CN102384714B - 一种温度变形自补偿微位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种温度变形自补偿微位移传感器，它利用不同材料的热膨胀系数不同，使其置于同一温度场中，根据测量其中因热膨胀变化尺寸不同带来的位移(通过电容测位移原理)，来评估温度变形补偿值。从而能够实现温度变形自补偿微位移测量。本发明技术方案与现有技术相比，其优点是：1.可以较准确测量高温变温度环境下的机械微位移；2.可以根据不同工作环境选取不同材料，设计不同尺寸；3.可靠性、体积、均较好。

Description

一种温度变形自补偿微位移传感器

技术领域

本发明是一种温度变形自补偿微位移传感器，属于测量技术领域。

背景技术

在高温变温度场中，测量两个物体之间的非热膨胀机械微位移变形(Δδ_机械变形)较为困难，因为在相对微运动机构中准确得到变温度场中的热变形量Δδ_热变形非常困难。

其中：Δδ_机械变形＝Δδ_总-Δδ_热变形

测量原理如图1所示。该种测量的具体如下：

航空发动机机匣与轴承座之间的变形的测量就在这样的变温度场中，机匣位置的温度为-40～100度，而轴承座位置的温度为-40～600度左右，而且随着发动机不同工作状态该温度变化较大。想测量机匣与轴承座之间的机械变形量，就必需消除掉温度场变形。

目前还适合上述测量要求的自补偿测量传感器。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种温度变形自补偿微位移传感器，该传感器基于电容测量原理进行产品的结构设计，通过不同材料的热膨胀系数不同，得出热变形量的平均积分温度值，通过该数据计算出全长上的热温度变形量，从而实现自温度补偿。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种温度变形自补偿微位移传感器，其特征在于：该传感器包括一个冷端安装结构件和一个热端安装结构件，在冷端安装结构件的端面上安装筒状的中间感应体和内感应体，内感应体的直径小于中间感应体的直径并套装在中间感应体内，两者的中轴线重合，内感应体的长度L1小于中间感应体的长度L2，0.1mm≤L2-L1≤1.5mm，中间感应体和内感应体采用相同的热膨胀稳定材料制成；

内感应体的伸出端面的外侧圆面上铺贴高介电常数绝缘体，绝缘体的厚度为0.0001mm-0.001mm，绝缘体的外侧面上再铺贴圆电容感应电极板，在中间感应体的伸出端面的内、外两侧圆面上也铺贴高介电常数绝缘体，并在绝缘体的两个外侧面上同样铺贴圆电容感应电极板，与中间感应体伸出端面的外侧圆面上的圆电容感应电极板相对的热端安装结构件的端面上，也铺贴一个圆电容感应电极板，该圆电容感应电极板与热端安装结构件的端面之间也夹装有绝缘体，该圆电容感应电极板与冷端安装结构件的端面之间的距离为L3，0.1mm≤L3-L2≤1.5mm；

在中间感应体和内感应体的中轴线位置处加工有用于安装引线管的孔，引线管内通过测量引线并从冷端安装结构件引出，在中间感应体和内感应体的外围安装有起支撑和限制移动的保护壳体，保护壳体的两端分别固定在冷端安装结构件和一个热端安装结构件的端面上。

中间感应体和内感应体的制造材料为热膨胀稳定的高温合金材料及陶瓷材料，热膨胀系数选择范围为：

α＝0.8-12.5×10^-6/℃。

其中，高温合金材料优选4J18、4J28、4J78、4J80、4J58、4J82材料。

上述结构中，内感应体伸出端面的外侧圆面上的圆电容感应电极板与中间感应体伸出端面的内侧圆面上的圆电容感应电极板之间形成电容C1，中间感应体伸出端面的外侧圆面上的圆电容感应电极板与热端安装结构件端面上的圆电容感应电极板之间形成电容C2。

将内感应体与中间感应体的长度近似是为了使两者因温度环境膨胀条件尽可能一致。这样其因温度环境变化而造成的变形量差值可以根据C1的测量而得到。中间感应体右端之间的距离可以通过C2来测量得到。这个距离是包含温度环境变形及结构机械微位移变形在内的总变形量。

附图说明

图1为在高温变温度场中物体变形量测量的原理示意图

图2为本发明传感器的整体结构示意图

图3为图1中局部放大的结构示意图

图4为图3中A向的剖视图

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

参见附图2～4所示，以机匣为例，该种温度变形自补偿微位移传感器，其特征在于：该传感器包括一个冷端安装结构件1和一个热端安装结构件2，在冷端安装结构件1的端面上安装筒状的中间感应体3和内感应体4，内感应体4的直径小于中间感应体3的直径并套装在中间感应体3内，两者的中轴线重合，内感应体4的长度L1小于中间感应体3的长度L2，0.1mm≤L2-L1≤1.5mm，中间感应体3和内感应体4采用相同的热膨胀稳定材料制成；

内感应体4的伸出端面的外侧圆面上铺贴高介电常数绝缘体5，绝缘体5的厚度为0.0001mm-0.001mm，绝缘体5的外侧面上再铺贴圆电容感应电极板6，在中间感应体3的伸出端面的内、外两侧圆面上也铺贴高介电常数绝缘体5，并在绝缘体5的两个外侧面上同样铺贴圆电容感应电极板6，与中间感应体3伸出端面的外侧圆面上的圆电容感应电极板6相对的热端安装结构件2的端面上，也铺贴一个圆电容感应电极板6，该圆电容感应电极板6与热端安装结构件2的端面之间也夹装有绝缘体5，该绝缘体5安装在一个安装座10上，安装座10座落在热端安装结构件2的端面上，该圆电容感应电极板6与冷端安装结构件1的端面之间的距离为L3，0.1mm≤L3-L2≤1.5mm；

在中间感应体3和内感应体4的中轴线位置处加工有用于安装引线管7的孔，引线管7内通过测量引线9并从冷端安装结构件1引出，在中间感应体3和内感应体4的外围安装有起支撑和限制移动的保护壳体8，保护壳体8的两端分别固定在冷端安装结构件1和一个热端安装结构件2的端面上。

中间感应体3和内感应体4的制造材料为热膨胀稳定的高温合金材料及陶瓷材料，热膨胀系数选择范围为：

α＝0.8-12.5×10^-6/℃。

高温合金材料优选4J18、4J28、4J78、4J80、4J58、4J82材料。

中间感应体3采用4J18材料，内感应体4采用4J28材料时，热膨胀系数分别为9.2×10^-6/℃，12.5×10^-6/℃，这两种材料在工作温度范围内，该系数稳定，选取陶瓷片表面真空镀镍作为圆电容感应电极板6，并将其按设计图纸安装在端面结构上，引线9采用耐高温引线压装取信号方式，外层用石棉套管保护并输出传感器。可实现在-40℃-600℃温度范围内的自补偿微位移测量。

本发明传感器的在工作过程中的运算原理为：

运算过程中涉及的参数为：

C₁：内电容

C₂：外电容

L₁：内感应体长度

L₂：中间感应体长度

L₃：内外总距离，即冷端安装结构件的端面到热端安装结构件上圆电容感应电极板之间的距离

L₁′：内感应体长度变化量

L₂′：中间感应体长度变化量

L₃′：内外总距离变化量

L_a：结构机械微位移

K₁：内感应体材料热膨胀系数

K₂：中间感应体材料热膨胀系数

ε(t)：介电常数温度函数，尽可能选取热膨胀稳定材料，该函数接近于常数，否则需将该常数建数据库，待用。

S₁：内电极板面积

S₂：外电极板面积

t：温度变量

∑t：加权温度

运算过程为：

ΔL₁＝L₂-L₁＝L₂′-L₁′

ΔL₂＝L₃-L₂＝L₂′+L_a

$C_1=\frac{\mathrm{\ϵ}\left(t\right)S_1}{\mathrm{\Δ}{L}_1}$

$C_2=\frac{\mathrm{\ϵ}\left(t\right)S_2}{\mathrm{\Δ}{L}_2}$

${L_1}^{\′}={\∫}_0^{L_1}{\∫}_{t_o}^{t_i}{K}_1\mathrm{dtdl}$

${L_2}^{\′}={\∫}_0^{L_2}{\∫}_{t_o}^{t_i}{K}_2\mathrm{dtdl}$

$\mathrm{\Δ}{L}_1={\∫}_0^{L_2}{\∫}_{t_o}^{t_i}{K}_2\mathrm{dtdl}-{\∫}_0^{L_1}{\∫}_{t_o}^{t_i}{K}_1\mathrm{dtdl}$

如果L₁≈L₂＝L，则

$\mathrm{\Δ}{L}_1=(K_2-K_1){\∫}_0^L{\∫}_{t_o}^{t_i}\mathrm{dtdl}$

设 ${\∫}_0^L{\∫}_{t_o}^{t_i}\mathrm{dtdl}=\mathrm{\Σt},$ 则

ΔL₁＝∑t·(K₂-K₁)

$\mathrm{\Σt}=\frac{\mathrm{\Δ}{L}_1}{K_2-K_1}$

K₁，K₂已知，且有

C₁可直接测量得到，

$\mathrm{\Σt}=\frac{\mathrm{\ϵ}\left(t\right)S_1}{C_1(K_2-K_1)}$

那么L₂′＝∑t·K₂

由

可得到C₂可直接测量得到，

则L_a＝ΔL₂-L₂′

从而得到机匣内外的绝对变形量

本发明传感器的技术参数为：

1.频响范围：0-1000Hz

2.整个系统的最高工作温度范围为-40°-600°

3.工作环境：空气

4.微位移测量范围0-3mm

5.测量精度优于0.02mm

本发明技术方案与现有技术相比，其优点是：

1.可以较准确测量高温变温度环境下的机械微位移；

2.可以根据不同工作环境选取不同材料，设计不同尺寸；

3.可靠性、体积、均较好。

Claims (3)

1.一种温度变形自补偿微位移传感器，其特征在于：该传感器包括一个冷端安装结构件(1)和一个热端安装结构件(2)，在冷端安装结构件(1)的端面上安装筒状的中间感应体(3)和内感应体(4)，内感应体(4)的直径小于中间感应体(3)的直径并套装在中间感应体(3)内，两者的中轴线重合，内感应体(4)的长度L1小于中间感应体(3)的长度L2，0.1mm≤L2-L1≤1.5mm，中间感应体(3)和内感应体(4)采用相同的热膨胀稳定材料制成；

内感应体(4)的伸出端面的外侧圆面上铺贴高介电常数绝缘体(5)，绝缘体(5)的厚度为0.0001mm-0.001mm，绝缘体(5)的外侧面上再铺贴圆电容感应电极板(6)，在中间感应体(3)的伸出端面的内、外两侧圆面上也铺贴高介电常数绝缘体(5)，并在绝缘体(5)的两个外侧面上同样铺贴圆电容感应电极板(6)，与中间感应体(3)伸出端面的外侧圆面上的圆电容感应电极板(6)相对的热端安装结构件(2)的端面上，也铺贴一个圆电容感应电极板(6)，该圆电容感应电极板(6)与热端安装结构件(2)的端面之间也夹装有绝缘体(5)，该圆电容感应电极板(6)与冷端安装结构件(1)的端面之间的距离为L3，0.1mm≤L3-L2≤1.5mm；

在中间感应体(3)和内感应体(4)的中轴线位置处加工有用于安装引线管(7)的孔，测量引线(9)从引线管(7)内通过并从冷端安装结构件(1)引出，在中间感应体(3)和内感应体(4)的外围安装有起支撑和限制移动的保护壳体(8)，保护壳体(8)的两端分别固定在冷端安装结构件(1)和一个热端安装结构件(2)的端面上。

2.根据权利要求1所述的温度变形自补偿微位移传感器，其特征在于：中间感应体(3)和内感应体(4)的制造材料为热膨胀稳定的高温合金材料及陶瓷材料，热膨胀系数选择范围为：

α＝0．8－12．5×10^－6/℃。

3.根据权利要求2所述的温度变形自补偿微位移传感器，其特征在于：高温合金材料优选4J18、4J28、4J78、4J80、4J58、4J82材料。

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