自动检测技术与仪表控制系统-机械量测量

1、,8.机械量测量,机械量包括长度、位移、速度、转角、力、力矩、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。（速度是位移的微分，力或力矩使弹性体变形产生位移，加速度与力有关）位移测量时不仅要测大小还要测方向，应使测量方向与位移方向一致。根据不同测量对象，选择合适的测量点、测量方向和测量系统，其中位移传感器的选择是否恰当，对测量精度影响很大。 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

2、在测量方法上与力的测量都密切有关。,主要内容,模拟式位移检测-电容式位移检测方法、电感式位移检测方法、差动变压器式位移检测方法、光纤位移检测方法 光学数字式位移检测-光栅标尺、莫尔条纹标尺 转速检测-离心力检测法、光电码盘转速检测法 力的检测方法金属应变元件、半导体应变元件、压电效应、压敏导电橡胶 加速度与振动检测加速度检测原理、动电型振动检测方法、微机械加速度传感元件,一、电容式位移检测方法,8.1.模拟式位移检测,原理：平行板电容器的电容值为,其中S() (=ab)为平行板电极面积， d(m)为电极间的距离，为介电常数， C为电容量。 当d,S和中的某一项或几项有变化时，C变化，从而使输出

3、电压或电流变化。d和S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可间接反映弹力、压力等的变化， 的变化可以反映液位的高度、材料的湿度变化。,分类：实用时保持三个参数中的两个不变而改变另一个参数使电容量发生变化，故其可分成三类：变极距式、变面积式和变介电常数式,变极距式,灵敏度：单位输入位移能引起输出电容相对变化的大小。记为：,d0（起始间隙）越小，k越大，但受击穿电压限制不能太小，同时非线性增大,为了提高敏度，减小非线性，常采用差动结构检测位移,差动容量接入变压器电桥电路进行测量当负载为无穷大时，输出电压与位移成比例。,这种结构可以减少因极板间的静电引力、环境温度变化和电源变化所引起的误差,变面积

4、式,灵敏度：,增大极板边长b，减小间隙d都可以提高敏度,电容耦合型位移传感器,利用IC制造技术可以制作超小型电容式位移传感器。图8-2为电容耦合型位移传感器结构图。,二、电感式位移检测方法,分类 根据转换原理分为自感式和互感式 按结构形式分为变间隙式、变面积式和螺管式,自感式 组成：线圈、铁芯和衔铁 原理：如图,虚线表示磁路，其中空气隙长度为2d，工作时衔铁与被测物相连，被测物的位移引起气隙的磁阻变化，从而使线圈的电感值发生变化，将线圈接入测量电路后，就可以将电感的变化转为电压、电流或频率的变化,磁路总磁阻：,电感L与线圈匝数N及磁阻有下列关系：,由于,近似得：,即电感L与空气缝隙d成反比，与

5、截面积S成正比。图8-3(b)是L与d或S的关系曲线。可见，线性范围非常有限，只能测微小位移。,为了提高灵敏度，减小非线性，采用差动接法，如图。,L1、L2反对称变化，接入交流电桥电路，输出的交流信号与直线位移或旋转位移成线性关系。,互感式差动变压器式,灵敏度 随二次线圈的匝数增加和激振频率的增大而增大，当频率大到一定值时与频率无关而成为一个常数。,误差来源激励电源幅值或频率的波动；环境温度变化而导致的线圈的参数、导磁体特性及激励的变化；零点残余电压,原理：如图.一次线圈和二级线圈的互感随铁芯的位置的变化而变化，输出电压相应的变化。,组成：一次线圈、上下对称的两个二级线圈、和铁芯组成,光纤是用

6、来传送光信号的,三、 光纤位移检测方法,组成：光纤、光源和光敏元件 优点：可在高温、易燃、易爆环境中使用；与被测对象不接触，有利于提高测量精度；可远距离测量等,简单光纤位移传感器,发送光纤和接受光纤的端面相对，间隔为12m。接受光纤接收到的光强随两光纤径向相对位置的不同而不同,反射式光纤位移传感器,光线照射到被测物体，经其反射后导入光敏元件。光强度随物体的位移变化而变化,光源的光经发送光缆的端面处呈圆锥状扩散，照射到物体表面；被测物体反射光的一部分经接受光缆传到光敏元件，照射光圆锥和发射光圆锥相重叠部分的光强将被检测出。光强随物体的位移的变化而变化,为了增加反射强度，并增加反射和接收光纤数量，

7、后来对反射和接收光纤采取了如图8-6(b)所示的各种模式组合方式。 改变组合模式，可以调整检测范围和灵敏度，如图8-6(c)所示。 可以近距离检测（几百微米，线性较好），可以远距离检测,数字式位移检测是利用栅格编码器长度或角度的变化直接转换成脉冲个数或二进制符号的方法。包括光栅标尺和磁栅标尺等多种方式。,8.2.光学数字式位移检测,一、光栅标尺 是一种在基体上刻制有等间距均匀分布黑白条纹的光学元件，指示光栅短于主光栅。光源发出的光经光栅缝隙透过，由光电元件（光电池、光敏三极管）检测透射光强，可通过计数测位移，可由相位判断移动方向。P132-图8-7,二、莫尔条纹标尺,如图所示，当两光栅栅线不平

8、行，相差微小角度时，在与栅线近似成直角的方向上有粗条纹产生，称为莫尔条纹。,刻线重合处，光从缝隙透过形成亮带，黑带是由于两光栅的线纹彼此错开，挡光而形成。莫尔条纹的方向几乎与刻线垂直。 莫尔条纹间距W与栅格间距P之间的关系近似为：W=P/,二、莫尔条纹标尺,8.3.转速检测,离心力检测法 光电码盘转速检测方法光电耦合器和光电码盘（绝对光码盘和增量光码盘）,一、离心力检测法,二、光电码盘转速检测方法,原理：光电码盘和透射型光电耦合器结合，可对转速进行计数，输出信号是对应于码盘窗口明暗的脉冲序列，由脉冲频率值可知所测量的转速值 光电耦合器：由发光二极管和光敏晶体管（二极管或三极管）组成 发光二极管

9、：是用半导体P-N结把电能转换为光能的一种器件。N区的电子要向P区扩散，而P去的空穴要向N区扩散，当这些电子和空穴流经PN结区时要产生复合，释放能量，光是释放能量的一种形式，而颜色是由半导体材料决定的 光敏晶体管：是一种利用受光照时载流子增加的半导体光电元件。PN结有一个或两个（二极管、三极管）但光敏三极管具有两根引出线，在光照时，在发射极和基极之间的PN结附近产生光电流，它是由光子激发的光生载流子所形成的，故其大小随光强的增大而增大。由于三极管的放大作用，其灵敏度比光敏二极管高。,光电耦合器分为反射型和透射型，如图。透射型的在发光和受光元件之间插入透光率不同的遮光片透明玻璃上的黑色条码；对于

10、反射型的在被测轴上设有反射记号（涂以白色的点或线），光源投入到反射记号处，光敏元件有光电流产生，在非光电处，反射率低，几乎没有反射光线，光敏元件不感光。这样光线每经过一次反射记号，光敏元件感光一次，发出一个电脉冲信号，对脉冲信号计数就可以测出轴的转速,光电码盘：透明玻璃上按一定的规律涂上黑白条码。分为绝对光码盘和增量光码盘。 绝对光码盘：把旋转轴的旋转角度用二进制编码输出。可检测绝对角度，断电恢复后可准确检测位置信息。,增量光码盘：随旋转轴的旋转角度输出一列连续脉冲波，累计脉冲的个数可测量转角。使用一个时只能检测转速，而不能检测转轴的绝对转角和转向，改进的三个可以检测转角和转向。,8.4.力的

11、检测方法,金属应变元件 半导体应变元件 压电效应 压敏导电橡胶,一、概述,国际单位制中，力是一个导出量，由质量和加速度的乘积来定义。力的基准量取决于质量、时间和长度的基准量。 测量原理：弹性体受力作用时将发生弹性形变，检测弹性体变形或位移可求力的大小；力矩则是通过测量弹性体的扭转变形而求得的。 常用的测力方法（5种）： 用已知重力或电磁力去平衡被测力，从而直接测得被测力 通过测量一个在被测力作用下的已知质量的物体的加速度来间接测量被测力 通过测量被测力产生的流体压力来测得被测力,当被测力张紧一振动弦，该弦的固有频率将随被测力的大小而改变，测频率可知被测力 通过测量在被测力作用下某弹性元件的变形

12、或位移来测得被测力 上述5种方法大部分用于静态力或缓慢变化的力的测量，而最后一种方法则可适用于静态力或数千频以下的动态力的测量，故应用十分广泛，仅介绍与之有关的方法。 常用的检测弹性元件变形的传感器有 金属应变片 半导体应变片 压电元件 压敏导电橡胶,原理：金属电阻丝的电阻R取决于金属材料的电阻率、长度l和截面积S，有如下关系：,一、金属应变元件,在拉伸力作用下，金属丝被拉长，因此截面积缩小，导致电阻率变化。其电阻的变化量相对于初始值可以表示为：,拉伸l与截面积D之间的关系为：,式中为材料的泊松比。,应变灵敏度K 表示单位应变的阻值变化,=l/l称为应变,金属电阻丝由于弹性形变的电阻率变化很小

13、，可以忽略；它的泊松比大约为0.3。因此K大约为2左右。,如图，一种是把金属丝贴在塑料薄膜基片上，在电阻丝上外加覆盖层；一种是在基板上加工箔片式薄膜电阻（采用光刻技术，均匀，阻值一致性好，传递应变性能好，常用）,电阻应变片的结构,随测量目的的不同而不同。利用应变片检测圆柱体所受压力或扭矩时，应变片的粘帖方法如图8-18所示。,电阻应变片的粘贴方法,两个应变片分别承受拉伸力和压缩力，一般使用两组，接入测量电桥，可提高灵敏度和稳定性。检测扭矩时与轴线成45角的各点上受力最大,工作原理：基于半导体的压阻效应单晶半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率发生很大变化。 特点： 单位应变的电阻率变化（

14、即灵敏度）很大，电阻率变化与应变量的关系如下：,二、半导体应变片,E为材料的弹性模数，表示应变与作用力的关系；称为半导体应变片的压阻系数,体积小，一般用于测压力 温度稳定性差，需温度补偿电路，大应变时，非线性,金属应变片受压缩力时阻值变小；而半导体应变片可能增大（N型阻值随压力的变化率为负，P型为正，因为决定半导体阻值的电子和空穴的数量及移动量在力的作用下可正可负）,扩散硅半导体应变膜,定义：某些物质如石英、陶瓷等在受外力作用时不仅几何尺寸发生变化而且内部分子极化，使材料表面带电荷的现象 特点：表面电荷很快被材料内部的自由电荷或环境中的杂散电荷中和掉，呈电中性。故不能测恒压力，可响应动态压力，

15、还可用于加速度与振动的测试。环境温度的变化和压电材料本身的时效，都会引起压电常数的变化，导致传感器灵敏度的变化，故需经常校准。 逆压电效应：将压电材料置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，即机械变形。因此可对其施加交流电做振动源，如高频振动台和扬声器等。,三、压电效应,四、压敏导电橡胶,在橡胶材料里掺入炭粉，当炭粉浓度达到某一极限以上时，炭粉的颗粒部分发生接触，会呈现一定的电阻率。当其变形时，阻抗值将随变形的强弱而变化，给其配上X、Y两个地址电极，并集成上FET（场效应晶体管）或二极管等开关元件，就可获取作用力的二维分布。用作触摸式面板的开关阵列,能够检测位移和速度的检测原理都可以用于加速度与振

16、动检测。以弹簧质量系惯性检测法为基础，类型包括应变片转换法、压电转换法、动电转换法、涡电流非接触法、可变电容法、差动变压器法等。,8.5.加速度与振动测量,由牛顿方程可知，加速度和力是通过质量联系在一起的。如图8-21所示，可以将弹簧质量系统作为传感器来感受振动，将传感器固定在被测件上。,一、加速度检测原理,设检测系统外壳与质量 m之间的相对位移为y，支点位移为z=Asin t，那么质量m的绝对位移x为：,质量m的受力方程（不考虑重力），即运动方程：,k为弹簧系数；r为阻尼系数,振动系统的运动方程式为：,此式说明支点位移为,的质量m的振动系统等价于,支点静止，受外力为mA2sint 的加速度系

17、统。,式8-14的解为：,振动系统的运动方程式为：,其中,0为弹簧质量系统的固有角振动频率，为支点的角振动频率,(1)支点位移检测(0 的情况) 固有角振动频率0 比支点的角频率小。代入解中，得：,因此,(2)支点加速度检测(0 的情况) 固有角振动频率0 比支点的角频率大。代入解中，得：,由,可求支点的位移变化、速度及加速度,相对位移y的振幅与支点位移的振幅A大小相等、方向相反，这种振动检测称为位移检测。通常要求大质量和低弹性的弹簧，此时绝对位移x等于零，即检测时质量基本静止不动。,相对位移y的幅值与支点加速度A2sint的振幅 成比例变化，这种振动检测称为加速度检测。,(3)支点速度检测(=0 的情况) 固有角振动频率0 与支点的角频率基本相同的情况下。代入解中，得：,相对位移y的幅值与支点速度的振幅A 2 成比例变化，这种振动检测可以称为速度检测。在共振状态下使用，很难实用,二、动