第六章 机械量测量

1、第6章 机械量测量,6.1 机械量的测量范围和所用的传感器 6.2 位移测量仪表 6.3 厚度测量仪表 6.4 转速测量仪表 6.5 力学量测量仪表,机械量的测量范围包括：尺寸（常、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。机械量不仅是运动控制系统的重要参数，也是许多非电量传感器及变送器的中间参数。 机械量的测量广泛地应用非电量的电测法，典型的传感器有电阻、电容、电感以及磁电、压电、压磁、光电、霍尔元件等，此外还有超声波、放射线等。此外，还有CCD（电荷耦合器件）图像传感器、光纤传感器以及基于MENS（微电子机械系统）技术的传感器。

2、,6.1 机械量的测量范围和所用的传感器,1.电容式位移传感器 电容传感器有三种形式：极距变化型、面积变化型、介电常数变化型。,6.2位移测量仪表,1.电容式位移传感器 极距变化型,6.2位移测量仪表,1.电容式位移传感器 面积变化型,6.2位移测量仪表,1.电容式位移传感器 介电常数变化型,6.2位移测量仪表,1.电容式位移传感器特点及应用 特点：分辨力极高（电容值10-7，相对值100%200%，位移0.01m） 动极板质量小，惯性小，动态响应好； 非接触，自身发热和功耗小； 结构简单，不含有机材料或磁性材料、对环境适应性强 应用：微信息检测-测微仪； 静态测量-金属零件计数 高频信号检测

3、-振动，转速；,6.2位移测量仪表,2.电感式位移传感器 电感式传感器有两种形式：自感式和互感式。 电感式位移传感器是把被测工件的微小位移变化转变成电感L的变化来实现非电量电测的一种装置。,6.2位移测量仪表,3.光栅传感器 光栅传感器是新型的高精度、大位移、数字式位移传感器。 在长度和角度测量中应用的光栅，常称为计量光栅。计量光栅根据光栅走向分为透射光栅和反射光栅两种；根据刻线型式又可分为黑白光栅和相位光栅两种；根据形状和用途分为长光栅和圆光栅两种。,6.2位移测量仪表,长光栅 - 直线位移；圆光栅 - 角位移,构成：1.主光栅 - 标尺光栅，定光栅；,长度 - 测量范围；刻线密度 - 测量

4、精度 ( 10、25、50、100、125线/mm ),2.指示光栅 - 动光栅；3.光路系统,(1) 莫尔条纹（Moire）,条纹宽度：,W-栅距， a-线宽， b-缝宽,W=a+b ，a=b=W/2,特例：当 =0, w1=w2 B= 光闸莫尔条纹 当 =0, w1w2 纵向莫尔条纹,莫尔条纹特性：,方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直 同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距一方向对应 放大性：夹角很小 BW 光学放大 提高灵敏度 可调性：夹角 条纹间距B 灵活 准确性：大量刻线 误差平均效应 克服个别/局部误差 提高精度,(2) 光栅传感器分类与结构原理,按运

5、动形式分： 直线型-主光栅为直尺形直线移动 旋转型-主光栅为圆盘形旋转运动,按光学形式分： 透射式-光源与光电元件在两侧透射光 反射式-光源与光电元件同一侧反射光,(3) 光栅传感器特点,精度高：测长(0.2+210-6L)m，测角0.1 量程大：透射式-光栅尺长（米），反射式-几十米 响应快：可用于动态测量 增量式：增量码测量 计数 断电数据消失 要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、移动精度 成本高：电路复杂,4.CCD图像传感器 它分为线阵CCD和面阵CCD两种，前者用于尺寸和位移的测量，后者用于平面图形、文字的传递。 目前面阵CCD已作为固态摄像器用于可视电话和闭路电视的监控等。

6、,6.2位移测量仪表,5.光纤位移传感器,6.2位移测量仪表,1.涡流式测厚仪 高频反射式侧厚仪 这种传感器的结构很简单，主要由一个固定在框架上的扁平线圈组成。线圈可以粘贴在框架的端部，也可以绕在框架端部的槽内。下图为某种型号的高频反射式电涡流传感器。,6.3厚度测量仪表,1.涡流式测厚仪 低频透射式测厚仪 这种传感器的结构很简单，主要由一个固定在框架上的扁平线圈组成。线圈可以粘贴在框架的端部，也可以绕在框架端部的槽内。图6-4为某种型号的低频透射式电涡流传感器。,6.3厚度测量仪表,2.射线式测厚仪 射线式测厚仪是利用各种射线对金属或其它材料板材厚度以及镀层厚度的非接触式测量仪器。 通常应用

7、的射线有射线、 射线和 X射线。 透射式测厚仪 反射式测厚仪,6.3厚度测量仪表,1.离心力法 其工作原理基于与回转轴偏置的重锤在回转时产生的离心力Q与回转轴的角速度的平方成正比，即 式中，m为重锤的质量；r为重锤至被测轴的垂直距离。下图是其测量原理图。,6.4转速测量仪表,离心式转速表原理图,当转动轴以的角速度转动时，重锤产生离心力Q，转速越大离心力越大，压迫弹簧使它缩短，因而弹簧被压缩的位移与转速成正比。测出弹簧位移就得知转速。离心式转速表是机械式的，惯性较大，测量精度受到一定限制，但体积小且携带方便，不需要能源，因此应用比较广泛。,2.光电码盘转速检测法,6.4转速测量仪表,光学码盘式传

8、感器 - 用光电方法将被测角位移转化成数字电信号 特点：高精度、高分辨力、可靠性好,1 - 光源；2 - 柱面镜；3 - 码盘；4 - 狭缝；5 - 元件, 原理：平行光源码盘 光电元件电信号输出,码盘：光学玻璃，透光/不透光（同心码道） 照相腐蚀 要求：分度准确（工艺）、 阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）,光源：LED 光学系统 平行光 投影精确,光电元件：硅光电池，光电晶体管,码道：位数每个码道对应一个光电元件分辨率,角度分辨率： =360/2n n-码道数（位数）,光电元件输出：,亮区 - “1” ; 暗区 - “0”,1 - 20/21位,信号组合 - 编码数字量 - 转角大小,绝对测量 - 固定的数字码 （不需要基准）, 编码码制：,直观，易于后续电路和计算机处理。 多位码同时动作同步误差错码,格雷码（循环码）,有权码,对称性，无权码,二进制码,相邻两数只有一位不同 每次只有一位变化转换,十进制码,8个码道、2位,内4圈 - 高位； 外4圈 - 低位,编码数：102个,分辨力：360/102 =3.6,编码：二十进制,十进制 09,二进制 00001010,容量小，有权码,较少使用,4位光电编码器码制, 特点与应用,特点：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好， 直接数字量输出，绝对码输出， 测量范围小（360），速度