力学和运动学量.ppt

第7章 力学量和运动学量,7.1 力学量检测技术 7.2 运动学量检测技术 7.3 接近传感器与转速测量,7.1 力学量检测技术,7.1.1 测力传感器及其应用 1. YDS-781型压电式单向力传感器 图7-1是YDS-781型压电式单向力传感器的结构， 它主要用于变化频率中等的动态力的测量， 如车床动态切削力的测试。 被测力通过传力上盖1传递到压电石英晶片2上。 两块晶片沿电轴反方向叠起， 中间是一个片形电极， 它收集负电荷。 两压电晶片正电荷表面分别与传感器的传力上盖和底座6相连， 构成并联结构。 片形电极和传感器底座通过电极引出插头4与外部电缆相接。 该传感器的测力范围为05000 N， 非线性误差小于1%， 电荷灵敏度为3.84.4 C/N， 固有频率约为数十千赫兹。,图7-1 YDS-781型压电式单向力传感器的结构,2. 金属加工切削力的测量 图7-2是利用压电陶瓷传感器进行测量刀具切削力的示意图。由于压电陶瓷元件的自振频率高， 特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方， 当进行切削加工时，切削力通过刀具传给压电传感器， 压电传感器将切削力转换为电信号输出， 记录下电信号的变化便测得切削力的变化。 图7-3是拉刀的切削力试验图。 在拉削加工中， 因为切削速度低， 可以在拉刀的卡具上粘贴应变片进行受力状态的测试。 应变片与测试电路组成桥路并由放大电路及示波器进行测试。,图7-2 刀具切削力测量示意图,图7-3 拉刀切削力试验图,3. 压电引信 压电引信是利用钛酸钡或锆钛酸铅压电陶瓷的正压电效应制成的一种弹丸起爆装置。 它具有瞬发度高、 灵敏度低、 不需配置电源等特点， 常应用在破甲弹上， 对提高弹丸的破甲能力起着非常重要的作用。 压电引信由压电晶体和起爆装置两部分组成，压电晶体放在弹丸的头部， 起爆装置设置在弹丸的尾部， 如图7-4所示。,图7-4 使用压电引信的破甲弹,压电晶体产生的电荷将从电阻R泄放掉，不会使电雷管动作。 弹丸发射后， 引信起爆装置解除保险状态，开关S从a处断开， 与b接通， 处于待发状态。当弹丸与装甲目标相遇时， 碰撞力使压电晶体产生电荷，经导线传给电雷管使其起爆， 并引起弹丸的爆炸， 锥孔炸药爆炸形成的能量使药形罩熔化， 形成高温高速的金属流将钢甲穿透， 起到杀伤作用。,图7-5 压电引信电路,7.1.2 扭矩的测量 1. 测量原理 扭矩是一种力矩，它是改变物体转动状态的原因。 扭矩的大小可用下式表示，即,M=lF,（7-1）,式中， M为扭矩；l为转轴与力作用点的距离（即力臂）；F为力。,扭矩传感器与力传感器一样， 要使用弹性元件。 它利用弹性体把扭矩转换为角位移， 再由角位移转换成电信号输出。 用于扭矩传感器的弹性元件是扭矩轴， 如图7-6所示。 把扭转轴连接在驱动源和负载之间， 扭转轴就会产生扭转， 所产生的扭转角可用下式表示， 即,（7-2）,式中，为扭转轴的扭转角; L为扭转轴长;D为扭转轴直径; G为扭转轴材料的弯曲系数。 从式中可以看出， 当扭转轴的参数固定， 扭矩对扭转轴作用时， 产生的扭转角与扭矩成正比关系。 因此只要测得扭转角， 便可知扭矩的大小。,图7-6 一些扭转轴的结构,2. 扭矩传感器 1） 应变片式扭矩传感器 图7-7是应变片式扭矩传感器的工作原理图。 扭转轴发生扭转时，在相对于轴中心线45方向上产生的应力最大，应变也最大。沿扭转轴中心线45方向粘贴四个电阻应变片，并组成桥式电路， 将应力转换为电压输出。 由此便可测量扭矩的大小。为了给旋转的应变片输入电压和从电桥中取出检测信号， 在扭转轴上安装有集电环和电刷。它是一种接触式测量，结构复杂。,图7-7 应变片式扭矩传感器工作原理图,2） 振弦式转矩传感器 振弦式转矩传感器的结构如图7-8所示， 将套筒1、 2分别卡在被测轴的两个相邻面上， 然后将振弦5与6分别安装在套筒上的支架3、 4和3、4上， 安装时必须使振弦具有一定的预应力。 当被测轴转动传递转矩T时， 轴产生扭转变形， 致使其两相邻截面扭转一个角度， 造成振弦5受到拉力，振弦6受到压力。 在被测轴的弹性变形范围内， 轴的扭转角与外加转矩T成正比，而振弦的张力又与扭转角成正比。 与振弦式压力传感器一样，可以用测量传感器输出的差频信号来测量被测轴上所承受的转矩。,图7-8 振弦式转矩传感器,3） 磁致伸缩式扭矩传感器 磁致伸缩式扭矩传感器的转换原理是磁致伸缩效应。 采用铁磁材料制作的扭转轴在受到扭矩作用时， 扭转轴中产生方向性应力， 扭转轴表面的磁场分布会变得不对称， 从而出现磁的各向异性。 图7-9是磁致伸缩式扭矩传感器工作原理图。 为了检测扭转轴由于扭转产生的磁场， 在离扭转轴表面12 mm处设置有两个交叉90的铁芯1和2， 在铁芯1上绕有励磁线圈， 在铁芯2上绕有感应线圈。 两个线圈与检测电路组成一个磁桥。,图7-9 磁致伸缩式扭矩传感器工作原理图 （a） 结构原理； （b） 桥路原理,鉴于以下优点，磁致伸缩式扭矩传感器被广泛应用于大型动力机械的扭矩测量。 （1） 可实现非接触测量，避免了接触测量需经常检修的麻烦，也没有电刷和集流环产生的干扰信号，因而工作可靠， 坚固耐用。 （2） 对扭转轴的材质要求不高，一般采用低碳钢即可。 （3） 当扭转轴切应力在3000 N/cm2以下时，输出电势与扭矩呈线性关系， 测量误差较小。,4) 磁电式扭矩传感器 磁电式扭矩传感器是根据磁电转换和相位差原理制成的， 它可以将转矩力学量转换成有一定相位差的电信号。 图7-10为磁电式扭矩传感器的工作原理图。 在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘， 它们旁边装有相应的两个磁电传感器。 传感器的检测元件部分由永久磁铁、 感应线圈和铁芯组成。 永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链， 当齿形圆盘旋转时， 圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化， 于是磁通量也发生变化， 在线圈中感应出交流电压， 其频率等于圆盘上齿数与转数的乘积。,图7-10 磁电式扭矩传感器的工作原理图,7.1.3 电子皮带秤 电子皮带秤是一种能连续称量散状颗粒物料重量的装置， 它不但可以对某一瞬间在输送带上的输送物料重量进行称重， 而且还可以在某段时间内对输送的物料总重进行称重。 因此， 电子皮带秤在建材水泥、 煤矿、 冶金化工和粮仓、 码头等场合中得到了普遍的应用。 电子皮带秤的工作原理如图7-11所示， 电子皮带秤主要由称重桥架与称重传感器、 测速传感器、 称重仪表等组成； 皮带秤上使用着两个传感器， 一个是测力传感器， 它通过皮带下方的称架感受称量区间L的物料重量； 另一个为测速传感器， 它和皮带导轮同轴， 当皮带传动时， 通过导轮随动检测皮带的运行速度。,图7-11 电子皮带秤工作原理图,在电子皮带秤某一称量区间的物料重量为,W（t）=q（t）L,（7-3）,式中， W（t）为L区间的物料重量； q（t）为皮带单位长度上的物料重量； L为区间长度。 皮带在单位时间内的输送量为,Q（t）=Lq（t）v（t）,（7-4）,式中，Q（t）为单位时间里的输送物料的重量；v（t）为皮带速度。 这样， 只要将测力传感器输出经放大的信号U1和测速传感器经频率/电压转换电路输出的信号U2经乘法器相乘， 便可得知皮带在单位时间内的输送量。将此值经积分,7.1.4 电子计价秤 电子计价秤通常是指称量范围在330 kg内带有计价功能的商用案秤。 一般电子秤的外形图如图7-12所示。 在前面的三个数字显示窗口中， 左面的为质量显示， 中间的为商品单价显示， 右面的为计价显示。 通过键盘可输入商品单价， 称量物品后， 计价显示窗口便显示金额。,图7-12 电子计价秤的外形图,1） 称重传感器 电子计价秤通常选用如图7-13所示的以铝合金为材料的双复梁式结构的称重传感器。 其中， （a）为双连椭圆孔构成应力集中合理的力学结构， 秤盘用悬臂梁端部上平面的两个螺孔紧固； （b）为用四连孔构成应力集中合理的力学结构， 秤盘用悬臂梁端部侧面的两个螺孔紧固， 中间圆孔安插过载保险支杆。 以上两种结构形式的称重传感器均可通过锉磨修正四角误差。 当称重传感器受外力F作用时， 产生平行四边形变形， 四个应变片分别粘贴在变形较大的部位， 电阻值随之变化。 当外载荷改变时， 由四个电阻应变片组成的电桥输出电压与外加载荷成正比。,图7-13 双复梁式称重传感器 （a） 双连椭圆孔结构； （b） 四连孔结构,表7-1 15 kg铝合金传感器的技术性能要求,2） 称重显示器 下面以市场上最多的R208A型为例介绍称重显示器的主要性能和各部分的工作原理。 （1） 传感器电源： 为降低成本、 简化结构， 传感器电源与运算放大器共用一个电源， 通常采用三端式集成稳压源(如7815)产生15 V直流， 该电源还是A/D转换器的基准电压源， 即采用比率式测量方法。,（2） 电路原理： 如图7-14所示， 传感器输出的微弱直流毫伏信号需经直流放大器放大(通常采用电流型放大器)， 放大器可选用OP07或ICL7650。 由于采用了微处理器软件零点自动跟踪的程序， 因而能克服由传感器及直流放大器产生的零位漂移， 使电子计价秤具有很好的零位稳定性。 采用低价格的、 能自动归零的双积分式A/D转换器， 量程电压为02.8 V。 逻辑电路是以8039单片机为核心， 由DIP开关/键盘扫描、 打印接口等组成。 8039总线(BUS)口由DB0(12脚)DB7(19脚)组成， 发送地址的低8位和取指令， 输出数字显示的段信号， 传送打印信号和数据； P2口(P20P27)发送地址高4位， 输出位扫描信号和DIP开关(双列直插式封装8位二进制拨动开关)/键盘的扫描信号； P10P13接收DIP开关/键盘的扫描信号， 以判断开关和键盘的通断。,（3） 显示线路的工作原理： 为方便用户， 计价秤的显示采用了双面十六位平板型动态扫描荧光显示器方式。 显示的数字、 字符由七段组成， 相应的指示符号由一段组成。 工作过程为从BUS口送出第一位显示内容的字形编码， 即段信号， 然后P20送1， 第一位数码管显示(即单价第一位)。 延时1 ms后P20送0， BUS口送出第二位显示内容的字形编码， 然后P21送1， 第二位(单价)显示， 通过P14口的转换控制， 一直显示到第十六位。 显示虽然是间断的， 但由于扫描很快(一个周期为16 ms)， 所以显示的闪动是难以用肉眼分辨出来的。,（4） 数字量化误差及读数校正：根据级电子计价秤的要求，一般分度数要大于2000d，d为内部最小分度值，并将允差分为三个区域： 在0500e内，误差允许0.5e； 在5002000e内，误差允许1.0e； 大于2000e， 误差允许1.5e，e为检定分度值。,由于数字显示的量化误差在零位附近最大接近1个字， 在满度时最大接近2个字， 即使最大分度数为3000也无法保证级秤的误差分配要求。 因此， 电子秤设计时最大分度数必须大于3000的几倍。 如选8倍， 即电子秤内部最大分度数为24 000d，外部显示分度数为3000e，则1e=8d，若忽略系统误差， 在零位附近产生的最大数字量化误差为1d=0.125e， 远小于0.5e的允差；在满度时，产生的最大数字量化误差为2d=0.25e， 远小于1.5e的允差。,电子计价秤的标度变换是将A/D转换器输出的原始读数转换为以g为单位的重量读数并显示出来。 如15 kg电子计价秤， 设最小显示分度值为5 g， A/D取样数为n0，量程修正的读数为k(十六位二进制数)， 量程修正位的读数为n1，c为十六位二进制数(常数)。 则量程修正后的读数为n1 =(n0k/c)+0.5，即单片机从A/D取得的原始值n0乘以量程修正读数k， 再除以某一常数c； 考虑到除法后有小数读数， 进行代数处理， 小数点后面四舍五入， 所以加+0.5， 然后取整。 此运算式由微机软件来完成， 在满度调整时， 量程修正后的读数为24 000 d，化为3000个外部显示分度数， 其表达式为,（7-5）,式中，加4为考虑零位的四舍五入, 4d=0.5e。 当显示15 kg，分度值为5 g时，其表达式为,微机的数学运算软件还设置有零点自动跟踪功能，可以很好地消除零漂。,（5） 零点跟踪功能： 在空秤时， 通过零位跟踪软件对传感器及运算放大器的缓慢漂移进行多次（N次）采样和判别， 以分清经过零点的读数是否为真实的空秤读数。 零位读数相等后， 再进行零位跟踪， 进一步提高了零位附近的抗干扰能力。 零位跟踪程序流程框图如图7-15所示。,图7-15 零位跟踪程序流程框图,（6） 金额计算功能： 该功能由单片机来完成。 当重量显示为零或负值时，金额显示为零。当重量显示为正值时， 金额=重量单价。 先将单价加上进位数， 转化为十六进制数， 因为计算机进行乘法时， 用十六进制比较方便， 即,然后再将金额十六进制数转化为十进制显示。 式中，H表示十六进制。,3） 其他功能 （1） 音响功能：当按键时或工作异常时，单片机P16口输出为“0”， 压电晶体发出响声，用软件延迟控制音响的时间。 （2） 去皮功能：秤盘上加的皮重或某一重物称后不卸去， 在继续称其它货物前，按下“去皮”键后，皮重能自动去除， 重量显示为零。此时从称盘上卸去皮重后则显示负的重量读数。 （3） 超载显示熄灭功能：电子秤不允许超载使用，超载时重量显示窗熄灭。,（4） 零位异常指示功能： 在秤上不放秤盘或秤盘上放较重物体时， 电子秤有零位异常指示， 如蜂鸣器连叫不停， 显示读数异常等， 以提示使用者正常使用。 （5） 累加功能： 在每称一种货物及金额计算显示后， 按下“累加”键， 单价窗显示熄灭， 在金额窗口显示累计金额值， 读数保留到清除以前。 （6） 加款累计功能： 进行不需称重的有价包装物品金额累计。 当重量显示为零时， 在单价显示窗输入有价包装品的金额， 按下“累加”键， 单价窗显示熄灭， 金额显示窗显示加款后的累计金额， 此电子秤可用作计算器使用。,（7） 清除功能： 按下“消除”键， 可将金额累计存储器、 单价存储器清零， 单价和金额显示窗显示为零。 （8） 内部高分度数显示功能： 在校正电子秤时， 可通过硬件或软件开关来显示内部高分度数。 在正常使用时， 不应显示内部分度数。 （9） 找钱功能： 当放上物品时， 按单价单位即可显示此物品的价格。 如果所付款项高于物品之价值时， 则按下“找钱”键， 输入顾客所付钱数， 总价显示窗显示的将是应找给顾客的款数。,（10） 检查功能： 在初始化时， 自动进入检查笔划程序， 发音多次， 并自动消除内存。 （11） 读数稳定化处理功能： 电子秤中设有读数稳定化处理程序， 读数稳定时间短， 数字不变动。,7.1.5 数显电子秤的制作 1. 工作原理 数显电子秤电路原理如图7-16所示，其主要部分为电阻应变式传感器R1及IC2、IC3组成的测量放大电路，以及IC1和外围元件组成的数显面板表。传感器R1采用E350-2AA箔式电阻应变片， 其常态阻值为350 。测量电路将R1产生的电阻应变量转换成电压信号输出。 IC3将经转换后的弱电压信号进行放大， 作为A/D转换器的模拟电压输入。 IC4提供l.22 V基准电压， 它同时经R5、R6及RP2分压后作为A/D转换器的参考电压。 位A/D转换器ICL7126的参考电压输入正端由RP2中间触头引入， 负端则由RP3的中间触头引入。 两端参考电压可对传感器非线性误差进行适量补偿。,图7-16 数显电子秤电路原理图,2. 元件选择 （1） IC1：选用ICL7126集成块；IC2、IC3选用高精度低温漂精密运放OP07； IC4选用LM3851.2 V集成块。 （2） 传感器R1：选用E350-2AA箔式电阻应变片，其常态阻值为350 。 （3） 各电阻元件： 宜选用精密金属膜电阻。 （4） RP1：选用精密多圈电位器，RP2、RP3经调试后可分别用精密金属膜电阻代替。 （5） 电容C1： 选用云母电容或瓷介电容。,3. 制作与调试 该数显电子秤外形可参考图7-17所示的形式。 其中形变钢件可用普通钢锯条制作， 其方法是： 首先将锯齿打磨平整， 再将锯条加热至微红， 趁热加工成“U”形， 并在对应位置钻孔， 以便以后安装。 然后再将其加热至橙红色（约七八百摄氏度）， 迅速放入冷水中淬火， 以提高刚度， 最后进行表面处理工艺。 有条件时可采用如图7-18所示的准S形应变式传感器。 秤钩可用强力胶粘接于钢件底部。 用专用应变胶粘剂将应变片粘贴于钢件变形最大的部位（内侧正中）。 拎环应用活动链条与秤体连接， 以便使用时秤体能自由下垂， 同时拎环还应与秤钩在同一垂线上。,图7-17 数显电子秤外形,图7-18 准S形应变式传感器,在调试时，应准备1 kg及2 kg标准砝码各一个，其过程如下： （1） 调零：首先在秤体自然下垂已无负载时调整RP1，使显示器准确显示零。 （2） 调满度：再调整RP2，使秤体承担满量程重量（2 kg）时显示满量程值。 （3） 校准：然后在秤钩下悬挂1 kg的标准砝码，观察显示器是否显示1.000。如有偏差，可调整RP3值，使之准确显示1.000。 （4） 反复调整：重新进行（2）、（3）步骤，使之均满足要求为止。 （5） 电路定型： 最后准确测量RP2、RP3的电阻值，并用固定精密电阻予以代替。,7.2 运动学量检测技术,7.2.1 振动的概念 物体围绕平衡位置作往复运动称为振动。 1） 振动的类型 （1） 按振动对象分类： 如机械振动、 土木振动、 运输工具振动、 武器及爆炸引起的冲击振动等。 （2） 按振动频率分类： 如高频振动、 低频振动、 超低频振动。 （3） 按信号特征分类： 如周期振动、 非周期振动、 随机振动等。,2） 振动测量的内容 振动测量的内容包括振动频率、 振动振幅、 振动速度和加速度。 3） 振动传感器的类型 （1） 非接触式传感器： 如电容式、 霍尔式、 光电式等。 如图7-19所示， 将传感器置于试件的最大振幅处，可以测量振幅。 用电涡流传感器测量时， 试件材料为金属导体， 图7-19中（a）表示测量转轴的径向振幅， 若要测量轴向振幅，可将传感器安装在轴的端部；（b）表示测量弹簧片的振幅； (c)表示测量复杂形状试件， 如机床等， 用多个传感器分别测量各个部位的振动情况， 以便进行研究分析。若要测量非金属材料的振动， 可用光电式传感器等。,图7-19 用电涡流传感器测量振幅原理图 （a） 转轴的径向振幅； （b） 测量弹簧片的振幅； （c） 测量复杂形状试件,（2） 接触式传感器： 如磁电式、 电感式、 压电式等。 接触式振动传感器必须由质量块、 弹簧和阻尼元件组成机械二阶系统。 其固有振动频率为,（7-7）,式中，f0为传感器的固有振动频率；K为弹簧的刚度；m为质量块的质量。,在振动测量中主要考虑传感器固有振动频率f0和被测振动频率f的关系，可分别测量振幅、 速度和加速度。 (1) 当f0 5f时，质量块与振动体振幅成正比，用以测量振幅，称为振幅计。如差动变压器式测振仪。 (2) 当f0=f且阻尼很大时，质量块与振动体速度成正比，用以测量速度， 称为速度计。如电动式测振仪。 (3) 当f0 f时， 质量块与振动体加速度基本一致，用以测量加速度， 称为加速度计。 如压电式加速度传感器。,7.2.2 加速度传感器与刀具磨损监测 1. 应变式加速度传感器 如图7-20所示， 应变式加速度传感器是利用电阻应变片3作为转换元件，与质量块1和弹性梁2构成。 应变式加速度传感器具有体积小、重量轻、 输出阻抗低等特点，广泛应用于飞机、 轮船、 机车、桥梁等振动加速度的测量。 测量时，传感器外壳与被测物刚性固定在一起，当被测物体作上下加速度运动时，由于质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力F=ma，使悬臂梁发生弯曲变形， 通过应变片检测出悬臂梁的应变量。当振动频率小于传感器的固有振动频率时， 悬臂梁的应变量与加速度成正比。应变式加速度传感器不适用于频率较高的振动和冲击场合，一般适用频率为1060 Hz。,图7-20 应变式加速度传感器结构示意图,2. 电容式加速度传感器 1） 表面微加工的电容式加速度传感器 图7-21是表面微加工的电容式加速度传感器。 它由三个多晶硅层组成差动电容。 第一层和第三层固定不动。第二层是梁， 它与本身的质量构成惯性系统， 并与第一层和第三层组成差动电容C1、C2。 当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时， C1、C2作相反的变化， 通过集成在一起的检测电路输出相应的电压信号。 这种电容式加速度传感器采用空气或其它气体作阻尼物质， 其频率响应高、 量程范围大， 灵敏度可达0.35 mV/g/V。,图7-21 表面微加工的电容式加速度传感器,2） ADXL50电容式集成加速度传感器 图7-22是ADXL50电容式集成加速度传感器的电路框图。 它由加速度传感器、 振荡器、 解调器及放大器等组成。 此外， IC片内还集成有3.4 V的基准电源。,图7-22 ADXL50集成加速度传感器框图,图7-23 电容加速度传感器结构示意图 (a) 静止时； (b) 有加速度时,在传感器固定极片上加有1 MHz的振荡脉冲信号。 当传感器没有受到加速度作用时，由于C1=C2， 两固定极片上的脉冲信号因相位相反而相互抵消， 输出信号为零。 当传感器受到加速度作用时， 由于梁发生弯曲， 带动动极片位移， C1和C2均发生变化， 加在两个固定极片上的两个脉冲信号的相位差将随C1和C2的容量差而变化。 两个脉冲信号在动极片上相加后输出。,解调器使用1 MHz脉冲宽度为同步时钟， 对动极片输出的信号解调， 就能够将加速度的变化转换为直流电压输出。 当加速度为正方向时， 解调器输出为正电压； 当加速度为反方向时， 解调器输出为负电压。 输出电压的幅值， 将正比于加速度的大小。 解调后的直流电压， 经放大器放大， 输出电压的灵敏度为19 mV/g。 加速度的最大测量范围为-5050 g， 相应的电压输出量为-0.950.95 V。,3. 电感式加速度传感器 图7-24为差动变压器式加速度传感器的原理结构及电路示意图。 它由悬臂梁和差动变压器构成。 测量时， 将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定， 而将衔铁的A端与被测振动体相连， 此时传感器作为加速度测量中的惯性元件， 它的位移与被测加速度成正比， 使加速度测量转变为位移的测量。 当被测体带动衔铁以x振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同的规律变化。,图7-24 差动变压器式加速度传感器原理结构及电路示意图,4. 磁电式加速度传感器 由磁电式速度传感器配用微分电路， 可获取加速度信号。 图7-25为动圈式振动加速度传感器的结构示意图。 其结构的主要特点是， 钢制圆形外壳， 里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外壳固定成一体， 永久磁铁中间有一小孔， 穿过小孔的芯轴两端架起绕组线圈和阻尼环， 芯轴两端通过圆形膜片支撑架空且与外壳相连。 工作时， 传感器与被测物体刚性连接， 当物体振动时， 传感器外壳和永久磁铁随之振动， 而架空的芯轴、 绕组线圈和阻尼环因惯性而不随之振动。 因此， 磁路空气隙中的绕组线圈切割磁力线而产生正比于振动速度的感应电动势， 绕组线圈的输出通过引线输出到测量电路。 该传感器测量的是振动速度参数， 在测量电路中接入微分电路， 则其输出电路与加速度成正比。,图7-25 动圈式振动加速度传感器的结构示意图,5. 压电式加速度传感器 压电式加速度传感器是利用晶体的压电效应工作的。它主要由压电元件、质量块、弹性元件以及外壳等组成。 图7-26（a）是一种压缩式压电加速计的结构原理图。压电元件常用两片压电陶瓷组成, 两压电片间的金属片为一电极， 基座为另一电极。在压电片上放一个质量块，用一弹簧压紧施加预应力。通过基座底部的螺孔将传感器紧固在被测物体上， 传感器的输出电荷（或电压）即与被测物体的加速度成正比。 其优点是固有频率高， 频率响应好， 灵敏度高，且结构中的敏感元件（弹簧、质量块和压电元件）不与外壳直接接触， 受环境影响小，目前应用较多。,图7-26 压电式加速度计 （a） 压缩式； （b） 剪切式,6. 刀具磨损振动监测法 1） 系统选择 由于振动信号是一种信息载体， 其突出优点是频响范围宽， 对切削过程中的异常现象反映敏感， 受环境条件限制较少， 因此用加速度传感器拾取刀杆垂直方向振动加速度作为原始特征信号， 经过预处理， 提取特征参数(如信号的均值、 方差、 一阶自相关函数， 一阶自回归模型的残差方差、 功率谱、 功率谱值之和、 功率谱频率重心等)， 然后分别在时域、 时延域、 幅值域、 频域或倒频域等进行信号分析， 将分析结果的待检模式与标准模式(正常或异常模式)比较， 作出诊断结论。 其检测装置比较简单， 安装灵活， 调整方便，在生产条件下容易实现。 检测和分析系统如图7-27所示。切削条件是刀具角度为0=12，0=7，s=0；工件材料为45钢；切削用量是p=2 mm，f=0.301 mm/r，v=125 m/min。,图7-27 刀具磨损测试示意图,2） 刀具磨损过程的频谱特性 利用切削过程中的刀具磨损使刀杆系统振动频率的变化， 可以鉴别刀具的磨损情况。 刀具实际磨损规律的特点是： 当机床空转时， 机床系统的振动频率为417.9 Hz， 当刀具一接触工件， 由于刀具与工件之间的摩擦， 并且因为刀具与工件连成一体， 主峰频率位置开始向低频移动； 随着刀具磨损量的增加， 主峰幅值开始增加较快，然后趋向平缓， 而主峰频率位置仍然是由高频向低频方向移动。,可以认为高频段频谱特性的变化是刀具磨损通过切削力激发刀杆振动模态参数变化所造成的， 且同前刀面与切屑的接触长度和后刀面与工件表面的摩擦面长度的变化有关。 而低频段是由于刀具磨损通过工件激发加工系统振动模态参数变化所造成的， 机械系统的强迫振动一般都在1000 Hz以内。 因此， 高频谱可以有效地隔离或削弱加工系统的频率成分， 而这主要与刀具磨损的变化有关。 实验也说明， 从监测诊断的目的出发对工况状态最敏感的是在高频段， 而不是在低频段。,图7-28为高频段(f1000 Hz)特征频率随时间的变化规律。 可以证明： 刀杆的振动固有频率是在高频段(本例试验条件下约为30004000 Hz)。 图中所示频率变化的趋势与刀具磨损过程的规律性是一致的， 尤其是从正常磨损阶段向急剧磨损阶段过渡或是刀具即将发生破损时， 频谱特性的变化相当显著。,图7-28 特征频率随时间的变化规律,7.2.3 线速度测量 1. 空间滤波器测速 空间滤波器是能够选择一定空间频率段的器件。空间频率是指单位空间线度内物理量周期性变化的次数。空间滤波器的工作原理如图7-29所示，在栅格板上刻有透明与不透明的相间狭缝，设在空间长度l内有N个等距狭缝，当栅格板移动时， 光检测器件便可感受到光源的明暗变化。明暗变化的空间频率N/l。如果栅格板的移动速度为v，移动l所需的时间为t， 则光检测器检测到的时间频率为fN/t。 由于Nl，时间频率和空间频率的关系为,（7-8）,由上式可知，速度v可用空间频率来描述。,图7-29 空间滤波器工作原理图,图7-30为空间滤波器的测速原理图。当点光源沿着图中y的方向以一定速度运动时，点光源的光通过光学透镜成像在叉指式光电池栅格上，光电池便会输出频率为f的脉冲串。选择光电池栅格尺寸和形状能使栅格对一定空间频率有选择性，那么物体运动的速度就可以变换为时间频率信号。空间滤波器输出信号的中心频率跟速度成正比，因此，通过测频便可达到测速的目的。 在实际的测量中所使用的不是点光源，具有任意辉度分布的光源都可以利用。这种传感器可以用来检测传送带、 钢板、 车辆等的运动速度，也可用于转动物体为背景的角速度测量。 它的检测范围为1.5250 km/h， 测量精度可达0.5%。,图7-30 空间滤波器测速原理图,2. 多普勒效应测速 当发射机和接收机在同一地点，两者无相对运动，而被测物体以速度v向发射机和接收机运动时，被测物体的运动速度v可以用式（1-1）所示的多普勒频率来描述。 1） 多普勒雷达测速 多普勒雷达的电路原理框图，如图7-31所示。 它由发射机、 接收机、 混频器、 检波器、 放大器及处理电路等组成。 当发射信号和接收到的回波信号经混频器混频后， 两者产生差频现象， 差频的频率正好为多普勒频率。,图7-31 多普勒雷达电原理框图,利用多普勒雷达可以对物体的线速度和转速进行测量。 图7-32是检测线速度的工作原理图。多普勒雷达产生的多普勒频率为,（7-9）,式中，v为被测物体的线速度；为电磁波方向与速度方向的夹角；0为电磁波的波长；vcos为电磁波方向上被测物体的速度分量。,图7-32 多普勒雷达检测线速度工作原理图,2） 激光多普勒测速原理 根据多普勒效应，当激光作为光源照射运动物体或流体时， 其反射或散射光的频率将随物体或流体的速度变化。 图7-33所示为激光多普勒测速示意图。 将激光器发出的光作为参考光束， 与散射光束在分光镜上产生差频， 经光电器件将频率差转换为电信号。 该电信号与物体或流体运动速度成比例。 由于激光频率高， 而频率的测量又可达到极高的精度， 因此激光多普勒测速可用于高精度、 宽范围（1 cm/h的超低速超音速的高速）非接触性的测量中。,图7-33 激光多普勒测速示意图,7.3 接近传感器与转速测量,7.3.1 接近传感器的类型与选择,1. 接近传感器的特点 与机械开关相比，接近传感器具有以下特点： （1） 非接触测量，无机械力影响，测量精度高。 （2） 无机械磨损和疲劳破坏，使用寿命长。 （3） 反应快，转换频率可达100次/s。 （4） 可采用封闭式结构，有防尘、 防湿的功能。 （5） 无触点、无火花、无噪音， 输出信号灵活， 能适应各种后置处理的需要。 （6） 体积小， 能适应各种使用场合， 也便于设计造型。,2. 接近传感器的分类 1） 按原理分类 因为位移传感器可以根据不同的工作原理制作， 而不同的位移传感器对物体接近的感知方法也不同， 所以常见的接近传感器的形式有电感式、 电涡流式、 电容式、 霍尔式、 干簧式、 光电式、 热释电式、 多普勒式、 电磁感应式、 微波式、 超声波式等。 电感式和电涡流式只能感应金属体； 电容式可感应非金属体； 光电式对金属体和非金属体都能感应； 霍尔式和干簧式可感应磁性体。,2） 按结构分类 （1） 一体式： 感应头和信号处理电路置于一体中， 又分螺纹式和基地式两种。 （2） 分离式： 感应头和信号处理电路分开安装。 （3） 组合式： 有多个感应头组合在一体中。,3） 按工作电压分类 （1） 直流型： 工作电压为530 V。 （2） 交流型： 工作电压为AC 220 V或AC 110 V。 4） 按输出信号分类 （1） 正逻辑输出： 当传感器感应到信号时， 输出从0跳变成1。 （2） 负逻辑输出： 当传感器感应到信号时， 输出从1跳变成0。,5） 按输出引线分类 （1） 四线制：两根电源线，两根正、负逻辑输出的信号线。 （2） 三线制：两根电源线，一根正或负逻辑输出的信号线。 （3） 二线制：两根电源线与信号线合二为一。,6） 按输出电信号性质分类 （1） 电流输出：能输出50500 mA的电流，能直接驱动执行器。 （2） 电压输出：用以和各种数字电路相配合。 （3） 触点输出：用微型继电器的触点输出。 （4） 光耦输出：感应信号与输出信号隔离，用于计算机控制。 ,7） 按信号传送方式分类 （1） 有线传送：感应头信号与后置处理电子线路直接相连。 （2） 无线传送： 用于运动中的物体测试， 或不能靠近、 不能连线的场合。,3. 接近传感器的应用 （1） 定位控制：在定位控制中应用最广的是电感式接近开关。距离5 mm可输出信号，精度可达2 mm。 （2） 限位控制：它是指对机床或自动生产线设备中运动件的控制，如龙门刨的工作行程，冲床、摩擦压力机的冲程， 摇臂摆动角度的行程等。 （3） 计数及计数控制： 它是工业自动化中的重要内容之一， 如冲床的冲件计数， 饮料生产线的瓶罐计数， 彩电、 冰箱生产线的产品计数， 电线、 塑料、 纸张的长度计数以及转速测量等等。,（4） 物位控制：在各种生产线中经常需要自动加料， 如在面粉、塑料、水泥、饮料、药品等生产过程中，对这些非金属材料料位的检测和控制，一般都采用电容式接近开关，对液位的控制常采用光电开关。其它超声波、 微波、激光等传感器也可以用来检测料位。 （5） 逻辑控制： 在机械设备的启动或运动中， 需要若干个动作按一定的时序进行， 利用接近传感器和相应的电路即可实现。 （6） 安全保护控制： 在工业生产中，高温、高压、有毒等场所，人不易靠近， 可用光电开关报警； 储存贵重材料或成品， 需要大面积的保护区，可用光电开关防盗报警； 对于冲床及压力机等设备，用组合式光电感应头形成光帘， 在人手伸进时进行保护。,4. 接近传感器的选用原则 1） 按使用要求选择 （1） 定位限位计数及逻辑控制：可选用JCK系列电感式接近开关，JCL系列霍尔式接近开关，JCH系列干簧式接近开关。 （2） 粉料、 粒料及液位控制、塑料定位及计数：可选用JCE系列电容式接近开关、JCG系列光电开关。 （3） 判光标、 判颜色运动边线定位及计数控制、 定长控制： 选用JCG系列光电开关。,2） 按动作距离选择 动作距离是接近传感器的首选参数。 选用动作距离小， 调试困难； 选用动作距离偏大， 动作距离内的其它物体也会起作用， 因此抗干扰能力差。 对于机床等以导轨形式运动的部件， 其平直度好， 可选用动作距离小的电感式接近开关。 对于传送带、 送料车等， 应选用动作距离较大的接近开关， 同时应使动作距离大于最大晃动差的2倍。 一般情况下， 应选用动作距离512 mm为好。,3） 按输出信号要求选择 考虑到电源和不同输出信号的要求， 接近开关形成了不同的引线制。 交流型接近开关一般均为二线制， 使用较为方便。 大部分直流接近开关均用三线制， 即两根电源线， 一根信号线， 输出正逻辑或负逻辑， 因此一定要判明是正逻辑还是负逻辑。 四线制增加了一根信号线， 一根输出正逻辑， 另一根输出负逻辑， 相当于继电器的动合触点和动断触点。 如果系统对接近开关状态不确定的情况下， 应选用四线制接近开关。 在输出功能已确定为正输出或负输出的情况下， 可选用三线制接近开关。 如果还需要简化， 则选用二线制接近开关。 如果需要现场与计算机或PC机控制系统隔离， 则应用带光耦器件或继电器的接近开关。,4） 按工作电源选择 为了满足不同的工作需要， 接近开关采用多种电源， 如工作电压为直流5 V、12 V、24 V等。JCK系列电感式接近开关工作电压在直流530 V范围内均可正常工作， 用户可根据具体需要来选用。 如作为计算机开关量信号输入， 可采用直流5 V。 如与继电器相连， 则可根据继电器所需工作电压来选用直流12 V、 24 V等等。 选用直流电源， 使用安全， 传感器寿命长。 若需要与强电直接相连， 则选用交流220 V的电源， 可减少信号转换环节。 若选用了直流型接近开关， 又想使用交流电源， 可选用JCM型电源功能模块来实现。 在防爆场合， 可选用无源接近开关。,5） 按信号感应面的位置选择 接近开关的信号感应面都在一定的位置上。 对螺纹式接近开关来说， 其信号感应面均在前端面， 而对于基座式电子开关来说， 其信号感应面可在前端面、 上侧面、 左侧面、 右侧面等四个位置， 用户可根据使用中的安装方式来选择感应面的合适位置。,6） 按工作环境选择 工作环境也是选择的依据。 对机床、 自动生产线、 有油污或近高温的场合不宜采用塑料外壳的接近开关， 因油污会加速塑料外壳的老化或过热引起塑壳的变形， 应采用金属外壳为好。 对于现场有灰尘、 有毒、 有干扰的环境， 应采用分离式接近开关， 而光电开关尽量避免在有灰尘的场合使用。,7） 按价格选择 对接近开关来说，如果体积愈小，则工艺要求愈高价格也愈贵。所以在实际情况许可的条件下，应尽量选用体积较大的电子开关为好。 为了适应不同场合的需要，往往一个接近开关有多种功能，所以对批量较大的产品，应选用功能够用、价格便宜的接近开关。多余的功能不但与价格有关，而且也增加了不可靠环节。 总之， 对于接近开关的选用，必须综合权衡利弊得失， 选择一个最佳的组合， 得到最好的效果。,7.3.2 接近传感器 1. 电容式接近传感器 1） 电容式接近传感器的工作原理及结构 电容式接近传感器是一个以电极为检测端的静电电容式接近开关。 它由高频振荡电路、 检波电路、 放大电路、 整形电路及输出电路组成，如图7-34所示。 平时检测电极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电路的一个组成部分。当被检测物体接近检测电极时，由于检测电极加有电压，检测物体就会受到静电感应而产生极化现象。被测物体越靠近检测电极， 检测电极上的电荷就越多。 由于检测电极的静电电容CQ/U， 所以电荷的增多使电容C随之增大， 从而又使振荡电路的振荡减弱，甚至停止振荡。 振荡电路的振荡与停振这两种状态被检测电路转换为开关信号后向外输出。,图7-34 电容式接近传感器电路框图,电容式接近传感器的形状及结构随用途的不同而各异。 应用最多的是如图7-35所示的圆柱型接近传感器， 它主要由检测电极、检测电路、 引线及外壳等组成。 检测电极设置在传感器的最前端， 检测电路装在外壳内并由树脂灌封。 在传感器的内部还装有灵敏度调节电位器。 当检测物体和检测电极之间隔有不灵敏的物体如纸带、 玻璃时， 调节该电位器可使传感器不检测夹在中间的物体， 此外， 还可用此电位器调节工作距离。 电路中还装有指示传感器工作状态的工作指示灯， 当传感器动作时， 该指示灯点亮。,图7-35 圆柱型电容式接近传感器的结构示意图,2） 电容式接近传感器的特性 （1） 电容变化与响应距离的关系：当传感器与被测物体距离超过数毫米时，灵敏度急剧下降，且响应曲线的形状与被测物体的材料有关。 （2） 检测距离与被测物体的关系： 电容式接近传感器的检测距离与被测物体的大小和材料有关。 接地金属和非接地金属的检测距离有较大的差别， 对非接地金属的检测距离要比接地金属的距离小许多。,（3） 动作频率：电容式接近传感器有直流型和交流型两种。直流型电容式接近开关的动作频率为70200 Hz，而交流型电容式接近传感器的动作频率为10 Hz。 （4） 动作距离偏差：在-2570范围内，电容式接近传感器检测距离的偏差为15%。 （5） 动作滞差：电容式接近传感器的动作滞差与检测距离有关，检测距离越大， 动作滞差也越大， 在通常情况下为3%15%。,3） 使用电容式接近传感器时应注意的问题 （1） 检测区不应有金属物体，传感器与周围金属物体的距离应大于80 mm。同时，检测区不应安装另外的接近传感器。 （2） 在安装使用时应远离高频电场。,2. 电感式接近传感器 1） 电感式接近传感器的工作原理 电感式接近传感器由高频振荡电路、 检波电路、 放大电路、 整形电路及输出电路组成， 如图7-36所示。 检测用敏感元件为检测线圈， 它是振荡电路的一个组成部分。 在检测线圈的工作面上存在一个交变磁场， 当金属物体接近检测线圈时， 金属物体就会产生涡流而吸收振荡能量， 使振荡减弱以至停振。 振荡与停振这两种状态经检测电路转换成开关信号输出。,图7-36 电感式接近传感器的工作原理框图,图7-37 电感式接近传感器的几种结构形式 （a） 圆柱型； （b） 基座型； （c） 槽型；（d） 贯穿型,2） 电感式接近传感器的主要特性 （1） 被测体尺寸与检测距离的关系：当被测体的厚度一定，被测体的边长大于30 mm时，检测距离不再受被测体边长的影响，仅随被测金属材料的不同而不同。 （2） 被测体厚度与检测距离的关系：检测物体的厚度对检测距离有着较大的影响。实验证明，不同的检测体材料对检测距离的影响也不一样，铜、铝等非磁性金属材料的厚度在0.01 mm左右时， 检测距离与磁性材料相同， 但随着材料厚度的增加，检测距离急剧减小。对于磁性材料来说， 当其厚度超过1 mm时， 检测距离是稳定的。 （3） 金属材料表面镀层对检测距离的影响： 不同材料的镀层和不同厚度的镀层对检测距离都有影响。,3. SC205接近开关专用集成电路 图7-38为SC205接近开关专用集成电路的应用电路。 SC205由振荡器配上外接的L、C元件产生振荡信号， 经整流器整流后送入门限比较器作电压比较， 再送入分相功率放大器形成正反相双路输出。 当金属检测体接近由L、C组成的检测敏感元件时， 振荡能量将被金属检测体吸收形成涡流损耗，迫使振荡器停振， 使输出状态翻转， 完成开关动作。在SC205内部还设有延时电路， 它能有效地抑制集成电路在接通电源瞬间形成输出的错误动作。C2起滤波作用，其容量大小对响应频率有直接的影响。 电位器RP1、RP2起着调节振荡强弱的作用， 调节RP1可改变动作距离，调节RP2可改变滞后量。,图7-38 SC205应用电路,4. 光电开关 1） 反射分离型主动开关 图7-39为分离型光电开关的工作原理框图。 它采用主动式探测系统， 由振荡电路产生脉冲信号， 经发射电路调制二极管的发光， 光敏元件将接收的反射光信号送入接收电路， 经放大电路放大、 同步电路选通整形， 再进行检波及积分滤波， 然后延时， 直接触发驱动电路。 F系列分离型光电开关的外型尺寸、 接插方式、 接线方式均相同， 可互换通用。 它们都采用脉冲调制方式， 具有稳定可靠， 抗光干扰能力强的特点。 工作电压有AC110V、 AC220V、 DC12V三种， 交流直流电源可自动切换， 保持工作不间断。 其铭牌上设有电源指示灯和输出指示灯， 能指示电源和输出状态。 分离型光电开关可任意选配传感器， 可得到数百种不同要求的检测控制功能，使用十分方便。,图7-39 分离型光电开关的工作原理框图,2） 一体化光电开关 把传感器与控制器组合在一起称为一