振動的測量(振動、位移)

1、第第7 7章章 振動的測量振動的測量7.1 振動基礎(chǔ)振動基礎(chǔ)7.2 振動的激勵振動的激勵7.3 振動測量傳感器振動測量傳感器7.4 位移的測量位移的測量機械振動是普遍存在的物理現(xiàn)象機械振動是普遍存在的物理現(xiàn)象 如：旋轉(zhuǎn)機器的質(zhì)量不平衡、負載不均勻、結(jié)構(gòu)剛度如：旋轉(zhuǎn)機器的質(zhì)量不平衡、負載不均勻、結(jié)構(gòu)剛度各向異性、對中不良、潤滑不良、支撐松動等各向異性、對中不良、潤滑不良、支撐松動等 振動振動 機械振動大多數(shù)情況下有害機械振動大多數(shù)情況下有害：破壞機器正常工作，降低破壞機器正常工作，降低其性能，縮短其使用壽命，甚至機毀人亡；其性能，縮短其使用壽命，甚至機毀人亡； 機械振動還伴隨著產(chǎn)生同頻率的噪聲，

2、惡化環(huán)境和勞動機械振動還伴隨著產(chǎn)生同頻率的噪聲，惡化環(huán)境和勞動條件，危害人們的健康；條件，危害人們的健康； 振動也能被利用來完成有益的工作，如上料、運輸?shù)?。振動也能被利用來完成有益的工作，如上料、運輸?shù)取Ｕ駝訙y試的目的，歸納起來主要有以下幾個方面：振動測試的目的，歸納起來主要有以下幾個方面：(1) (1) 檢查機器運轉(zhuǎn)時的振動特性，以檢查機器運轉(zhuǎn)時的振動特性，以檢驗產(chǎn)品質(zhì)量檢驗產(chǎn)品質(zhì)量；(2) (2) 測定機械系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，并為產(chǎn)品的改進設(shè)計測定機械系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，并為產(chǎn)品的改進設(shè)計提供依據(jù)，提供依據(jù)，進行振動設(shè)計進行振動設(shè)計；(3) (3) 分析振動產(chǎn)生的原因，分析振動產(chǎn)生的原因，

3、尋找振源尋找振源，以便有效地采取減，以便有效地采取減振和隔振措施；振和隔振措施；(4) (4) 對運動中的機器進行對運動中的機器進行故障監(jiān)控故障監(jiān)控，以避免重大事故。，以避免重大事故。目的目的一般來講，振動研究就是對一般來講，振動研究就是對“機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)”、“激勵激勵”和和“響應(yīng)響應(yīng)”三者已知其中兩個，再求另一個的問題。三者已知其中兩個，再求另一個的問題。振動研振動研究究可分為以下三類：可分為以下三類：(1) (1) 振動分析振動分析，即已知激勵條件和系統(tǒng)的振動特性，欲求，即已知激勵條件和系統(tǒng)的振動特性，欲求系統(tǒng)的響應(yīng)；系統(tǒng)的響應(yīng)；(2) (2) 系統(tǒng)識別系統(tǒng)識別，即已知系統(tǒng)的激勵條件和系

4、統(tǒng)的響應(yīng)，要，即已知系統(tǒng)的激勵條件和系統(tǒng)的響應(yīng)，要確定系統(tǒng)的特性，這是系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性測試問題；確定系統(tǒng)的特性，這是系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性測試問題；(3) (3) 環(huán)境監(jiān)測環(huán)境監(jiān)測，即已知系統(tǒng)的振動特性和系統(tǒng)的響應(yīng)，欲，即已知系統(tǒng)的振動特性和系統(tǒng)的響應(yīng)，欲確定系統(tǒng)的激勵狀態(tài)，這是尋求振源的問題。確定系統(tǒng)的激勵狀態(tài)，這是尋求振源的問題。振動測試內(nèi)容：振動測試內(nèi)容： 測量機器或結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的振動測量機器或結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的振動掌握被測對象的運行狀態(tài)掌握被測對象的運行狀態(tài)狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷環(huán)境控制、等級評定環(huán)境控制、等級評定 對機械設(shè)備或結(jié)構(gòu)施加某種激勵，測量其受迫振動對機械設(shè)備或結(jié)

5、構(gòu)施加某種激勵，測量其受迫振動獲得被測對象的動態(tài)性能：固有頻率、阻尼、響應(yīng)、模獲得被測對象的動態(tài)性能：固有頻率、阻尼、響應(yīng)、模態(tài)等態(tài)等找出薄弱環(huán)節(jié)，通過改進設(shè)計提高其抗振能力找出薄弱環(huán)節(jié)，通過改進設(shè)計提高其抗振能力轎車的乘坐舒適性試驗框圖轎車的乘坐舒適性試驗框圖第一節(jié)第一節(jié) 振動的基礎(chǔ)知識振動的基礎(chǔ)知識分類分類振動振動 ：在一定條件下，振動體在其平衡位置附近：在一定條件下，振動體在其平衡位置附近隨時間作來回往復(fù)變化的運動。隨時間作來回往復(fù)變化的運動。第一節(jié)第一節(jié) 振動的基礎(chǔ)知識振動的基礎(chǔ)知識振動信號三要素：振動信號三要素：1） 幅值：幅值：振動體離開其平衡位置的最大位移，是振動體離開其平衡位置

6、的最大位移，是振動強度的標振動強度的標志志，它可以用峰值、有效值、平均值等不同的方法表示。，它可以用峰值、有效值、平均值等不同的方法表示。2） 頻率：頻率：不同的頻率成分反映系統(tǒng)內(nèi)不同的振源。通過頻譜分不同的頻率成分反映系統(tǒng)內(nèi)不同的振源。通過頻譜分析可以確定主要頻率成分及其幅值大小，從而尋找振源，采析可以確定主要頻率成分及其幅值大小，從而尋找振源，采取相應(yīng)的措施。取相應(yīng)的措施。3） 相位相位第一節(jié)第一節(jié) 振動的基礎(chǔ)知識振動的基礎(chǔ)知識 xtATmfkx(t)sin()(tAtx質(zhì)量質(zhì)量 彈簧系統(tǒng)的運動彈簧系統(tǒng)的運動 簡諧振動簡諧振動是最基本的周期運動，各種不同的周期運動是最基本的周期運動，各種不

7、同的周期運動都可以用無窮個不同頻率的簡諧運動的組合來表示。其運都可以用無窮個不同頻率的簡諧運動的組合來表示。其運動規(guī)律可用簡諧函數(shù)表示為動規(guī)律可用簡諧函數(shù)表示為第一節(jié)第一節(jié) 振動的基礎(chǔ)知識振動的基礎(chǔ)知識sin()xAt位移位移dcos()dxvAtt速度速度22dsin()dvaAtxt 加速度加速度第一節(jié)第一節(jié) 振動的基礎(chǔ)知識振動的基礎(chǔ)知識 在位移、速度和加速度三個參量中，在位移、速度和加速度三個參量中，測出其中之測出其中之一即可利用積分或微分求出另兩個參量一即可利用積分或微分求出另兩個參量。超前90超前180在振動測量時，應(yīng)合理選擇測量參數(shù)在振動測量時，應(yīng)合理選擇測量參數(shù):振動位移是研究振

8、動位移是研究強度和變形強度和變形的重要依據(jù)；的重要依據(jù)；加速度與作用力或載荷成正比，是研究加速度與作用力或載荷成正比，是研究動力強度和疲勞動力強度和疲勞的重的重要依據(jù)；要依據(jù)；速度決定了速度決定了噪聲噪聲的高低，人對機械振動的敏感程度在很大頻的高低，人對機械振動的敏感程度在很大頻率范圍內(nèi)是由速度決定的。速度與能力和功率有關(guān)，決定了力率范圍內(nèi)是由速度決定的。速度與能力和功率有關(guān)，決定了力的動量。的動量。第一節(jié)第一節(jié) 振動的基礎(chǔ)知識振動的基礎(chǔ)知識單自由度系統(tǒng)的受迫振動單自由度系統(tǒng)的受迫振動 為了正確理解機械振動測試和分析技術(shù)的概念，我們討論為了正確理解機械振動測試和分析技術(shù)的概念，我們討論單自由度

9、系統(tǒng)單自由度系統(tǒng)在兩種不同激勵下的響應(yīng)。在兩種不同激勵下的響應(yīng)。 質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動：傳感器安裝在某一固定點，：傳感器安裝在某一固定點，以該點為參考點，測量物體對參考點的相對運動，相應(yīng)的傳以該點為參考點，測量物體對參考點的相對運動，相應(yīng)的傳感器稱為相對式傳感器。感器稱為相對式傳感器。 基礎(chǔ)運動所引起的質(zhì)量塊受迫振動基礎(chǔ)運動所引起的質(zhì)量塊受迫振動：傳感器安裝在試件上，：傳感器安裝在試件上，以大地為參考基準，測量振動物體相對于大地的絕對振動，以大地為參考基準，測量振動物體相對于大地的絕對振動，相應(yīng)的傳感器稱為絕相對式相應(yīng)的傳感器稱為絕相對式( (慣性式慣性式) )傳感

10、器。傳感器。 mkc第一節(jié)第一節(jié) 振動的基礎(chǔ)知識振動的基礎(chǔ)知識在外力在外力 f(t) 的作用下，質(zhì)量塊的作用下，質(zhì)量塊 m 的運動方程為：的運動方程為：1) 1) 質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動第一節(jié)第一節(jié) 振動的基礎(chǔ)知識振動的基礎(chǔ)知識n 當激振力頻率當激振力頻率遠小于遠小于固有頻率固有頻率時，輸出位移隨激振頻率的變時，輸出位移隨激振頻率的變化十分小，幾乎和化十分小，幾乎和“靜態(tài)靜態(tài)”激激振力所引起的位移一樣。振力所引起的位移一樣。n 當激振頻率當激振頻率遠大于遠大于固有頻率時，固有頻率時，輸出位移接近于零，質(zhì)量塊近輸出位移接近于零，質(zhì)量塊近于靜止。于靜止。n 當激振頻率當激

11、振頻率接近接近系統(tǒng)固有頻率系統(tǒng)固有頻率時，系統(tǒng)的響應(yīng)特性主要取決時，系統(tǒng)的響應(yīng)特性主要取決于系統(tǒng)的阻尼，并隨頻率的變于系統(tǒng)的阻尼，并隨頻率的變化而劇烈變化?；鴦×易兓()/dB()/n第一節(jié)第一節(jié) 振動的基礎(chǔ)知識振動的基礎(chǔ)知識2) 2) 基礎(chǔ)運動產(chǎn)生的受迫振動基礎(chǔ)運動產(chǎn)生的受迫振動2001012()()0d zdmczzk zzdtdt 在許多情況下，振動系統(tǒng)的受迫振動是由基礎(chǔ)的運動引起的。設(shè)基礎(chǔ)的絕對在許多情況下，振動系統(tǒng)的受迫振動是由基礎(chǔ)的運動引起的。設(shè)基礎(chǔ)的絕對位移為位移為 z1 ，質(zhì)量塊質(zhì)量塊 m 的絕對位移為的絕對位移為 z0，則質(zhì)量塊則質(zhì)量塊 m 的運動方程為的運動方程為:0

12、101zzz22010110122d zdzd zmckzmdtdtdt 質(zhì)量塊 m 的相對位移第一節(jié)第一節(jié) 振動的基礎(chǔ)知識振動的基礎(chǔ)知識 當當n ，z01-z1， z0 0，質(zhì)量塊幾乎處于靜止狀態(tài)。，質(zhì)量塊幾乎處于靜止狀態(tài)。工程中的振動問題工程中的振動問題,可用可用彈簧彈簧阻尼阻尼質(zhì)量塊質(zhì)量塊構(gòu)成的單自由度構(gòu)成的單自由度振動系統(tǒng)模型來描述。振動系統(tǒng)模型來描述。第一節(jié)第一節(jié) 振動的基礎(chǔ)知識振動的基礎(chǔ)知識 在振動測量中，在很多場合需運用在振動測量中，在很多場合需運用激振設(shè)備激振設(shè)備使被測試的使被測試的機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，然后進行振動測量。例如：機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，然后進行振動測量。例如：(1) (1

13、) 研究結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，確定結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，如固有頻研究結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，確定結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，如固有頻率、振型、動剛度、阻尼等；率、振型、動剛度、阻尼等；(2) (2) 產(chǎn)品環(huán)境試驗，即一些機電產(chǎn)品在一定振動環(huán)境下進產(chǎn)品環(huán)境試驗，即一些機電產(chǎn)品在一定振動環(huán)境下進行的耐振試驗，以便檢驗產(chǎn)品性能及壽命情況等；行的耐振試驗，以便檢驗產(chǎn)品性能及壽命情況等；(3) (3) 拾振器及測振系統(tǒng)的校準試驗。在這些場合，激振設(shè)拾振器及測振系統(tǒng)的校準試驗。在這些場合，激振設(shè)備都是不可缺少的設(shè)備。備都是不可缺少的設(shè)備。第二節(jié)第二節(jié) 振動的激勵振動的激勵 振動的振動的激勵方式激勵方式通常有穩(wěn)態(tài)正弦激振、隨機激振和瞬態(tài)通常有

14、穩(wěn)態(tài)正弦激振、隨機激振和瞬態(tài)激振三種。激振三種。1. 1. 穩(wěn)態(tài)正弦激振穩(wěn)態(tài)正弦激振 穩(wěn)態(tài)正弦激振又稱簡諧激振，它是借助于激振設(shè)備對被穩(wěn)態(tài)正弦激振又稱簡諧激振，它是借助于激振設(shè)備對被測對象施加一個測對象施加一個頻率可控頻率可控的簡諧激振力。的簡諧激振力。是一種應(yīng)用最為是一種應(yīng)用最為普遍的激振方法普遍的激振方法。 在進行穩(wěn)態(tài)正弦激振時，一般進行掃頻激振，通過掃頻在進行穩(wěn)態(tài)正弦激振時，一般進行掃頻激振，通過掃頻激振獲得系統(tǒng)的大概特性，而在靠近固有頻率的重要頻段激振獲得系統(tǒng)的大概特性，而在靠近固有頻率的重要頻段再進行穩(wěn)態(tài)正弦激振獲取嚴格的動態(tài)特性。再進行穩(wěn)態(tài)正弦激振獲取嚴格的動態(tài)特性。第二節(jié)第二節(jié)

15、振動的激勵振動的激勵2. 2. 隨機激振隨機激振 隨機激振一般用白噪聲或偽隨機信號發(fā)生器作為信號源。隨機激振一般用白噪聲或偽隨機信號發(fā)生器作為信號源。3. 3. 瞬態(tài)激振瞬態(tài)激振 瞬態(tài)激振給被測系統(tǒng)提供的激勵信號是一種瞬態(tài)信號，瞬態(tài)激振給被測系統(tǒng)提供的激勵信號是一種瞬態(tài)信號，一次激勵，可同時給系統(tǒng)提供頻帶內(nèi)各個頻率成分的能量一次激勵，可同時給系統(tǒng)提供頻帶內(nèi)各個頻率成分的能量使系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)。測試設(shè)備簡單，靈活使系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)。測試設(shè)備簡單，靈活性大，故常在生產(chǎn)現(xiàn)場使用。目前常用的瞬態(tài)激振方法有性大，故常在生產(chǎn)現(xiàn)場使用。目前常用的瞬態(tài)激振方法有快速正弦掃描快速正弦掃描

16、、脈沖錘擊脈沖錘擊和和階躍激勵階躍激勵等方法。等方法。第二節(jié)第二節(jié) 振動的激勵振動的激勵激振器激振器 激振器是對試件施加激振力，激起試件振動的裝置。激振器是對試件施加激振力，激起試件振動的裝置。 常用的激振器有電動式常用的激振器有電動式電磁式和電液式三種。電磁式和電液式三種。1)1)電動式激振器電動式激振器第二節(jié)第二節(jié) 振動的激勵振動的激勵2)2)電磁激振器電磁激振器1底座 2鐵心 3勵磁線圈 4力檢測線圈 5被測對象 6電容位移傳感器第二節(jié)第二節(jié) 振動的激勵振動的激勵應(yīng)用應(yīng)用磁力軸承激振試驗磁力軸承激振試驗第二節(jié)第二節(jié) 振動的激勵振動的激勵3)3)電液激振器電液激振器1頂桿 2電液伺服閥 3

17、活塞 4力傳感器第二節(jié)第二節(jié) 振動的激勵振動的激勵振動測量分類振動測量分類 按測量原理分：按測量原理分： 測量振動的方法按振動信號的轉(zhuǎn)換方式可分為測量振動的方法按振動信號的轉(zhuǎn)換方式可分為電測法電測法、機械法機械法和和光學(xué)法光學(xué)法。目前，應(yīng)用最廣的是電測法。目前，應(yīng)用最廣的是電測法。 按測振參數(shù)分：按測振參數(shù)分： 位移傳感器位移傳感器 速度傳感器速度傳感器 加速度傳感器加速度傳感器 測振傳感器測振傳感器( (拾振器拾振器) )是將被測對象的機械振動量是將被測對象的機械振動量( (位移、位移、速度或加速度速度或加速度) )轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的電量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的電量( (如電流、電如電流、

18、電壓或電荷壓或電荷) )的裝置。的裝置。第三節(jié)第三節(jié) 振動測量傳感器振動測量傳感器第三節(jié)第三節(jié) 振動測量傳感器振動測量傳感器 按變分原理分：按變分原理分： 磁電式磁電式 magnetoelectric 壓電式壓電式 piezoelectric 電阻應(yīng)變式電阻應(yīng)變式 resistance strain gauge 電感式電感式 inductance 電容式電容式 capacitance 光學(xué)式光學(xué)式 optical 按按傳感器與被測物關(guān)系分傳感器與被測物關(guān)系分： 接觸式接觸式傳感器有磁電式、壓電式及電阻應(yīng)變式等。傳感器有磁電式、壓電式及電阻應(yīng)變式等。 非接觸式非接觸式傳感器有電渦流式和光學(xué)式等。

19、傳感器有電渦流式和光學(xué)式等。 按參考坐標分：按參考坐標分： 相對式相對式傳感器：以空間某一固定點作為參考點，測量物傳感器：以空間某一固定點作為參考點，測量物體上的某點對參考點的相對振動。體上的某點對參考點的相對振動。 絕對式絕對式傳感器：以大地為參考基準，即以慣性空間為基傳感器：以大地為參考基準，即以慣性空間為基準，測量振動物體相對于大地的絕對振動，又稱慣性式準，測量振動物體相對于大地的絕對振動，又稱慣性式傳感器。傳感器。第三節(jié)第三節(jié) 振動測量傳感器振動測量傳感器 電渦流傳感器是通過傳感器端部線圈與被測物體（導(dǎo)電體）電渦流傳感器是通過傳感器端部線圈與被測物體（導(dǎo)電體）間的間隙變化來測量物體的振

20、動和靜位移。間的間隙變化來測量物體的振動和靜位移。工作原理工作原理? ?渦流式位移傳感器渦流式位移傳感器第三節(jié)第三節(jié) 振動測量傳感器振動測量傳感器 渦流位移傳感器特點：渦流位移傳感器特點：結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單非接觸式測量非接觸式測量頻率響應(yīng)范圍較寬頻率響應(yīng)范圍較寬具有較強的抗干擾能力具有較強的抗干擾能力 在旋轉(zhuǎn)機械軸振動檢測中應(yīng)用十分普遍在旋轉(zhuǎn)機械軸振動檢測中應(yīng)用十分普遍第三節(jié)第三節(jié) 振動測量傳感器振動測量傳感器磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器第三節(jié)第三節(jié) 振動測量傳感器振動測量傳感器當穿過匝數(shù)為當穿過匝數(shù)為w線圈的磁通線圈的磁通 發(fā)生變化時，其感應(yīng)電動勢為發(fā)生變化時，其感應(yīng)電動勢為 置于永久磁鐵

21、直流磁場內(nèi)的線圈作直線運產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為置于永久磁鐵直流磁場內(nèi)的線圈作直線運產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為 sinwBlve twedd 式中：式中：B磁場的感應(yīng)電勢強度；磁場的感應(yīng)電勢強度；l單匝線圈有效長度；單匝線圈有效長度； w線圈匝數(shù)；線圈匝數(shù)；v線圈與磁場的相對運動速度；線圈與磁場的相對運動速度； 線圈運動方向與磁場方向的夾角。線圈運動方向與磁場方向的夾角。第三節(jié)第三節(jié) 振動測量傳感器振動測量傳感器壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器利用某些晶體材料（如壓電陶瓷等）的利用某些晶體材料（如壓電陶瓷等）的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)作為機電作為機電變換器而制成的加速度傳感器。變換器而制成的加速度傳感器。maF

22、 第三節(jié)第三節(jié) 振動測量傳感器振動測量傳感器工作原理工作原理慣性質(zhì)量運動時產(chǎn)生的慣性力作用在壓電晶體上，壓電慣性質(zhì)量運動時產(chǎn)生的慣性力作用在壓電晶體上，壓電晶體產(chǎn)生相應(yīng)大小電荷。晶體產(chǎn)生相應(yīng)大小電荷。(a)(b)第三節(jié)第三節(jié) 振動測量傳感器振動測量傳感器1. 1. 采用位移傳感器的情況采用位移傳感器的情況振動位移的幅值特別重要時，如不允許某振動部件在振動時碰振動位移的幅值特別重要時，如不允許某振動部件在振動時碰撞其他的部件，即要求限幅；撞其他的部件，即要求限幅；測量低頻振動時，由于其振動速度或振動加速度值均很小，因測量低頻振動時，由于其振動速度或振動加速度值均很小，因此不便采用速度傳感器或加速

23、度傳感器進行測量。此不便采用速度傳感器或加速度傳感器進行測量。2. 2. 用速度傳感器的情況用速度傳感器的情況(1) (1) 振動位移的幅值太小；振動位移的幅值太小；(2) (2) 與聲響有關(guān)的振動測量；與聲響有關(guān)的振動測量；(3) (3) 中頻振動測量。中頻振動測量。3. 3. 采用加速度傳感器的情況采用加速度傳感器的情況(1) (1) 高頻振動測量；高頻振動測量；(2) (2) 對機器部件的受力、載荷或應(yīng)力需作分析的場合。對機器部件的受力、載荷或應(yīng)力需作分析的場合。選用原則選用原則第三節(jié)第三節(jié) 振動測量傳感器振動測量傳感器 按被測量，位移的測量分為按被測量，位移的測量分為線位移測量和角位移

24、測量線位移測量和角位移測量。 按測量參數(shù)的特性，位移測量分為按測量參數(shù)的特性，位移測量分為靜態(tài)位移測量和動態(tài)位靜態(tài)位移測量和動態(tài)位移測量移測量。 位移測量的分類位移測量的分類 位移是線位移和角位移的統(tǒng)稱。位移是線位移和角位移的統(tǒng)稱。位移測量位移測量在機械工程中應(yīng)在機械工程中應(yīng)用很廣，在機械工程中不僅經(jīng)常要求精確地測量零部件的位用很廣，在機械工程中不僅經(jīng)常要求精確地測量零部件的位移和位置，而且移和位置，而且力、扭矩、速度、加速度、流量力、扭矩、速度、加速度、流量等許多參數(shù)等許多參數(shù)的測量，也是以位移測量為基礎(chǔ)的。的測量，也是以位移測量為基礎(chǔ)的。第四節(jié)第四節(jié) 位移的測量位移的測量常用的位移傳感器常

25、用的位移傳感器第四節(jié)第四節(jié) 位移的測量位移的測量第四節(jié)第四節(jié) 位移的測量位移的測量第四節(jié)第四節(jié) 位移的測量位移的測量第四節(jié)第四節(jié) 位移的測量位移的測量 隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各式各樣的數(shù)字式位移傳感隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各式各樣的數(shù)字式位移傳感器。常用的數(shù)字位移傳感器有計量光柵、磁尺、編碼器等。它器。常用的數(shù)字位移傳感器有計量光柵、磁尺、編碼器等。它們都有線位移測量和角位移測量兩種構(gòu)造形式。們都有線位移測量和角位移測量兩種構(gòu)造形式。p 光柵光柵 光柵是在基體上刻有均勻分布條紋的光學(xué)元件。光柵是在基體上刻有均勻分布條紋的光學(xué)元件。第四節(jié)第四節(jié) 位移的測量位移的測量 當指示光柵和標尺光柵的

26、線紋以一個微小的夾角相交時，由當指示光柵和標尺光柵的線紋以一個微小的夾角相交時，由于于擋光效應(yīng)擋光效應(yīng)( (當線紋密度當線紋密度5050條條/mm/mm時時) )或光的或光的衍射作用衍射作用( (當線紋當線紋密度密度100100條條/ /mmmm時時) )，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( (兩線紋兩線紋夾角的等分線上夾角的等分線上) )產(chǎn)生出亮、暗相間的條紋，這些條紋稱為產(chǎn)生出亮、暗相間的條紋，這些條紋稱為“莫爾條紋莫爾條紋”。第四節(jié)第四節(jié) 位移的測量位移的測量莫爾條紋有如下的莫爾條紋有如下的重要特征重要特征：(1)(1)莫爾條紋由光柵的大量刻線共同形成，對線紋的

27、刻劃誤差莫爾條紋由光柵的大量刻線共同形成，對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差消除短周期誤差的影響。的影響。(2)(2)兩光柵相對移動一個柵距，莫爾條紋也同步移動一個間距，兩光柵相對移動一個柵距，莫爾條紋也同步移動一個間距，固定點上的光強則變化一周固定點上的光強則變化一周。而且在光柵反向移動時，莫爾條。而且在光柵反向移動時，莫爾條紋移動方向也隨之反向。紋移動方向也隨之反向。(3)(3)莫爾條紋的間距與兩光柵線紋夾角莫爾條紋的間距與兩光柵線紋夾角之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為2sin2HWWB 當當W一定時，一定時，越小，則越小，則B越大。這相當于

28、把柵距放大了越大。這相當于把柵距放大了1/倍，提高了測量的靈敏度。倍，提高了測量的靈敏度。第四節(jié)第四節(jié) 位移的測量位移的測量辨向辨向 注意到無論可動光柵片是向左或向右移動，在一固注意到無論可動光柵片是向左或向右移動，在一固定點觀察時，莫爾條紋同樣都是作明暗交替的變化，定點觀察時，莫爾條紋同樣都是作明暗交替的變化，后面的數(shù)字電路都將發(fā)生同樣的計數(shù)脈沖，從而無法后面的數(shù)字電路都將發(fā)生同樣的計數(shù)脈沖，從而無法判別光柵移動的方向，也不能正確測量出有往復(fù)移動判別光柵移動的方向，也不能正確測量出有往復(fù)移動時位移的大小。因而必須在測量電路中加入時位移的大小。因而必須在測量電路中加入辨向電路辨向電路。 第四節(jié)

29、第四節(jié) 位移的測量位移的測量細分細分 若以移過的莫爾條紋的數(shù)來確定位移量，其若以移過的莫爾條紋的數(shù)來確定位移量，其分辨力為光柵分辨力為光柵柵距柵距。為了提高分辨力和測得比柵距更小的位移量，可采用。為了提高分辨力和測得比柵距更小的位移量，可采用細分技術(shù)。它是在莫爾條紋信號變化的一個周期內(nèi)，給出若細分技術(shù)。它是在莫爾條紋信號變化的一個周期內(nèi)，給出若干個計數(shù)脈沖來減小脈沖當量的方法。細分方法有機械細分干個計數(shù)脈沖來減小脈沖當量的方法。細分方法有機械細分和電子細分兩類。和電子細分兩類。 電子細分法中較常用的是電子細分法中較常用的是四倍頻四倍頻細分法。在辨向原理中已細分法。在辨向原理中已知，在相差知，在

30、相差 B BH H/4 /4 位置上安裝兩個光電元件，得到兩個相位位置上安裝兩個光電元件，得到兩個相位相差相差/2/2的電信號。若將這兩個信號反相就可以得到四個依的電信號。若將這兩個信號反相就可以得到四個依次相差次相差/2 /2 的信號，從而可以在移動一個柵距的周期內(nèi)得到的信號，從而可以在移動一個柵距的周期內(nèi)得到四個計數(shù)脈沖，實現(xiàn)四倍頻細分。也可以在相差四個計數(shù)脈沖，實現(xiàn)四倍頻細分。也可以在相差BHBH/4 /4 位置上位置上安放四只光電元件來實現(xiàn)四倍頻細分。安放四只光電元件來實現(xiàn)四倍頻細分。第四節(jié)第四節(jié) 位移的測量位移的測量 光柵式位移傳感器具有光柵式位移傳感器具有分辨力高分辨力高( (可達

31、可達1m1m或更?。?、或更?。?、測量測量范圍大范圍大（幾乎不受限制）、（幾乎不受限制）、動態(tài)范圍寬動態(tài)范圍寬等優(yōu)點，且等優(yōu)點，且易于實現(xiàn)數(shù)易于實現(xiàn)數(shù)字化測量和自動控制字化測量和自動控制，是數(shù)控機床和精密測量中應(yīng)用較廣的檢，是數(shù)控機床和精密測量中應(yīng)用較廣的檢測元件。其缺點是測元件。其缺點是對使用環(huán)境要求較高對使用環(huán)境要求較高，在現(xiàn)場使用時要求密，在現(xiàn)場使用時要求密封，以防止油污、灰塵、鐵屑等的污染。封，以防止油污、灰塵、鐵屑等的污染。特點特點第四節(jié)第四節(jié) 位移的測量位移的測量應(yīng)用應(yīng)用第四節(jié)第四節(jié) 位移的測量位移的測量p 光電編碼器光電編碼器 第四節(jié)第四節(jié) 位移的測量位移的測量應(yīng)用應(yīng)用上位計算機運

32、動控制器驅(qū)動器電動機執(zhí)行機構(gòu)反饋裝置運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)第四節(jié)第四節(jié) 位移的測量位移的測量第四節(jié)第四節(jié) 位移的測量位移的測量光柵尺光柵尺編碼器編碼器第四節(jié)第四節(jié) 位移的測量位移的測量p 激光干涉儀激光干涉儀 激光干涉儀就是光的干涉原理使激光束產(chǎn)生明暗相間的干涉激光干涉儀就是光的干涉原理使激光束產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋，由光電轉(zhuǎn)換元件接收并轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)處理后由計數(shù)條紋，由光電轉(zhuǎn)換元件接收并轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)處理后由計數(shù)器計數(shù)，從而實現(xiàn)對位移量的檢測。利用干涉法測距的分辨力器計數(shù)，從而實現(xiàn)對位移量的檢測。利用干涉法測距的分辨力至少為至少為/2/2，用激光干涉法測距的，用激光干涉法測距的精度極高

33、精度極高。第四節(jié)第四節(jié) 位移的測量位移的測量位移測量應(yīng)用實例位移測量應(yīng)用實例1.1.軸位移的測量軸位移的測量軸位移不僅能表明機器的運行特性和狀況。而且能夠指示推軸位移不僅能表明機器的運行特性和狀況。而且能夠指示推力軸承的磨損情況以及轉(zhuǎn)動部件和靜止部件之間發(fā)生碰撞的力軸承的磨損情況以及轉(zhuǎn)動部件和靜止部件之間發(fā)生碰撞的可能性?？赡苄?。在工業(yè)現(xiàn)場，常用在工業(yè)現(xiàn)場，常用電渦流位移傳感器電渦流位移傳感器來測量軸位移。來測量軸位移。軸位移分為軸位移分為相對軸位移相對軸位移（即軸向位置）和（即軸向位置）和相對軸膨脹相對軸膨脹。（1 1）相對軸位移的測量）相對軸位移的測量相對軸位移相對軸位移是指軸向推力軸承和導(dǎo)向盤之間的距離變化。是指軸向推力軸承和導(dǎo)向盤之間的距離變化。導(dǎo)向盤和軸承之間必須有一定的間隙以便能夠形成承載油