運(yùn)動量檢測技術(shù)

1、前言 運(yùn)動量檢測在工業(yè)、交通、國防領(lǐng)域等應(yīng)用較多。例如，汽車、火車、飛機(jī)等交通工具需要實(shí)時(shí)地測量自身的速度與加速度，發(fā)動機(jī)等則需要測量輸出軸的轉(zhuǎn)速，橋梁、大型設(shè)備等需要測量其振動，氣象部門需要對大自然的風(fēng)速進(jìn)行測量等。010203041.1.線位移和角位移檢測。線位移和角位移檢測。（1 1）積分法、（）積分法、（2 2）相關(guān)測距法、（）相關(guān)測距法、（3 3）回波法）回波法（4 4）線位移和角位移相互轉(zhuǎn)換、（）線位移和角位移相互轉(zhuǎn)換、（5 5）位移傳感器）位移傳感器012 2常用的位移傳感器常用的位移傳感器（1 1）電感式位移傳感器）電感式位移傳感器: :利用傳感器線圈的利用傳感器線圈的電感電感

2、變化來檢測非電量的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。變化來檢測非電量的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。特點(diǎn)：特點(diǎn)：a.a.結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、壽命長、精度高（分辨力達(dá)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、壽命長、精度高（分辨力達(dá)0.1um0.1um）。）。b.b.缺點(diǎn)：線性范圍小、不適于高頻動態(tài)測量場合。缺點(diǎn)：線性范圍小、不適于高頻動態(tài)測量場合。根據(jù)傳感器線圈的接線方式分為：自感式和互感式。根據(jù)傳感器線圈的接線方式分為：自感式和互感式。根據(jù)傳感器線圈的結(jié)構(gòu)分為：變氣隙型、變面積型螺管型。根據(jù)傳感器線圈的結(jié)構(gòu)分為：變氣隙型、變面積型螺管型。變氣隙型、變面積型變氣隙型、變面積型線 圈銜 鐵螺管型螺管型電感傳感器外形電感傳感器外形（2 2）電容式位移傳感

3、器）電容式位移傳感器: :特點(diǎn)：特點(diǎn)：a.a.結(jié)構(gòu)簡單，能在惡劣環(huán)境下工作，可用無機(jī)材料（玻璃、石英、結(jié)構(gòu)簡單，能在惡劣環(huán)境下工作，可用無機(jī)材料（玻璃、石英、陶瓷）作絕緣支架，上面渡以金屬作為極板，能承受相當(dāng)大的陶瓷）作絕緣支架，上面渡以金屬作為極板，能承受相當(dāng)大的溫度變化及輻射，以及強(qiáng)烈振動，并可以在各向同性的電介質(zhì)溫度變化及輻射，以及強(qiáng)烈振動，并可以在各向同性的電介質(zhì)液中使用。液中使用。b.b.分辨力高（納米級），動態(tài)特性好，電容傳感器需要的作用能分辨力高（納米級），動態(tài)特性好，電容傳感器需要的作用能量極小。因而有較高的固有頻率，同時(shí)能在幾兆赫的頻率下工量極小。因而有較高的固有頻率，同時(shí)能

4、在幾兆赫的頻率下工作，從而保證有良好的動態(tài)響應(yīng)能力。作，從而保證有良好的動態(tài)響應(yīng)能力。c.c.小功率、高阻抗，本身發(fā)熱量小。小功率、高阻抗，本身發(fā)熱量小。d.d.本身損耗小，零點(diǎn)穩(wěn)定；由于本身發(fā)熱引起的零漂，可以認(rèn)為本身損耗小，零點(diǎn)穩(wěn)定；由于本身發(fā)熱引起的零漂，可以認(rèn)為不存在。不存在。e.e.變極距型廣范用于變極距型廣范用于微位移微位移測量系統(tǒng)中。測量系統(tǒng)中。 （3 3）感應(yīng)同步器位移傳感器）感應(yīng)同步器位移傳感器: :是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理把位移量轉(zhuǎn)換成為是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理把位移量轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量數(shù)字量的位移傳感器。的位移傳感器。感應(yīng)同步器是利用兩個(gè)平面形繞組的互感隨相對位置不同而變感應(yīng)同步器是利用

5、兩個(gè)平面形繞組的互感隨相對位置不同而變化的原理化的原理, , 將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電信號的。將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電信號的。感應(yīng)同步器有直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種感應(yīng)同步器有直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種, , 直線式（長）感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成。直線式（長）感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成。旋轉(zhuǎn)式（圓）感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成。旋轉(zhuǎn)式（圓）感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成。特點(diǎn)：特點(diǎn)：a.a.測量精度高，工作可靠。測量精度高，工作可靠。b.b.抗干擾能力強(qiáng)，壽命長?？垢蓴_能力強(qiáng)，壽命長。c.c.使用便利。使用便利。d.d.尤其適用于生產(chǎn)現(xiàn)場在線尤其適用于生產(chǎn)現(xiàn)場在線檢測。檢測。直線式（長）感應(yīng)同步器直線式（長）

6、感應(yīng)同步器旋轉(zhuǎn)式（圓）感應(yīng)同步器旋轉(zhuǎn)式（圓）感應(yīng)同步器（4 4）電渦流式傳感器）電渦流式傳感器 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理, , 塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運(yùn)動時(shí)場中或在磁場中作切割磁力線運(yùn)動時(shí), , 導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流狀的感應(yīng)電流, ,此電流叫電渦流此電流叫電渦流, ,以上現(xiàn)象稱為以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)電渦流效應(yīng)。 根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器電渦流式傳感器。特點(diǎn)特點(diǎn): :A A、能對位移、厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式、能對位移、

7、厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測量。連續(xù)測量。B B、具有體積小、具有體積小, ,靈敏度高靈敏度高, ,抗干擾能力強(qiáng)，頻率抗干擾能力強(qiáng)，頻率 響應(yīng)寬。響應(yīng)寬。C C、不受油污等介質(zhì)影響，應(yīng)用極其廣泛。、不受油污等介質(zhì)影響，應(yīng)用極其廣泛。D D、有變間隙、變面積、螺管型。、有變間隙、變面積、螺管型。電渦流傳感器電渦流傳感器工作原理圖工作原理圖根據(jù)法拉第定律根據(jù)法拉第定律, , 當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流I1時(shí)時(shí), , 線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場交變磁場H1, ,使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流使置于此磁場中的

8、金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流 I2, , I2又產(chǎn)生新的交變磁場又產(chǎn)生新的交變磁場H2。根據(jù)愣次定律根據(jù)愣次定律, , H2的作用將反抗原磁的作用將反抗原磁H1, ,導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。由上導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。由上可知可知, , 線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。而電渦流效應(yīng)既與被線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。而電渦流效應(yīng)既與被測體的電阻率測體的電阻率、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率以及幾何形狀有關(guān)以及幾何形狀有關(guān), , 又與線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電流又與線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率有關(guān)頻率有關(guān), , 還與線圈與導(dǎo)體間的距離還與線圈與導(dǎo)體間的距離x

9、 x有關(guān)。因此有關(guān)。因此, , 傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗效阻抗Z Z的函數(shù)關(guān)系式為的函數(shù)關(guān)系式為 Z= FZ= F（, , r, f, x, , r, f, x） 式中式中: r: r線圈與被測體的尺寸因子。線圈與被測體的尺寸因子。 如果保持上式中其它參數(shù)不變?nèi)绻３稚鲜街衅渌鼌?shù)不變, , 而只改變其中一個(gè)參而只改變其中一個(gè)參數(shù)數(shù), , 傳感器線圈阻抗傳感器線圈阻抗Z Z就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。通過就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z Z的變化量的變化量, , 即可實(shí)現(xiàn)對即可實(shí)現(xiàn)對該參數(shù)的測量

10、。該參數(shù)的測量。電渦流傳感器等效電路圖電渦流傳感器等效電路圖電渦流傳感器電渦流傳感器載流線圈載流線圈金屬導(dǎo)體金屬導(dǎo)體。（5 5）光柵式數(shù)字位移傳感器）光柵式數(shù)字位移傳感器 光柵是一種在基體上刻制有等間距均勻分布條紋的光學(xué)光柵是一種在基體上刻制有等間距均勻分布條紋的光學(xué)元件。用于位移測量的光柵稱為計(jì)量光柵。元件。用于位移測量的光柵稱為計(jì)量光柵。下圖為透射光柵的示意圖。下圖為透射光柵的示意圖。 圖中圖中a a為刻線寬度為刻線寬度, b, b為縫隙寬度為縫隙寬度, a+b=W, a+b=W稱為光稱為光柵的柵距（也稱光柵常數(shù)）。通常柵的柵距（也稱光柵常數(shù)）。通常a=b=W/2, a=b=W/2, 也可

11、刻成也可刻成 a:b=1.1:0.9a:b=1.1:0.9。 目前常用的光柵每毫米刻成目前常用的光柵每毫米刻成1010、2525、5050、100100、250250條線條。條線條。 光柵傳感器又稱光柵讀數(shù)頭光柵傳感器又稱光柵讀數(shù)頭,主要由標(biāo)尺光柵、主要由標(biāo)尺光柵、指示光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。標(biāo)尺光柵的有效長度即為測量光路系統(tǒng)和光電元件等組成。標(biāo)尺光柵的有效長度即為測量范圍。范圍。指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多,但兩者刻有同樣的柵距但兩者刻有同樣的柵距,使用時(shí)兩光柵互相重疊使用時(shí)兩光柵互相重疊,兩者之間有微小的空隙兩者之間有微小的空隙,其中一片固其中一片固定

12、定,另一片隨著被測物體移動另一片隨著被測物體移動,即可實(shí)現(xiàn)位移測量。即可實(shí)現(xiàn)位移測量。光柵測量原理光柵測量原理:當(dāng)指示光柵和標(biāo)尺光柵的線紋相交一個(gè)微小的夾角時(shí)當(dāng)指示光柵和標(biāo)尺光柵的線紋相交一個(gè)微小的夾角時(shí),由由于擋光效應(yīng)（對線紋密度于擋光效應(yīng)（對線紋密度50條條/mm的光柵）或光的衍射作用（對線紋的光柵）或光的衍射作用（對線紋密度密度100條條/mm的光柵）的光柵）,在與光柵線紋大致垂直的方向上在與光柵線紋大致垂直的方向上,產(chǎn)生出亮暗產(chǎn)生出亮暗相間的條紋相間的條紋,這些條紋稱為這些條紋稱為“莫爾條紋莫爾條紋”。莫爾條紋測位移的特點(diǎn)莫爾條紋測位移的特點(diǎn):(1)位移的放大作用位移的放大作用當(dāng)光柵移

13、動一個(gè)柵距當(dāng)光柵移動一個(gè)柵距W時(shí)時(shí),莫爾條紋移動一個(gè)間距莫爾條紋移動一個(gè)間距B,莫爾條紋的間距莫爾條紋的間距B與兩光柵線紋夾角與兩光柵線紋夾角之間的之間的關(guān)系為關(guān)系為:B=W/2sin（/2）W/越小越小,B越大。例如越大。例如很小很小,則則1/較大較大,即莫爾條紋寬度是柵距的即莫爾條紋寬度是柵距的1/倍。這相當(dāng)于把倍。這相當(dāng)于把柵距放大了柵距放大了1/倍倍,提高了測量的靈敏度。提高了測量的靈敏度。02一、速度檢測方法 速度測量分為線速度測量和角速度測量。線速度的計(jì)量單位通常用m/s（米/秒）來表示，角速度測量分為轉(zhuǎn)速測量和角速率測量。轉(zhuǎn)速的計(jì)量單位常用r/min（轉(zhuǎn)/分）來表示，而角速率的計(jì)

14、量單位則常用/s（度/秒）或/h（度/小時(shí)）來表示。 1時(shí)間、位移計(jì)算測速法 2線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測速法 3速度傳感器法 4微積分法二、常用二、常用的速度測量傳感器的速度測量傳感器0303一、加速度檢測方法加速度檢測是基于測試儀器檢測質(zhì)量敏感加速度產(chǎn)生慣性力的測量，是一種全自主的慣性測量。加速度檢測廣泛應(yīng)用于航天、航空和航海的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及運(yùn)載武器的制導(dǎo)系統(tǒng)中，在振動試驗(yàn)、地震檢測、爆破工程、地基測量、地礦勘測等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。目前主要是通過加速度傳感器（俗稱加速度計(jì)），并配以適當(dāng)?shù)臋z測電路測量加速度。加速度計(jì)由檢測質(zhì)量（也稱敏感質(zhì)量）、支承、電位器、彈簧、阻尼器和殼體組成。檢測質(zhì)量受

15、支承的約束只能沿一條軸線移動，這個(gè)軸常稱為輸入軸或敏感軸。二、微機(jī)二、微機(jī)電加速度計(jì)電加速度計(jì)微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)通常是指利用微電子加工手段加工制作，并和微電子測量線路集成在一起的加速度計(jì)，這種加速度計(jì)常用硅材料制作，故又名硅微型加速度計(jì)。 任何加速度傳感器都概括為以下3個(gè)部分。 質(zhì)量：被加速時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)慣性力。 彈性構(gòu)件：使力做某種功。 檢拾器：檢拾敏感力所做的功。 硅微機(jī)械加速度傳感器結(jié)構(gòu)中，彈性構(gòu)件通常是很薄小的硅懸臂梁或撓性軸。敏感力所做功的檢拾器，通常有壓阻檢測、電容檢測和隧道電流檢測等方式。1硅微型加速度計(jì)的類型硅微型加速度計(jì)的型式多種多樣。按檢測質(zhì)量支承方式分有懸臂梁支承、簡支梁支承、方波梁支承、折疊梁支承和撓性軸支承等