磁芯的移动量决定， 能适应
信号的处理和转换电路的设计思路如下： 调幅电感
０．００１μｍ 到数毫米范围的位移测量， 原理图如图 ２ 所示。 传感器输出的调制信号， 首先经过一路交流放大电路后
通过标准震荡器和稳幅电路获得频率和幅值稳定的正弦 进行倍率选择， 完成不同放大倍率的切换； 然后经过三级
ｕｘ ｕｘ
ｓｙｓｔｅｍ［ Ｊ］ ． Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２００１， ２５（ ３） ： ２００－ ２０５．
４
Ｏ
ｔ
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１．测杆 ２．线圈 ３．磁芯 ４．工件
（ ｃ）
院学报， １９９９， １５（ ３） ： ２７３－ ２７６．
圆度仪的工作过程： 传感器和测量头固定不动， 被测 零件放置在仪器的回转工作台上， 随工作台一起回转， 这 种仪器常制成紧凑的台式仪器， 易于测量小型工件的圆 度误差。
该仪器的检测原理为将被测工件放置在一个旋转的 工 作 台 上（ 如 图 １ 所 示） ， 通过 传 感 器 的 测 量 头 与 被 测 工
（ 自然科学版） ， ２００２， ２３（ １１） ： １０５６－ １０５９
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Ｏ
ｔ
３８－ ４０．
１
（ ｂ）
［ ３］ Ｈｏｒｉｋａｗａ， Ｏ．． Ａ ｌｏｗ ｃｏｓｔ． ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ ｒｏｕｎｄｎｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ
实验中， 由于所测啁啾光纤光栅群时延远远大于背 景群时延（ 飞秒量级） ， 我们忽略了系统的背景色散， 背景 色散主要包括参考臂空气层的色散以及干涉仪中光纤长 度不匹配带来的色散。平面反射镜是系统中唯一运动的 部件， 其运动精度是系统性能好坏的关键。由于我们用等 时间间隔进行采样， 反射镜扫描速度的不均匀性会导致 光程差的非线性变化， 从而对系统精度造成影响。解决办 法是使用高相干干涉仪监测反射镜的平移， 加入过零电 路测定高相干干涉条纹的过零点输出信号触发系统采 样； 也可以采集高相干干涉图数据在随后的数字计算中 对宽带干涉图进行修正。系统的误差还包括探测器和电 子系统对频率响应的不一致， 模拟信号在数字化过程中 带来的量化误差以及离散傅里叶变换运算中的舍入误 差 ［５］等。针对各种误差进行数学上的分析， 从而进一步改 进整个实验系统是我们今后的研究方向。 ５结语
于中心位置时， 通过两线圈的电感量相等， 输出 ｕｘ 为 ０。 现检测信号与载波高频信号的分离， 最后输入采样电路， 当磁芯偏离中心位置， 变压器中气隙磁阻发生变化， 导致 完成模拟信号到数字信号的转换。
线圈电感产生变化， 从而引起输出信号幅值的变化。当磁 芯的变化如图 ２（ａ）所示，载波信号 ｕｏ 如图 ２（ ｂ） 所示时， 最 后可产生图 ２（ ｃ） 所示的叠加输出信号。
磁芯固定在一起， 另一端与测量头相连结。滑杆在壳体的 衬套中滑动。
号控制高频振荡的过程称为调制， 当被控制的是高频振
传感器外壳用导磁不锈钢制成， 它能屏蔽外磁场的
荡的幅度时， 这种调制称为调幅， 即调幅是指用调制信号 干扰。传感器的外壳要通过屏蔽线接地以免电场干扰。
控制高频载波的振幅， 使之按照调制信号的变化规律而
采 集和 控 制 卡 中 ， 然 后 经 过 倍 率 选 择 、放 大滤 波 、调 制 电 造成传感器特性的分散现象 （ 即制造出的传感器输出灵
路和 Ａ／Ｄ 转换电路完成信号的前端处理和转换。高频振 敏度各不相同） 。传感器的运动部分为一滑杆， 其一端与
荡＂携带＂低频信号， 是由低频信号去控制等幅高频振荡 源 的 某 一 参 数（振 幅 、频 率 或 初 相 位 ）来 达 到 的 。 用 低 频 信