傳感與檢測技術(shù)(周杏鵬)第十二章

1、第十二章第十二章 機(jī)械量檢測技術(shù)機(jī)械量檢測技術(shù) 機(jī)械運(yùn)動(dòng)是各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的基本形式，包括長度、位移、速度、加速度、力、轉(zhuǎn)矩以及振動(dòng)與噪聲等等。 機(jī)械量的，按檢測原理分有等幾種。機(jī)械式方法應(yīng)用最早，且成本低廉；光學(xué)式方法十分精密；電測方法在工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最為廣泛。 12.1 12.1 位移檢測位移檢測 12.2 12.2 速度檢測速度檢測12.3 12.3 加速度檢測加速度檢測 12.4 12.4 力和力和轉(zhuǎn)矩檢測轉(zhuǎn)矩檢測12.5 12.5 機(jī)械振動(dòng)測量機(jī)械振動(dòng)測量12.6 12.6 噪聲檢測噪聲檢測 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(diǎn)在一定方向上產(chǎn)生的位置變化量。 因此位移

2、的度量除要確定其大小大小外，還要確定其方向方向。位移的檢測包括和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）測量速度積分法）測量速度積分法 （2）回波法）回波法 （3）線位移和角位移轉(zhuǎn)換法）線位移和角位移轉(zhuǎn)換法 （4）物理參數(shù)法）物理參數(shù)法 （1 1）測量速度積分法）測量速度積分法 測量運(yùn)動(dòng)體的速度或加速度，經(jīng)過積分或二次積分求得運(yùn)動(dòng)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(diǎn)到被測面是一種介質(zhì)，從測量起始點(diǎn)到被測面是一種介質(zhì)，被測面以后是另一種介質(zhì)，利用介

3、質(zhì)分界面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。對波的反射原理測位移。 例如激光測距儀、超聲波液位計(jì)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(shí)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(shí)延，從而推算出發(fā)射點(diǎn)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(shí)，若測量角位移更被測量是線位移時(shí)，若測量角位移更方便，則可用間接測量方法，通過測角位移方便，則可用間接測量方法，通過測角位移再換算成線位移。再換算成線位移。 同樣，被測量是角位移時(shí)，也可先測線位移再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 例如汽車的里程表

4、，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）物理參數(shù)法）物理參數(shù)法 利用各種位移檢測裝置，將被測位移利用各種位移檢測裝置，將被測位移的變化轉(zhuǎn)換成電、光、磁等物理量的變化的變化轉(zhuǎn)換成電、光、磁等物理量的變化來測量來測量，這是應(yīng)用最廣泛的一種方法?？衫玫臋z測轉(zhuǎn)換原理很多，根據(jù)檢測裝置信號輸出形式，有模擬和數(shù)字式兩大類。圖12-1所示為位移檢測裝置原理與類型。要根據(jù)被測對象要根據(jù)被測對象的具體情況和測的具體情況和測量要求，充分利量要求，充分利用被測對象所在用被測對象所在場合和具備的條場合和具備的條件來設(shè)計(jì)、選擇件來設(shè)計(jì)、選擇測量方法。測量方法。 位移的傳感器種類繁多，可根據(jù)位移檢測

5、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光柵式位移檢測裝置光柵式位移檢測裝置 2感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 3激光距離檢測激光距離檢測 4測量原理測量原理圖12-2(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(shí)，測量軸便沿導(dǎo)軌移動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)電刷在滑線電阻上移動(dòng)，因電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(shí)測出位移的大小和方向。可將圖中的精密無感電阻和滑線電阻組成橋式測量電路。 在A、C兩端接上激勵(lì)電壓Ui，則當(dāng)電刷在輸入位移驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)時(shí)，B、C兩端就會有電壓輸出Uo。設(shè)電位器為線性，長度為

6、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電位器式位移傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)電位器式位移傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單, 價(jià)格低廉, 性能穩(wěn)定, 對環(huán)境條件要求不高, 輸出信號大，便于維修。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(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，僅適于測量變化較緩慢的量。 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)

7、和光敏元件組成，其結(jié)構(gòu)如圖12-5所示。 當(dāng)被測物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(jì)數(shù), 即可實(shí)現(xiàn)位移測量，被測物體位移=柵距脈沖數(shù)。 莫爾條紋 在用光柵測量位移時(shí)，由于刻線很密，柵距很小，而光敏元件有一定的機(jī)械尺寸，故很難分辨到底移動(dòng)了多少個(gè)柵距。實(shí)際測量是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)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(diǎn)莫爾條紋的特點(diǎn) 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用光敏元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化并轉(zhuǎn)換為電信號輸出。光敏元件接收的光強(qiáng)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：

8、 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，經(jīng)過辨向電路后送可逆計(jì)數(shù)器計(jì)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。光柵位移傳感器特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)測量量程范圍大(可達(dá)數(shù)米)且同時(shí)具有高分辨力(可達(dá)0.01m)和高精度；可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量；輸出數(shù)字量，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測量和自動(dòng)控制；具有較強(qiáng)的抗干擾能力。對使用環(huán)境要求較高，怕振動(dòng)，怕油污、灰塵等的污染；制造成本高。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

9、圖12-7所示 直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)圖12-8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) 直線感應(yīng)同步器工作原理 采用滑尺繞組勵(lì)磁，從定尺繞組取出感應(yīng)電勢的激勵(lì)方式。定尺繞組中感應(yīng)電勢的波形圖見圖12-9 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) 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

10、組上施加頻率和相位相同、但幅值不同的正弦激勵(lì)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(lì)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(jìn)行線性疊加，可得定尺繞組輸出的總感應(yīng)電勢為 tkUtskUtkUeeemmmcssin)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(lì)電壓的相位角，使輸出感應(yīng)電動(dòng)勢e的幅值為0，則此時(shí)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。

11、測量長度范圍不受限制。 抗干擾能力強(qiáng)。 使用壽命長，維護(hù)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) 感應(yīng)同步器的特點(diǎn) 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(shí)間，計(jì)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(shí)間。測量傳輸時(shí)間t，有脈沖式脈沖式(直接測定時(shí)間)和相位相位式式(間接測定時(shí)間)兩種方法。工作原理如圖12-10所示 激光脈沖到目標(biāo)激光脈沖到目標(biāo)的往返傳輸時(shí)間的往返傳輸時(shí)間 測得測得t即可計(jì)即可

12、計(jì)算出被測距離算出被測距離 fnnt1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(shí)間，相位式激光測距方法的原理如圖12-11所示 激光脈沖往返傳輸時(shí)間為： fNt222ctL 又又則待測距離L為：)(2222NNfNcL式中，=c / f；N = /2，0N1。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，而只能測定其中不足2的 。所以，當(dāng)距離L大于測尺長/2時(shí)，是無法測定距離的。如果測尺長度/2大于待測距離L，N0，故： 22L測出相位差測出相位差 就能夠測出距離。就能夠測出距離。 如

13、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(jìn)行精確測量。量程長達(dá)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(jī)、壓鑄機(jī)、橡膠機(jī)、鞋機(jī)、EVA注射機(jī)、木工機(jī)械、液壓機(jī)械等。 類類 型：型： 位移傳感器 量量 程：程： 075425mm 04501250mm精精 確確 度：度： 0.05%

14、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(diǎn)：點(diǎn)： 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(jī)、壓鑄機(jī)、橡膠機(jī)、鞋機(jī)、EVA注射機(jī)、木工機(jī)械、液壓機(jī)械等技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo) 圖12-12是一種測量角位移的旋轉(zhuǎn)電容傳感器；圖12-13中的(a)和(b)是兩種差動(dòng)旋轉(zhuǎn)電容傳感器；圖12-14是一種變氣隙式電感角位移傳感器；圖12-15是一種測量角位移的旋轉(zhuǎn)電位器；圖12-16是圓感應(yīng)同步器。 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(dòng)同步器

15、式角位移傳感器微動(dòng)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(jī)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(dòng)勢由轉(zhuǎn)子繞組輸出。圖12-17 為二極旋轉(zhuǎn)變壓器繞組結(jié)構(gòu)。 工作原理互感原理工作 設(shè)加在定子繞組的勵(lì)磁電壓為：U1=Umsint，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(lì)磁電壓幅

16、值；k變壓比(即轉(zhuǎn)、定子繞組匝數(shù)比)； 勵(lì)磁電壓圓頻率；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。 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(shí)=0，U3為零；兩者平行時(shí)=90，U3最大。圖12-18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 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(jī)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)cos(cossinmcskUkUkUU若已知?jiǎng)?lì)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)

17、子與定子的相對位置；若不斷調(diào)整勵(lì)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(dòng)同步器結(jié)構(gòu)原理如圖12-19 微動(dòng)同步器定子繞組的接線方式如圖12-20 由四極定子和兩極轉(zhuǎn)子組成。定子的每個(gè)極上有兩個(gè)繞組，將各極中的一個(gè)繞組串聯(lián)，組成初級勵(lì)磁回路；將各極中的另一個(gè)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 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如圖5-24所示的對稱于定子的位置時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子之間的四個(gè)氣隙幾何形狀完全相同，各極的磁通相等，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

18、輸出電壓為零。 若轉(zhuǎn)子偏離零位一個(gè)角度，則四個(gè)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(gè)正比于轉(zhuǎn)子角位移的電壓輸出。 微動(dòng)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)的碼盤可旋轉(zhuǎn)的碼盤和信號檢測裝置信號檢測裝置組成。 按碼盤刻度方法及信號輸出形式分類：增量式編碼器的輸出是一系列脈沖，用一個(gè)計(jì)數(shù)裝置對脈沖進(jìn)行加或減計(jì)數(shù)，再配合零位基準(zhǔn)，實(shí)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

19、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的碼盤如圖12-21所示 在360范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為24=16個(gè)，在圓周內(nèi)的每一個(gè)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 光電編碼結(jié)構(gòu)示意圖如圖12-22絕對位置的二進(jìn)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(jìn)制編碼的碼盤的缺點(diǎn) 改進(jìn)方法：采用二進(jìn)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(diǎn) 直接把被測轉(zhuǎn)角或角位移轉(zhuǎn)換成唯一對應(yīng)的代碼，

20、無需記憶，無需參考點(diǎn)，無需計(jì)數(shù)； 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； 大大提高了編碼器的抗干擾能力和數(shù)據(jù)的可靠性； 無磨損，碼盤壽命長，精度保持性好 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，碼盤基片為玻璃，抗沖擊和振動(dòng)能力差； 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(jī)、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

21、測量范圍的上、下限3、可以直接連接PLC或上位機(jī)4、鋁合金外殼，特殊表面處理特點(diǎn)：特點(diǎn)：12.1 12.1 位移檢測位移檢測 12.2 12.2 速度檢測速度檢測12.3 12.3 加速度檢測加速度檢測 12.4 12.4 力和力和轉(zhuǎn)矩檢測轉(zhuǎn)矩檢測12.5 12.5 機(jī)械振動(dòng)測量機(jī)械振動(dòng)測量12.6 12.6 噪聲檢測噪聲檢測 速度 ：在單位時(shí)間內(nèi)的位移增量在單位時(shí)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(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)振動(dòng)速度的測量，線速度的計(jì)量單位是米/秒(m/s)，工程上也用千米/小時(shí)(km/h)表示

22、 如電機(jī)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(shí)，測量單位時(shí)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) 1速度測量的分類 從物體運(yùn)動(dòng)的形式運(yùn)動(dòng)的形式看，速度的測量可分為線速度測量和角速度的測量；從速度的參考基準(zhǔn)參考基準(zhǔn)來看，可分為絕對速度測量和相對速度測量；從速度的數(shù)值特征數(shù)值特征來看，分為平均速度測量和瞬時(shí)速度測量；從獲取物體運(yùn)動(dòng)速度的方式運(yùn)動(dòng)速度的方式來看，又可分為直接速度測量和間接速度測量。2速度的測量方法微、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)測速法利用物理參數(shù)測速法

23、(速度傳感器法速度傳感器法) 時(shí)間、位移計(jì)算測速法時(shí)間、位移計(jì)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(yùn)動(dòng)的位移信號微分可以得到物體運(yùn)動(dòng)速度，或?qū)y得的物體運(yùn)動(dòng)的加速度信號作時(shí)間積分也可以得到速度。 例如在振動(dòng)測量時(shí)，應(yīng)用加速度計(jì)測得振動(dòng)體的振動(dòng)加速度信號，或應(yīng)用振幅計(jì)測得振動(dòng)體的位移信號，再經(jīng)過電路進(jìn)行積分或微分運(yùn)算而得到振動(dòng)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(yùn)動(dòng)體上是有固定關(guān)系的，在測量時(shí)可以采用互換的方法達(dá)到方便測量的目的。 例如測火車行駛速度時(shí)，直接測線速度不方便，可通過測量車輪的轉(zhuǎn)速，換算出火車的行

24、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(yùn)動(dòng)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(shí)間、位移計(jì)算測速法）時(shí)間、位移計(jì)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(shí)間t，來求得物體運(yùn)動(dòng)的平均速度。L越小，則求得的速度越接近運(yùn)動(dòng)物體的瞬時(shí)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)器件可延伸出許多測速方法，如相關(guān)

25、測速法、空間濾波器測速法等等。 3.常用速度檢測裝置性能與特點(diǎn) 類型原理測量范圍精度特點(diǎn)線速度測量磁電式工作頻率10500Hz10%靈敏度高，性能穩(wěn)定，移動(dòng)范圍（115）mm，尺寸重量較大空間濾波器1.5200km/h0.2%無需兩套特性完全相同的傳感器轉(zhuǎn) 速 測 量交流測速發(fā)電機(jī)4004000 r/min4000r/min)利用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，線圈高壓放電，感應(yīng)出脈沖信號，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)不剖體測量12341. 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(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體上會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢 ，感應(yīng)電動(dòng)勢與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān) 一種用于測量線速度的恒磁通動(dòng)圈式磁電感

26、應(yīng)式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖如圖12-14，由永久磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架等組成。 E=NBLv感應(yīng)電動(dòng)勢E與線圈相對磁鐵的運(yùn)動(dòng)速度v成正比，所以這種傳感器能直接測量速度 2. 2. 皮托管測速皮托管測速圖12-25為皮托管結(jié)構(gòu)和工作原理： 測量時(shí)，將皮托管對準(zhǔn)流體流動(dòng)方向(如圖示)，就可同時(shí)測出流體總壓力和靜壓力，并由導(dǎo)出管分別導(dǎo)出至測壓裝置。 流體總壓力與靜壓力的差值與流體流速有關(guān)，因而可以通過用皮托管測出流體差壓的方法來測量流體流速。 設(shè)流體密度為，流速為v，測出的流體總壓力為Pz，靜壓力為Pj，則根據(jù)流體流動(dòng)的伯努利方程有： 202vPPjz由式可求出流速v：PPPvjz2)(2所以用皮托管

27、測出差壓P就可測出流體流速。3. 3. 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(dòng)進(jìn)行非接觸連續(xù)測量以探知其長度、運(yùn)動(dòng)速度的有效手段之一?？臻g濾波器測速原理如圖12-26所示。 v=f / M 響應(yīng)速度很快，可以用來檢測傳送帶、鋼板、車輛等的運(yùn)動(dòng)速度，檢測范圍為1.5250 km/h， 測量精度可達(dá)0.2% 4. 4. 彈丸飛行速度測量彈丸飛行速度測量常用時(shí)間位移計(jì)算測速法，測量原理如圖12-27所示 v=L/t 產(chǎn)生測時(shí)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

28、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(diǎn)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(jī)原理如圖12-33所示 定子產(chǎn)生恒定磁通0，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場中旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)，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(hù)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(jī)的特點(diǎn)直流測速發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)nRrCULe/100離心式轉(zhuǎn)

29、速表離心式轉(zhuǎn)速表由轉(zhuǎn)動(dòng)軸、重錘、彈簧、連桿、套筒以及轉(zhuǎn)速指示機(jī)構(gòu)等組成 ，其結(jié)構(gòu)與工作原理如圖12-34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面的限制，一般在1%2%。特點(diǎn)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，可靠、耐用、不怕沖擊振動(dòng)，無需電源就可工作，測量范圍較寬頻閃式轉(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12-35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(dòng)時(shí)，此時(shí)就可以讀出被測實(shí)際轉(zhuǎn)速； 若無法估計(jì)被測轉(zhuǎn)速時(shí)，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(shí)，

30、分別讀出對應(yīng)的轉(zhuǎn)速值，然后按下式計(jì)算出真實(shí)被測轉(zhuǎn)速n：2121nnnnmn2.2.數(shù)字式轉(zhuǎn)速檢測方法數(shù)字式轉(zhuǎn)速檢測方法 在指定的時(shí)間T內(nèi)，對轉(zhuǎn)速傳感器的輸出脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。若在時(shí)間T(s)內(nèi)計(jì)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(jì)數(shù)方法計(jì)數(shù)方法根據(jù)式(12-36 ) 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(gè)字計(jì)數(shù)誤差，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)會引起較大相對誤差，故在低轉(zhuǎn)速時(shí)，脈沖信號的計(jì)數(shù)方法應(yīng)改用測周期法。測周期法的原理見圖(12-

31、40) 轉(zhuǎn)速(r/min)為 ：mZfn06012.1 12.1 位移檢測位移檢測 12.2 12.2 速度檢測速度檢測12.3 12.3 加速度檢測加速度檢測 12.4 12.4 力和力和轉(zhuǎn)矩檢測轉(zhuǎn)矩檢測12.5 12.5 機(jī)械振動(dòng)測量機(jī)械振動(dòng)測量12.6 12.6 噪聲檢測噪聲檢測 加速度測量是基于測試儀器檢測質(zhì)量加速度測量是基于測試儀器檢測質(zhì)量敏感加速度產(chǎn)生慣性力的測量，是一種全敏感加速度產(chǎn)生慣性力的測量，是一種全自主的慣性測量。自主的慣性測量。 加速度的計(jì)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(jì)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(shí)

32、所產(chǎn)生的慣性力的測量。測量時(shí)采用絕對法，把測量裝置安裝在運(yùn)動(dòng)體上進(jìn)行測量。測量加速度的裝置基結(jié)構(gòu)如圖12-41 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的微分方程： 022kydtdycdtxdm有位移關(guān)系 x = y+z,若令 ；則有： mkn/kmc 2222222dtzdydtdydtydnn1. 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12-42 所示：傳感器固定在被測對象上并與其一起作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，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，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12-43所示：傳感器殼

33、體與被測對象一起作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊相對殼體的有位移產(chǎn)生并帶動(dòng)電刷在滑動(dòng)電阻元件上移動(dòng)。應(yīng)變式加速度傳感器的測量原理與結(jié)構(gòu)如圖12-44 ：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(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)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(jì)，這種加速度計(jì)常用硅材料制作，故又名硅微型加速度計(jì)硅微型加速度計(jì)。硅微型加速度計(jì)型式分類：按檢測質(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型式測量范圍零偏穩(wěn)定性分辨力特 點(diǎn)扭擺式1g105g10-4g10g10-4g2g扭桿支承，力反饋控制、電容檢測、耐沖擊懸臂梁式0.1g50gLP2時(shí)，則從噪聲極LP1到總噪聲級LP 的附加值LP可由下式求得：)101lg(1010/ )(21LLPLPPP