位移测量方法及常用传感器简介

位移是指物体上某一点在一定方向上的位置变动，是一个向量。位移测量一般是在位移方向上测量物体的绝对位置或相对位置的变动量。位移测量包括线位移和角位移的测量。

位移测量在工程中应用很广。其中一类是直接检测物体的移动量和转动量，如检测机床工作台的位移和位置、振动的振幅、回转轴的径向和轴向运动误差、物体的变形量等；另一类是通过位移测量，特别是微位移的测量来反映其他物理量的大小，如力、压力、扭矩、应变、速度、加速度、温度等。此外，物位、厚度、距离等长度参数也可以通过位移测量的方法来获取。

一、位移测量方法分类

位移测量分模拟式测量方法和数字式测量方法两大类。

在模拟式测量方法中，能将位移量转换为电量的传感器主要有：电阻式传感器（电位器式和应变式）、电感式传感器（差动电感式和差动变压器式）、电容式传感器（变极距式、变面积式和变介质式）、电涡流式传感器、光电式传感器以及光导纤维传感器等。将上述传感器与相应的测量电路结合在一起，即组成工程中常用的测量仪表，如电阻式位移计、电感测微仪、电容测微仪、电涡流测微仪、光电角度检测器、电容液位计等。各种位移测量仪表的测量范围和测量精度各不相同，使用时应根据测量任务选择合适的测量方法和测量仪表。

数字式测量方法主要是指在数控机床和其他精密数控装置中，将直线位移或角位移转换为脉冲量输出的测量方法。常用的转换装置有感应同步器（直线型、圆型）、旋转变压器、磁尺（带状、线状、圆型）、光栅（直线型、圆型）和脉冲编码器等。上述转换装置的原理与应用将在其他相关课程中介绍。

根据传感器原理和使用方法的不同，位移测量还可分为接触测量和非接触测量两种方式。

二、常用位移传感器

各类传感器的转换原理已在第三章中讲述，下面仅介绍几种常用位移传感器的结构和应用情况。

1. 电阻式位移传感器

图9-13所示为滑线电阻式位移传感器的结构。测杆与被测物体接触，当物体有位移时，测杆沿导轨移动并带动电刷在滑线电阻上移动。若已将滑线电阻与传感器的精密无感电阻接入测量电桥的两个桥臂中并调平衡，则电刷的移动会使电桥失去平衡。此时由电桥输出电压的变化，即可换算出物体位移量的大小。该传感器的优点是可以测量几毫米至几十毫米的位移量，精度一般为0.5％～1％。其缺点是由于存在滑动触点，工作的可靠性差；电阻会随温度变化产生误差。此外，传感器的动态特性受运动部件质量的限制，只能测量频率较低的位移信号。

图9-13 滑线电阻式位移传感器

1—无感电阻；2—导轨；3—滑线电阻；4—电刷；5—测杆

图9-14 应变式位移传感器

1—引线插座；2—应变片；3—悬臂梁；4—弹簧；5—调整螺钉；6—测杆

图9-14所示的应变式位移传感器是利用应变效应来进行测量的。物体的位移通过测杆传到悬臂梁，使悬臂梁挠曲，产生应变。将应变片接入应变仪的电桥中，即可实现位移测量。这类传感器测量的位移较小，通常在几微米到几毫米之间。由于没有活动触点，响应速度较快。

2. 电感式位移传感器

常用的电感式位移传感器有螺管差动型（自感式）、差动变压器型（互感式）。测量方式有轴向测量和旁向测量两种。

图9-15所示为轴向测量式螺管差动型位移传感器的结构。测端接触被测物体，被测位移通过在测杆上端固定的柱形铁芯，改变差动线圈的自感。将两个差动线圈分别接入交流电桥中两个相邻桥臂，则电桥输出的电压幅值就反映了被测物体的位移量。测量电路采用带相敏整流的交流电桥，以便能正确判断位移的方向。与传感器配套的电感测微记录仪原理框图如图9-16所示。

图9-15 螺管差动型位移传感器

1—引线；2—固定磁筒；3—铁芯；4—差动线圈；5—弹簧；6—防转销；7—滚动导轨；8—测杆；9—密封套；10—测端

图9-16 电感测微记录仪原理框图

图9-17 杠杆式差动变压器位移传感器

1—调节螺钉；2—铁芯；3—线圈；4—导线；5—弹簧；6—限位螺钉；7—杠杆；8—测杆

图9-17所示为旁向测量式差动变压器型位移传感器的结构。旁向测量是通过杠杆来改变位移传递方向的，测杆的工作角度还可以通过调节螺钉进行调整。杠杆右端连着能在差动螺管变压器内移动的铁芯。变压器骨架上绕有三组线圈，中间是初级线圈，两边是反相接法的次级线圈，线圈都通过导线与测量电路相连。被测物体的位移改变铁芯在螺管中的位置，从而使线圈的互感量发生变化。为了反映位移方向，差动变压器测微仪常用的测量电路是差动整流电路和相敏检波电路。差动整流电路是先把两个次级线圈极性相反的感应电动势分别整流，然后将整流后的电流或电压信号叠加输出。根据输出信号的幅值和极性即可判断位移的大小和方向。图9-18是采用相敏检波方案的差动变压器测微仪原理框图。

图9-18 差动变压器测微仪原理框图

图9-19 变极距电容式位移传感器

1—弹簧卡圈；2—壳体；3—电极座；4、6、8—绝缘衬套；5—盘形弹簧；7—螺母；9—电极

电感式位移传感器的输出功率大，灵敏度和测量精度较高，可以进行直接测量，测量下限可达到几微米。测量的动态范围受铁芯运动部分质量-弹簧特性和电源激励频率的限制，常用于静态和低频信号测量。

3. 电容式位移传感器

电容式位移传感器一般采用变极距式和改变面积式，前者用于微位移测量，后者用于较大的位移测量和转角测量。图9-19是一种变极距式位移传感器的结构图。测量时，传感器上的电极作为定极板，被测金属物体或固定在被测物体上的金属板作为动极板。变极距式位移传感器的测量范围不大，并有较大的非线性度，可采用差动式测量方法或在测量电路中进行非线性补偿。这种传感器常用于振动的位移测量。

电容式测微仪常采用电桥型调幅电路、谐振电路和调频电路。图9-20是采用调频方式的电容测微仪原理框图。电容式传感器作为外接振荡器的一个选频元件，被测位移量为调制信号，通过电容式传感器来调制振荡器输出信号的频率。该调频信号与本机振荡器输出信号经混频器差频后，输出频率为（f0±Δf）的调频信号，该信号经限幅放大，由鉴频器还原成与位移信号对应的电压信号，再通过功率放大器，由表头显示出来。

图9-20 电容测微仪原理框图

电容式位移传感器结构简单，可靠，灵敏度高，动态特性好，能实现非接触测量。但由于连接导线的寄生电容影响，其测量精度不太高。

4. 电涡流式位移传感器

电涡流式位移传感器是利用线圈与金属导体之间的电涡流效应来实现位移测量的，因此，一般要求被测体为导体。图9-21所示为电涡流式位移传感器的结构图。探头是固定在端部的扁平线圈，使用时，传感器通过螺纹联接固定在测量位置上，测量端部与被测表面相距一个原始间距，一般为1mm左右。

图9-21 电涡流式传感器(www.xing528.com)

1—壳体；2—框架；3—线圈；4—保护套；5—填料；6—固定螺母；7—电缆

电涡流测微仪的电路形式，决定于传感器转换的电参数。传感器变化的电参数有线圈的Q值、等效阻抗和等效电感，相应的测量电路则有Q值测量电路、电桥电路和谐振电路。目前电涡流式传感器配用的谐振电路有调幅式、调频式和调频调幅式三种，其中调幅式电路稳定性最好，调频式电路结构最简单，从灵敏度和测量范围来看，则以调频调幅式为最佳。

图9-22所示为调幅谐振电路原理框图。传感器与电容C组成一并联谐振回路，并由等幅振荡器提供电源。当谐振频率与振荡电源频率相同时，输出电压e最大；测量时，位移δ的变化使LC回路失谐，阻抗减小，致使输出电压的幅值改变，成为频率不变的调幅波。该调幅波经阻抗变换、高频放大、检波解调和滤波后输出与被测位移δ对应的电压信号。

电涡流式位移传感器灵敏度高、测量范围大、抗干扰能力强、能实现非接触测量，但由于被测体的形状、材料表层的电导率和磁导率都对传感器的灵敏度有影响，故测量精度不高。

图9-22 调幅谐振电路原理

5.光纤位移传感器

光纤位移传感器种类繁多，总体上分为物性型和结构型两大类。

图9-23所示为几种物性型光纤位移传感器的形式。图（a）表示被测位移改变了光纤的长度，光纤长度变化会引起光纤直径及光纤内应力的变化，从而输出相位变化的测量光。若用另一束光纤传输相位不变化的参考光，将测量光与参考光相干涉，根据干涉后的输出光强就可以测出位移的大小。图（b）是利用位移引起光纤弯曲，增加了传输损耗，使输出光强发生变化。同样将测量光与光强不变的参考光相比较，即可测出位移的大小。图（c）是利用螺旋形光纤的变形来测量位移，它综合了前两种形式，使输出光的光强和相位均发生变化。这种形式不需要较大的外力就能使光纤产生位移和变形，故测量的灵敏度较前两种形式高。

图9-23 物性型光纤位移传感器

图9-24所示为几种结构型光纤位移传感器形式。传感器由发射光纤和接收光纤通过不同的耦合方式组成，被测位移量作为调制信号对耦合到接收光纤中的光强进行调制，这样，接收光纤输出的光强变化即可反映位移的变化情况。图（a）是发射光纤和接收光纤端面耦合型位移传感器。当两支光纤端面靠得非常近时，入射光几乎无损失地传入接收光纤中；当两支光纤端面距离增加时，传入接收光纤的光通量便会减少，实现了光强的调制。通过探测器可以检测到光强的变化。图（b）是一种遮光调制型光纤位移传感器，在两支光纤之间利用遮光板的位移调制光强。图（c）是反射式光强调制位移传感器，发射光纤传输的光射向被测物体，反射光由接收光纤收集，送到光探测器中，反射光强将随光纤探头与被测物体表面之间的距离而变化。

图9-24 结构型光纤位移传感器

光纤位移传感器发展很快，其测量范围、测量精度、灵敏度等都能满足各种测量要求。特别是光纤位移传感器能在电磁干扰严重、空间狭小、易燃易爆等恶劣环境下使用，这是其独特的优点。光纤位移传感器的缺点是稳定性还不太好，在实际使用中，提高其稳定性是一个很关键的问题。

三、位移测量的工程应用举列

1. 回转轴误差运动测量

回转轴误差运动是指在回转过程中回转轴线偏离理想轴线而出现的附加运动。在理想回转状况下，回转轴线应始终与一固定直线（理想轴线）重合，即只允许回转轴线绕理想轴线运动，其余五个自由度都应受到限制。但实际上，由于轴颈、轴承、轴承支承孔的制造误差，轴承静、动载荷的变化以及磨损、热变形等原因，回转轴线本身的空间位置是在不断变化的，即其余五个自由度产生了附加的误差运动。许多精密回转轴，如精密机床主轴、大型高速动力机组转子等，由于回转轴的误差运动，会使加工的零件精度超差或出现设备运转故障等。因此，测量回转轴误差运动具有很重要的现实意义，例如，可以根据测量结果分析加工误差、诊断设备的故障等。

回转轴误差运动一般是通过测量回转轴在其余五个自由度上的位移变化来反映的，根据对回转轴的具体回转精度要求，可以选择其中若干自由度来进行测量。

（1）回转轴沿径向的误差运动信号一般会有与回转频率一致的基频成分和其他高次谐频成分。引起基频误差运动的原因主要是由于回转轴质量不平衡产生的受迫振动，它对回转轴影响最大，一般都需要精确地测定基频误差运动的幅值和相位信息。产生其他谐频误差运动的原因很多，如摩擦，轴承油膜涡动、油膜振荡，滚动轴承的制造缺陷等。

回转轴的径向误差运动可以通过测量回转轴某些敏感垂直断面内的轴心相对于支承孔轴线（理想轴线）的运动轨迹来反映，该轨迹是断面内的一条平面曲线，它描述了两个平动自由度的误差运动。测试装置如图9-25（a）所示，在断面互成90°的x、y方向上各安装一个电涡流式位移传感器。另外可用一个传感器，检测表示相位基准的脉冲信号。传感器检测的位移信号经放大后送入双通道基频检测仪。在基频检测仪中，信号可以通过跟踪滤波电路，滤掉其他高次谐波信号，保留与回转频率一致的基频误差运动信号；也可以直接输出含有各种频率成分的误差运动信号。

图9-25 回转轴径向误差运动的测量

（a）轴心轨迹测试装置； （b）示波器上合成的轨迹

将x、y两路时域信号同时输入电子示波器中，在示波器内，两个方向的位移信号将被合成为一平面曲线（称作李沙育图形），该曲线表达了轴心运动的轨迹。信号合成的情况如图9-25（b）所示。当x、y为幅值相等、相位差为90°的两个基频信号时，合成的轨迹图形将是一个圆，说明不平衡质量引起的受迫振动在各向是相同的；当合成的轨迹图形为一椭圆时，说明由于轴的弯曲刚度在各向不相同，导致各向振幅也不相同。可见，轴心运动轨迹的图形不同，它所表达的回转轴误差运动的特征也不同，由此可以诊断出回转轴的各种缺陷。表9-1列出了几种轴心运动轨迹图形及其所对应的缺陷。

表9-1 轴心运动轨迹圈形及其对应的缺陷

（2）对回转轴轴向的误差运动，可以采用图9-26所示的方法测量。图（a）所示的测量方案是用来监测某汽轮机转轴不正常的轴向运动，以防止推轴承被损坏，避免转子和定子之间的摩擦。根据需要和机器的结构情况，可以将位移传感器放置在轴端或轴肩处，为了测量准确、及时，传感器应尽量靠近止推环。图（b）是测量汽轮机转轴由于各部分受热不均匀而产生的差胀。用固定安装在机壳上的两个位移传感器来分别测量图示轴上不同部位的位移量，即可得到差胀值。

图9-26 回转轴轴向误差运动的测量

图9-27 轴承间隙、监测系统

2.轴承工作状况监测

轴承部件是机器的重要部件之一，其工作状态直接影响回转轴的运转精度和轴承的使用寿命。例如，由于温升不均匀，轴承外座圈会在机壳中卡死，影响滚道承载区的正常循环，因此，应随时监测轴承与机壳之间的间隙是否合适。轴承所处的位置通常在机器内部，所需检测的间隙非常小，在机器外部一般是很难测量到这种间隙变化情况的。图9-27所示为利用光纤位移传感器深入机壳内部进行测量的方案。一支光纤位移传感器安装在机壳上，对准轴承外座圈，监测外座圈与机壳间的间隙变化。另一支光纤传感器安装在轴的端部，测量转速并提供相位基准信号。传感器的输出信号经监测器处理，可以获得轴承工作状态的数据。

3.厚度测量

厚度的测量与控制在工业生产中有着重要的应用。例如，在轧钢、纺织、造纸等工业生产过程中，为了保证产品质量，必须对产品的厚度进行在线和非接触式的测量与控制。

厚度测量所用的传感器种类很多，一类测厚方法是直接利用厚度参数来调制传感器的输出信号，如低频透射式电涡流测厚方法、超声波测厚方法、核辐射测厚方法等。这类检测传感器都由信号发射源和探测器两部分组成，测量时，通过厚度的变化来改变探测器接收信号的强弱或快慢，最后转换成与输出信号成线性关系的厚度绝对量值。另一类测厚方法是相对测厚，即测量厚度的变化量。这类测量方法通常是利用位移传感器先测量厚度的变化量，然后与给定厚度值相加得到实际厚度值，如极距变化型电容传感器测厚方法。图9-28所示的利用高频反射式涡流传感器测量金属板厚的方法也是相对测厚方法。由于板厚变化，电涡流传感器到金属板表面的距离会不同，导致测厚仪输出电压值变化。为了消除金属板上、下波动和表面不平整的影响，测厚仪使用了两个特性相同的电涡流传感器L1和L2，对称地放置在金属板上、下两侧。在测量给定板厚值时，调整传感器L1的位置，使两个传感器到金属板表面的距离xt＋x2＝2x0，x0为传感器在线性工作区内给定的一个距离常数，这样，传感器输出的总电压U1＋U2＝2U0。将2U0与比较电压叠加后，使测厚仪偏差指示仪表指针指零。当板厚变化时，传感器输出总电压变为2U0±ΔU，ΔU使仪表产生偏摆，表示了板厚的变化量。对不同的给定板厚值，调整L1的位置总可以满足x1＋x2＝2x0的要求。因此，板厚给定值可以由L1的位置来给定。由偏差值和给定值的代数和，即可得知实际板厚。

图9-28 高频涡流测厚仪原理

4.物位测量

工程中的物位测量是指工业生产过程中的液位、散粒料位的测量。其测量目的主要是按生产工艺要求监视或控制容器内的物位变化。测量物位的仪表形式有很多种：有简单的直读或直接显示的装置，如玻璃液位计、浮子式液位计等；有通过常用传感器将物位转换为电量输出的电测仪表；也有一些用于特殊测量场合的，利用声、光转换原理的测量方式。

图9-29是一种利用浮子敏感液位，并通过电位器式位移传感器将液位变化量转换为电量来进行测量的浮子式油量计。浮子的上、下移动通过杠杆带动电刷移动，将电位器的电阻值分为Rx和Ry。在电源稳定和其他电阻不变的情况下，Rx、Ry值的大小将决定通过线圈Ⅰ和线圈Ⅱ中电流的大小。在结构上使线圈Ⅰ和线圈Ⅱ固定在同一转轴上并处在同一磁场中。由于两个线圈的电流方向相反，因而能产生不同方向的转动力矩，其合力矩将带动指针摆动，指示当前的液位。当液位降到一定位置时，通过微动开关接通信号灯报警。

图9-29 浮子式油量计原理