第7章机械量的测量 共172页

5—光电元件 光路系统
前面分析的莫尔条纹是一个明暗相间的带。从图看出，两条暗带中心线之间的 光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗， 再到最 暗的渐变过程。 主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫 尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数， 如以 电压输出，即
一般讲，线圈的阻抗变化与导体的电导率、磁 导率、几何形状，线圈的几何参数，激励电流频 率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制 上述参数中的一个参数改变，而其余参恒定不变， 则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。如其他 参数不变，阻抗的变化就可以反映线圈到被测金 属导体间的距离大小变化。
(二）结构及特性 1.高频反射式
① 测出图中峰值（利用峰值检波器） ② 直接输出频率。 优点：电路简单，线性范围宽。
调频式测量电路的原理是被测量变化引起传感 器线圈电感的变化，而电感的变化导致振荡频率 发生变化，频率变化间接反映了被测量的变化。 见下图电涡流式传感器外形图。
ST-1电涡流式传感器外形图
三、 电涡流式传感器
当导体置于交变磁场或在磁场中运动时，导体上引起感生电
h 5030 r f
可见，涡流穿透深度h和激励电流频率f有关，所以涡流传感器根
据激励频率：高频反射式或低频透射式两类。
目前高频反射式电涡流传感器应用广泛。
补充：电涡流式传感器使用注意事项
被测物体的表面要光滑、平坦。非钢材被测体 和小于三倍传感器直径的被测表面影响传感器输 出特性。传感器出厂时使用45#钢标定，被测对 象不符合规定时应重新标定（型号不同的钢材灵 敏度误差小于10%）。应当保持传感器探头周围 有足够的空间，在3倍探头直径范围内，不应由金 属体，传感器安装应远离转动体台阶面，这样可 避免周围金属结构的干扰，准确测量振动值。传 感器可在有酸碱腐蚀的环境中使用。
原理：
Eddy Sensor
Referenc e Circle
Coile d Tube
应用2： 无损探伤 火车轮检测
原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。
油管检测
应用3： 测厚 应用4： 零件计数
7.1.3 光 栅 传 感 器
（一）光栅的结构及工作原理 a
b
1. 光栅结构
在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相 间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线）， 这就是光栅，图中a为栅线的宽度（不透 光），b为栅线间宽（透光）， a+b=W称为 光栅的栅距（也称光栅常数）。通常 a=b=W/2 ， 也 可 刻 成 a∶b=1.1∶0.9 。 目 前 常用的光栅每毫米刻成10、25、50、 100、 250条线条。
(三）测量电路
根据传感器线圈与被测导体间的距离 x 的变化可以转换为品质因数Q、 阻抗Z、线圈电感L三个参数的变化。
1 电桥电路
R1
C1 A
~ 振荡器
R2
C2 B
△
检测器
电桥法测量电路原理图
电桥法是将传感器线圈的阻抗变化转化为电压 或电流的变化。图中线圈A和B为传感器线圈。 传感器线圈的阻抗作为电桥的桥臂，起始状态， 使电桥平衡。在进行测量时，由于传感器线圈的 阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡 造成的输出信号进行放大并检波，就可得到与被 测量成正比的输出。电桥法主要用于两个电涡流 线圈组成的差动式传感器。
(3) 误差的平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平 均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。
3.
光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅光路系统、光栅数显表两大部分。 光路系统利用光栅原理把输入量（位移量）转换成响应的电信号；光栅数显表是实现 细分、辨向和显示功能的电子系统。
第七章 机械量的测量
7.1 位移的测量 7.2 转速的测量 7.3 加速度的测量
机械量通常包括各种几何量和力学量，如长度、 位移、厚度、转矩、转速、 振动和力等。本章主 要讨论机组控制中常用的位移、振动和转速三种 机械量的测量方法及测量仪表。
机械量测量仪表一般由传感器、测量电路、显 示(或记录)器和电源组成, 如图所示。
机械量测量仪表框图
测量电路包括变换、放大等，把传感器的输出信 号转换成电信号；显示单元以模拟形式、数字形式， 或以图像形式给出被测量的数值。
机械量测量仪表可按测量对象和测量原理分类。 按测量对象可分为位移测量仪表、厚度测量仪表、 转速测量仪表等。按测量原理位移测量仪表可分 为电容式、电感式、光电式、超声波式、射线式 等。
各种机械量检测参数可采用的测量原理
7.1 位移的测量
7.1.1 概述 线位移、角位移 位移传感器：位移量的变化—电信号
接触式、非接触式 电感、变压器、电涡流、电容、电位器
这里讨论的是过程控制中大型转动设备(如汽轮机、压 缩机等)轴的位移。汽轮机在启停和运行中，如果转子轴 推力轴瓦已烧坏，则转子就要发生前后窜动，因而引起转 子轴的轴向位移增大，使汽轮机内部动、静部件间发生摩 擦和碰撞，导致大批叶片折断，隔板和叶轮碎裂，造成严 重事故。因此，一般汽轮机都设置了轴向位移的监测和保 护装置，电涡流传感器的检测探头与转子轴端面保持一定 的初始距离。当汽轮机转子轴产生轴向位移时，传感器的 输出电压与轴向位移成比例。当位移值超过规定的允许值 时，传感器的输出电压可控制报警电路发出报警信号。
这种传感器的结构很简单，主要由一个固定在 框架上的扁平线圈组成。线圈可以粘贴在框架的 端部，也可以绕在框架端部的槽内。图为某种型 号的高频反射式电涡流传感器。
高频反射式电涡流传感器
探头端部装有高度密封的、发射高频信号的线圈。由于 被测物体的端部（一般为转动机器的轴）距离线圈很近， 仅有几mm，线圈通电后产生一个高频磁场，轴的表面在 磁场的作用下产生涡流电流。同样，涡流电流也会产生磁 场，其场强大小与距离有关，该场强抵消由线圈产生的磁 场强度，影响检测线圈的等效阻抗，而等效阻抗与线圈电 感量有关，因此就测得位移量。
构成的；在f - f线上，两块光栅的栅线错开， f
形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组
成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮¹âÕ¤d2
光和透光效d f BH d
莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点。
(1) 位移的放大作用 当光栅每移动一个光栅栅距W时， 莫尔条纹也跟着移动一 个条纹宽度BH，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹的间距BH与 两光栅线纹夹角θ之间的关系为
当被测导体距传感器线圈相当远时，传感器谐振回路的谐振频率为回路 的固有频率，这时谐振回路的品质因数Q值最高，阻抗最大，回路输出电压 最大。
当被测导体与传感器线圈距离在传感器测试范围内变化时，由于涡流效 应使传感器的品质因数Q值下降，传感器线圈的电感也随之发生变化，从而 使谐振回路工作在失谐状态，这种失谐状态随被测导体与传感器线圈距离越 来越近而变得越来越大，回路输出的电压也越来越小。谐振回路输出的信号 经检波、滤波放大后送给后续电路，可直接显示出被测物体的位移量。
3. 谐振调频法
将LC谐振回路和放大器结合构成LC振荡器，故
频率始终为谐振频率，幅值始终为谐振曲线峰值，
即
0
1 L1C
V0

I0

L1 R1C
前 置 级
整 形 放
鉴 频 器
滤
VDC
波
大
V0
f
f0
f1
f2
f3
可见，在涡流增大时，L1减小，R1增大和谐振频 率变高，而输出幅值变小。利用频率与幅值同时变化 的特点。
uoUoUmsin22W x
式中： uo——光电元件输出的电压信号； Uo——输出信号中的平均直流分量； Um——输出信号中正弦交流分量的幅值。
正 最大 输 出 电 压u o
负 最大
正 最大
Um
Uo
ab
c
d
e f g 位 移x
光栅位移与光强、输出电压的关系
涡流检测探头
高频反射式测量位移原理：涡流的大小与金属板的 电阻率ρ 、磁导率μ 、厚度h，金属板与线圈的距 离δ，激励电流角频率ω 等参数有关。若改变其 中某二参数，而固定其他参数不变，就可根据涡 流的变化测量该参数。
注意：被测物体的物理性质、尺寸都与总 的测量装置特性有关。一般来说，被测物 的电导率越高，传感器的灵敏度也越高。 被测导体直径必须为线圈直径的3.5倍以上， 否则灵敏度要降低。
W
2. 光栅测量原理
把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）

W
面向对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并
使两者的栅线之间形成一个很小的夹角θ，这
样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗 d
相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。在d - d线 f
上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大，
形成条纹的亮带， 它是由一系列四棱形图案 d
在安装传感器之前，保证螺纹孔中不能有异物， 且螺纹良好。当把传感头拧入机架固定时，传感 器引线应随传感头自由旋转，不应有扭力；传感 器的托架应选择钢材等坚固件，且其共振频率应 大于10倍的被测体转速。 安装中的接地问题（如 下图所示）
电涡流式传感器接地安装图
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电涡流传感器的应用
应用1： 连续油管的椭圆度测量
流ie，此电流在导体内闭合，称为涡流。涡流大小与导体电阻率ρ、 磁导率μ 以及产生交变磁场的线圈与被测体之间距离x，线圈激
励电流的频率f有关。显然磁场变化频率愈高，涡流的集肤效应愈
显著。即涡流穿透深度愈小，其穿透深度h可表示
ρ—导体电阻率(Ω·cm)；
μr—导体相对磁导率； f—交变磁场频率(Hz)。
主光栅的有效长度即为测 量范围。指示光栅比主光 栅短得多，但两者一般刻 1 有同样的栅距，使用时两 光栅互相重叠，两者之间 有微小的空隙。