哈尔滨工业大学机械工程测试技术基础大作业传感器.docVIP

Harbin Institute of Technology 课程大作业说明书 课程名称：机械工程测试技术基础 院 系： 班 级： 设 计 者： 学 号： 指导教师： 李跃峰 设计时间： 2014、5、5 哈尔滨工业大学 一、题目： 如图所示工件为一个箱体，体积较大，不适合于搬动，箱体上有法兰盘需要与外管路连接，连接后需要密封，A处为密封用的环槽，槽内放置o形密封圈，现在要现场测量密封槽的深度尺寸8mm，要求在圆周方向上深度一致性公差在0.1mm之内。 作业要求 （1）学生选题可以多人选一题，但是要求独立完成作业内容。同一测量对象，可以有多种测量方法，可以用不同传感器。 （2）根据被测物理量选用适合的传感器系列；例如尺寸量测量传感器，电阻应变式传感器，电感式传感器，电容传感器，磁电传感器、CCD图像传感器等等。 （3）分析所给任务的测量精度，并根据精度指标初选适合该精度的传感器系列；测量精度一般根据被测量的公差带利用的是误差不等式来确定，例如公差带达到10时测量精度一般应达到公差带的1/5，即小于2。满足此精度的传感器有电阻应变式传感器，电感式传感器等，但考虑精度的同时还要考虑量程等其它方面的因素，参考第3章传感器的选用原则一节。 （4）测量方法是确定成败的，好的测量方法可以充分发挥传感器的性能。学生要根据被测量的特点及题目要求，综合考虑测量方便，适合于批量测量的特点，确定合理的测量方案，并画出测量方案简图，可以配必要的文字说明。 二、传感器选择： 考虑到公差小于0.1mm，测量精度应达到公差带的五分之一，即测量精度应小于20μm。由于电位器式传感器的分辨力为0.025-0.05mm，不满足要求，可选用差动变压器式电感传感器，其精确度高达0.1μm，线性范围大，稳定度好，使用方便，被广泛应用于直线位移的测量。 三、差动变压式电感传感器原理简介： 把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的, 并且次级绕组都用差动形式连接, 故称差动变压器式传感器。 差动变压器结构形式较多, 有变隙式、 变面积式和螺线管式等, 但其工作原理基本一样。非电量测量中, 应用最多的是螺线管式差动变压器, 它可以测量1～100mm范围内的机械位移, 并具有测量精度高, 灵敏度高, 结构简单, 性能可靠等优点。 差动变压器是一种线圈互感随衔铁位移而变化的转换器。差动变压器等效电路如图1所示。 图1 差动变压器等效电路 其磁路是开放的, 次级的2个线圈连接成差动结构。根据图1可以推算差动变压器输出电压的有效值为： 式中M1, M2 分别为初级线圈L1 与次级线圈L21,L22的互感,R1为初级线圈的电阻; Ui为初级线圈的激励电压。差动变压器的互感量与其内部的磁场变化相关联,而磁场的变化又取决于衔铁在开磁路中的位置。因此, 在一定范围内, 只要衔铁位移,差动变压器的输出电压就产生相应的变化,近似线性关系,输出电压Uo是衔铁位移量x的单值函数。衔铁在差动变压器的几何中心位置时, 如次级的2个线圈的参数和磁路尺寸相等,则M1 = M2,参照式(1)运算,此时,差动变压器的输出电压为零。但实际制作时,次级2个线圈的电气参数和几何尺寸存在一定的差异,所以,当衔铁处于中间位置时,定有不平衡输出,即存在零点残余电压。零点残余电压包含基波和高次谐波。基波的正交分量使输出信号产生相移,相移跟随输出信号的大小而变化。高次谐波分量是磁性材料磁化曲线的非线性引起的。零残电压的存在造成极大的负面效应,使传感器在零点附近测量时灵敏度大大降低,分辨力变差,测量误差增大。 为了最大限度地消除零残电压,首要条件是保证次级2个线圈的电气参数和几何尺寸的一致性和磁路的对称性。在此基础上,选择适宜的补偿电路亦是至关重要的,可进一步减小零残电压。本方案使用图2的补偿电路,电路中增加了反馈支路。 图2 差动变压器零残电压补偿电路 四、测量方案 由于工件较大，不适合搬动，可设计专用量具。 最外层两个同心大圆表示被测量的环槽，制作如图所示的夹具，夹持三个传感器，使三个传感器均匀分布在环槽的三个位置，只要旋转夹具，即可测量不同位置的深度。 该结构有以下优点： 1. 一次测量可以获得均匀分布的三点的槽深，旋转一定角度即可再测得另外三点的槽深，多次测量即可获得足够多位置的槽深。 2. 采用差动式测量，用两传感器测量结果之差来计算槽深，可减少误差。 3. 量具的直径和工件环槽的直径相同，方便工人使用，可减少随机误差。 4. 两传感器自身有8mm的位置差，测量出的位移即为该点的偏差，可极大地减小量