8章 机械量的测量

,机械量包括尺寸（长、宽、高）、位移（直线位移、角位移）、速度（直线速度、角速度、转速）、力学量（力、力矩、加速度、振动）等参数。检测位移和力的大小是机械测量的主要任务。位移包括线位移和角位移，不仅经常要测零部件的位移或位置，而且力、压力、扭矩、速度、加速度、温度、流量、物位和尺寸等参数的许多测量方法均是以位移测量为基础的。力的测量很重要。可以研究机构或结构受力状况和工作状态，此外还有一些参数如压力、刚度、功率等在测量方法上与力的测量都密切有关。,第8章机械量的测量,8.1位移的测量,8.1.1电感式位移传感器,8.1.2霍尔式位移传感器,重点：各种位移传感器的原理、特点、使用。难点：霍尔式位移传感器。,8.1.3光纤式位移传感器,8.1.4计量光栅,8.1.1电感式位移传感器,电感式位移传感器是利用电磁感应原理，把被测的位移转换为线圈电感的变化，按照转换的方式不同，有自感式和互感式两种。1.自感传感器当一个线圈中的电流变化时，该电流所产生的磁通也随着变化，因而线圈本身产生感应电动势，这种现象称为自感，产生的感应电动势称为自感电动势。,线圈的电感值为,自感传感器一般有三种类型：改变空气隙厚度型改变空气隙截面积S型螺管式自感传感器。,（1）简单的自感传感器自感传感器组成：线圈、铁芯、衔铁。,单线圈螺管型传感器结构图,差动式自感传感器：把两个相同的简单自感传感器组合在一起而共用一个衔铁。差动自感传感器对于干扰、电磁吸力有一定的补偿作用，它的灵敏度比简单自感传感器的灵敏度大一倍，而且能改善特性曲线的非线性。,（2）差动式自感传感器,简述电感传感器测量电路的测量原理。,练习,2.差动变压器（互感传感器）差动变压器：是把被测位移转换为传感器线圈的互感的变化量，这种传感器常做成差动的。（1）工作原理差动变压器利用了电磁感应的互感原理，实质上是一个输出电压可变的变压器，当变压器一次线圈输入稳定交流电压后，二次线圈便产生感应电动势输出，该电动势随被测量的变化而变化。差动变压器大多采用螺管式结构。这种差动变压器主要是由一个线框和一个铁芯组成。在线框上绕有一组一次线圈作为输入线圈，两组二次线圈作为输出线圈，并在线框中央圆柱孔中放入铁芯。,差动变压器1一次线圈2二次线圈3铁芯4绝缘框架,差动变压器特性,因为两个二次线圈做得一样，因此铁芯在中央位置时U2=0，当铁芯移动时，U2就随铁芯位移x线性增加，形成V形特性。如果以适当方法测量U2，就可以得到与x成比例的线性读数。,（2）基本特性差动变压器的灵敏度，一般大于50V/mmV。频率特性：差动变压器的励磁频率一般50Hz10kHz为适当。频率太低，则灵敏度显著降低，温度误差和频率误差增加；频率太高，则铁损和耦合电容等的影响增加，应用时频率可在400Hz5kHz的范围内。线性范围：线性范围约为全长的1/101/4左右。采用相敏整流电路对输出电压进行处理，可以改善差动变压器的线性。差动变压器一般使用温度为80，高温型150。,（3）零点残余电压及其消除方法零点残余电压：当铁芯处在中央位置时，差动变压器的输出电压不为零。零点残余电压产生的原因有：由于两个二次侧线圈结构上的不对称。由铁芯材料B-H曲线的弯曲部分导致输出电压中含有高次谐波。励磁电压波形中含有高次谐波。消除零点残余电压最有效的方法是：采用在放大电路前加相敏整流器的方法，不仅使输出电压能反映铁芯移动的方向，而且使零点残余电压减小到可以忽略不计的程度。,1.霍尔元件及霍尔效应,8.1.2霍尔式位移传感器,霍尔效应：在霍尔片的Z轴方向施加磁感应强度为B的恒定磁场，在Y轴方向通以恒定电流，则在它的X轴方向出现了电位差。产生的电位差称为霍尔电势UH。UHRHBI,霍尔效应,霍尔元件的优点：对磁场敏感，结构简单，体积小，频率响应宽，输出电动势的变化范围大，无活动部件，使用寿命长。应用：因而在测试技术、自动化技术和信息处理等方面有着广泛的应用。,2.霍尔位移传感器组成：一部分是接受位移信号的霍尔元件，另一部分是产生非均匀磁场（线性梯度磁场）的磁极组。,利用光导纤维可以制成微小位移传感器。这是一种传光型光纤传感器，光从光源耦合到发送光纤，照射到被测物表面，再被反射回接收光纤，最后由光探测器接收。这两股光纤在接近被测物之前汇合成Y形，汇合后的光纤端面被仔细磨平抛光。,8.1.3光纤式位移传感器,光纤位移传感器特性曲线,若被测物紧贴在端面上，发射光缆中的光不能射出，则光敏元件接收的光强为零，这是d=0的状态；若被测物很远，则发射光经反射后只有少部分传到光敏元件，因此接收的光强很小。只有在某个距离上接收的光强才最大。,光栅：是一种在基体上刻制有等间距均匀分布条纹的光学元件，用于位移测量的光栅称为计量光栅。优点：具有较高的分辨率（1m），测量范围大（几乎不受限制），动态范围宽、容易实现数字化测量和自动控制，在数控机床和精密测量中有广泛的应用。缺点：对使用环境要求较高，在工业现场使用要求密封和防止油污、灰尘、铁屑等。在工业控制系统中使用的计量光栅又以透射式光栅为多。,8.1.4计量光栅,1.光栅的结构与种类光栅是光栅尺的简称。光栅尺是一块尺子，尺面上刻有排列规则和形状规则的刻线。这些刻线是透明的和不透明的，或是对光反射的和不反射的。如图是一块黑白型长光栅尺，尺上平行等距的刻线称为栅线。透光的缝宽为a，不透光的缝宽为b，一般a=b，也有a:b=1.1:0.9的。W=a+b称为光栅栅距（或光栅节距或光栅常数）。光栅栅距是光栅尺的一个重要参数。,黑白型长光栅尺,2.莫尔条纹两块具有相同栅距的长光栅叠合在一起，使它们的刻线之间交叉一个很小的角度，在与光栅刻线大致垂直的方向上，产生明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。,当两块相叠合的长光栅尺，沿垂直于栅线方向作相对运动时，莫尔条纹便沿着与栅线方向近似相同的方向相应地移动。两块光栅尺相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。,计量光栅结构：由主光栅（或称标尺光栅）、指示光栅、光源和光电元件等。上述一对光栅尺中的一块光栅尺固定不动，称为指示光栅；另一块光栅尺随测量工作台一起移动，称为主光栅。光栅测量系统的基本工作原理：当两块光栅尺相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距，光电元件便发出一个信号，计数器记取一个数。这样，根据光电元件发出的或计数器记取的信号数，便知可动光栅尺移过的栅距数，即测得了测量工作台移过的位移量。,莫尔条纹的两个重要特点：当指示光栅不动，主光栅向左右移动时，莫尔条纹将随着栅线的方向上下移动，查看莫尔条纹的移动方向，即可确定主光栅的移动方向；莫尔条纹具有位移的放大作用，当主光栅沿着与刻线垂直方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距B。当两个等距光栅的栅间夹角较小时，主光栅移动距离与莫尔条纹移动距离间关系为,随着光栅技术在测量领域中应用日益广泛，目前，最好的长光栅尺，其误差可控制在0.20.4m/m，测量装置的测量精度高达0.53m/1500mm，分辨率可达0.1m，这时电路允许的计数速度为200mm/s。,8.2转速的测量,物体转动的速度称为转速。转动角速度等于t时间内转动的角位移与转动时间t之比，即,当（或t）取得极小时，常称/t为瞬时角速度，角速度的单位为弧度/秒（rad/s）。转速通常用单位时间内的转数来表示，单位为转/分（r/min）。每秒钟的转数也称为转动频率，它是转动周期的倒数。转速的测量方法很多，按其原理可分为模拟式和计数式。,8.2.1模拟式测速法,1.测速发电机测速发电机是根据电磁感应原理做成的专门测速的微型发电机，输出电压正比于输入轴上的转速，即,测速发电机可分为直流测速发电机和交流测速发电机两类。测速发电机的优点：线性好、灵敏度高和输出信号大。,优点：结构简单、维护和使用方便等。缺点：精度不高。范围：1r/min20000r/min，精度为1.5%2.0%。,2.磁性转速表,应用：利用传感器输出力大的特点，可制成蒸气机、汽轮和水力发电机用的无辅助能源的调节器，直接推动阀门。最高转速20000r/min，精度为1%2%。,3.离心式转速表,1.测频计数式测频计数式的方法很多，其共同特点是在指定时间T内对转速传感器发出的脉冲进行计数。若每转一周传感器发出脉冲数为m，T时间内脉冲计数值为N，则传感器脉冲的频率为,8.2.2计数式测速法,每分钟转数n为,由此可见，测定T时间内传感器脉冲的次数N即可求得转速n。m的数值最好是60的整数倍。,（1）光电式光电式转速传感器通常先将转速转换为光脉冲，再利用光电变换器将光脉冲变换成电脉冲，用频率计记录脉冲数，便可求出转速。根据光线照射到光电变换器上的方法不同分为反射式和直射式两种。,反射式,直射式,（2）霍尔式利用霍尔元件也可以实现非接触转速测量。,2.测时计数式当转速较慢或需要测量瞬时转速时，通常采用测量每转过一指定的角所需时间ti的方法，计算瞬时角速度i,通常每一周均匀分为m个测点，每相邻两个测点的间距均为=2/m，只要测出转过各段所需时间ti的计时脉冲数Ni，即,半透半反射镜,采用激光测速是因为激光具有高亮度、低发散角的单色相干光源。,激光测量转速的原理,8.2.3激光式测速法,激光器,检测器,被测物体,定向反射材料,1.某位移传感器，在位移量变化1mm时，电压变化300mV，求其灵敏度。2.某检测系统由传感放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度分别为S1=0.2mV/C,S2=2.0V/mV,S3=50mm/V,求该系统的总灵敏度。3.将一只灵敏度为0.08mV/的热电偶与毫伏表相连，已知接线端温度为50，毫伏表度数是60mV，问热电偶热端温度是多少？4.如被测介质的实际温度为500，仪表的示值为495，试确定测量温度的绝对误差、相对误差和对仪表示值的修正值。,6.4力学量的测量,6.4.1荷重传感器与电子秤,重点：荷重传感器的基本概念、电子皮带秤的测量原理。难点：电子皮带秤的测量原理。,6.4.2加速度与振动的测量,重点：典型测振传感器的结构及原理。难点：典型测振传感器的结构及原理。,返本章目录,6.4.1荷重传感器与电子秤,荷重传感器：用于测量重力的力传感器，它是各类电子秤中把荷重转换为电量输出的装置，在电子秤中俗称为“压头”。电子秤主要由荷重传感器、显示仪表组成。显示仪表有模拟和数字显示两种，随着计算机技术的发展，目前已经研制出各种带微型计算机控制的电子秤。电子秤的种类很多，常见的有以下几种。1.电子吊车秤2.电子料斗秤3.电子平台秤和轨道秤4.电子皮带秤,返本章目录,返本节目录,电子皮带秤,6.4.1荷重传感器与电子秤,返本章目录,返本节目录,6.4.2加速度与振动的测量,凡是能够测量位移和速度的检测原理都可以用于加速度与振动的测量。用电测方法测量振动的装置称为振动传感器（或测振传感器）。振动测量种类较多，根据被测振动参数来分，有振动位移传感器、振动速度传感器和振动加速度传感器；根据所采用的传感器工作原理来分，有应变式、压电式、电涡流式、电容式、差动变压器式、电感式、磁电式、光电式等；根据选定的运动参照点来分，有相对振动传感器和绝对振动传感器。,返本章目录,返本节目录,6.4.2加速度与振动的测量,1.测振传感器的分类如图所示的测振系统力学模型中，有一个质量块m、弹簧k、阻尼器c（包括弹性体的内耗及弹性滞后）。这样的测振系统统称为惯性式测振系统。惯性式测振系统必须紧固在被测振动体A上。,返本章目录,返本节目录,振幅计：当测振系统自身的固有振动频率f0远小于被测体A的振动频率f，即f05f时，质量块相对于壳体的振幅z将与振动体A的振幅x成正比。如差动变压器式测振仪等。速度计：当f0f、且阻尼c很大时，质量块的振幅z将与振动体A的振动速度v成正比。如磁电式速度传感器等。加速度计：当f05f时，质量块与振动体A一起振动，质量块与振动体A所感受到的振动加速度基本一致。如压电式振动加速度传感器等。,6.4.2加速度与振动的测量,返本章目录,返本节目录,2.典型测振传感器（1）磁电式速度传感器：是利用电磁感应原理将传感器与壳体的相对速度转换成电压输出，可分为相对速度传感器和绝对速度传感器两种。,6.4.2加速度与振动的测量,在低频范围内绝对速度传感器的相频特性很差，在涉及相位测量的情况下要特别注意。,返本章目录,返本节目录,6.4.2加速度与振动的测量,（2）压电式加速度传感器压电元件接受压力和变形方式可分为厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形四种。相应的传感器也有几种，最常见的是基于厚度变形的压缩式和基于剪切变形的剪切式两种。,（3）压阻式加速度传感器工作原理：基于半导体材料的压阻效应。压阻式加速度传感器有两种形式：将半导体应变片成对地安装在悬臂梁上组成；用扩散原理对硅片进行化学腐蚀，使其成为一个具有质量、弹簧和电桥四臂的整体。,返本章目录,返本节目录,优点：精度较高、频率响应范围宽、量程大、可用于较高加速度值的测量。,6.4.2加速度与振动的测量,（4）电容式加速度传感器,返本章目录,返本节目录,6.5厚度、直径的测量,6.5.1厚度的测量,重点：几种厚度的测量方法的原理及其特点。难点：几种厚度的测量方法的原理及其特点。,6.5.2直径的测量,重点：激光测量直径的原理。难点：激光测量直径的误差分析。,返本章目录,6.5.1厚度的测量,厚度：两平面间垂直距离的大小。厚度测量和位移测量一样也属于长度测量范畴，在很多情况下，可以用测长、测位移的传感器及技术来测厚度。,核辐射厚度计,I=I0ex,返本章目录,返本节目录,6.5.1厚度的测量,核辐射厚度计优点：由于是非接触测量，因而适用于高温、强腐蚀、剧毒、易燃易爆等介质的厚度测量。放射线不受温度、压力、湿度以及电磁场等的影响，故这种厚度计可用于恶劣环境下，并且不常有人到的地方。缺点：放射线对人体有害，所以对它的剂量和使用范围要加以控制和限制。,返本章目录,返本节目录,2.超声波传感器测厚度超声波传感器的应用：测量金属零件、钢管等的厚度。优点：具有测量精度高、测试仪器轻便、操作安全简单、易于读数和实现连续自动检测等。缺点：但是对于声衰减很大的材料，以及表面凹凸不平或形状很不规则的零件，超声波传感器测厚较难实现。超声波传感器测厚原理主要有脉冲回波法、共振法、干涉法等几种。应用较为广泛的是脉冲回波法。,6.5.1厚度的测量,返本章目录,返本节目录,脉冲回波法测量试件厚度主要是测量超声波脉冲通过试件所需的时间间隔t，然后根据超声波脉冲在试件中的传播速度v求出试件的厚度。,6.5.1厚度的测量,dvt/2,返本章目录,返本节目录,3.微波传感器测厚度微波是波长为1mm1m的电磁波。,6.5.1厚度的测量,（1）微波传感器的组成及原理微波传感器的组成：主要有微波振荡器和微波天线。工作原理：由发射天线发出的微波，遇到被测物时将被吸收或反射，使功率发生变化。若利用接