機(jī)械量檢測(cè)技術(shù)及儀表.ppt

7 機(jī)械量檢測(cè)技術(shù)及儀表,過(guò)程檢測(cè)技術(shù)及儀表,內(nèi)容安排：,7.1 概述 7.2 位移檢測(cè)儀表 7.3 厚度檢測(cè)儀表 7.4 力、應(yīng)力與力矩檢測(cè)儀表 7.5 轉(zhuǎn)速檢測(cè)儀表 7.6 轉(zhuǎn)矩檢測(cè)儀表 7.7 振動(dòng)與加速度檢測(cè)儀表,7.1 概述,機(jī)械量檢測(cè)主要涉及物體形狀和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的測(cè)量。,在機(jī)械量測(cè)量中無(wú)不與力有關(guān)，力的測(cè)量具有普遍性，但直接測(cè)力是困難的，目前都是采用間接的方法測(cè)量。,可進(jìn)行機(jī)械量測(cè)量的傳感器有多種，如電阻應(yīng)變式、電容式、電感式、霍爾式、磁電式、壓電式、壓磁式、超聲波式和光電式等。各種機(jī)械量測(cè)量可采用的測(cè)量原理見(jiàn)表7-1。,機(jī)械量檢測(cè)所涉及的理論和技術(shù)內(nèi)容廣泛，形式多樣；與機(jī)械量檢測(cè)相關(guān)的儀表種類(lèi)繁多且與新材料新技術(shù)同步發(fā)展。工業(yè)過(guò)程參數(shù)檢測(cè)中涉及的機(jī)械量檢測(cè)技術(shù)及儀表在整個(gè)機(jī)械量檢測(cè)技術(shù)中的重要性正在受到普遍重視，相關(guān)的技術(shù)和應(yīng)用正在向工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域滲透。,7.2 位移檢測(cè)儀表,位移是指物體或其某一部分的位置對(duì)參考點(diǎn)產(chǎn)生的偏移量。位移的形式可以是直線(xiàn)位移或角位移。,7.2.1 電容式位移檢測(cè)方法,電容式位移測(cè)量系統(tǒng)以平板電容器作為傳感元件。,在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)充分考慮分布電容、非線(xiàn)性及干擾等因素對(duì)測(cè)量的影響。,電容式傳感器按工作原理可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三類(lèi)。在位移測(cè)量系統(tǒng)中常采用變極距型電容式傳感器。,圖7-1（a）中，一個(gè)電極為固定電極，另一個(gè)電極為可動(dòng)電極，它與被測(cè)物體相連；圖7-1(b)為差動(dòng)電容式位移檢測(cè)結(jié)構(gòu)，圖7-1(c)為與之配套的信號(hào)調(diào)理電路變壓器電橋電路。,電容式軸位移測(cè)量系統(tǒng)如圖7-2所示。其中包括了軸向位移和徑向位移兩套測(cè)量裝置。,利用先進(jìn)的IC制造技術(shù)可以制作超小型電容式位移傳感器。圖7-3為電容耦合型位移傳感器結(jié)構(gòu)圖。,可動(dòng)電極與固定驅(qū)動(dòng)電板的電容量耦合，耦合容量隨可動(dòng)電極的位置變化而改變。相鄰兩固定電極上施加幅度相同相位差為90的正弦波電壓，這時(shí)可動(dòng)電極的感應(yīng)電壓的相位是固定電極排列方向上位移x的函數(shù)，因此通過(guò)檢測(cè)相位即可求得位移。,7.2.2 電渦流式位移檢測(cè)方法,7.2.2.1 工作原理,電渦流傳感器是基于渦流效應(yīng)工作的。,如果導(dǎo)體的磁導(dǎo)率及線(xiàn)圈激勵(lì)電流強(qiáng)度和頻率等參數(shù)恒定不變，則可把線(xiàn)圈的電抗看成是線(xiàn)圈與金屬導(dǎo)體間距離的單值函數(shù)，即二者之間成比例關(guān)系。這樣，根據(jù)渦流的大小即可測(cè)量出線(xiàn)圈與金屬導(dǎo)體間的距離。,電渦流傳感器根據(jù)激勵(lì)電流頻率的高低可分為高頻反射式電渦流傳感器和低頻透射式電渦流傳感器兩類(lèi)。目前，高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用比較多，上面介紹的就是這一種。,7.2.2.2 測(cè)量系統(tǒng),傳感器線(xiàn)圈由鉑金屬絲平繞在固定支架上，并采用不銹鋼殼體和耐腐蝕的材料封裝而成。石英晶體振蕩器用于產(chǎn)生一個(gè)頻率和幅值都固定的高頻信號(hào)，這一信號(hào)經(jīng)固定電阻R加到由傳感器線(xiàn)圈L和固定電容C組成的并聯(lián)回路上。這樣，并聯(lián)回路的阻抗就會(huì)隨著軸與傳感器線(xiàn)圈之間的距離x的變化而變化。,7.2.2.3 應(yīng)用問(wèn)題, 測(cè)量系統(tǒng)各部分之間必須互相匹配, 探頭的安裝問(wèn)題, 多個(gè)探頭間的相互影響, 探頭安裝位置的確定, 探頭的固定, 探頭與電纜的連接, 接地, 軸的材質(zhì)對(duì)測(cè)量的影響,7.2.3 光纖式位移檢測(cè)方法,圖(a)是光纖位移檢測(cè)原理圖。光源經(jīng)多股發(fā)射光纜傳到被測(cè)物體表面，光纖端口處光線(xiàn)呈圓錐狀擴(kuò)散，照射到物體表面后被反射，反射光的一部分再經(jīng)多股接收光纜傳到光敏元件。接受光范圍同樣是圓錐狀，所以照射光圓錐與接收光圓錐相重疊部分的光線(xiàn)強(qiáng)度將被檢測(cè)輸出。隨著被測(cè)物體的位移變化，重疊部分的光強(qiáng)也發(fā)生變化，根據(jù)光強(qiáng)信號(hào)就可以檢測(cè)位移。,為了增加反射光強(qiáng)度，應(yīng)增加發(fā)射和接收光纖數(shù)量，故對(duì)發(fā)射和接收光纖采取如圖(b)所示的各種模式組合方式 。改變組合模式，可以調(diào)整檢測(cè)范圍和靈敏度，如圖(c)所示。,7.2.4 光柵式位移檢測(cè)方法,如圖7-9所示為透射式直線(xiàn)光柵原理圖，它由隨測(cè)量位移(或長(zhǎng)度)移動(dòng)的滑尺(主光柵)和不動(dòng)的定尺(指示光柵)組成。在光源和透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)照射下，因定、滑尺的線(xiàn)紋間有微小的夾角，當(dāng)柵節(jié)距較光波長(zhǎng)大得多的情況下，由于線(xiàn)紋的遮擋作用產(chǎn)生明暗相間的條紋莫爾條紋，當(dāng)滑尺沿刻線(xiàn)的垂直方向與定尺作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，每移過(guò)一個(gè)柵距W，莫爾條紋的亮區(qū)和暗區(qū)交替一次，在圖示的固定位置設(shè)置光電元件S1時(shí)，其所輸出的電信號(hào)將變化一周，因此可以利用此電信號(hào)的交變數(shù)來(lái)反映位移的大小(光柵節(jié)距W 的倍數(shù))。,7.3 厚度檢測(cè)儀表,厚度測(cè)量屬于長(zhǎng)度測(cè)量范疇，應(yīng)用廣泛。,常用的厚度測(cè)量?jī)x表有電感式，射線(xiàn)式、超聲波式、高頻渦流式和微波式等 。,7.3.1 滾輪接觸式電感厚度儀,由一個(gè)活動(dòng)滾輪和一個(gè)固定滾輪組成滾輪組。被測(cè)物體的厚度變化會(huì)引起活動(dòng)滾輪的徑向位移，從而引起電感傳感器的電感量發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電感量即可求得被測(cè)物體的厚度。,7.3.2 射線(xiàn)式厚度儀,射線(xiàn)穿過(guò)被測(cè)物體后，射線(xiàn)的衰減程度與被測(cè)物體的厚度有關(guān)，這就是射線(xiàn)式厚度儀的測(cè)量原理。,7.3.3超聲波測(cè)厚儀,超聲波測(cè)厚與超聲波測(cè)距有相同的工作原理，不同的是，前者的超聲波傳播介質(zhì)是各種固體材料，而后者是空氣，如圖7-10所示。,換能器發(fā)射的超聲波從上表面進(jìn)入被測(cè)物體到從下表面反射后被換能器接收所經(jīng)歷的時(shí)間為t，則被測(cè)物體厚度H 為,值得注意的是，當(dāng)被測(cè)物體厚度值較小時(shí)，上式中的時(shí)間t是很小的，以至于該方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)。,則發(fā)射波和反射波之間因相互增強(qiáng)而產(chǎn)生共振，在被測(cè)物體中形成駐波。 換能器的頻率特性在被測(cè)物體中形成駐波處出現(xiàn)峰值。設(shè)計(jì)合適的信號(hào)處理電路檢測(cè)到這個(gè)峰值以及對(duì)應(yīng)的一階駐波（n=1)的波長(zhǎng)=c/f ,其中，f為簡(jiǎn)諧信號(hào)頻率，則由上可計(jì)算物體厚度。,用連續(xù)的簡(jiǎn)諧信號(hào)激發(fā)換能器，產(chǎn)生的超聲波可在上下表面進(jìn)行多次反射，如被測(cè)物體的厚度滿(mǎn)足下式,式中，為超聲波波長(zhǎng)； n-=1,2,為駐波階數(shù)。,7.4 力、應(yīng)力與力矩檢測(cè)儀表,工程中力的測(cè)量通常是指對(duì)慣性力和彈性力的測(cè)量。對(duì)慣性力的測(cè)量一般是通過(guò)測(cè)量物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，對(duì)彈性力的測(cè)量通常是通過(guò)測(cè)量物體自身的變形實(shí)現(xiàn)。下面，我們將忽略物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，只考慮物體的變形，即只考慮彈性力的測(cè)量問(wèn)題。,7.4.1 應(yīng)變式測(cè)力傳感器,應(yīng)變式傳感器是由彈性元件、電阻應(yīng)變片和相應(yīng)的信號(hào)處理電路組成的。,7.4.1.1 彈性圓柱式力傳感器,將兩片相同的應(yīng)變片分別沿軸線(xiàn)和圓周方向粘貼，如圖7-11（c）所示。則在軸向應(yīng)力F的作用下，應(yīng)變片電阻的變化滿(mǎn)足,式中，彈性材料的泊松系數(shù)；,如果要得到差動(dòng)電橋的效果，應(yīng)將沿軸線(xiàn)方向粘貼的應(yīng)變片沿與軸線(xiàn)成一定角度的方向粘貼，且滿(mǎn)足以下關(guān)系,和,則有,如此構(gòu)造的電橋可以達(dá)到差動(dòng)的效果。,7.4.1.2 懸臂梁式力傳感器,等截面懸臂梁,作用力與懸臂梁上表面長(zhǎng)度方向的應(yīng)變關(guān)系式,等強(qiáng)度懸臂梁,作用力與懸臂梁上沿長(zhǎng)度方向的應(yīng)變關(guān)系式,等截面梁表面上的應(yīng)變量與位置有關(guān)，而等強(qiáng)度梁表面上的應(yīng)變量處處相等。,兩種懸臂梁的上下表面對(duì)應(yīng)處的應(yīng)變量的大小相等，方向相反。在梁的上下表面相對(duì)位置處粘貼應(yīng)變片，如下圖，可在電橋中構(gòu)造理想的差動(dòng)效果。,7.4.1.3 扭轉(zhuǎn)圓柱式力傳感器,在力矩測(cè)量中常用扭轉(zhuǎn)圓柱體作為彈性元件。,在與軸線(xiàn)成45度角的方向上出現(xiàn)最大應(yīng)力。扭轉(zhuǎn)圓柱體表面上有兩個(gè)相互垂直且與軸線(xiàn)成45度角的方向，在所加力矩一定時(shí)，這兩個(gè)方向感受到的應(yīng)變大小相等，方向相反。圖7-16給出了應(yīng)變片在扭轉(zhuǎn)圓柱體表面上粘貼位置的展開(kāi)圖，圖中四個(gè)應(yīng)變片構(gòu)成圖7-17所示的全橋電路。,7.4.2 電阻應(yīng)變儀,電阻應(yīng)變片的電阻變化很小，經(jīng)測(cè)量電橋轉(zhuǎn)換成電壓后輸出信號(hào)也很微弱，必須加以放大后才能進(jìn)行顯示或其他處理。,圖7-18是電阻應(yīng)變儀的電路原理框圖。電阻應(yīng)變儀主要由信號(hào)發(fā)生器、電橋、運(yùn)算放大器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、穩(wěn)壓電源和顯示記錄裝置等部分組成。,電阻應(yīng)變儀中相敏檢波器既能檢測(cè)應(yīng)變振幅的大小，又能鑒別應(yīng)變的正負(fù)，其工作原理如圖7-19所示。,7.5 轉(zhuǎn)速檢測(cè)儀表,轉(zhuǎn)速即旋轉(zhuǎn)角速度或旋轉(zhuǎn)頻率，它是衡量物體旋轉(zhuǎn)快慢的一個(gè)物理量。,旋轉(zhuǎn)角速度的SI單位弧度/秒（rad/s）與單位轉(zhuǎn)/分（r/min）之間的關(guān)系是,7.5.1 離心力檢測(cè)法,質(zhì)量為m的重錘旋轉(zhuǎn)時(shí)受到mr2的離心力而遠(yuǎn)離主軸，這將克服彈簧力向上拉動(dòng)套筒，套筒的升降通過(guò)齒輪帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)，可直接讀出轉(zhuǎn)數(shù)。,7.5.2 光電碼盤(pán)檢測(cè)法,光電碼盤(pán)檢測(cè)法是利用光電碼盤(pán)和透射型光電耦合器結(jié)合來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的，光電耦合器的輸出信號(hào)是對(duì)應(yīng)于碼盤(pán)窗口明暗的脈沖序列。 光電耦合器如圖7-21所示，可分為透射型和反射型兩種。,光電碼盤(pán)有絕對(duì)光電碼盤(pán)與增量光電碼盤(pán)之分。 如圖7-22(a)所示的絕對(duì)光電碼盤(pán)是把旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度用二進(jìn)制編碼輸出，它可以檢測(cè)絕對(duì)角度；增量光電碼盤(pán)是隨旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度輸出一列連續(xù)脈沖波的碼盤(pán)，通過(guò)累計(jì)脈沖個(gè)數(shù)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角，而不能檢測(cè)轉(zhuǎn)軸的絕對(duì)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向。,增量光電碼盤(pán)在工業(yè)中的應(yīng)用遠(yuǎn)比絕對(duì)碼盤(pán)多。為了使增量光電碼盤(pán)也能檢測(cè)轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向，可以采取圖7-23所示的檢測(cè)A，B和Z三個(gè)增量脈沖信號(hào)的辦法。當(dāng)只需檢測(cè)轉(zhuǎn)速時(shí)，選擇帶一個(gè)光電耦合器的單相輸出增量碼盤(pán)即可；若還要判別正負(fù)轉(zhuǎn)向并控制轉(zhuǎn)角位置時(shí)，則需要選擇內(nèi)部含三個(gè)光電耦合器的有三相輸出的增量碼盤(pán)。,7.6 轉(zhuǎn)矩檢測(cè)儀表,7.6.1力矩、轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)角,要想實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備中運(yùn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)和位置的精確控制，必須對(duì)設(shè)備中各部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，轉(zhuǎn)矩的測(cè)量是其中重要的組成部分。,圖中的轉(zhuǎn)軸看作剛體，力矩M為沿圓周切線(xiàn)方向的力F與轉(zhuǎn)軸半徑r的乘積,工程上，轉(zhuǎn)軸被看作彈性體，作用在彈性轉(zhuǎn)軸上的力矩被稱(chēng)作轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，簡(jiǎn)稱(chēng)轉(zhuǎn)矩。機(jī)械元件在轉(zhuǎn)矩作用下都會(huì)產(chǎn)生一定程度的扭轉(zhuǎn)變形，故轉(zhuǎn)矩又稱(chēng)為扭矩。,當(dāng)長(zhǎng)度為l的轉(zhuǎn)軸承受轉(zhuǎn)矩M時(shí)，轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角為：,7.6.2 轉(zhuǎn)矩的測(cè)量,對(duì)于相對(duì)靜止的轉(zhuǎn)軸（一端固定，亦稱(chēng)扭力棒），轉(zhuǎn)矩的測(cè)量一般采用在轉(zhuǎn)軸表面粘貼應(yīng)變片測(cè)剪切應(yīng)變的方法。參考圖7-24。,最大應(yīng)變?yōu)?在確定了最大應(yīng)變的方向后，在轉(zhuǎn)軸表面沿該方向粘貼應(yīng)變片，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩的測(cè)量。,對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)軸，上述方法難以實(shí)現(xiàn)，目前應(yīng)用最多的是扭轉(zhuǎn)角測(cè)量法，如下圖，兩個(gè)全同調(diào)制輪與霍爾開(kāi)關(guān)測(cè)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)分別安裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸的兩端 。,在轉(zhuǎn)矩為零時(shí)，兩個(gè)傳感器輸出的信號(hào)是完全相同的，此時(shí)系統(tǒng)只有轉(zhuǎn)速測(cè)量功能。當(dāng)轉(zhuǎn)矩不為零時(shí)，兩個(gè)傳感器輸出的信號(hào)波形如圖7-26所示 。,最終得到轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：,式中， 為常數(shù)，在理想情況下脈沖周期T也是常數(shù)，故只要測(cè)得時(shí)間差 即可由上式求得轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩M。,7.6.3 轉(zhuǎn)矩的測(cè)量誤差,在理想情況下，兩個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)均為周期信號(hào)，對(duì)轉(zhuǎn)矩M的測(cè)量精度產(chǎn)生影響的只有兩個(gè)時(shí)間的計(jì)時(shí)誤差。即主要應(yīng)考慮單片機(jī)的計(jì)時(shí)誤差，單片機(jī)的工作頻率越高，計(jì)時(shí)誤差越小。,實(shí)際情況是非理想的。調(diào)制盤(pán)上Z個(gè)磁極的分布不可能是完全均勻的，存在誤差；調(diào)制輪與霍爾開(kāi)關(guān)的間隙的不均勻性也要引入誤差；各個(gè)磁極磁感應(yīng)強(qiáng)度的不均勻性以及設(shè)備振動(dòng)等各種干擾的共同影響，最終使得兩個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)波形不可能是準(zhǔn)確的周期信號(hào)，這也會(huì)導(dǎo)致誤差。,7.6.4 微機(jī)扭矩儀,圖7-27是國(guó)產(chǎn)JW-3型微機(jī)扭矩儀的主機(jī)部分，它是采用微電腦技術(shù)設(shè)計(jì)的一種具有一定智能的、測(cè)定各種動(dòng)力設(shè)備和動(dòng)力傳輸機(jī)械的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率的高精度電子儀器。,7.7 振動(dòng)與加速度檢測(cè)儀表,7.7.1振動(dòng)與加速度檢測(cè)原理,由牛頓運(yùn)動(dòng)方程可知，加速度和力是通過(guò)質(zhì)量聯(lián)系在一起的。如圖7-27所示，可以將彈簧質(zhì)量系統(tǒng)作為傳感器，使之與被調(diào)系統(tǒng)直接連在一起。,當(dāng)從系統(tǒng)框架外部施加振動(dòng)位移或加速度時(shí)，根據(jù)彈簧質(zhì)量系的固有角振動(dòng)頻率0 與支點(diǎn)的角振動(dòng)頻率的關(guān)系，檢測(cè)支點(diǎn)與質(zhì)量m 的相對(duì)位移 y，不僅可求出支點(diǎn)的位移變化（即振動(dòng)），而且還可求出支點(diǎn)的加速度以及速度。,(1) 支點(diǎn)位移檢測(cè)(0的情況),相對(duì)位移y的振幅y0與支點(diǎn)位移的振幅A大小相等、方向相反，這種振動(dòng)檢測(cè)稱(chēng)為位移檢測(cè)。,(2) 支點(diǎn)加速度檢測(cè)(0的情況),相對(duì)位移y的幅值與支點(diǎn)加速度 成比例變化，這種振動(dòng)檢測(cè)稱(chēng)為加速度檢測(cè)。,(3)支點(diǎn)速度檢測(cè)(0的情況),相對(duì)位移y的幅值與支點(diǎn)速度 成比例變化，這種振動(dòng)檢測(cè)可以稱(chēng)為速度檢測(cè)。,7.7.2動(dòng)電型振動(dòng)傳感器,在磁場(chǎng)密度為B的磁場(chǎng)中，長(zhǎng)度為l的導(dǎo)體以速度v切割磁力線(xiàn)，導(dǎo)體兩端則產(chǎn)生電勢(shì)差為,利用這一原理檢測(cè)振動(dòng)速度，稱(chēng)為動(dòng)電型振動(dòng)檢測(cè)。,7.7.3 應(yīng)變片式加速度傳感器,測(cè)量時(shí)，將傳感器殼體與被測(cè)物體剛性連接，當(dāng)被測(cè)物體以加速度a運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用，使彈簧片變形，該變形被粘貼在彈簧片上的應(yīng)變片感受到并隨之產(chǎn)生應(yīng)變，從而使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化。電阻的變化引起應(yīng)變片組成的橋路出現(xiàn)不平衡，從而輸出電壓，這樣即可得出被測(cè)物體的振動(dòng)加速度和振動(dòng)頻率。,7.7.4 壓電式加速度傳感器,主要由殼體、壓電元件、質(zhì)量塊、彈簧及引線(xiàn)等組成。使用時(shí)，將傳感器與振動(dòng)物體剛性固定在一起，這樣，傳感器就會(huì)隨振動(dòng)物體的振動(dòng)而一起振動(dòng)，其內(nèi)部的質(zhì)量塊在重力、外力及彈簧彈力的共同作用下，會(huì)給壓電元件施加與振動(dòng)同頻率