第8章機械量測量

主

要

內(nèi)

容8.1概述8.2振動和加速度的測量8.3位移測量8.4轉(zhuǎn)速測量1234機械量測量是指非電量測量，測量范圍涉及尺寸、位移、速度和力學(xué)量等幾個方面。尺寸包括：長、寬、高；位移包括：直線位移和角位移；速度包括：直線速度、角速度和轉(zhuǎn)速；力學(xué)量包括：力、力矩、加速度和振動。機械量不僅是各種運動控制系統(tǒng)的重要參數(shù)，也是電廠許多測量與控制系統(tǒng)中的非電量傳感器及變送器的中間參數(shù)。

8.1概述在電廠中涉及到的如振動、膨脹、轉(zhuǎn)速、位移等量所處的環(huán)境比較復(fù)雜，對各種機械量傳感器的要求也存在很大的區(qū)別。典型的機械量測量傳感器有電阻、電容、電感、渦流以及磁電、壓電、壓磁、光電、霍爾元件等，此外還有超聲波、放射線等。目前，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，一些新型傳感器不斷出現(xiàn)，如電荷耦合器件圖像傳感器、光纖傳感器以及基于微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的傳感器等。同一個參數(shù)可以用不同類型的傳感器測量；某一種原理的傳感器可以用來測量不同的參數(shù)。測量內(nèi)容：基本參數(shù)：振動物體上某點的位移、速度、加速度、頻率和相位。機構(gòu)或部件的動態(tài)特征：以某種激振力作用在被測體上，使它產(chǎn)生受迫振動。測量輸入（激振力）和輸出（被測件振動響應(yīng)），從而確定被測件的固有頻率、阻尼、剛度和振型等參數(shù)。

8.2振動測量

8.2振動測量8.2.1壓電式測振傳感器利用壓電效應(yīng)將振動參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枆弘姴牧希簤弘娋w（石英晶體，二氧化硅）、壓電陶瓷、高分子壓電材料。壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)物體，在沿一定方向?qū)ζ涫┘恿κ怪冃螘r，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，使物體的兩個表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。物體產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比，電荷的極性隨外力方向改變而變化，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。式中，—為電荷量；—為壓電常數(shù)；—為作用面積；—為壓力。

8.2振動測量圖8-2。傳感器與被測物體一起受到?jīng)_擊振動時，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)。慣性力作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷，當(dāng)傳感器選定，為常數(shù)，則傳感器輸出電荷為為軸方向的壓電系數(shù)。所以只要測出加速度傳感器輸出的電荷大小，就可求出的大小。圖示為一種壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)8.2.2電磁式測振傳感器圖8-3。利用電磁感應(yīng)原理測量振動。傳感器與被測物體一起振動，內(nèi)部可動部分相對于外殼產(chǎn)生相對運動，使線圈在工作氣隙中切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，此電勢大小正比于被測物體的振動速度。核電廠汽輪機主軸或軸承的振動測量使用此種傳感器。基本原理：置于變化磁場中的塊狀金屬導(dǎo)體或在磁場中作切割磁力線的塊狀金屬導(dǎo)體，則在此塊狀金屬導(dǎo)體內(nèi)將會產(chǎn)生漩渦狀的感應(yīng)電流的現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)，該漩渦狀的感應(yīng)電流的流線會形成閉合回路，稱為電渦流，簡稱渦流。

8.2.3電渦流式測振傳感器電渦流的大小與金屬導(dǎo)體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度r以及產(chǎn)生交變磁場的線圈與金屬導(dǎo)體的距離x、線圈的勵磁電流角頻率f等參數(shù)有關(guān)。傳感器等效阻抗發(fā)生變化利用電渦流傳感器可以實現(xiàn)對位移、材料厚度、金屬表面溫度、應(yīng)力、速度以及材料損傷等進行非接觸式的連續(xù)測量，這種方法靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍寬，體積小等一系列優(yōu)點，適合測金屬物體的小位移。測振傳感器，如圖8-4。整個汽輪機軸系共有12個軸承，對應(yīng)每只軸承，分別在左右安裝兩個軸振動測量探頭，安裝位置與垂直方向成正負(fù)45度角。每臺機組共有24個軸振動測量探頭。渦流式的。渦流型位移傳感器，如圖8-9每臺機組共有4個渦流式軸向位移檢測探頭，分別安裝在四塊推力塊上。運行中，軸向位移大小就是推力塊工作面（烏金層）的磨損下程度，改變探頭與工作面的距離，渦流探頭就會輸出對應(yīng)的電信號，有效的監(jiān)測軸向位移量的大小。電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器在高壓缸轉(zhuǎn)軸外端處同軸安裝了一個60齒的測速齒輪，4個渦流式汽輪機監(jiān)測速度探頭和另外五個汽輪機調(diào)節(jié)速度探頭分別安裝在齒輪正上方。當(dāng)測速齒輪施轉(zhuǎn)時，探頭與測速齒輪間的空氣間隙就會隨探頭對應(yīng)齒頂或齒根位置而變化，從而在齒輪表面所產(chǎn)生的渦流大小也不同。電渦流式傳感器典型應(yīng)用電渦流傳感器測量電路首先將傳感器線圈L與電容C共同組成并聯(lián)諧振回路，諧振頻率為：線圈等效電感改變，必然導(dǎo)致回路阻抗或諧振頻率變化，從而可間接測量被測參數(shù)，對應(yīng)測量電路主要有調(diào)幅和調(diào)頻兩種。

電渦流探頭外形交變磁場電渦流涂層厚度儀8.3位移測量位移測量包括直線位移和角位移兩種。常見的位移傳感器有電容式、電感式、差動變壓器式、光纖式和CCD圖像傳感器等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，一些新型高精度、大尺寸、數(shù)字式位移傳感器和相繼問世，如光柵、磁柵和感應(yīng)同步器等。電容式傳感器電容式傳感器可分為變極距、

變面積和變介電常數(shù)型變極距(δ）型:(a)、(e)變面積型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）變介電常數(shù)(ε)型:（i）～(l)

電感式位移傳感器基本概念：

電感式傳感器是利用電感元件把位移的變化轉(zhuǎn)換成電感的自感系數(shù)L或互感系數(shù)M

的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號。它可把各種位移、壓力、流量等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電量輸出。即：要解決的問題：

1、如何設(shè)計傳感器（如何使得）

2、它們之間的關(guān)系是否線性(a)、(b)變隙式差動變壓器；(c)、(d)螺線管式差動變壓器；(e)、(f)變面積式差動變壓器差動變壓器位移測量儀表在核電站中的應(yīng)用燃料元件軸向膨脹或收縮的測量燃料元件彎曲度的測量控制棒或燃料元件振動的測量控制棒棒位的測量閥門位置指示各種構(gòu)件相對位置的檢驗基于應(yīng)變片的電阻在由位移產(chǎn)生的壓力作用下其阻值產(chǎn)生變化，通過測阻值的變化來反映被測物體的位移大小。應(yīng)變式位移傳感器8.4轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速在電力系統(tǒng)的參數(shù)檢測與控制系統(tǒng)中也是經(jīng)常出現(xiàn)的物理量，鍋爐給粉量（用給粉機轉(zhuǎn)速表示）的控制、汽輪機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)等都是通過轉(zhuǎn)速測量與控制系統(tǒng)完成的。用于轉(zhuǎn)速檢測的傳感器根據(jù)應(yīng)用場合不同有碼盤檢測法、光電檢測法、霍爾元件檢測法等。8.4.1電容式轉(zhuǎn)速器圖8-10電容極板與齒輪相對時電容量大，而電容極板與齒隙相對時電容量最小。齒輪旋轉(zhuǎn)，電容量發(fā)生周期性變化，在測量電路中產(chǎn)生一系列脈沖，此脈沖的頻率正比于齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)。4.3.1光電轉(zhuǎn)速傳感器光電傳感器的功能：簡單說就是利用光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。

光信號反應(yīng)的是測量參數(shù)的變化。光信號（紅外、可見、紫外）電信號（電壓、電流、電阻等）。通常將這種制作光電傳感器的材料稱為光敏材料，光電傳感器主要用于非接觸測量。光電效應(yīng)分為：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。外光電效應(yīng)與相應(yīng)的器件在光線作用下物體產(chǎn)生電信號的現(xiàn)象被稱為光電效應(yīng)。物體內(nèi)的電子逸出表面向外發(fā)射光電子稱為外光電效應(yīng)或光電發(fā)射效應(yīng)。光電管就是典型的利用外光電效應(yīng)制成的光電器件。光線照射下，陰極電子向陽極運動，形成光電流。通常情況下，當(dāng)光照很微弱時，光電管所產(chǎn)生的光電流很小(零點兒個微安)，為提高靈敏度，常應(yīng)用光電倍增管，對光電流進行放大，其積分靈敏度可達每流明幾安倍。內(nèi)光電效應(yīng)與相應(yīng)的器件半導(dǎo)體材料受到光照射時，吸收入射光子能量，若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，導(dǎo)電性增加，阻值降低的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。包括：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩種應(yīng)用內(nèi)光電效應(yīng)制成的器件包括光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏三極管等。

光生伏特效應(yīng)光導(dǎo)電材料絕緣襯低引線電極引線光敏電阻外觀RG符號光敏電阻光敏電阻就是利用電阻阻值在光照下變化的原理做成的傳感器。把光敏電阻連接到下圖電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小。RGRLEI光敏電阻特點：光敏的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導(dǎo)光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在玻璃殼體中。暗電阻無光照條件下的電阻亮電阻一定光照條件下的電阻暗電流暗電阻條件下的電流亮電流亮電阻條件下的電流光電流=亮電流—暗電流光電池和光敏晶體管工作情況類似：半導(dǎo)體材料在光照條件下會產(chǎn)生電動勢。光敏二極管結(jié)構(gòu)和一般二極管相似，光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，RL

光PNUO反向電阻大，幾乎截止光敏二極管的光電流I與照度之間呈線性關(guān)系光電轉(zhuǎn)速傳感器及應(yīng)用基本原理：當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，光線經(jīng)調(diào)制后投射至光電器件，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號，經(jīng)過整形、放大后變成標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號，計算出脈沖信號頻率后，就可以推算出轉(zhuǎn)速。

光電轉(zhuǎn)速傳感器是利用光電轉(zhuǎn)換原理測量轉(zhuǎn)速的非接觸式傳感器，有投射式和反射式兩種測量方式。光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖3212

31特點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便缺點：受環(huán)境光照情況影響外殼密封，采用紅外光線或者激光作為光源。光源和光敏器件光電傳感器不僅可以測量轉(zhuǎn)速，還可以完成很多參數(shù)的測量，如：煙塵濁度監(jiān)測當(dāng)煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化平行光源光電探測放大顯示刻度校正 報警器煙道4.3.2磁敏轉(zhuǎn)速傳感器

在轉(zhuǎn)速測量中，也有利用磁敏傳感器作為檢測手段的轉(zhuǎn)速測量儀表，如汽車?yán)锍瘫淼霓D(zhuǎn)速測量等。磁敏傳感器是將電磁量轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，它主要用于檢測磁場。如利用電流磁效應(yīng)的磁阻元件、霍爾元件等。

4.3.3碼盤轉(zhuǎn)速測量碼盤轉(zhuǎn)速測量就是利用碼盤窗口明暗信號的變化，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成序列計數(shù)脈沖的一種轉(zhuǎn)速測量方法。碼盤式轉(zhuǎn)速測量直接將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號，按結(jié)構(gòu)分為接觸式、光電式、和電磁式。按工作原理可分成碼盤式（絕對碼盤）和脈沖盤式（增量碼盤）。絕對碼盤結(jié)構(gòu)圖光電編碼器示意圖絕對碼盤是把旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度采用二進制編碼輸出，它可以檢測絕對角度。增量碼盤時隨旋轉(zhuǎn)角度輸出一列連續(xù)脈沖波的碼盤，通過累計脈沖個數(shù)測量旋轉(zhuǎn)角速度。光電碼盤2/6/202341

絕對式碼盤與增量式碼盤有何區(qū)別？10碼道光電絕對式碼盤

絕對式編碼器按照角度直接進行編碼，可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式有接觸式、光電式等形式。透光區(qū)不透光區(qū)零位標(biāo)志2/6/202342絕對式接觸式編碼器演示4個電刷

4位二進制碼盤

+5V輸入公共碼道

最小分辨角度為α=360°/2n

4.4力學(xué)量測量在電廠自動控制系統(tǒng)中，汽輪機運行中的振動和加速度也是經(jīng)常用到的機械量，對這些參數(shù)進行測量也是機械量測量的重點。物體的振動可以通過檢測位移的方法進行測量，而加速度是根據(jù)牛頓第二定律F=ma，通過測得已知質(zhì)量為m的物體上的慣性力而計算出來的。差動變壓器法電渦流法應(yīng)變片法硅微加工加速度傳感器

加速度傳感器以微細加工技術(shù)為基礎(chǔ)，既能測量交變加速度（振動），也可測量慣性力或重力加速度。其工作電壓為2.7～5.25V，加速度測量范圍為數(shù)個g，可輸出與加速度成正比的電壓也可輸出占空比正比于加速度的PWM脈沖。硅微加工加速度傳感器原理

1—加速度測試單元

2—信號處理電路