机械工程测试位移测量
机械工程测试技术基础第6章位移测量
2、非接触式轮廓仪
国家标准中规定的评定 基准为轮廓中线，
有
1、最小二乘中线
n
yi2 min
i 1
2、算术平均中线。中 线上下部分所包含的轮 廓面积相等(常用)
n
n
Fi Fi'
i 1
i 1
表面粗糙度的高度评定 参数：
轮廓算术平均偏差:
Ra
1 l
l 0
y
dx
n
或 ( yi ) / n i 1
位移测量方法
位移测量包括线位移测量和角位移测量。位 移测量的方法多种多样，常用的有下述几种。
（1）积分法 （2）回波法 （3）线位移和角位移相互转换 （4）位移传感器法
（1）积分法
测量运动体的速度或加速度，经 过积分或二次积分求得运动体的位移。
例如在惯性导航中，就是通过测 量载体的加速度，经过二次积分而求得 载体的位移。
图 正余弦旋转变压器
当输出绕组接有负载时，就有电流通过输出绕组并产 生电枢反应磁通，使气隙中磁场发生畸变，输出电压 亦产生变化。为了减小这种变化，应将辅助绕组 D3D4短接，或在两输出绕组上接对称负载。为提高 旋转变压器的精确度，其负载阻抗应尽量大。
6.3 位移测量应用实例 1．回轴轴误差运动的测量 回转轴误差运动是指在回转过程中回转轴线偏离理想位置而 出现的附加运动。 径向误差运动的常用测量方法
分辨力高，寿命长， 后续电路较复杂
测量范围宽，使用方 便可靠，寿命长，动 态性能较差
结构简单，耐油污、
水，被测对象材料，
<3%
灵敏度不同，线性范
围须重校
变面
电
积
容
式
变间
隙
(10-3 ~10)mm
位移测量的工作原理
位移测量的工作原理随着科技的不断发展，现代工程中需要进行精密测量的场合越来越多，其中之一就是位移测量。
位移测量是指测量物体的位置变化或距离变化的一种测量方法，是一种重要的工程测量方法。
本文将介绍位移测量的工作原理。
一、位移测量的定义位移测量是指测量物体在空间中的位置变化或距离变化的一种测量方法。
位移测量在工程领域中应用广泛，例如测量建筑物的变形、机器零件的运动、地震造成的地表位移等等。
二、位移测量的分类根据测量原理的不同，位移测量可以分为以下几种：1.机械式位移测量机械式位移测量是指利用机械原理测量物体的位移或距离变化的一种测量方法。
例如，利用螺旋测微器可以测量物体的微小位移，利用千分尺可以测量物体的距离变化。
2.光学式位移测量光学式位移测量是指利用光学原理测量物体的位移或距离变化的一种测量方法。
例如，利用激光干涉仪可以测量物体的微小位移，利用测距仪可以测量物体的距离变化。
3.电子式位移测量电子式位移测量是指利用电子原理测量物体的位移或距离变化的一种测量方法。
例如，利用电容传感器可以测量物体的微小位移，利用激光三角测距仪可以测量物体的距离变化。
三、位移测量的工作原理位移测量的工作原理可以根据测量方法的不同，分为以下几种： 1.机械式位移测量的工作原理机械式位移测量利用机械原理进行测量，其工作原理如下：（1）利用螺旋测微器进行位移测量的工作原理螺旋测微器是一种通过螺旋副传递位移的机械装置，其工作原理如下：将螺旋测微器的测头置于待测物体上，然后旋转测头，使螺旋副的螺距使测头上下移动，进而测量物体的微小位移。
（2）利用千分尺进行距离测量的工作原理千分尺是一种通过齿轮传递位移的机械装置，其工作原理如下：将千分尺的测头置于待测物体的两个端点上，然后通过千分尺上的齿轮组，使测头的位置发生变化，从而测量物体的距离变化。
2.光学式位移测量的工作原理光学式位移测量利用光学原理进行测量，其工作原理如下：（1）利用激光干涉仪进行位移测量的工作原理激光干涉仪是一种通过激光干涉测量位移的光学装置，其工作原理如下：将激光干涉仪的激光束照射到待测物体上，然后通过激光干涉的原理，测量物体的微小位移。
机械工程测试技术实验报告
第四章常用机械量测试实验
振动参数测量综合实验实验一磁电式传感器
一、数据记录：
二、曲线图：
v(cm/s)
z（µm）
压电式传感器一、数据记录：
二、曲线图：
2
实验二电涡流传感器轴心轨迹测量实验
一、分析为什么采用两个电涡流传感器进行轴心轨迹的测量，简述其实验原理？
二、拷贝实验系统运行界面，并分析实验结果。
三、调节旋转开关，给定不同的电机转速，观察其波形变化，并分析产生变化的原因。
实验三多传感器测量距离、位移实验
一、拷贝实验过程中系统运行界面。
二、启动电机控制实验一维运动平台进行前后移动，分别记录不同位置下，光栅尺的读数及红外传感器、超声波传感器以及直线位移传感器的读数，并通过拟合工具求出各传感器的拟合
三、根据上面求出的拟合曲线系数及定标脚本的“传感器定标芯片”，标定各传感器，然后启动电机，在不同的位置下，记录光栅尺与各传感器的读数，并分析实验结果。
四、重复步骤上述过程，多测几组数据，选用不同的拟合阶次，然后比较其测量结果。
实验四力传感器标定及称重实验
一、应用于称重的传感器主要有那些，简述称重实验台的结构原理。
二、并采用三次不同组合（如一大一小；两中等；两大或两小）的砝码进行标定，拷贝实验系统界面，然后称取同样质量的砝码，分别记录下五组数据。
三、根据上面测得数据分析本称重实验台的测量误差。
基于高速摄像机的机械振动DIC动态位移测量解决方案
基于高速摄像机的机械振动DIC动态位移测量解决方案利用超高速摄像机进行高速视觉测量，通过把高速摄像视频当作检测和传递信息的载体加以利用，从高速摄像机视频中提取有用的信号，获得所需的各种参数，具有非接触、全视场测量、高精度和自动化程度高的特点。
重型机械关键部件的振动测试，在工程机械制造领域至关重要。
作为机械工程大型设备，测试挖掘机、起重机摆臂的振动位移，可以掌握设备在实际工况下的机械性能，通过减少关键负载部位的摆幅，使设备更加稳定。
某工程机械企业，利用新拓三维DIC高速摄像机测量系统对挖掘机、起重机载重部位进行振动测量；数字图像相关法DIC能够对三维变形形状进行全场分析，该技术利用两台同步的高速摄像机，从不同角度拍摄物体。
然后，DIC软件将图像关联成一个3D网格。
新拓三维DIC高速摄像机测量系统的设置不繁琐且耗时较少，它利用绘制在物体表面上的散斑图案，在高速拍摄过程中为摄像机提供焦点。
通过这种方式，DIC可以在一个区域内提供来自更多数据点的测量数据，然后，工程师可以使用DIC软件分析挖掘机尾部负载部位振动位移、吊臂偏摆位移。
挖掘机振动相对位移测量测量过程重点关注挖掘机尾部负载位置和垂直地面之间的相对位移，由驾驶员操作挖掘机进行模拟工况操作进行测量。
新拓三维DIC高速摄像机测量系统，搭配的高速摄像机能够捕捉挖掘机尾部相对位移变化的实验过程，为后续研发人员进行图像分析，测量实验过程中的有关应变、位移、振动等数据，为分析机械位移与振动提供丰富数据。
挖掘机位移分析数据从分析曲线看，当分析曲线出现小幅波动时，此时挖掘机已经开机处于运转状态；出现大幅波动，此时挖掘机正在做挖掘动作。
基于新拓三维DIC高速摄像机测量系统对挖掘机尾部负载部位进行位移测量，通过曲线分析反映挖掘机整个操作动作，测试位移数值，方便后续对挖掘机进行振动研究以及产品改进。
起重机吊臂偏摆位移测量重点测量起重机吊臂偏摆位移，利用新拓三维DIC高速摄像机测量系统，对两台分别以低速、高速的不同速度运转的起重机吊臂关键负载部位进行测量。
物理实验技术中的位移测量方法与技巧
物理实验技术中的位移测量方法与技巧在物理实验中，位移测量是非常重要的一项工作。
无论是研究物体的运动，还是测量材料的性能，位移测量都扮演着关键的角色。
本文将介绍一些常用的位移测量方法与技巧。
1. 光栅测量法光栅测量法是一种基于光学原理的位移测量方法。
利用光栅的特性，可以将位移转化为光强的变化。
通过测量光强的变化来得到位移的大小。
这种方法具有分辨率高、精度高的特点。
在实际应用中，常常使用光电二极管或光敏电阻来接收并转化光强的变化信号。
2. 激光干涉法激光干涉法是一种常用的位移测量方法。
它利用激光的相干性原理来测量两个相邻位置之间的位移。
通过将激光分为两束，分别照射到待测物体上，然后再将两束光进行干涉，通过测量干涉条纹的变化来得到位移的大小。
激光干涉法具有高精度、非接触等优点，广泛应用于工业制造、材料研究等领域。
3. 压电传感器压电传感器是一种常用的位移测量设备。
它利用压电材料的特性来实现位移的测量。
当压电材料受到外界力的作用时，会产生电荷的积累，通过测量电荷的变化来得到位移的大小。
压电传感器具有高灵敏度、快速响应等特点，广泛应用于机械工程、材料科学等领域。
4. 电容位移传感器电容位移传感器是一种常见的位移测量设备。
它利用电容的变化来实现位移的测量。
当电容器的电极之间发生位移时，电容的数值会发生变化。
通过测量电容的变化来得到位移的大小。
电容位移传感器具有广泛的测量范围、高分辨率等特点，常用于位移测量和控制领域。
5. 实验技巧在进行位移测量实验时，还需要注意一些实验技巧，以确保测量结果的准确性和可靠性。
首先，要保证测量设备的稳定性，包括测量仪器的固定、电源和线路的稳定等。
其次，要校准测量设备，以确保测量结果与实际位移一致。
并且，在进行测量时，应尽量减小系统误差，例如避免测量设备与被测物体之间的摩擦、振动等。
总结：位移测量是物理实验中不可或缺的一项技术。
通过本文介绍的光栅测量法、激光干涉法、压电传感器、电容位移传感器等常用的位移测量方法，可以更加准确地获得位移信息。
位移的测量
敏度的位移测量。
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3.3 常用位移传感器测量电路
3.3.1电感式传感器
电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感量的 改变这一物理现象来实现测量的。根据转换原理不同，电感 式传感器可分为自感式和互感式两大类。人们习惯上讲的电 感式传感器通常是指自感式传感器。而互感式传感器由于它 是利用变压器原理，又往往做成差动式，故常称为差动变压 器传感器。
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3.3 常用位移传感器测量电路
采用差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对外界 影响，如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以互相 抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。 所以，实用的电感传感器几乎全是差动的。
(2)电感传感器的测量电路 电感传感器可以通过交流电桥将线圈电感的变化转换成电压
式中，
——空气隙厚度; ——空气隙的有效截面积; ——真空磁导率，与空气的磁导率相近。
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3.3 常用位移传感器测量电路
因此电感线圈的电感量为：
此式表明，当被测量使 , 或 发生变化时，都会引起 电感L的变化，如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另 一个参数，电感量即为该参数的单一函数。由此，电感传感 器可分为变隙型、变面积型和螺管型三种类型，如图3-2所 示。
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3.3 常用位移传感器测量电路
差动变压器式传感器也有变气隙式和变面积式，但最多采用 的是螺管式。图3-6为螺管式差动变压器的结构示意图。
差动变压器工作在理想情况下(忽略涡流损耗、磁滞损耗和分 布电容等的影响)，它的等效电路如图3-7所示。图中u1为一 次线圈激励电压;M1、M2分别为一次线圈与两个二次线圈间 的互感；L1、R1分别为一次线圈的电感和有效电阻；L21、 L22分别为两个二次线圈的电感；R21、R22分别为两个二次 线圈的有效电阻。
位移测量与控制系统
4位绝对码光电编码器码制
位置
二进制码
十进制码
A
0000
0
B
0001
1
C
0010
2
D
0011
3
E
0100
4
F
0101
5
G
0110
6
H
0111
7
I
1000
8
J
1001
9
K
1010
10
L
1011
11
M
1100
12
N
1101
13
O
1110
100 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000
物台或工作台上，然后，在三维空间中，通过某种机电传动方式，移动到与
加工机构（各类加工头）有特定相对位置要求的待加工位置。
❖
由于被加工物料或工件与加工机构有特定相对位置关系，因此，被加工
物料或工件被安装（夹）固定于载物台或工作台上后，也可能是加工机构在
三维空间中，通过某种机电传动方式，移动到与载物台或工作台有特定相对
位置要求的加工位置。
❖ 无论是工作台移动，还是加工头移动，都属于通过某种机电传动方式达 到一刚体在三维空间中的几何位移的测量与控制问题。
❖ 位移测量包括长度、厚度 、高度、距离、物位、镀层厚 度、表面粗糙、角度等的测量。
❖ 测量位移广泛地应用非电量的电测法，能够测量位移的 传感器很多，典型的传感器有电阻、电容、电感以及磁电、 压电、压磁、光电、霍尔元件等，此外还有超声波、放射线 等。此外，近年来各种新型传感器，如光导纤维传感器、电 荷耦合器（CCD）传感器等均发展十分迅速，给位移的测 量提供了不少新的方法。
位移测量方案
位移测量方案引言位移测量是一项重要的工程技术，在各个领域中都有广泛的应用。
通过测量物体在空间中的位移，可以用来分析结构的变形、判断机械设备的偏差、监测地壳的运动等。
本文将介绍几种常见的位移测量方案及其原理、应用和优缺点。
1. 激光干涉激光干涉是一种高精度的位移测量方法，基于光的干涉原理。
该方法利用激光束在被测物体上的反射或透射，通过干涉条纹的变化来测量物体的位移。
其原理是利用两束激光光束叠加产生干涉条纹，并通过测量干涉条纹的变化来确定位移的大小。
激光干涉位移测量的优点包括高精度、高灵敏度、非接触等。
它可以实现亚微米甚至纳米级的位移测量，适用于很多精密测量领域。
然而，激光干涉测量仪器较为复杂，而且对环境的要求较高，比如要求测量场景中无明显的震动和振动。
2. 拉线测量拉线测量是一种常见且简便的位移测量方案。
它通过在被测物体上安装一根细长的拉线，并通过测量拉线的伸缩变化来确定物体的位移。
一般情况下，拉线固定在物体的一个固定点上，而另一端连接到一个测量装置上，如传感器或机械测量仪器。
拉线测量的优点是简单易行、成本低廉，并且适用于一些不复杂的位移测量场景。
然而，由于拉线的伸缩变化受到重力、温度和机械松弛度等因素的影响，其精度和稳定性相对较差。
因此，在高精度和长期稳定性要求较高的位移测量场景中，拉线测量可能不够适用。
3. 压阻传感器压阻传感器是一种常见的位移测量传感器，也被广泛应用于工程领域中。
它通过测量材料电阻值的变化来确定物体的位移。
当物体受力或变形时，材料的电阻值会发生变化，并通过传感器转换为相应的电信号进行测量和记录。
压阻传感器的优点是结构简单、响应速度快、精度较高。
它可以用于各种场景下的位移测量，如机械设备的变形监测、土体的沉降测量等。
然而，压阻传感器在测量大位移或动态变化时，受到材料的线性范围和响应速度的限制。
4. 光栅尺光栅尺是一种基于光学原理的位移测量仪器。
它由一个具有特殊编码的光栅和一个读写头组成。
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端面运动误差因测量点所在半径位置不同而异，径向运动 误差则因测量点所在的轴向位置不同而异。
1.双向测量法 任意径向截面上的径向误差运动可采用置于x、y方向的两 只位移传感器来分别检测径向运动误差在x、y方向的分量。 在任何时刻两分量的矢量和就是该时刻径向运动误差矢量。
第二节 常用位移传感器
一、滑线电阻式位移传感器
滑线电阻式位移传感器工作过程:
被测位移量ΔX
外接电路
ΔR
ΔU
优点；结构简单，性能较稳定，使用方便。
缺点；受阻经直径影响，分辩率不高，运用检测精 度不高的场合，噪声大.
电阻式位移传感器的性能及特点
型式 测量范围
滑线式
变阻器
线位移
角位移
线位移
角位移
1～300mm* 0～360° 1～1000mm* 0～60r
±10°
±60°
精确度 ±1% ±1% ±0.5％ ±1～3% ±1% ±1%
直线性 ±3% ±3% ±0.5% ＜3% ±0.05% ±0.1%
特点
只适用于 测量范围 分辨力
用于微小 较宽使用 好，受
位移测量 方便可靠，到磁场
动态性能 干扰时
较差
需屏蔽
分辨力好，非线性误差与变压 受被测物 比和测量范围有关 体材料， 形状加工 质量影响
贴 外接电路
应变片 电量输出
电阻ΔR
电阻应变式位移传感器的性能及特点
型式 测量范围 精确度 直线性
特点
非粘贴的
粘贴的
半导体的
±0.15%应变
±0.3%应变
±0.25%应变
±0.1%
±2%～3%
±2%～3%
±1%
±1%
满刻度±20%
不牢固
牢固，使用方便，输出幅值大，温 需温度补偿和高 度灵敏性高 绝缘电阻源自电容式位移传感器的性能及特点
型式
变面积
变间距
测量范围
10-3～1000mm*
10-5～10mm*
精确度
±0.005%
0.1%
直线性
±1%
1%
特点
受介电常数因环境温度， 分辨力很好，但测量范围很小，
湿度而变化的影响
只能在小范围内近似地保存线
性
第三节 位移测量的应用
一、回转轴径向运动误差的测量 回转轴运动误差是指在回转过程中回转轴线偏离理想位置而 出现的附加运动。回转轴运动误差的测量，无论对于精密机 床主轴的运动精确度，还是对于大型、高速机组（例如汽轮 机一发电机组）的安全运行都有重要意义。
2.单向测量法 有时只需要测量运动误差在某个方向上的分量（例如分析机 床主轴的运动误差对加工形状的影响），则可将一只位移传 感器置于该方向来检测。
测量时必须利用基准面来“体现”回转轴线。通常是选 用具有高圆度的圆球或圆环来作为基准面。直接采用回 转轴上的某一回转表面来作为基准面虽然可行，但由于 该表面的形状误差不易满足测量要求，测量精确度较差。
差动变压器式位移传感器 工作过程:
被测位移量ΔX
测杆运动
衡铁在线圈中运动 电感量ΔM变代 外接电路
电量Δe
电感式位移传感器的性能及特点
型式
自感式 变气隙型 螺管型
差动变 涡电流式 微动同 旋转变压
压器
步器
器
测量范围 ±0.2mm
1.5～ 2mm
±0.08～ ±2.5～ 75mm* ±250m
m*
用双向测量法测量轴的径向运动误差
位移传感器
测量仪
位移传感器
测量仪
设Oo为理想回转中心，Om为基准球的几何中心，Or为瞬 时回转中心，e为基准球的安装偏心，θ为转角，并令e与x轴 平行时θ =0，r(θ)为径向运动误差。若基准球半径Rm远远 大于偏心e和径向运动误差r(θ)，则两传感器检测到的位移信 号dx和dy分别为：
d x e cos rx ( ) sx ( ) d y esin ry ( ) sy ( )
右侧第一、二项分别为偏心e和运动误差r(θ)在x、y方向上的
投影，而第三项则为基准球上相差90°的两对应点处的形状误 差。由此可见：
在圆球形状误差可忽略的情况下，dx和dy是圆球中心的位 移在x、y两方向上的分量。
形位误差测量是将被测要素和理想要素进行比较，从而用数值 描述实际要素与理想要素形状或位置上的差异。每个参数的测 量过程包括测量和评定两个阶段。
二、物位的测量
物位是液位、料位、以及界面位置的总称。具体的液位如 罐、塔、槽等容器中液体或河道、水库中水的表面位置高 度；料位如仓库、料斗、仓储箱内堆积物体的高度；界面 位置一般指固体与液体或两种不相溶、密度不同的液体之 间存在的界面。
精确度 直线性
特点
±0.1%
±0.1%
±0.1%
±0.1%
分辨力较好，可静态或动 态测量。机械结构不牢固
±0.5%
±0.5%
±0.5%
±0.5%
结构牢固，寿命长，但分 辨力差，电噪声大
二、应变片式位移传感器
利用弹性元仵把位移量转换成应变量
应变式位移传感器工作过程:
被测位移量ΔX
测杆运动
弹簧作用
弹性元件(悬臂梁)产生应变
测量物位有时是为了测知容器中物体的存量；有时是为 了对容器中的物料进行监控，调节其进出速度，或在物 位接近极限位置时能提前报警。前者为物位的静态测量， 后者需采用动态连续的测量方法。
测液面高度
C
2x
lnD / d
C
20h hx lnr2 / r1
2hx
lnr2 / r1
h
hx
r1
0
r2
内外极板间要加绝缘层！