傳感器與檢測(cè)課件cgq12 第12章 機(jī)械量檢測(cè)技術(shù)

1、第十二章第十二章 機(jī)械量檢測(cè)技術(shù)機(jī)械量檢測(cè)技術(shù) 機(jī)械運(yùn)動(dòng)是各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的基本形式，包括長(zhǎng)度、位移、速度、加速度、力、轉(zhuǎn)矩以及振動(dòng)與噪聲等等。 機(jī)械量的，按檢測(cè)原理分有等幾種。機(jī)械式方法應(yīng)用最早，且成本低廉；光學(xué)式方法十分精密；電測(cè)方法在工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最為廣泛。 12.1 12.1 位移檢測(cè)位移檢測(cè) 12.2 12.2 速度檢測(cè)速度檢測(cè)12.3 12.3 加速度檢測(cè)加速度檢測(cè) 12.4 12.4 力和力和轉(zhuǎn)矩檢測(cè)轉(zhuǎn)矩檢測(cè)12.5 12.5 機(jī)械振動(dòng)測(cè)量機(jī)械振動(dòng)測(cè)量12.6 12.6 噪聲檢測(cè)噪聲檢測(cè) 位移位移是向量，是指物體或其某一部分的位置相對(duì)參考點(diǎn)在一定方向上產(chǎn)生的位置變化量。 因此位移

2、的度量除要確定其大小大小外，還要確定其方向方向。位移的檢測(cè)包括和的測(cè)量位移測(cè)量包括了長(zhǎng)度、厚度、高度、距離、鍍層厚度、表面粗糙度、角度等 常用位移測(cè)量方法如下：（1）測(cè)量速度積分法）測(cè)量速度積分法 （2）回波法）回波法 （3）線位移和角位移轉(zhuǎn)換法）線位移和角位移轉(zhuǎn)換法 （4）物理參數(shù)法）物理參數(shù)法 （1 1）測(cè)量速度積分法）測(cè)量速度積分法 測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的速度或加速度，經(jīng)過積分或二次積分求得運(yùn)動(dòng)體的位移。 例如在慣性導(dǎo)航中，就是通過測(cè)量載體的加速度，經(jīng)過二次積分而求得載體的位移。（2 2）回波法）回波法 從測(cè)量起始點(diǎn)到被測(cè)面是一種介質(zhì)，從測(cè)量起始點(diǎn)到被測(cè)面是一種介質(zhì)，被測(cè)面以后是另一種介質(zhì)，利用介

3、質(zhì)分界面被測(cè)面以后是另一種介質(zhì)，利用介質(zhì)分界面對(duì)波的反射原理測(cè)位移。對(duì)波的反射原理測(cè)位移。 例如激光測(cè)距儀、超聲波液位計(jì)都是利用分界面對(duì)激光、超聲波的反射測(cè)量位移的。相關(guān)測(cè)距則是利用相關(guān)函數(shù)的時(shí)延性質(zhì)，將向某被測(cè)物發(fā)射信號(hào)與經(jīng)被測(cè)物反射的返回信號(hào)作相關(guān)處理，求得時(shí)延，從而推算出發(fā)射點(diǎn)與被測(cè)物之間的距離。（3 3）線位移和角位移轉(zhuǎn)換法）線位移和角位移轉(zhuǎn)換法 被測(cè)量是線位移時(shí)，若測(cè)量角位移更被測(cè)量是線位移時(shí)，若測(cè)量角位移更方便，則可用間接測(cè)量方法，通過測(cè)角位移方便，則可用間接測(cè)量方法，通過測(cè)角位移再換算成線位移。再換算成線位移。 同樣，被測(cè)量是角位移時(shí)，也可先測(cè)線位移再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 例如汽車的里程表

4、，是通過測(cè)量車輪轉(zhuǎn)數(shù)再乘以周長(zhǎng)而得到汽車的里程的。（4 4）物理參數(shù)法）物理參數(shù)法 利用各種位移檢測(cè)裝置，將被測(cè)位移利用各種位移檢測(cè)裝置，將被測(cè)位移的變化轉(zhuǎn)換成電、光、磁等物理量的變化的變化轉(zhuǎn)換成電、光、磁等物理量的變化來測(cè)量來測(cè)量，這是應(yīng)用最廣泛的一種方法。可利用的檢測(cè)轉(zhuǎn)換原理很多，根據(jù)檢測(cè)裝置信號(hào)輸出形式，有模擬和數(shù)字式兩大類。圖12-1所示為位移檢測(cè)裝置原理與類型。要根據(jù)被測(cè)對(duì)象要根據(jù)被測(cè)對(duì)象的具體情況和測(cè)的具體情況和測(cè)量要求，充分利量要求，充分利用被測(cè)對(duì)象所在用被測(cè)對(duì)象所在場(chǎng)合和具備的條場(chǎng)合和具備的條件來設(shè)計(jì)、選擇件來設(shè)計(jì)、選擇測(cè)量方法。測(cè)量方法。 位移的傳感器種類繁多，可根據(jù)位移檢測(cè)

5、范圍變化的大小選用。 下面介紹幾種線位移傳感器。電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器 1光柵式位移檢測(cè)裝置光柵式位移檢測(cè)裝置 2感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 3激光距離檢測(cè)激光距離檢測(cè) 4測(cè)量原理測(cè)量原理圖12-2(b)中，測(cè)量軸與內(nèi)部電位器電刷相連，當(dāng)其與被測(cè)物相接觸，有位移輸入時(shí)，測(cè)量軸便沿導(dǎo)軌移動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)電刷在滑線電阻上移動(dòng)，因電刷的位置變化會(huì)有電阻變化，由電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出，就可以判斷位移的大小。如要求同時(shí)測(cè)出位移的大小和方向?？蓪D中的精密無感電阻和滑線電阻組成橋式測(cè)量電路。 在A、C兩端接上激勵(lì)電壓Ui，則當(dāng)電刷在輸入位移驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)時(shí)，B、C兩端就會(huì)有電壓輸出Uo。設(shè)電位器為線性，長(zhǎng)度為

6、l，總電阻為R，電刷位移為x，相應(yīng)電阻為Rx，負(fù)載電阻為RL，根據(jù)電路分壓原理，電路的輸出電壓為： 電位器式位移傳感器測(cè)量原理與電路模型 )/()/(LxLxxLxLxioRRRRRRRRRRUU若負(fù)載電阻為RL，則有： lxURRUUixio電位器式位移傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)電位器式位移傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 價(jià)格低廉, 性能穩(wěn)定, 對(duì)環(huán)境條件要求不高, 輸出信號(hào)大，便于維修。電刷與電阻元件之間存在摩擦, 易磨損，易產(chǎn)生噪聲，分辨力有限, 精度不夠高, 要求輸入的能量大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，僅適于測(cè)量變化較緩慢的量。 光柵位移傳感器結(jié)構(gòu)光柵位移傳感器由光源、光路系統(tǒng)、光柵副(標(biāo)尺光柵+指示光柵)

7、和光敏元件組成，其結(jié)構(gòu)如圖12-5所示。 當(dāng)被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，光源發(fā)出的光透過光柵縫隙形成的光脈沖被光敏元件接收并計(jì)數(shù), 即可實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量，被測(cè)物體位移=柵距脈沖數(shù)。 莫爾條紋 在用光柵測(cè)量位移時(shí)，由于刻線很密，柵距很小，而光敏元件有一定的機(jī)械尺寸，故很難分辨到底移動(dòng)了多少個(gè)柵距。實(shí)際測(cè)量是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)行的。莫爾條紋的產(chǎn)生莫爾條紋的產(chǎn)生 莫爾條紋的特點(diǎn)莫爾條紋的特點(diǎn) a. 放大作用 b. 誤差平均作用 c. 方向?qū)?yīng)與同步性光柵位移測(cè)量原理用光敏元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。光敏元件接收的光強(qiáng)變化近似于正弦波，其輸出電壓信號(hào)的幅值U為光柵位移量x的正弦函數(shù)，即：

8、 U=U0+Umsin(2x/W) 式中 U0輸出信號(hào)中的直流分量；Um輸出信號(hào)中正弦交流分量的幅值；x兩光柵間的相對(duì)位移將該電壓信號(hào)放大、整形為方波，再由微分電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，經(jīng)過辨向電路后送可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，就可得出位移量的大小，位移量為脈沖數(shù)與柵距的乘積，測(cè)量分辨力為光柵柵距W。光柵位移傳感器特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)測(cè)量量程范圍大(可達(dá)數(shù)米)且同時(shí)具有高分辨力(可達(dá)0.01m)和高精度；可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量；輸出數(shù)字量，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量和自動(dòng)控制；具有較強(qiáng)的抗干擾能力。對(duì)使用環(huán)境要求較高，怕振動(dòng)，怕油污、灰塵等的污染；制造成本高。直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如

9、圖12-7所示 直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)圖12-8是直線感應(yīng)同步器繞組結(jié)構(gòu)示意圖。圖中上部為定尺繞組，下部為W型滑尺繞組。為了減小由于定尺和滑尺工作面不平行或氣隙不均勻帶來的誤差，各正弦和余弦繞組交替排列。(2) 直線感應(yīng)同步器工作原理 采用滑尺繞組勵(lì)磁，從定尺繞組取出感應(yīng)電勢(shì)的激勵(lì)方式。定尺繞組中感應(yīng)電勢(shì)的波形圖見圖12-9 正弦或余弦繞組在定尺上產(chǎn)生的相應(yīng)感應(yīng)電勢(shì)分別為： xWtkUems2cossinxWtskUemc2insin可見：可見：定尺的感應(yīng)電勢(shì)取決于滑尺的相對(duì)位移x，故通過感應(yīng)電勢(shì)可測(cè)量位移。(3) 感應(yīng)同步器信號(hào)的檢測(cè) 感應(yīng)同步器輸出信號(hào)的檢測(cè)方法：鑒幅法鑒相法在滑尺的正、余弦繞

10、組上施加頻率和相位相同、但幅值不同的正弦激勵(lì)電壓 鑒幅法介紹鑒幅法介紹tUutUuccsssinsin利用函數(shù)電壓發(fā)生器使激勵(lì)電壓的幅值滿足 cossinmcmsUUUU感應(yīng)同步器的磁路系統(tǒng)可視為線性，可進(jìn)行線性疊加，可得定尺繞組輸出的總感應(yīng)電勢(shì)為 tkUtskUtkUeeemmmcssin)sin(insincoscossinsin式中kUmsin( )為感應(yīng)電勢(shì)的幅值，其值隨位移相位角(即位移x)而變化。若調(diào)整給定激勵(lì)電壓的相位角，使輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的幅值為0，則此時(shí)有 ( ) = 0。由于 = = 2x/W，所以位移x = W/2，這就是鑒幅法測(cè)位移x的原理。 具有較高的精度與分辨力。

11、測(cè)量長(zhǎng)度范圍不受限制。 抗干擾能力強(qiáng)。 使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單。 工藝性好，成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。 輸出信號(hào)較弱，需要高放大倍數(shù)的前置放大器。(4) 感應(yīng)同步器的特點(diǎn) 激光測(cè)距的原理：激光測(cè)距的原理： 利用激光器向目標(biāo)發(fā)射單次激光脈沖或脈沖串，光脈沖從目標(biāo)反射后被接收，通過測(cè)量激光脈沖在待測(cè)距離上往返傳播的時(shí)間，計(jì)算出待測(cè)距離。 換算公式為： 2ctL 式中，L待測(cè)距離；c光速，t光波往返傳輸時(shí)間。測(cè)量傳輸時(shí)間t，有脈沖式脈沖式(直接測(cè)定時(shí)間)和相位相位式式(間接測(cè)定時(shí)間)兩種方法。工作原理如圖12-10所示 激光脈沖到目標(biāo)激光脈沖到目標(biāo)的往返傳輸時(shí)間的往返傳輸時(shí)間 測(cè)得測(cè)得t即可計(jì)即可

12、計(jì)算出被測(cè)距離算出被測(cè)距離 fnnt1用相位延遲測(cè)量的間接方法測(cè)定光在待測(cè)距離上往返傳播所需的時(shí)間，相位式激光測(cè)距方法的原理如圖12-11所示 激光脈沖往返傳輸時(shí)間為： fNt222ctL 又又則待測(cè)距離L為：)(2222NNfNcL式中，=c / f；N = /2，0N1。相位法測(cè)距就像用尺量距離，測(cè)尺長(zhǎng)度為/2，N為整尺長(zhǎng)，N為不足整尺的零數(shù)。但是，任何測(cè)量交變信號(hào)相位移的方法都不能確定出相位移的整周期數(shù)N，而只能測(cè)定其中不足2的 。所以，當(dāng)距離L大于測(cè)尺長(zhǎng)/2時(shí)，是無法測(cè)定距離的。如果測(cè)尺長(zhǎng)度/2大于待測(cè)距離L，N0，故： 22L測(cè)出相位差測(cè)出相位差 就能夠測(cè)出距離。就能夠測(cè)出距離。 如

13、果被測(cè)距離較長(zhǎng)，則可選擇較低的調(diào)制頻率f，使相應(yīng)的測(cè)尺長(zhǎng)度大于待測(cè)距離，這樣就可保證距離測(cè)量的確定性。但是由于測(cè)相系統(tǒng)精度有限，過大的測(cè)尺長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致距離測(cè)量的誤差增大。 KTCKTC線性位移傳感器線性位移傳感器 （江門市安泰電子有限公司產(chǎn)品）（江門市安泰電子有限公司產(chǎn)品）KTC拉桿系列傳感器用于對(duì)位移或者長(zhǎng)度進(jìn)行精確測(cè)量。量程長(zhǎng)達(dá)1250mm，線性度0.05%（型號(hào)大于350mm），重復(fù)精度0.01mm。典型應(yīng)用于注塑機(jī)、壓鑄機(jī)、橡膠機(jī)、鞋機(jī)、EVA注射機(jī)、木工機(jī)械、液壓機(jī)械等。 類類 型：型： 位移傳感器 量量 程：程： 075425mm 04501250mm精精 確確 度：度： 0.05%

14、電電 阻：阻： 50% K 50%200% K供電電源：供電電源： 10A工作溫度：工作溫度： -60150最大工作速度：最大工作速度：10m/s特特 點(diǎn)：點(diǎn)： KTC是一般通用型，適合各類型設(shè)備的位置檢測(cè)典型應(yīng)用：典型應(yīng)用： 注塑機(jī)、壓鑄機(jī)、橡膠機(jī)、鞋機(jī)、EVA注射機(jī)、木工機(jī)械、液壓機(jī)械等技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo) 圖12-12是一種測(cè)量角位移的旋轉(zhuǎn)電容傳感器；圖12-13中的(a)和(b)是兩種差動(dòng)旋轉(zhuǎn)電容傳感器；圖12-14是一種變氣隙式電感角位移傳感器；圖12-15是一種測(cè)量角位移的旋轉(zhuǎn)電位器；圖12-16是圓感應(yīng)同步器。 幾種常用的角位移傳感器 1. 1. 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器2 2微動(dòng)同步器

15、式角位移傳感器微動(dòng)同步器式角位移傳感器3. 3. 數(shù)字式角編碼器數(shù)字式角編碼器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種基于電磁感應(yīng)原理工作的精密角度位置檢測(cè)裝置，又稱分解器，它將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換成與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)。結(jié)構(gòu)類型旋轉(zhuǎn)變壓器由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子繞組為變壓器的原邊，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的副邊。交流激磁電壓接到定子繞組上，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由轉(zhuǎn)子繞組輸出。圖12-17 為二極旋轉(zhuǎn)變壓器繞組結(jié)構(gòu)。 工作原理互感原理工作 設(shè)加在定子繞組的勵(lì)磁電壓為：U1=Umsint，由于旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上保證了定子和轉(zhuǎn)子間氣隙內(nèi)的磁通分布呈正(余)弦規(guī)律，所以轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為： sinsin3tkUUm式中，Um勵(lì)磁電壓幅

16、值；k變壓比(即轉(zhuǎn)、定子繞組匝數(shù)比)； 勵(lì)磁電壓圓頻率；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。 可見：轉(zhuǎn)子輸出電壓大小取決于定子和轉(zhuǎn)子兩繞組軸線的空間相互位置，兩者垂直時(shí)=0，U3為零；兩者平行時(shí)=90，U3最大。圖12-18為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 測(cè)量方式 鑒相式 轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電壓為：)cos(cossintkUkUkUUmcs可知感應(yīng)電壓的相位角就等于轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)角。因此只要檢測(cè)出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就知道了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。 鑒幅式 轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電壓為：tsin)cos(cossinmcskUkUkUU若已知?jiǎng)?lì)磁電壓的相位角 ，則只需測(cè)出轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓U的幅值kUmcos( -)，便可間接求出轉(zhuǎn)

17、子與定子的相對(duì)位置；若不斷調(diào)整勵(lì)磁電壓的相位角 ，使幅值U的幅值kUmcos( -)為0，跟蹤的變化，即可由求得角位移。 微動(dòng)同步器結(jié)構(gòu)原理如圖12-19 微動(dòng)同步器定子繞組的接線方式如圖12-20 由四極定子和兩極轉(zhuǎn)子組成。定子的每個(gè)極上有兩個(gè)繞組，將各極中的一個(gè)繞組串聯(lián)，組成初級(jí)勵(lì)磁回路；將各極中的另一個(gè)繞組串聯(lián)，組成次級(jí)感應(yīng)回路。 按圖5-25所示的繞組接線方式，次級(jí)繞組總感應(yīng)輸出電壓為： keeeeU)(232124220 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如圖5-24所示的對(duì)稱于定子的位置時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子之間的四個(gè)氣隙幾何形狀完全相同，各極的磁通相等，使I、III極上的感應(yīng)電壓與II、IV級(jí)上的感應(yīng)電壓相等，總

18、輸出電壓為零。 若轉(zhuǎn)子偏離零位一個(gè)角度，則四個(gè)氣隙不再相同，造成各極磁通的變化量不同，其中一對(duì)磁級(jí)的磁通量減小，另一對(duì)磁級(jí)的磁通量增加。這樣，次級(jí)就有一個(gè)正比于轉(zhuǎn)子角位移的電壓輸出。 微動(dòng)同步器的靈敏度大約為每度0.25V，測(cè)量范圍約540，線性度優(yōu)于0.1。 角編碼器在結(jié)構(gòu)上主要由可旋轉(zhuǎn)的碼盤可旋轉(zhuǎn)的碼盤和信號(hào)檢測(cè)裝置信號(hào)檢測(cè)裝置組成。 按碼盤刻度方法及信號(hào)輸出形式分類：增量式編碼器的輸出是一系列脈沖，用一個(gè)計(jì)數(shù)裝置對(duì)脈沖進(jìn)行加或減計(jì)數(shù)，再配合零位基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)角位移的測(cè)量。 絕對(duì)式編碼器的輸出是與轉(zhuǎn)角位置相對(duì)應(yīng)的、唯一的數(shù)字碼，如果需要測(cè)量角位移量，則只需將前后兩次位置的數(shù)字碼相減就可以得到要

19、求測(cè)量的角位移。 按碼盤信號(hào)的讀取方式分類光電式接觸式電磁式 光電式絕對(duì)編碼器結(jié)構(gòu)與工作原理光電式絕對(duì)編碼器的碼盤如圖12-21所示 在360范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為24=16個(gè)，在圓周內(nèi)的每一個(gè)角度方位對(duì)應(yīng)于不同的編碼 ，只要根據(jù)碼盤的起始和終止位置, 就可以確定角位移 光電編碼結(jié)構(gòu)示意圖如圖12-22絕對(duì)位置的二進(jìn)制編碼的產(chǎn)生 絕對(duì)編碼器的角度分辨率 如何保證高分辨率和測(cè)量精度 標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制編碼的碼盤的缺點(diǎn) 改進(jìn)方法：采用二進(jìn)制循環(huán)碼盤(格雷碼盤) ，它的相鄰數(shù)的編碼只有一位變化，因此就把誤差控制在最小單位內(nèi)，避免了非單值性誤差。 光電式絕對(duì)編碼器特點(diǎn) 直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角或角位移轉(zhuǎn)換成唯一對(duì)應(yīng)的代碼，

20、無需記憶，無需參考點(diǎn)，無需計(jì)數(shù)； 在電源切斷后位置信息也不會(huì)丟失，而且指示沒有累積誤差； 大大提高了編碼器的抗干擾能力和數(shù)據(jù)的可靠性； 無磨損，碼盤壽命長(zhǎng)，精度保持性好 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，碼盤基片為玻璃，抗沖擊和振動(dòng)能力差； 隨著分辨率的提高信號(hào)引出線較多HGD-256光電單圈絕對(duì)編碼器光電單圈絕對(duì)編碼器 HGD-256型光電式絕對(duì)編碼器是集光、機(jī)、電技術(shù)于一體的數(shù)字化傳感器，可以高精度測(cè)量轉(zhuǎn)角或直線位移。通過光電轉(zhuǎn)換，將輸出軸的角位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。1、信號(hào)輸出方式有：a.并行格雷碼輸出b.485串行信號(hào)輸出c.4-20mA電流輸出d. SSI同步串行信號(hào)輸出2、根據(jù)用戶要求可設(shè)定并控制

21、測(cè)量范圍的上、下限3、可以直接連接PLC或上位機(jī)4、鋁合金外殼，特殊表面處理特點(diǎn)：特點(diǎn)：12.1 12.1 位移檢測(cè)位移檢測(cè) 12.2 12.2 速度檢測(cè)速度檢測(cè)12.3 12.3 加速度檢測(cè)加速度檢測(cè) 12.4 12.4 力和力和轉(zhuǎn)矩檢測(cè)轉(zhuǎn)矩檢測(cè)12.5 12.5 機(jī)械振動(dòng)測(cè)量機(jī)械振動(dòng)測(cè)量12.6 12.6 噪聲檢測(cè)噪聲檢測(cè) 速度 ：在單位時(shí)間內(nèi)的位移增量在單位時(shí)間內(nèi)的位移增量 ，矢量，有大小，也有方向，矢量，有大小，也有方向 物體運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量分兩種： 線速度測(cè)量 旋轉(zhuǎn)速度的測(cè)量 如彈丸的飛行速度、機(jī)構(gòu)振動(dòng)速度的測(cè)量，線速度的計(jì)量單位是米/秒(m/s)，工程上也用千米/小時(shí)(km/h)表示

22、 如電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)速度，常稱其為轉(zhuǎn)速測(cè)量，單位是轉(zhuǎn)/分(r/min)，而在被測(cè)轉(zhuǎn)速很小時(shí)，測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)物體轉(zhuǎn)過的角度，稱為角速度測(cè)量，單位是弧度/秒(rad/s) 1速度測(cè)量的分類 從物體運(yùn)動(dòng)的形式運(yùn)動(dòng)的形式看，速度的測(cè)量可分為線速度測(cè)量和角速度的測(cè)量；從速度的參考基準(zhǔn)參考基準(zhǔn)來看，可分為絕對(duì)速度測(cè)量和相對(duì)速度測(cè)量；從速度的數(shù)值特征數(shù)值特征來看，分為平均速度測(cè)量和瞬時(shí)速度測(cè)量；從獲取物體運(yùn)動(dòng)速度的方式運(yùn)動(dòng)速度的方式來看，又可分為直接速度測(cè)量和間接速度測(cè)量。2速度的測(cè)量方法微、積分測(cè)速法微、積分測(cè)速法 線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測(cè)速法線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測(cè)速法 利用物理參數(shù)測(cè)速法利用物理參數(shù)測(cè)速法

23、(速度傳感器法速度傳感器法) 時(shí)間、位移計(jì)算測(cè)速法時(shí)間、位移計(jì)算測(cè)速法 （1 1）微、積分測(cè)速法）微、積分測(cè)速法 對(duì)測(cè)得的物體運(yùn)動(dòng)的位移信號(hào)微分可以得到物體運(yùn)動(dòng)速度，或?qū)y(cè)得的物體運(yùn)動(dòng)的加速度信號(hào)作時(shí)間積分也可以得到速度。 例如在振動(dòng)測(cè)量時(shí)，應(yīng)用加速度計(jì)測(cè)得振動(dòng)體的振動(dòng)加速度信號(hào)，或應(yīng)用振幅計(jì)測(cè)得振動(dòng)體的位移信號(hào)，再經(jīng)過電路進(jìn)行積分或微分運(yùn)算而得到振動(dòng)速度。（2 2）線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測(cè)速法）線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測(cè)速法 線速度與角速度在同一運(yùn)動(dòng)體上是有固定關(guān)系的，在測(cè)量時(shí)可以采用互換的方法達(dá)到方便測(cè)量的目的。 例如測(cè)火車行駛速度時(shí)，直接測(cè)線速度不方便，可通過測(cè)量車輪的轉(zhuǎn)速，換算出火車的行

24、駛速度 （3 3）利用物理參數(shù)測(cè)速法）利用物理參數(shù)測(cè)速法( (速度傳感器法速度傳感器法) ) 利用各種速度傳感器測(cè)量與速度大小有確定關(guān)系的各種物理量來間接測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)速度，將速度信號(hào)變換為電、光等易測(cè)信號(hào)。這是最常用的一種方法。 可利用物理效應(yīng)很多，如電磁感應(yīng)原理、多普勒效應(yīng)、流體力學(xué)、聲學(xué)定律等等。（4 4）時(shí)間、位移計(jì)算測(cè)速法）時(shí)間、位移計(jì)算測(cè)速法 這種方法是根據(jù)速度的定義測(cè)量速度，即測(cè)量物體經(jīng)過的距離L和經(jīng)過該距離所需的時(shí)間t，來求得物體運(yùn)動(dòng)的平均速度。L越小，則求得的速度越接近運(yùn)動(dòng)物體的瞬時(shí)速度。 根據(jù)這種測(cè)量原理，在確定的距離內(nèi)利用各種數(shù)學(xué)方法和相應(yīng)器件可延伸出許多測(cè)速方法，如相關(guān)

25、測(cè)速法、空間濾波器測(cè)速法等等。 3.常用速度檢測(cè)裝置性能與特點(diǎn) 類型原理測(cè)量范圍精度特點(diǎn)線速度測(cè)量磁電式工作頻率10500Hz10%靈敏度高，性能穩(wěn)定，移動(dòng)范圍（115）mm，尺寸重量較大空間濾波器1.5200km/h0.2%無需兩套特性完全相同的傳感器轉(zhuǎn) 速 測(cè) 量交流測(cè)速發(fā)電機(jī)4004000 r/min4000r/min)利用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，線圈高壓放電，感應(yīng)出脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不剖體測(cè)量12341. 1. 磁電感應(yīng)式測(cè)速磁電感應(yīng)式測(cè)速 原理：原理：導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) ，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān) 一種用于測(cè)量線速度的恒磁通動(dòng)圈式磁電感

26、應(yīng)式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖如圖12-14，由永久磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架等組成。 E=NBLv感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與線圈相對(duì)磁鐵的運(yùn)動(dòng)速度v成正比，所以這種傳感器能直接測(cè)量速度 2. 2. 皮托管測(cè)速皮托管測(cè)速圖12-25為皮托管結(jié)構(gòu)和工作原理： 測(cè)量時(shí)，將皮托管對(duì)準(zhǔn)流體流動(dòng)方向(如圖示)，就可同時(shí)測(cè)出流體總壓力和靜壓力，并由導(dǎo)出管分別導(dǎo)出至測(cè)壓裝置。 流體總壓力與靜壓力的差值與流體流速有關(guān)，因而可以通過用皮托管測(cè)出流體差壓的方法來測(cè)量流體流速。 設(shè)流體密度為，流速為v，測(cè)出的流體總壓力為Pz，靜壓力為Pj，則根據(jù)流體流動(dòng)的伯努利方程有： 202vPPjz由式可求出流速v：PPPvjz2)(2所以用皮托管

27、測(cè)出差壓P就可測(cè)出流體流速。3. 3. 空間濾波器測(cè)速空間濾波器測(cè)速空間濾波技術(shù)是對(duì)物體的移動(dòng)進(jìn)行非接觸連續(xù)測(cè)量以探知其長(zhǎng)度、運(yùn)動(dòng)速度的有效手段之一。空間濾波器測(cè)速原理如圖12-26所示。 v=f / M 響應(yīng)速度很快，可以用來檢測(cè)傳送帶、鋼板、車輛等的運(yùn)動(dòng)速度，檢測(cè)范圍為1.5250 km/h， 測(cè)量精度可達(dá)0.2% 4. 4. 彈丸飛行速度測(cè)量彈丸飛行速度測(cè)量常用時(shí)間位移計(jì)算測(cè)速法，測(cè)量原理如圖12-27所示 v=L/t 產(chǎn)生測(cè)時(shí)脈沖信號(hào)的區(qū)截裝置 ：接觸型 非接觸型 對(duì)于大口徑武器，則可以采用光電靶和天幕靶等區(qū)截裝置來對(duì)于大口徑武器，則可以采用光電靶和天幕靶等區(qū)截裝置來測(cè)量彈丸速度。測(cè)量

28、彈丸速度。 如圖如圖轉(zhuǎn)速的檢測(cè)方法很多，按照輸出信號(hào)的特點(diǎn)可分為模擬式和數(shù)字式兩大類。 1. 1. 模擬式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表模擬式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)原理如圖12-33所示 定子產(chǎn)生恒定磁通0，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中即產(chǎn)生交變的電勢(shì)，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)速成正比的直流電勢(shì)： 當(dāng)Ce、0、r及RL都不變時(shí)，輸出電壓U0與轉(zhuǎn)速n成線性關(guān)系。對(duì)于不同的負(fù)載電阻RL，輸出電壓不同，負(fù)載電阻越小，輸出電壓也越小。 輸出斜率大、線性好，但由于有電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)不便，摩擦轉(zhuǎn)距大，有換向火花，輸出特性不穩(wěn)定。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)nRrCULe/100離心式轉(zhuǎn)

29、速表離心式轉(zhuǎn)速表由轉(zhuǎn)動(dòng)軸、重錘、彈簧、連桿、套筒以及轉(zhuǎn)速指示機(jī)構(gòu)等組成 ，其結(jié)構(gòu)與工作原理如圖12-34所示 測(cè)速原理測(cè)速原理慣性較大，不適合測(cè)量快速變化的轉(zhuǎn)速，測(cè)量精度也受到多力面的限制，一般在1%2%。特點(diǎn)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，可靠、耐用、不怕沖擊振動(dòng)，無需電源就可工作，測(cè)量范圍較寬頻閃式轉(zhuǎn)速表頻閃式轉(zhuǎn)速表利用頻閃效應(yīng)原理來測(cè)量轉(zhuǎn)速 ，檢測(cè)的原理如圖12-35所示 測(cè)量方法測(cè)量方法 若已知被測(cè)轉(zhuǎn)速范圍是nn，則先將閃光頻率調(diào)到大于nn，然后從高頻逐漸下降，直到第一次出現(xiàn)標(biāo)記不動(dòng)時(shí)，此時(shí)就可以讀出被測(cè)實(shí)際轉(zhuǎn)速； 若無法估計(jì)被測(cè)轉(zhuǎn)速時(shí)，則調(diào)整閃光頻率，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的圓盤上連續(xù)出現(xiàn)兩次標(biāo)記停留現(xiàn)象時(shí)，

30、分別讀出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值，然后按下式計(jì)算出真實(shí)被測(cè)轉(zhuǎn)速n：2121nnnnmn2.2.數(shù)字式轉(zhuǎn)速檢測(cè)方法數(shù)字式轉(zhuǎn)速檢測(cè)方法 在指定的時(shí)間T內(nèi)，對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器的輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。若在時(shí)間T(s)內(nèi)計(jì)數(shù)值為N，轉(zhuǎn)速傳感器每周產(chǎn)生的脈沖數(shù)為Z，則被測(cè)轉(zhuǎn)速n為：測(cè)量原理fZZTNn6060測(cè)定傳感器脈沖信號(hào)頻率f 就可求出轉(zhuǎn)速n。 磁電感應(yīng)式 電容式 霍爾式光電式5)計(jì)數(shù)方法計(jì)數(shù)方法根據(jù)式(12-36 ) 測(cè)出的脈沖信號(hào)頻率求出待測(cè)轉(zhuǎn)速的方法稱為測(cè)頻法，比較適合于高轉(zhuǎn)速測(cè)量。測(cè)頻法有一個(gè)字計(jì)數(shù)誤差，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)會(huì)引起較大相對(duì)誤差，故在低轉(zhuǎn)速時(shí)，脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)方法應(yīng)改用測(cè)周期法。測(cè)周期法的原理見圖(12-

31、40) 轉(zhuǎn)速(r/min)為 ：mZfn06012.1 12.1 位移檢測(cè)位移檢測(cè) 12.2 12.2 速度檢測(cè)速度檢測(cè)12.3 12.3 加速度檢測(cè)加速度檢測(cè) 12.4 12.4 力和力和轉(zhuǎn)矩檢測(cè)轉(zhuǎn)矩檢測(cè)12.5 12.5 機(jī)械振動(dòng)測(cè)量機(jī)械振動(dòng)測(cè)量12.6 12.6 噪聲檢測(cè)噪聲檢測(cè) 加速度測(cè)量是基于測(cè)試儀器檢測(cè)質(zhì)量加速度測(cè)量是基于測(cè)試儀器檢測(cè)質(zhì)量敏感加速度產(chǎn)生慣性力的測(cè)量，是一種全敏感加速度產(chǎn)生慣性力的測(cè)量，是一種全自主的慣性測(cè)量。自主的慣性測(cè)量。 加速度的計(jì)量單位為m/s2(米/秒2) 。在工程應(yīng)用中常用重力加速度g=9.81m/s2作計(jì)量單位。加速度測(cè)量的原理是基于對(duì)質(zhì)量塊感受加速度時(shí)

32、所產(chǎn)生的慣性力的測(cè)量。測(cè)量時(shí)采用絕對(duì)法，把測(cè)量裝置安裝在運(yùn)動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量加速度的裝置基結(jié)構(gòu)如圖12-41 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的微分方程： 022kydtdycdtxdm有位移關(guān)系 x = y+z,若令 ；則有： mkn/kmc 2222222dtzdydtdydtydnn1. 1. 霍爾加速度傳感器霍爾加速度傳感器 霍爾式加速度傳感器的測(cè)量原理與結(jié)構(gòu)如圖12-42 所示：傳感器固定在被測(cè)對(duì)象上并與其一起作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊感受到加速度而產(chǎn)生與之成比例的慣性力，使懸臂梁發(fā)生彎曲變形，2. 2. 電位器式加速度傳感器電位器式加速度傳感器 電位器式加速度傳感器的測(cè)量原理與結(jié)構(gòu)如圖12-43所示：傳感器殼

33、體與被測(cè)對(duì)象一起作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊相對(duì)殼體的有位移產(chǎn)生并帶動(dòng)電刷在滑動(dòng)電阻元件上移動(dòng)。應(yīng)變式加速度傳感器的測(cè)量原理與結(jié)構(gòu)如圖12-44 ：由敏感質(zhì)量塊感受加速度a而產(chǎn)生與之成正比的慣性力Fma，再通過彈性元件把慣性力轉(zhuǎn)變成應(yīng)變、應(yīng)力，或通過壓電元件把慣性力轉(zhuǎn)變成電荷量，從而間接測(cè)出加速度。測(cè)量原理測(cè)量原理微機(jī)電系統(tǒng)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(cè)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)硅微型加速度計(jì)。硅微型加速度計(jì)型式分類：按檢測(cè)質(zhì)量支承方式檢測(cè)質(zhì)量支承方式分有懸臂梁支承、簡(jiǎn)支梁支承、方波梁支承、折疊梁支承和撓性軸支承等；按檢測(cè)信號(hào)拾取方式檢測(cè)信號(hào)拾取方式分，有電容檢測(cè)、電感檢測(cè)、隧道電流檢測(cè)和頻率檢測(cè)等型式測(cè)量范圍零偏穩(wěn)定性分辨力特 點(diǎn)扭擺式1g105g10-4g10g10-4g2g扭桿支承，力反饋控制、電容檢測(cè)、耐沖擊懸臂梁式0.1g50gLP2時(shí)，則從噪聲極LP1到總噪聲級(jí)LP 的附加值LP可由下式求得：)101lg(1010/ )(21LLPLPPP