運動量檢測技術

1、前言 運動量檢測在工業(yè)、交通、國防領域等應用較多。例如，汽車、火車、飛機等交通工具需要實時地測量自身的速度與加速度，發(fā)動機等則需要測量輸出軸的轉速，橋梁、大型設備等需要測量其振動，氣象部門需要對大自然的風速進行測量等。010203041.1.線位移和角位移檢測。線位移和角位移檢測。（1 1）積分法、（）積分法、（2 2）相關測距法、（）相關測距法、（3 3）回波法）回波法（4 4）線位移和角位移相互轉換、（）線位移和角位移相互轉換、（5 5）位移傳感器）位移傳感器012 2常用的位移傳感器常用的位移傳感器（1 1）電感式位移傳感器）電感式位移傳感器: :利用傳感器線圈的利用傳感器線圈的電感電感

2、變化來檢測非電量的機電轉換裝置。變化來檢測非電量的機電轉換裝置。特點：特點：a.a.結構簡單、工作可靠、壽命長、精度高（分辨力達結構簡單、工作可靠、壽命長、精度高（分辨力達0.1um0.1um）。）。b.b.缺點：線性范圍小、不適于高頻動態(tài)測量場合。缺點：線性范圍小、不適于高頻動態(tài)測量場合。根據(jù)傳感器線圈的接線方式分為：自感式和互感式。根據(jù)傳感器線圈的接線方式分為：自感式和互感式。根據(jù)傳感器線圈的結構分為：變氣隙型、變面積型螺管型。根據(jù)傳感器線圈的結構分為：變氣隙型、變面積型螺管型。變氣隙型、變面積型變氣隙型、變面積型線 圈銜 鐵螺管型螺管型電感傳感器外形電感傳感器外形（2 2）電容式位移傳感

3、器）電容式位移傳感器: :特點：特點：a.a.結構簡單，能在惡劣環(huán)境下工作，可用無機材料（玻璃、石英、結構簡單，能在惡劣環(huán)境下工作，可用無機材料（玻璃、石英、陶瓷）作絕緣支架，上面渡以金屬作為極板，能承受相當大的陶瓷）作絕緣支架，上面渡以金屬作為極板，能承受相當大的溫度變化及輻射，以及強烈振動，并可以在各向同性的電介質溫度變化及輻射，以及強烈振動，并可以在各向同性的電介質液中使用。液中使用。b.b.分辨力高（納米級），動態(tài)特性好，電容傳感器需要的作用能分辨力高（納米級），動態(tài)特性好，電容傳感器需要的作用能量極小。因而有較高的固有頻率，同時能在幾兆赫的頻率下工量極小。因而有較高的固有頻率，同時能

4、在幾兆赫的頻率下工作，從而保證有良好的動態(tài)響應能力。作，從而保證有良好的動態(tài)響應能力。c.c.小功率、高阻抗，本身發(fā)熱量小。小功率、高阻抗，本身發(fā)熱量小。d.d.本身損耗小，零點穩(wěn)定；由于本身發(fā)熱引起的零漂，可以認為本身損耗小，零點穩(wěn)定；由于本身發(fā)熱引起的零漂，可以認為不存在。不存在。e.e.變極距型廣范用于變極距型廣范用于微位移微位移測量系統(tǒng)中。測量系統(tǒng)中。 （3 3）感應同步器位移傳感器）感應同步器位移傳感器: :是應用電磁感應原理把位移量轉換成為是應用電磁感應原理把位移量轉換成為數(shù)字量數(shù)字量的位移傳感器。的位移傳感器。感應同步器是利用兩個平面形繞組的互感隨相對位置不同而變感應同步器是利用

5、兩個平面形繞組的互感隨相對位置不同而變化的原理化的原理, , 將直線位移或角位移轉換成電信號的。將直線位移或角位移轉換成電信號的。感應同步器有直線式和旋轉式兩種感應同步器有直線式和旋轉式兩種, , 直線式（長）感應同步器由定尺和滑尺組成。直線式（長）感應同步器由定尺和滑尺組成。旋轉式（圓）感應同步器由轉子和定子組成。旋轉式（圓）感應同步器由轉子和定子組成。特點：特點：a.a.測量精度高，工作可靠。測量精度高，工作可靠。b.b.抗干擾能力強，壽命長?？垢蓴_能力強，壽命長。c.c.使用便利。使用便利。d.d.尤其適用于生產現(xiàn)場在線尤其適用于生產現(xiàn)場在線檢測。檢測。直線式（長）感應同步器直線式（長）

6、感應同步器旋轉式（圓）感應同步器旋轉式（圓）感應同步器（4 4）電渦流式傳感器）電渦流式傳感器 根據(jù)法拉第電磁感應原理根據(jù)法拉第電磁感應原理, , 塊狀金屬導體置于變化的磁塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時場中或在磁場中作切割磁力線運動時, , 導體內將產生呈渦旋導體內將產生呈渦旋狀的感應電流狀的感應電流, ,此電流叫電渦流此電流叫電渦流, ,以上現(xiàn)象稱為以上現(xiàn)象稱為電渦流效應電渦流效應。 根據(jù)電渦流效應制成的傳感器稱為根據(jù)電渦流效應制成的傳感器稱為電渦流式傳感器電渦流式傳感器。特點特點: :A A、能對位移、厚度、表面溫度、速度、應力、材料損傷等進行非接觸式、能對位移、

7、厚度、表面溫度、速度、應力、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量。連續(xù)測量。B B、具有體積小、具有體積小, ,靈敏度高靈敏度高, ,抗干擾能力強，頻率抗干擾能力強，頻率 響應寬。響應寬。C C、不受油污等介質影響，應用極其廣泛。、不受油污等介質影響，應用極其廣泛。D D、有變間隙、變面積、螺管型。、有變間隙、變面積、螺管型。電渦流傳感器電渦流傳感器工作原理圖工作原理圖根據(jù)法拉第定律根據(jù)法拉第定律, , 當傳感器線圈通以正弦交變電流當傳感器線圈通以正弦交變電流I1時時, , 線圈周圍空間必然產生正弦線圈周圍空間必然產生正弦交變磁場交變磁場H1, ,使置于此磁場中的金屬導體中感應電渦流使置于此磁場中的

8、金屬導體中感應電渦流 I2, , I2又產生新的交變磁場又產生新的交變磁場H2。根據(jù)愣次定律根據(jù)愣次定律, , H2的作用將反抗原磁的作用將反抗原磁H1, ,導致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。由上導致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。由上可知可知, , 線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導體的電渦流效應。而電渦流效應既與被線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導體的電渦流效應。而電渦流效應既與被測體的電阻率測體的電阻率、磁導率、磁導率以及幾何形狀有關以及幾何形狀有關, , 又與線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電流又與線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率有關頻率有關, , 還與線圈與導體間的距離還與線圈與導體間的距離x

9、 x有關。因此有關。因此, , 傳感器線圈受電渦流影響時的等傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗效阻抗Z Z的函數(shù)關系式為的函數(shù)關系式為 Z= FZ= F（, , r, f, x, , r, f, x） 式中式中: r: r線圈與被測體的尺寸因子。線圈與被測體的尺寸因子。 如果保持上式中其它參數(shù)不變如果保持上式中其它參數(shù)不變, , 而只改變其中一個參而只改變其中一個參數(shù)數(shù), , 傳感器線圈阻抗傳感器線圈阻抗Z Z就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z Z的變化量的變化量, , 即可實現(xiàn)對即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量

10、。該參數(shù)的測量。電渦流傳感器等效電路圖電渦流傳感器等效電路圖電渦流傳感器電渦流傳感器載流線圈載流線圈金屬導體金屬導體。（5 5）光柵式數(shù)字位移傳感器）光柵式數(shù)字位移傳感器 光柵是一種在基體上刻制有等間距均勻分布條紋的光學光柵是一種在基體上刻制有等間距均勻分布條紋的光學元件。用于位移測量的光柵稱為計量光柵。元件。用于位移測量的光柵稱為計量光柵。下圖為透射光柵的示意圖。下圖為透射光柵的示意圖。 圖中圖中a a為刻線寬度為刻線寬度, b, b為縫隙寬度為縫隙寬度, a+b=W, a+b=W稱為光稱為光柵的柵距（也稱光柵常數(shù)）。通常柵的柵距（也稱光柵常數(shù)）。通常a=b=W/2, a=b=W/2, 也可

11、刻成也可刻成 a:b=1.1:0.9a:b=1.1:0.9。 目前常用的光柵每毫米刻成目前常用的光柵每毫米刻成1010、2525、5050、100100、250250條線條。條線條。 光柵傳感器又稱光柵讀數(shù)頭光柵傳感器又稱光柵讀數(shù)頭,主要由標尺光柵、主要由標尺光柵、指示光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。標尺光柵的有效長度即為測量光路系統(tǒng)和光電元件等組成。標尺光柵的有效長度即為測量范圍。范圍。指示光柵比標尺光柵短得多指示光柵比標尺光柵短得多,但兩者刻有同樣的柵距但兩者刻有同樣的柵距,使用時兩光柵互相重疊使用時兩光柵互相重疊,兩者之間有微小的空隙兩者之間有微小的空隙,其中一片固其中一片固定

12、定,另一片隨著被測物體移動另一片隨著被測物體移動,即可實現(xiàn)位移測量。即可實現(xiàn)位移測量。光柵測量原理光柵測量原理:當指示光柵和標尺光柵的線紋相交一個微小的夾角時當指示光柵和標尺光柵的線紋相交一個微小的夾角時,由由于擋光效應（對線紋密度于擋光效應（對線紋密度50條條/mm的光柵）或光的衍射作用（對線紋的光柵）或光的衍射作用（對線紋密度密度100條條/mm的光柵）的光柵）,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,產生出亮暗產生出亮暗相間的條紋相間的條紋,這些條紋稱為這些條紋稱為“莫爾條紋莫爾條紋”。莫爾條紋測位移的特點莫爾條紋測位移的特點:(1)位移的放大作用位移的放大作用當光柵移

13、動一個柵距當光柵移動一個柵距W時時,莫爾條紋移動一個間距莫爾條紋移動一個間距B,莫爾條紋的間距莫爾條紋的間距B與兩光柵線紋夾角與兩光柵線紋夾角之間的之間的關系為關系為:B=W/2sin（/2）W/越小越小,B越大。例如越大。例如很小很小,則則1/較大較大,即莫爾條紋寬度是柵距的即莫爾條紋寬度是柵距的1/倍。這相當于把倍。這相當于把柵距放大了柵距放大了1/倍倍,提高了測量的靈敏度。提高了測量的靈敏度。02一、速度檢測方法 速度測量分為線速度測量和角速度測量。線速度的計量單位通常用m/s（米/秒）來表示，角速度測量分為轉速測量和角速率測量。轉速的計量單位常用r/min（轉/分）來表示，而角速率的計

14、量單位則常用/s（度/秒）或/h（度/小時）來表示。 1時間、位移計算測速法 2線速度和角速度相互轉換測速法 3速度傳感器法 4微積分法二、常用二、常用的速度測量傳感器的速度測量傳感器0303一、加速度檢測方法加速度檢測是基于測試儀器檢測質量敏感加速度產生慣性力的測量，是一種全自主的慣性測量。加速度檢測廣泛應用于航天、航空和航海的慣性導航系統(tǒng)及運載武器的制導系統(tǒng)中，在振動試驗、地震檢測、爆破工程、地基測量、地礦勘測等領域也有廣泛的應用。目前主要是通過加速度傳感器（俗稱加速度計），并配以適當?shù)臋z測電路測量加速度。加速度計由檢測質量（也稱敏感質量）、支承、電位器、彈簧、阻尼器和殼體組成。檢測質量受

15、支承的約束只能沿一條軸線移動，這個軸常稱為輸入軸或敏感軸。二、微機二、微機電加速度計電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。 任何加速度傳感器都概括為以下3個部分。 質量：被加速時，產生一個慣性力。 彈性構件：使力做某種功。 檢拾器：檢拾敏感力所做的功。 硅微機械加速度傳感器結構中，彈性構件通常是很薄小的硅懸臂梁或撓性軸。敏感力所做功的檢拾器，通常有壓阻檢測、電容檢測和隧道電流檢測等方式。1硅微型加速度計的類型硅微型加速度計的型式多種多樣。按檢測質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