现代检测技术 5运动量检测技术.ppt

,下一页,返回,第5章运动量检测技术,5.1位移检测,5.2速度检测,5.3加速度检测,运动量是描述物体运动的量，包括位移、速度和加速度。运动量是最基本的量，运动量检测是最基本、最常见的检测，它是许多物理量，如力、压力、温度、振动等测量的前提，也是惯性导航、制导技术的基础。,上一页,下一页,返回,5.1位移检测,位移检测方法,（1）积分法,测量运动体的速度或加速度，经过积分或二次积分求得运动体的位移。,（2）相关测距法,向某被测物发射信号，将发射信号与经被测物反射的返回信号作相关处理，求得时延，若发射信号的速度已知，则可求得发射点与被测物间的距离。,（3）回波法,利用介质分界面对波的反射原理测位移。,上一页,下一页,返回,（4）线位移和角位移相互转换,若测角位移方便，则通过测角位移再换算成线位移；,若被测是角位移，也可先测线位移再进行转换。,（5）位移传感器法,通过位移传感器将被测位移的变化转换成电量、流量、光通量、磁通量等的变化，间接测位移。,上一页,下一页,返回,电位器式位移传感器电感式位移传感器光栅位移传感器感应同步器激光距离检测,常用的位移传感器,常用线位移传感器有：变阻式、电阻应变式、电感式、电容式、霍尔式等。,常用角位移传感器有：电位变阻式、电感式等。,1.电位器式位移传感器,电位器通常由骨架，电阻元件及电刷组成。其形式有直线式和旋转式两种。它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移。但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。通常在电位器上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。,电位器式位移传感器,2.电感式位移传感器,（1）自感式（2）差动变压器（3）电涡流式,特点：（1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。（2）灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。（3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.05%0.1%。同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。,（1）自感式传感器图5-3中介绍的是自感式传感器。由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。电感式传感器的特点是：无活动触点、可靠度高、寿命长；分辨率高；灵敏度高；线性度高、重复性好；测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；无输入时有零位输出电压，引起测量误差；对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；不适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。,（2）差动变压器,（3）电涡流式位移传感器,电涡流传感器的变换原理利用的是金属导体在交流磁场中的涡电流效应，下图为电涡流传感器原理图。,光栅尺位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。,3.光栅尺位移传感器,测量原理:常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带,当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗相间的条纹。这种条纹称为“莫尔条纹”。严格地说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以W表示。莫尔条纹:W=/2*sin（/2）=/,莫尔条纹,(1)莫尔条纹的变化规律两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹距离。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正(余)弦函数，变化周期数与光栅相对位移的栅距数同步。,(2)放大作用,在两光栅栅线夹角较小的情况下，莫尔条纹宽度W和光栅栅距、栅线角之间有下列关系。式中，的单位为rad，W的单位为mm。由于倾角很小，sin很小，则,W=/,莫尔条纹是由若干光栅条纹共用形成，例如每毫米100线的光栅，10mm宽度的莫尔条纹就有1000条线纹，这样栅距之间的相邻误差就被平均化了，消除了由于栅距不均匀、断裂等造成的误差。,(3)误差平均作用,激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离以达到一定程度的精度。传感器内部是由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接收器等部分组成。激光位移传感器通过激光发射器每秒发射一百万个激光脉冲到检测物并返回至接收器，处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回至接收器所需的时间，以此计算出距离值，该输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出。即所谓的脉冲时间法测量的。激光回波分析法适合于长距离检测，但测量精度相对于激光三角测量法要低，与真尚有拥有全系列的远距离激光测距传感器，贝特威产品最远检测距离可达250m，真尚有可达3000m。,5.激光距离检测,上一页,下一页,返回,相位差法检测,相位式激光测距仪是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间，。,上一页,下一页,返回,设测距仪从A点发射调制光波，到达B点反射器又反射回测距仪，经历了2D的路程，所需时间为t，则,调制光波经2D有N个整周期的波和不足一个周期的波N，所以相位移可表示为,上一页,下一页,返回,令u=c/2f=/2，称为测尺长，简称测尺，也称为测尺频率。,相位法测距就象我们拿着一把一定长度的测尺，一尺一尺地丈量距离一样，只要测得整尺数N和尾尺数N，便可由上式计算出所测的距离D。,上一页,下一页,返回,5.2速度检测,速度检测方法,（1）微积分法,对运动体的加速度进行积分运算或将运动体的位移进行微分运算便可得到运动体的速度。,（2）线速度和角速度相互转换测速法,线速度和角速度在同一个运动体上是有固定关系的，测量时可采取互换的方法测量。,（3）速度传感器,利用各种速度传感器，将速度信号变换为容易测量的电信号、光信号等。,（4）时间、位移计算测速法,通过测量距离L和走过该距离的时间t，然后求得平均速度v。,L越小，求得的速度越接近运动体的瞬时速度。,上一页,下一页,返回,常用的速度测量传感器,测量线速度的有：磁电式，空间滤波器等。,测量转速的有：交流测速发电机，直流测速发电机，离心式转速表，频闪式转速表，光电式，激光式，汽车发动机转速表等。,测量角速度的有：转子陀螺，光纤陀螺，激光陀螺，静电陀螺，半球谐振陀螺，压电陀螺等。,1.电磁感应式测速,所谓空间滤波器测速法是利用可选择一定空间频率段的过滤器件与被测物体同步运动，然后在单位空间内测得相应的时间频率，求得运动体的运动速度。V=f/m,2.空间滤波器测速,1.测速发电机,直流发电机(使用永久磁铁或他激磁场)能产生大体上与转速成比例的输出电压。,转速的测量,测速发电机实物,2.离心式转速表,离心式转速表主要由机心、变速器和指示器三部分组成。重锤利用连杆与活动套环及固定套环连接，固定套环装在离心器轴上，离心器通过变速器从输入轴获得转速。另外还有传动扇形齿轮、游丝、指针等装置。为使转速表与被测轴能够可靠接触，转速表都配有不同的接触头。使用时可根据被测对象选择合适的接触头安装在转速表输入轴上。,离心式转速表的工作原理,当离心器旋转时，重锤随着旋转所产生的离心力通过连杆使活动套环向上移动并压缩弹簧。当转速一定时，活动套环向上的作用力与弹簧的反作用力相平衡，套环将停在相应位置。同时，活动套环的移动通过传动机构的扇形齿轮传递给指针，在表盘上指示出被测转速的大小。显然，转速表指针的偏转与被测轴旋转方向无关。,频闪式转速表,数字式转速表,（1）磁电感应式（2）电容式（3）霍尔式（4）光电式（5）计数方法,加速度测量,加速度检测是基于测试仪器检测质量敏感加速度产生惯性力的测量，是一种全自主的惯性测量。加速度检测广泛应用于航天、航空和航海的惯性导航系统及运载武器的制导系统中，在振动试验、地震监测、爆破工程、地基测量、地矿勘测等领域也有广泛的应用。测量加速度，目前主要是通过加速度传感器（俗称加速度计），并配以适当的检测电路进行的。依据对加速度计内检测质量所产生的惯性力的检测方式来分，加速度计可分为压电式、压阻式、应变式、电容式、振梁式、磁电感应式、隧道电流式、热电式等；按检测质量的支承方式来分，则可分为悬臂梁式、摆式、折叠梁式、简支承梁式等。,加速度测量装置模型,加速度传感器分类,1.霍尔加速度传感器2.电位器式加速度传感器,3.应变式加速度传感器,4.微机电系统加速度计,微机电系统加速度计,加速度计由中央叉指状活动极板与若干对固定极板组成。硅制活动极板通过一对支承梁弹簧与基座相连