現(xiàn)代檢測技術(shù)周杏鵬第五章講義

1、第五章 運動量及振動檢測技術(shù)運動量運動量是描述物體運動的量，包括位移、速度和加速度。運動量是最基本的量，運動量測量是最基本、最常見的測量，它是許多物理量，如力、壓力、溫度、振動等測量的前提，也是慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)技術(shù)的基礎(chǔ)。振動振動是工程技術(shù)和日常生活中普遍存在的物理現(xiàn)象。大多數(shù)情況下振動是有害的，但也有可利用的一面，無論是要防止振動危害還是要利用振動，振動試驗和測量始終是一個重要的、必不可少的手段。5.1 5.1 位移檢測位移檢測 5.2 5.2 速度檢測速度檢測5.3 5.3 加速度檢測加速度檢測 5.4 5.4 機械振動測量機械振動測量 位移位移是向量，是指物體或其某一部分的位置相對參考點在

2、一定方向上產(chǎn)生的位置變化量。 因此位移的度量除要確定其大小大小外，還要確定其方向方向。位移的檢測包括線位移線位移和角位移角位移的測量位移測量包括了長度、厚度、高度、距離、鍍層厚度、表面粗糙度、角度等 常用位移測量方法如下：（1 1）測量速度積分法）測量速度積分法 （2 2）回波法）回波法（3 3）線位移和角位移轉(zhuǎn)換法）線位移和角位移轉(zhuǎn)換法 （4 4）位移傳感器法）位移傳感器法 （1 1）測量速度積分法）測量速度積分法 測量運動體的速度或加速度，經(jīng)過積分或二次積分求得運動體的位移。 例如在慣性導(dǎo)航中，就是通過測量載體的加速度，經(jīng)過二次積分而求得載體的位移。（2 2）回波法）回波法 從測量起始點到

3、被測面是一種介質(zhì)，被測面以后是另一種介質(zhì)，利用介質(zhì)分界面對波的反射原理測位移。 例如激光測距儀、超聲波液位計都是利用分界面對激光、超聲波的反射測量位移的。相關(guān)測距則是利用相關(guān)函數(shù)的時延性質(zhì)，將向某被測物發(fā)射信號與經(jīng)被測物反射的返回信號作相關(guān)處理，求得時延，從而推算出發(fā)射點與被測物之間的距離。（3 3）線位移和角位移轉(zhuǎn)換法）線位移和角位移轉(zhuǎn)換法 被測量是線位移時，若測量角位移更方便，則可用間接測量方法，通過測角位移再換算成線位移。 同樣，被測量是角位移時，也可先測線位移再進行轉(zhuǎn)換。 例如汽車的里程表，是通過測量車輪轉(zhuǎn)數(shù)再乘以周長而得到汽車的里程的。（4 4）位移傳感器法）位移傳感器法 通過位移傳

4、感器，將被測位移量的變化轉(zhuǎn)換成電量（電壓、電流、阻抗等）、流量、光通量、磁通量等的變化。位移傳感器法是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法。 一般來說，在進行位移測量時，要充分利用被測對象所在場合和具備的條件來設(shè)計、選擇測量方法。 位移的傳感器種類繁多，可根據(jù)位移檢測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電感式位移傳感器電感式位移傳感器 2光柵位移傳感器光柵位移傳感器 3感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 4激光距離檢測激光距離檢測 5 圖5-1(b)中，測量軸與內(nèi)部電位器電刷相連，當(dāng)其與被測物相接觸，有位移輸入時，測量軸便沿導(dǎo)軌移動，同時帶動電刷在滑線電阻上移動，因電

5、刷的位置變化會有電阻變化，由電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出，就可以判斷位移的大小。如要求同時測出位移的大小和方向?？蓪D中的精密電阻和滑線電阻組成橋式測量電路。 測量原理測量原理： 在電位器A、C兩端接上激勵電壓Ui，則當(dāng)電刷在輸入位移驅(qū)動下移動時，B、C兩端就會有電壓輸出Uo。設(shè)電位器為線性，長度為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量原理與電路模型 )/()/(LxLxxLxLxioRRRRRRRRRRUU若負(fù)載電阻為RL，則有： lxURRUUixio優(yōu)點 結(jié)構(gòu)簡單, 價格低廉, 性能穩(wěn)定, 對環(huán)境條件要求不高, 輸

6、出信號大，便于維修。 缺點 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，動態(tài)響應(yīng)較差，僅適于測量變化較緩慢的量。 測量原理：測量原理： 電感式位移傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測位移轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。按傳感器結(jié)構(gòu)的不同，可分為自感式（電感式 ）、互感式（差動變壓器 ）和電渦流式。自感式自感式分為三類：分為三類：變氣隙式變氣隙式 變截面積式變截面積式 螺管式螺管式 經(jīng)過推算可以知道線圈的自感量L有如下關(guān)系式： 空氣隙厚度；S磁路有效截面積； N線圈匝數(shù)；0空氣磁導(dǎo)率 結(jié)論：只要被測位移能夠引起空氣隙或等效截面積S變化，線圈的自感量就會隨之變化

7、。 思考：變氣隙式傳感器 k=？220SNL 對于變氣隙式，只能用于微小位移的測量，一般約為0.001mm1mm。 對于變截面積式，其線性度良好、測量范圍較大，但靈敏度較低，且有漏感，即在S=0時，仍有一定的自感量。 對于螺管式，傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，適用于測量比較大的位移。但靈敏度稍低。三種形式的優(yōu)缺點：三種形式的優(yōu)缺點：存在問題？存在問題？ 三種類型的自感位移傳感器在工作時，由于線圈中通有交流勵磁電流，銜鐵始終承受電磁吸力，因而會引起振動及附加誤差，而外界的干擾如電源電壓頻率的變化，溫度的變化也會造成測量誤差，另外，非線性誤差較大。 解決方法解決方法采用差動結(jié)構(gòu)差動結(jié)構(gòu)，兩個相同的傳感

8、器線圈共用一個銜鐵構(gòu)成差動式自感位移傳感器 。如右圖減小電磁吸力的作用，對溫度、電源頻率變化的影響也可以互相抵消，大大提高傳感器的靈敏度，改善線性，減少測量誤差。采用差動式自感位移傳感器的優(yōu)勢變氣隙式靈敏度k 為：2202SNddLk而差動變氣隙式靈敏度k變?yōu)椋?22022022SNSNddLk比較如下:傳感器靈敏度提高了一倍傳感器靈敏度提高了一倍 線性度比較如下圖： 結(jié)論：差動變壓器較多采用螺管式 ，如圖（a）所示，等效電路如圖 (b)所示 差動變壓器輸出電勢的大小和相位可以反應(yīng)銜鐵位移量的大小和方向 ，輸出電壓的有效值為：121212)(2ULRMU結(jié)論：結(jié)論：當(dāng)激勵電壓的幅值U1和角頻率

9、、初級線圈的等效電阻R1及電感L1為定值時，差動變壓器輸出電壓的幅值U2與互感的變化量M成正比，而且在銜鐵上移或下移量相等時，輸出電壓幅值相同，但相位相差180。 差動變壓器的輸出特性曲線如圖5-7所示 電渦流式位移傳感器是利用渦流效應(yīng)，將位移量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化而進行測量的。傳感器原理和結(jié)構(gòu)分別如圖 線圈的阻抗變化與導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線圈的幾何參數(shù)、激勵電流頻率以及線圈到被測導(dǎo)體間的距離有關(guān)。 如果控制上述參數(shù)中的僅距離改變，而其余參數(shù)不變，則阻抗就成為這個距離的單值函數(shù)，阻抗的變化就可以反映線圈到被測金屬導(dǎo)體間的距離大小變化。 電渦流位移傳感器的測量電路有調(diào)頻和調(diào)幅式等，圖5-

10、10是一種調(diào)幅式測量電路。 電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測量范圍大、抗干憂能力強，特別是有非接觸測量的優(yōu)點，因此在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 調(diào)幅式測量電路 光柵位移傳感器結(jié)構(gòu)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)和光敏元件組成，其結(jié)構(gòu)如圖5-12所示。 當(dāng)被測物體運動時，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數(shù), 即可實現(xiàn)位移測量，被測物體位移=柵距脈沖數(shù)。光柵位移傳感器 莫爾條紋莫爾條紋 在用光柵測量位移時，由于刻線很密，柵距很小，而光敏元件有一定的機械尺寸，故很難分辨到底移動了多少個柵距。實際

11、測量是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進行的。莫爾條紋的產(chǎn)生莫爾條紋的產(chǎn)生 莫爾條紋的特點莫爾條紋的特點 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量原理光柵位移測量原理用光敏元件接收莫爾條紋移動時光強的變化并轉(zhuǎn)換為電信號輸出。光敏元件接收的光強變化近似于正弦波，其輸出電壓信號的幅值U為光柵位移量x的正弦函數(shù)，即： U=U0+Umsin(2x/W) 式中 U0輸出信號中的直流分量；Um輸出信號中正弦交流分量的幅值；x兩光柵間的相對位移將該電壓信號放大、整形為方波，再由微分電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號，送計數(shù)器計數(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，測量分辨力為光柵柵距W。

12、光柵位移傳感器特點光柵位移傳感器特點 優(yōu)點優(yōu)點：測量量程范圍大(可達數(shù)米)且同時具有高分辨力(可達0.01m)和高精度；可實現(xiàn)動態(tài)測量；輸出數(shù)字量，易于實現(xiàn)數(shù)字化測量和自動控制；具有較強的抗干擾能力。 缺點：缺點：對使用環(huán)境要求較高，怕振動，怕油污、灰塵等的污染；制造成本高。 光柵位移傳感器激光測距的原理：激光測距的原理： 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，通過測量激光脈沖在待測距離上往返傳播的時間，計算出待測距離。 換算公式為： 2ctL 式中，L待測距離；c光速，t光波往返傳輸時間。測量傳輸時間t，有脈沖式脈沖式(直接測定時間)和相位相位式式(間接測定時間

13、)兩種方法。 脈沖式激光測距脈沖式激光測距工作原理如圖5-17所示 激光脈沖到目標(biāo)的往返傳輸時間 測得t即可計算出被測距離 fnnt1（2 2）相位式激光測距）相位式激光測距用相位延遲測量的間接方法測定光在待測距離上往返傳播所需的時間，相位式激光測距方法的原理如圖5-18所示 激光脈沖往返傳輸時間為： fNt222ctL 又又則待測距離L為：)(2222NNfNcL式中，=c / f；N = /2，0N1。（2 2）相位式激光測距）相位式激光測距相位法測距就像用尺量距離，測尺長度為/2，N為整尺長，N為不足整尺的零數(shù)。但是，任何測量交變信號相位移的方法都不能確定出相位移的整周期數(shù)N，而只能測定

14、其中不足2的 ,測尺長度/2大于待測距離L，則由式(5-24)可知，N0，故： 22L測出相位差 就能夠測出距離。 如果被測距離較長，則可選擇較低的調(diào)制頻率f，使相應(yīng)的測尺長度大于待測距離，這樣就可保證距離測量的確定性。但是由于測相系統(tǒng)精度有限，過大的測尺長度會導(dǎo)致距離測量的誤差增大。 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位移或者長度進行精確測量。量程長達1250mm，線性度0.05%（型號大于350mm），重復(fù)精度0.01mm。典型應(yīng)用于注塑機、壓鑄機、橡膠機、鞋機、EVA注射機、木工機械、液壓機械等

15、。 類類 型：型： 位移傳感器 量量 程：程： 075425mm 04501250mm精精 確確 度：度： 0.05%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：點： KTC是一般通用型，適合各類型設(shè)備的位置檢測典型應(yīng)用：典型應(yīng)用： 注塑機、壓鑄機、橡膠機、鞋機、EVA注射機、木工機械、液壓機械等技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)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)如圖5-14所示 定尺和滑尺上的電路繞組都是用印刷電路工藝制成的矩形繞組，定尺繞組為單相連續(xù)繞

16、組，節(jié)距為W2，一般取W2=2mm?；呱嫌袃山M分開的繞組，兩個繞組間的距離L1應(yīng)滿足關(guān)系：L1= (n/2+1/4)W2，其中n為正整數(shù)。因為兩繞組相差90相位角，故分別稱為正弦繞組和余弦繞組。兩相繞組節(jié)距相同，均為W1，通常取W1 = W2= W。直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)圖5-15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) (2) 直線感應(yīng)同步器工作原理直線感應(yīng)同步器工作原理 采用滑尺繞組勵磁，從定尺繞組取出感應(yīng)電勢的激勵方式。定尺繞組中感應(yīng)電勢的波形圖見圖5

17、-16 正弦或余弦繞組在定尺上產(chǎn)生的相應(yīng)感應(yīng)電勢分別為： xWtkUems2cossinxWtskUemc2insin可見：可見：定尺的感應(yīng)電勢取決于滑尺的相對位移x，故通過感應(yīng)電勢可測量位移。(3) (3) 感應(yīng)同步器信號的檢測感應(yīng)同步器信號的檢測 感應(yīng)同步器輸出信號的檢測方法：鑒幅法鑒相法在滑尺的正、余弦繞組上施加頻率和相位相同、但幅值不同的正弦激勵電壓 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，可進行線性疊加，可得定尺繞組輸出的總感應(yīng)電勢為 tkUtskUtkUeeemmmcss

18、in)sin(insincoscossinsin式中kUmsin( )為感應(yīng)電勢的幅值，其值隨位移相位角(即位移x)而變化。若調(diào)整給定激勵電壓的相位角，使輸出感應(yīng)電動勢e的幅值為0，則此時有 ( ) = 0。由于 = = 2x/W，所以位移x = W/2，這就是鑒幅法測位移x的原理。 具有較高的精度與分辨力。 測量長度范圍不受限制。 抗干擾能力強。 使用壽命長，維護簡單。 工藝性好，成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。 輸出信號較弱，需要高放大倍數(shù)的前置放大器。(4) (4) 感應(yīng)同步器的特點感應(yīng)同步器的特點 對測量線性位移的傳感器進行結(jié)構(gòu)上適當(dāng)變動，可以用于角位移的測量。例如： ?思考：與測量線位

19、移進行比較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微動同步器式角位移傳感器微動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裝置，又稱分解器，它將機械轉(zhuǎn)角變換成與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系的電信號。結(jié)構(gòu)類型結(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)電動勢由轉(zhuǎn)子繞組輸出。圖5-22 為二極旋轉(zhuǎn)變壓器繞組結(jié)構(gòu)。 工作原理工作原理互感原理工作互感原理工作 設(shè)加在定子繞組的勵磁電壓為： ，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

20、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)電勢為： sinsin3tkUUm式中，Um勵磁電壓幅值；k變壓比(即轉(zhuǎn)、定子繞組匝數(shù)比)； 勵磁電壓圓頻率；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。 SinwtUUm1可見：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=0，U3為零；兩者平行時=90，U3最大。圖5-23為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢的對應(yīng)關(guān)系。 測量方式測量方式 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)子的機械轉(zhuǎn)角。因此只要檢測出轉(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)

21、cos(cossinmcskUkUkUU若已知勵磁電壓的相位角 ，則只需測出轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓U的幅值kUmcos( -)，便可間接求出轉(zhuǎn)子與定子的相對位置；若不斷調(diào)整勵磁電壓的相位角 ，使幅值U的幅值kUmcos( -)為0，跟蹤的變化，即可由求得角位移。 微動同步器結(jié)構(gòu)原理如圖5-24 微動同步器定子繞組的接線方式如圖5-25 由四極定子和兩極轉(zhuǎn)子組成。定子的每個極上有兩個繞組，將各極中的一個繞組串聯(lián)，組成初級勵磁回路；將各極中的另一個繞組串聯(lián)，組成次級感應(yīng)回路。 按圖5-25所示的繞組接線方式，次級繞組總感應(yīng)輸出電壓為： keeeeU)(232124220式中，k微動同步器的靈敏度； 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)

22、角；e2i(i=1,2,3,4)是各次級繞組感應(yīng)電壓。 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如圖5-24所示的對稱于定子的位置時，定子和轉(zhuǎn)子之間的四個氣隙幾何形狀完全相同，各極的磁通相等，從而使I、III極上的感應(yīng)電壓與II、IV級上的感應(yīng)電壓相等，總的輸出電壓為零，轉(zhuǎn)子被看成是處于零位。若轉(zhuǎn)子偏離零位一個角度，則四個氣隙不再相同，造成各極磁通的變化量不同，其中一對磁級的磁通量減小，另一對磁級的磁通量增加。這樣，次級就有一個正比于轉(zhuǎn)子角位移的電壓輸出。當(dāng)轉(zhuǎn)動方向改變時，輸出電壓也有180的相位躍變。 微動同步器的靈敏度大約為每度0.25V，測量范圍約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)的碼盤和信號檢

23、測裝置組成。 按碼盤刻度方法及信號輸出形式分類：增量式絕對式混合式增量式編碼器的輸出是一系列脈沖，用一個計數(shù)裝置對脈沖進行加或減計數(shù)，再配合零位基準(zhǔn)，實現(xiàn)角位移的測量。 絕對式編碼器的輸出是與轉(zhuǎn)角位置相對應(yīng)的、唯一的數(shù)字碼，如果需要測量角位移量，則只需將前后兩次位置的數(shù)字碼相減就可以得到要求測量的角位移。 按碼盤信號的讀取方式分類光電式接觸式電磁式 光電式絕對編碼器結(jié)構(gòu)與工作原理光電式絕對編碼器結(jié)構(gòu)與工作原理光電式絕對編碼器的碼盤如圖5-26所示 在360范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為24=16個，在圓周內(nèi)的每一個角度方位對應(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 光電式編碼器結(jié)

24、構(gòu)示意圖如圖5-27絕對位置的二進制編碼的產(chǎn)生 絕對編碼器的角度分辨率 如何保證高分辨率和測量精度 標(biāo)準(zhǔn)二進制編碼的碼盤的缺點 改進方法：采用二進制循環(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。 光電式絕對編碼器特點光電式絕對編碼器特點優(yōu)點：優(yōu)點：1.直接把被測轉(zhuǎn)角或角位移轉(zhuǎn)換成唯一對應(yīng)的代碼，無需記憶，無需參考點，無需計數(shù)；2.在電源切斷后位置信息也不會丟失，而且指示沒有累積誤差；3.大大提高了編碼器的抗干擾能力和數(shù)據(jù)的可靠性；4.無磨損，碼盤壽命長，精度保持性好缺點：缺點： 1. 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，碼盤基片為玻璃，抗沖擊和振動能力差

25、； 2. 隨著分辨率的提高信號引出線較多HGD-256光電單圈絕對編碼器光電單圈絕對編碼器 HGD-256型光電式絕對編碼器是集光、機、電技術(shù)于一體的數(shù)字化傳感器，可以高精度測量轉(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、信號輸出方式有：a.并行格雷碼輸出b.485串行信號輸出c.4-20mA電流輸出d. SSI同步串行信號輸出2、根據(jù)用戶要求可設(shè)定并控制測量范圍的上、下限3、可以直接連接PLC或上位機4、鋁合金外殼，特殊表面處理特點：特點：5.1 5.1 位移檢測位移檢測 5.2 5.2 速度檢測速度檢測5.3 5.3 加速度檢測加速度檢測 5.4 5.4 機械振動

26、測量機械振動測量 速度 ：在單位時間內(nèi)的位移增量在單位時間內(nèi)的位移增量 ，矢量，有大小，也有方向，矢量，有大小，也有方向 物體運動速度的測量分兩種： 線速度測量 旋轉(zhuǎn)速度的測量 如彈丸的飛行速度、機構(gòu)振動速度的測量，線速度的計量單位是米/秒(m/s)，工程上也用千米/小時(km/h)表示 如電機軸的旋轉(zhuǎn)速度，常稱其為轉(zhuǎn)速測量，單位是轉(zhuǎn)/分(r/min)，而在被測轉(zhuǎn)速很小時，測量單位時間內(nèi)物體轉(zhuǎn)過的角度，稱為角速度測量，單位是弧度/秒(rad/s) p常用的速度測量方法有下述幾種：微、積分測速法微、積分測速法 線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測速法線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測速法 利用物理參數(shù)測速法利用物理參

27、數(shù)測速法( (速度傳感器法速度傳感器法) ) 時間、位移計算測速法時間、位移計算測速法 （1 1）微、積分測速法）微、積分測速法 對測得的物體運動的位移信號微分可以得到物體運動速度，或?qū)y得的物體運動的加速度信號作時間積分也可以得到速度。 例如在振動測量時，應(yīng)用加速度計測得振動體的振動加速度信號，或應(yīng)用振幅計測得振動體的位移信號，再經(jīng)過電路進行積分或微分運算而得到振動速度。（2 2）線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測速法）線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測速法 線速度與角速度在同一運動體上是有固定關(guān)系的，在測量時可以采用互換的方法達到方便測量的目的。 例如測火車行駛速度時，直接測線速度不方便，可通過測量車輪的轉(zhuǎn)速

28、，換算出火車的行駛速度 （3 3）利用物理參數(shù)測速法）利用物理參數(shù)測速法( (速度傳感器法速度傳感器法) ) 利用各種速度傳感器測量與速度大小有確定關(guān)系的各種物理量來間接測量物體的運動速度，將速度信號變換為電、光等易測信號。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）時間、位移計算測速法）時間、位移計算測速法 這種方法是根據(jù)速度的定義測量速度，即測量物體經(jīng)過的距離L和經(jīng)過該距離所需的時間t，來求得物體運動的平均速度。L越小，則求得的速度越接近運動物體的瞬時速度。 根據(jù)這種測量原理，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

29、測速方法，如相關(guān)測速法、空間濾波器測速法等等。1. 1. 磁電感應(yīng)式測速磁電感應(yīng)式測速 原理：原理：導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動時，導(dǎo)體上會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 ，感應(yīng)電動勢與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關(guān) 一種用于測量線速度的恒磁通動圈式磁電感應(yīng)式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖如圖5-29，由永久磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架等組成。 E=NBLV 感應(yīng)電動勢E與線圈相對磁鐵的運動速度V成正比，所以這種傳感器能直接測量速度 2. 2. 空間濾波器測速空間濾波器測速空間濾波技術(shù)是對物體的移動進行非接觸連續(xù)測量以探知其長度、運動速度的有效手段之一?？臻g濾波器測速原理如圖5-30所示。 v=f / M f=N/t空間頻率M=

30、N/L響應(yīng)速度很快，可以用來檢測傳送帶、鋼板、車輛等的運動速度，檢測范圍為1.5250 km/h， 測量精度可達0.2% 3. 3. 彈丸飛行速度測量彈丸飛行速度測量常用時間位移計算測速法，測量原理如圖5-31所示 v=L/t 產(chǎn)生測時脈沖信號的區(qū)截裝置 ：接觸型 非接觸型 對于大口徑武器，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)截裝置來測量彈丸速度。測量彈丸速度。 如圖如圖轉(zhuǎn)速的檢測方法很多，按照輸出信號的特點可分為模擬式和數(shù)字式兩大類。 1. 1. 模擬式轉(zhuǎn)速測量儀表模擬式轉(zhuǎn)速測量儀表 直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機原理如圖5-37所示 定子產(chǎn)生恒定磁

31、通0，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場中旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子繞組中即產(chǎn)生交變的電勢，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)速成正比的直流電勢： 當(dāng)Ce、0、r及RL都不變時，輸出電壓U0與轉(zhuǎn)速n成線性關(guān)系。對于不同的負(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，維護不便，摩擦轉(zhuǎn)距大，有換向火花，輸出特性不穩(wěn)定。直流測速發(fā)電機的特點直流測速發(fā)電機的特點nRrCULe/100離心式轉(zhuǎn)速表離心式轉(zhuǎn)速表離心式轉(zhuǎn)速表由轉(zhuǎn)動軸、重錘、彈簧、連桿、套筒以及轉(zhuǎn)速指示機構(gòu)等組成 ，其結(jié)構(gòu)與工作原理如圖5-38所示 測速原理測速原理慣性較大，不適合測量快速變化的轉(zhuǎn)速，測量精度也受到多力

32、面的限制，一般在1%2%。特特點點結(jié)構(gòu)簡單、成本低，可靠、耐用、不怕沖擊振動，無需電源就可工作，測量范圍較寬為彈簧彈性系數(shù)；彈簧作用力為離心力系數(shù)；離心力ksksxFskkw2F頻閃式轉(zhuǎn)速表頻閃式轉(zhuǎn)速表頻閃式轉(zhuǎn)速表利用頻閃效應(yīng)原理來測量轉(zhuǎn)速 ，檢測的原理如圖5-39所示 測量方法測量方法 若已知被測轉(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)記不動時，此時就可以讀出被測實際轉(zhuǎn)速； 若無法估計被測轉(zhuǎn)速時，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，分別讀出對應(yīng)的轉(zhuǎn)速值，然后按下式計算出真實被測轉(zhuǎn)速n：2121nnnnmn2.2.數(shù)字式轉(zhuǎn)速檢測方法

33、數(shù)字式轉(zhuǎn)速檢測方法 在指定的時間T內(nèi)，對轉(zhuǎn)速傳感器的輸出脈沖信號進行計數(shù)。若在時間T(s)內(nèi)計數(shù)值為N，轉(zhuǎn)速傳感器每周產(chǎn)生的脈沖數(shù)為Z，則被測轉(zhuǎn)速n為：測量原理fZZTNn6060測定傳感器脈沖信號頻率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)計數(shù)方法計數(shù)方法根據(jù)式(5-43) 測出的脈沖信號頻率求出待測轉(zhuǎn)速的方法稱為測頻法，比較適合于高轉(zhuǎn)速測量。測頻法有一個字計數(shù)誤差，在轉(zhuǎn)速較低時會引起較大相對誤差，故在低轉(zhuǎn)速時，脈沖信號的計數(shù)方法應(yīng)改用測周期法。測周期法的原理見圖(5-44) 轉(zhuǎn)速(r/min)為 ：mZfn0605.1 5.1 位移檢測位移檢測 5.2 5.2 速度檢測速度

34、檢測5.3 5.3 加速度檢測加速度檢測 5.4 5.4 機械振動測量機械振動測量 加速度是表征物體在空間運動本質(zhì)的加速度是表征物體在空間運動本質(zhì)的一個基本物理量，可以通過測量加速度來一個基本物理量，可以通過測量加速度來掌握物體的運動狀態(tài)。掌握物體的運動狀態(tài)。 加速度的計量單位為m/s2(米/秒2) 。在工程應(yīng)用中常用重力加速度g=9.81m/s2作計量單位。加速度測量的原理是基于對質(zhì)量塊感受加速度時所產(chǎn)生的慣性力的測量。測量時采用絕對法，把測量裝置安裝在運動體上進行測量。測量加速度的裝置基結(jié)構(gòu)如圖5-41 系統(tǒng)運動的微分方程： 022kydtdycdtxdm有位移關(guān)系 x = y+z,若令固

35、有頻率 ； 阻尼比則有： mkn/kmc 2222222dtzdydtdydtydnn測出位移y，或者測出質(zhì)量塊作用在彈簧上的慣性力就可以測出被測運動物體的加速度。 1. 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量原理與結(jié)構(gòu)如圖5-46 所示：傳感器固定在被測對象上并與其一起作加速運動時，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，其自由端的霍爾元件H就產(chǎn)生與加速度成比例的位移，輸出與加速度成比例的霍爾電勢UH，從UH與加速度的關(guān)系曲線上可求得加速度。 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量原理與結(jié)構(gòu)如圖5-

36、47 所示：傳感器殼體與被測對象一起作加速運動時，質(zhì)量塊相對殼體有位移產(chǎn)生并帶動電刷在滑動電阻元件上移動。電阻值的變化可以由相應(yīng)電路轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，從而可以測出加速度。 應(yīng)變式加速度傳感器的測量原理與結(jié)構(gòu)如圖5-48 ：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，從而間接測出加速度。測量原理測量原理微機電系統(tǒng)加速度計微機電系統(tǒng)加速度計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，這種加速度計常用硅材料制作，故又名硅微型加速度計硅微型加速度計。硅微型加速度計型式多種多樣。按檢測

37、質(zhì)量支承方式檢測質(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；按檢測信號拾取方式檢測信號拾取方式分，有電容檢測、電感檢測、隧道電流檢測和頻率檢測等一種叉指式硅微型加速度計的結(jié)構(gòu) 一種叉指式微型加速度計產(chǎn)品 ADXL50 5.1 5.1 位移檢測位移檢測 5.2 5.2 速度檢測速度檢測5.3 5.3 加速度檢測加速度檢測 5.4 5.4 機械振動測量機械振動測量 物體或物體的一部分沿直線或曲線在平衡位置附近所作的周期性的往復(fù)運動。在自然界、工程技術(shù)和日常生活中，機械振動是普遍存在的物理現(xiàn)象。 機械振動振動測試的目的 1.檢查機器運轉(zhuǎn)時的振動特性，以檢驗產(chǎn)品質(zhì)量；

38、2.測定機械系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，以便確定機器設(shè)備承受振動和沖擊的能力，并為產(chǎn)品的改進設(shè)計提供依據(jù)；3.分析振動產(chǎn)生的原因，尋找振源，以便有效地采取減振和隔振措施；4.對運動中的機器進行故障監(jiān)控，以避免重大事故。測量的兩種方式 1.1.機械振動分類機械振動分類分 類 名 稱 主要特征與說明 按系統(tǒng)的自由度分 單自由度系統(tǒng)振動 用一個獨立變量就能表示系統(tǒng)振動 多自由度系統(tǒng)振動 須用多個獨立變量表示系統(tǒng)振動 連續(xù)彈性體振動 須用無限多個獨立變量表示系統(tǒng)振動 按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的特性分 線性振動 可以用常系數(shù)線性微分方程來描述，系統(tǒng)的慣性力、阻尼力和彈性力分別與振動加速度、速度和位移成正比 非線性振動 要

39、用非線性微分方程來描述，即微分方程中出現(xiàn)非線性項 分 類 名 稱 主要特征與說明 按振動產(chǎn)生的原因分 自由振動 系統(tǒng)受初始干擾或外部激振力取消后，系統(tǒng)本身由彈性恢復(fù)力和慣性力來維持的振動。當(dāng)系統(tǒng)無阻尼時，振動頻率為系統(tǒng)的固有頻率；當(dāng)系統(tǒng)存在阻尼時，其振動幅度將逐漸減弱 受迫振動 由于外界持續(xù)干擾引起和維持的振動，此時系統(tǒng)的振動頻率為激振頻率 自激振動 系統(tǒng)在輸入和輸出之間具有反饋特性時，在一定條件下，沒有外部激振力而由系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力激發(fā)和維持的一種穩(wěn)定的周期性振動，其振動頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率 按振動的規(guī)律分 簡諧振動 振動量為時間的正弦或余弦函數(shù)，為最簡單、最基本的機械振動形式。其他

40、復(fù)雜的振動都可以看成許多或無窮個簡諧振動的合成 周期振動 振動量為時間的周期性函數(shù)，可展開為一系列的簡諧振動的疊加 瞬態(tài)振動 振動量為時間的非周期函數(shù)，一般在較短的時間內(nèi)存在 隨機振動 振動量不是時間的確定函數(shù)，只能用概率統(tǒng)計的方法來研究 2. . 振動測試的基本參數(shù)振動測試的基本參數(shù)振動三要素 幅值 頻率 相位 簡諧振動 y(t)=Asin(t+) 合理選擇測量參數(shù) 3. .單自由度系統(tǒng)的受迫振動單自由度系統(tǒng)的受迫振動 單自由度線性系統(tǒng)是最基本的振動模型，它僅用一個位移坐標(biāo)（即一個自由度）來描述系統(tǒng)的運動，因此系統(tǒng)可由質(zhì)量塊、彈簧和阻尼器組成。為正確理解和掌握振動測試傳感器的工作原理，討論單

41、自由度系統(tǒng)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)生的受迫振動如圖5-51所示 質(zhì)量塊m的運動微分方程為： )()()()(22tftkxdttdxcdttxdm頻率響應(yīng)H()為： )(2)(1 /122nnjkH幅頻特性A()和相頻特性()分別為：222)2()(1 /1)(nnkA)/(1/2arctan)(2nn通常把振動幅頻特性曲線A()上幅值最大處的頻率r稱為位移共振頻率，可求得位移共振頻率：221nr由基礎(chǔ)運動產(chǎn)生的受迫振動由基礎(chǔ)運動產(chǎn)生的受迫振動慣性式拾振器的力學(xué)模型如圖5-52質(zhì)量塊m的運動方程為：0)()(22zxkdtzxdcdtxdm令 y(t)=x(

42、t)-z(t)，為質(zhì)量塊m 對基礎(chǔ)的相對位移，則 2222dtzdmkydtdycdtydm系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù) H()、幅頻特性A()、相頻特性()分別為： )(2)(1)/(22nnnjH2222)2()(1 )/()(nnnA)/(1/2arctan)(2nn基礎(chǔ)激振時質(zhì)量塊相對基礎(chǔ)位移的幅頻和相頻特性曲線如圖5-534. 4. 機械阻抗的概念機械阻抗的概念 機械阻抗是在機械結(jié)構(gòu)的動力分析中被廣泛應(yīng)用的一種理論分析與試驗測試相結(jié)合的動態(tài)分析方法。 機械阻抗與機械導(dǎo)納的一般定義為：機械阻抗)()(RF響應(yīng)激勵 （Z）= 機械導(dǎo)納)()(RF激勵響應(yīng)Z1 (M) = = 1. 1. 振動測量方法

43、振動測量方法 名稱原理優(yōu)缺點及應(yīng)用電測法將被測對象的振動量轉(zhuǎn)換成電量，然后用電量測試儀器進行測量靈敏度高，頻率范圍及動態(tài)、線性范圍寬，便于分析和遙測，但易受電磁場干擾。是目前最廣泛采用的方法機械法利用杠桿原理將振動量放大后直接記錄下來抗干擾能力強，頻率范圍及動態(tài)、線性范圍窄、測試時會給工件加上一定的負(fù)荷，影響測試結(jié)果，用于低頻大振幅振動及扭振的測量光學(xué)法利用光杠桿原理、讀數(shù)顯微鏡、光波干涉原理，激光多普勒效應(yīng)等進行測量不受電磁場干擾，測量精度高，適于對質(zhì)量小及不易安裝傳感器的試件作非接觸測量。在精密測量和傳感器、測振儀標(biāo)定中用得較多2. 2. 電測法振動測量系統(tǒng)電測法振動測量系統(tǒng)電測法測振系統(tǒng)的一般組成框圖如圖5-54所示3. 3. 測振傳感器測振傳感器測振傳感器的類型測振傳感器的類型拾振器按振動測量方法的力學(xué)原理可分為慣性式(絕對式)和相對式拾振器；按照測量時拾振器是否和被測物體接觸可分為接觸式和非接觸式拾振器；按工作原理分，則有壓電式、磁電式、電動式、電容式、電感式、電渦流式、電阻式和光電式等等。 選擇測振傳感器的原則選擇測振傳感器的原則選擇測振傳感器類型時，主要需考慮被測量的參數(shù)(位移、速度或加速度)、測量的頻