運(yùn)動(dòng)量及振動(dòng)檢測技術(shù).ppt

1、第五章 運(yùn)動(dòng)量及振動(dòng)檢測技術(shù),概述,5.1 位移檢測 5.2 速度檢測 5.3 加速度檢測 5.4 機(jī)械振動(dòng)測量,5.1 位移檢測,位移是向量，是指物體或其某一部分的位置相對參考點(diǎn)在一定方向上產(chǎn)生的位置變化量。 因此位移的度量除要確定其大小外，還要確定其方向,5.1.1 位移檢測方法,位移的檢測包括線位移和角位移的測量 位移測量包括了長度、厚度、高度、距離、鍍層厚度、表面粗糙度、角度等 常用位移測量方法如下： （1）測量速度積分法 （2）回波法 （3）線位移和角位移轉(zhuǎn)換法 （4）位移傳感器法,1）測量速度積分法 測量運(yùn)動(dòng)體的速度或加速度，經(jīng)過積分或二次積分求得運(yùn)動(dòng)體的位移。 例如在慣性導(dǎo)航中，

2、就是通過測量載體的加速度，經(jīng)過二次積分而求得載體的位移,5.1.1 位移檢測方法,2）回波法 從測量起始點(diǎn)到被測面是一種介質(zhì)，被測面以后是另一種介質(zhì)，利用介質(zhì)分界面對波的反射原理測位移。 例如激光測距儀、超聲波液位計(jì)都是利用分界面對激光、超聲波的反射測量位移的。相關(guān)測距則是利用相關(guān)函數(shù)的時(shí)延性質(zhì)，將向某被測物發(fā)射信號與經(jīng)被測物反射的返回信號作相關(guān)處理，求得時(shí)延，從而推算出發(fā)射點(diǎn)與被測物之間的距離,5.1.1 位移檢測方法,3）線位移和角位移轉(zhuǎn)換法 被測量是線位移時(shí)，若測量角位移更方便，則可用間接測量方法，通過測角位移再換算成線位移。 同樣，被測量是角位移時(shí)，也可先測線位移再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 例如汽車

3、的里程表，是通過測量車輪轉(zhuǎn)數(shù)再乘以周長而得到汽車的里程的,5.1.1 位移檢測方法,4）位移傳感器法 通過位移傳感器，將被測位移量的變化轉(zhuǎn)換成電量（電壓、電流、阻抗等）、流量、光通量、磁通量等的變化。位移傳感器法是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法。 一般來說，在進(jìn)行位移測量時(shí)，要充分利用被測對象所在場合和具備的條件來設(shè)計(jì)、選擇測量方法,5.1.1 位移檢測方法,5.1.2 線位移檢測,位移的傳感器種類繁多，可根據(jù)位移檢測范圍變化的大小選用。 下面介紹幾種線位移傳感器,圖5-1(b)中，測量軸與內(nèi)部電位器電刷相連，當(dāng)其與被測物相接觸，有位移輸入時(shí)，測量軸便沿導(dǎo)軌移動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)電刷在滑線電阻上移動(dòng)，因電刷

4、的位置變化會(huì)有電阻變化，由電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出，就可以判斷位移的大小。如要求同時(shí)測出位移的大小和方向?？蓪D中的精密無感電阻和滑線電阻組成橋式測量電路,電位器式位移傳感器,測量原理,在電位器A、C兩端接上激勵(lì)電壓Ui，則當(dāng)電刷在輸入位移驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)時(shí)，B、C兩端就會(huì)有電壓輸出Uo。設(shè)電位器為線性，長度為l，總電阻為R，電刷位移為x，相應(yīng)電阻為Rx，負(fù)載電阻為RL，根據(jù)電路分壓原理，電路的輸出電壓為,電位器式位移傳感器測量 原理與電路模型,若負(fù)載電阻為RL，則有,電位器式位移傳感器,優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單, 價(jià)格低廉, 性能穩(wěn)定, 對環(huán)境條件要求不高, 輸出信號大，便于維修。 缺點(diǎn) 電刷與電阻元件之間存在摩

5、擦, 易磨損，易產(chǎn)生噪聲，分辨力有限, 精度不夠高, 要求輸入的能量大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，僅適于測量變化較緩慢的量,電位器式位移傳感器的優(yōu)缺點(diǎn),測量原理： 電感式位移傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測位移轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。按傳感器結(jié)構(gòu)的不同，可分為自感式（電感式 ）、互感式（差動(dòng)變壓器 ）和電渦流式,自感式,分為三類： 變氣隙式 變截面積式 螺管式,電感式位移傳感器,經(jīng)過推算可以知道線圈的自感量L有如下關(guān)系式： 其中空氣隙厚度；S磁路有效截面積；N線圈匝數(shù)；0空氣磁導(dǎo)率 結(jié)論：只要被測位移能夠引起空氣隙或等效截面積S變化，線圈的自感量就會(huì)隨之變化,自感式,對于變氣隙式，只能用于微小位移的測量，一般

6、約為0.001mm1mm,對于變截面積式，其線性度良好、測量范圍較大，但靈敏度較低，且有漏感，即在S=0時(shí)，仍有一定的自感量,對于螺管式，傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，適用于測量比較大的位移。但靈敏度稍低,自感式,三種形式的優(yōu)缺點(diǎn),存在問題？ 三種類型的自感位移傳感器在工作時(shí)，由于線圈中通有交流勵(lì)磁電流，銜鐵始終承受電磁吸力，因而會(huì)引起振動(dòng)及附加誤差，而外界的干擾如電源電壓頻率的變化，溫度的變化也會(huì)造成測量誤差，另外，非線性誤差較大,自感式,解決方法,采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)相同的傳感器線圈共用一個(gè)銜鐵構(gòu)成差動(dòng)式自感位移傳感器 。如右圖,自感式,減小電磁吸力的作用，對溫度、電源頻率變化的影響也可以互相抵

7、消，大大提高傳感器的靈敏度，改善線性，減少測量誤差,采用差動(dòng)式自感位移傳感器的優(yōu)勢,變氣隙式靈敏度k 為,而差動(dòng)變氣隙式靈敏度k變?yōu)?比較如下,自感式,傳感器靈敏度提高了一倍,線性度比較如下圖,結(jié)論,自感式,差動(dòng)變壓器(互感式,差動(dòng)變壓器較多采用螺管式 ，如圖（a）所示，等效電路如圖 (b)所示,差動(dòng)變壓器輸出電勢的大小和相位可以反應(yīng)銜鐵位移量的大小和方向 ，輸出電壓的有效值為,結(jié)論：當(dāng)激勵(lì)電壓的幅值U1和角頻率、初級線圈的等效電阻R1及電感L1為定值時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓的幅值U2與互感的變化量M成正比，而且在銜鐵上移或下移量相等時(shí)，輸出電壓幅值相同，但相位相差180,差動(dòng)變壓器的輸出特性曲

8、線如圖5-7所示,差動(dòng)變壓器(互感式,3) 電渦流式,電渦流式位移傳感器是利用渦流效應(yīng)，將位移量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化而進(jìn)行測量的。傳感器原理和結(jié)構(gòu)分別如圖,線圈的阻抗變化與導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線圈的幾何參數(shù)、激勵(lì)電流頻率以及線圈到被測導(dǎo)體間的距離有關(guān)。 如果控制上述參數(shù)中的僅距離改變，而其余參恒定不變，則阻抗就成為這個(gè)距離的單值函數(shù)，阻抗的變化就可以反映線圈到被測金屬導(dǎo)體間的距離大小變化,3) 電渦流式,電渦流位移傳感器的測量電路有調(diào)頻和調(diào)幅式等，圖5-10是一種調(diào)幅式測量電路,電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測量范圍大、抗干憂能力強(qiáng)，特別是有非接觸測量的優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)

9、生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用,3) 電渦流式,光柵位移傳感器結(jié)構(gòu),光柵位移傳感器由光源、光路系統(tǒng)、光柵副(標(biāo)尺光柵+指示光柵)和光敏元件組成，其結(jié)構(gòu)如圖5-12所示,當(dāng)被測物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，光源發(fā)出的光透過光柵縫隙形成的光脈沖被光敏元件接收并計(jì)數(shù), 即可實(shí)現(xiàn)位移測量，被測物體位移=柵距脈沖數(shù),光柵位移傳感器,莫爾條紋,在用光柵測量位移時(shí)，由于刻線很密，柵距很小，而光敏元件有一定的機(jī)械尺寸，故很難分辨到底移動(dòng)了多少個(gè)柵距。實(shí)際測量是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)行的,莫爾條紋的產(chǎn)生,莫爾條紋的特點(diǎn),a. 放大作用,b. 誤差平均作用,c. 方向?qū)?yīng)與同步性,光柵位移傳感器,光柵位移測量原理,用

10、光敏元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化并轉(zhuǎn)換為電信號輸出。光敏元件接收的光強(qiáng)變化近似于正弦波，其輸出電壓信號的幅值U為光柵位移量x的正弦函數(shù)，即,U=U0+Umsin(2x/W,式中 U0輸出信號中的直流分量；Um輸出信號中正弦交流分量的幅值；x兩光柵間的相對位移,將該電壓信號放大、整形為方波，再由微分電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號，經(jīng)過辨向電路后送可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，就可得出位移量的大小，位移量為脈沖數(shù)與柵距的乘積，測量分辨力為光柵柵距W,光柵位移傳感器,光柵位移傳感器特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：測量量程范圍大(可達(dá)數(shù)米)且同時(shí)具有高分辨力(可達(dá)0.01m)和高精度；可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量；輸出數(shù)字量，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測量和自動(dòng)控制；

11、具有較強(qiáng)的抗干擾能力,缺點(diǎn)：對使用環(huán)境要求較高，怕振動(dòng)，怕油污、灰塵等的污染；制造成本高,光柵位移傳感器,直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu),直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖5-14所示,定尺和滑尺上的電路繞組都是用印刷電路工藝制成的矩形繞組，定尺繞組為單相連續(xù)繞組，節(jié)距為W2，一般取W2=2mm?；呱嫌袃山M分開的繞組，兩個(gè)繞組間的距離L1應(yīng)滿足關(guān)系：L1= (n/2+1/4)W2，其中n為正整數(shù)。因?yàn)閮衫@組相差90相位角，故分別稱為正弦繞組和余弦繞組。兩相繞組節(jié)距相同，均為W1，通常取W1 = W2= W,感應(yīng)同步器,直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu),圖5-15是直線感應(yīng)同步器繞組結(jié)構(gòu)示意圖。圖中上部為

12、定尺繞組，下部為W型滑尺繞組。為了減小由于定尺和滑尺工作面不平行或氣隙不均勻帶來的誤差，各正弦和余弦繞組交替排列,感應(yīng)同步器,2) 直線感應(yīng)同步器工作原理,采用滑尺繞組勵(lì)磁，從定尺繞組取出感應(yīng)電勢的激勵(lì)方式。定尺繞組中感應(yīng)電勢的波形圖見圖5-16,正弦或余弦繞組在定尺上產(chǎn)生的相應(yīng)感應(yīng)電勢分別為,可見：定尺的感應(yīng)電勢取決于滑尺的相對位移x，故通過感應(yīng)電勢可測量位移,感應(yīng)同步器,3) 感應(yīng)同步器信號的檢測,感應(yīng)同步器輸出信號的檢測方法,鑒幅法,鑒相法,在滑尺的正、余弦繞組上施加頻率和相位相同、但幅值不同的正弦激勵(lì)電壓,鑒幅法介紹,利用函數(shù)電壓發(fā)生器使激勵(lì)電壓的幅值滿足,感應(yīng)同步器,感應(yīng)同步器的磁路

13、系統(tǒng)可視為線性，可進(jìn)行線性疊加，可得定尺繞組輸出的總感應(yīng)電勢為,式中kUmsin( )為感應(yīng)電勢的幅值，其值隨位移相位角(即位移x)而變化。若調(diào)整給定激勵(lì)電壓的相位角，使輸出感應(yīng)電動(dòng)勢e的幅值為0，則此時(shí)有 ( ) = 0。由于 = = 2x/W，所以位移x = W/2，這就是鑒幅法測位移x的原理,感應(yīng)同步器,具有較高的精度與分辨力。 測量長度范圍不受限制。 抗干擾能力強(qiáng)。 使用壽命長，維護(hù)簡單。 工藝性好，成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。 輸出信號較弱，需要高放大倍數(shù)的前置放大器,4) 感應(yīng)同步器的特點(diǎn),感應(yīng)同步器,激光測距的原理,利用激光器向目標(biāo)發(fā)射單次激光脈沖或脈沖串，光脈沖從目標(biāo)反射后被

14、接收，通過測量激光脈沖在待測距離上往返傳播的時(shí)間，計(jì)算出待測距離,換算公式為,式中，L待測距離；c光速，t光波往返傳輸時(shí)間,測量傳輸時(shí)間t，有脈沖式(直接測定時(shí)間)和相位式(間接測定時(shí)間)兩種方法,激光距離檢測,脈沖式激光測距,工作原理如圖5-17所示,激光脈沖到目標(biāo)的往返傳輸時(shí)間,測得t即可計(jì)算出被測距離,激光距離檢測,2）相位式激光測距,用相位延遲測量的間接方法測定光在待測距離上往返傳播所需的時(shí)間，相位式激光測距方法的原理如圖5-18所示,激光脈沖往返傳輸時(shí)間為,又,則待測距離L為,式中，=c / f；N = /2，0N1,激光距離檢測,2）相位式激光測距,相位法測距就像用尺量距離，測尺長

15、度為/2，N為整尺長，N為不足整尺的零數(shù)。但是，任何測量交變信號相位移的方法都不能確定出相位移的整周期數(shù)N，而只能測定其中不足2的 ,測尺長度/2大于待測距離L，則由式(5-24)可知，N0，故,測出相位差 就能夠測出距離,如果被測距離較長，則可選擇較低的調(diào)制頻率f，使相應(yīng)的測尺長度大于待測距離，這樣就可保證距離測量的確定性。但是由于測相系統(tǒng)精度有限，過大的測尺長度會(huì)導(dǎo)致距離測量的誤差增大,激光距離檢測,擴(kuò)展閱讀,KTC線性位移傳感器 （江門市安泰電子有限公司產(chǎn)品,KTC拉桿系列傳感器用于對位移或者長度進(jìn)行精確測量。量程長達(dá)1250mm，線性度0.05%（型號大于350mm），重復(fù)精度0.01

16、mm。典型應(yīng)用于注塑機(jī)、壓鑄機(jī)、橡膠機(jī)、鞋機(jī)、EVA注射機(jī)、木工機(jī)械、液壓機(jī)械等,類 型： 位移傳感器 量 程： 075425mm 04501250mm 精 確 度： 0.05% 電 阻： 50% K 50%200% K 供電電源： 10A 工作溫度： -60150 最大工作速度：10m/s 特 點(diǎn)： KTC是一般通用型，適合各類型設(shè)備的位置檢測 典型應(yīng)用： 注塑機(jī)、壓鑄機(jī)、橡膠機(jī)、鞋機(jī)、EVA注射機(jī)、木工機(jī)械、液壓機(jī)械等,技術(shù)指標(biāo),擴(kuò)展閱讀,5.1.3 角位移檢測,對測量線性位移的傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)上適當(dāng)變動(dòng)，可以用于角位移的測量。例如,思考：與測量線位移進(jìn)行比較,幾種常用的角位移傳感器,1.

17、旋轉(zhuǎn)變壓器 2微動(dòng)同步器式角位移傳感器 3. 數(shù)字式角編碼器,5.1.3 角位移檢測,旋轉(zhuǎn)變壓器,旋轉(zhuǎn)變壓器是一種基于電磁感應(yīng)原理工作的精密角度位置檢測裝置，又稱分解器，它將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換成與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系的電信號,結(jié)構(gòu)類型,旋轉(zhuǎn)變壓器由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子繞組為變壓器的原邊，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的副邊。交流激磁電壓接到定子繞組上，感應(yīng)電動(dòng)勢由轉(zhuǎn)子繞組輸出。圖5-22 為二極旋轉(zhuǎn)變壓器繞組結(jié)構(gòu),工作原理,互感原理工作,設(shè)加在定子繞組的勵(lì)磁電壓為： ，由于旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上保證了定子和轉(zhuǎn)子間氣隙內(nèi)的磁通分布呈正(余)弦規(guī)律，所以轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為,式中，Um勵(lì)磁電壓幅值；k變壓比(即轉(zhuǎn)、定

18、子繞組匝數(shù)比)； 勵(lì)磁電壓圓頻率；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角,旋轉(zhuǎn)變壓器,可見：轉(zhuǎn)子輸出電壓大小取決于定子和轉(zhuǎn)子兩繞組軸線的空間相互位置，兩者垂直時(shí)=0，U3為零；兩者平行時(shí)=90，U3最大。圖5-23為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢的對應(yīng)關(guān)系,旋轉(zhuǎn)變壓器,測量方式,鑒相式,轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電壓為,可知感應(yīng)電壓的相位角就等于轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)角。因此只要檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就知道了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角,旋轉(zhuǎn)變壓器,鑒幅式,轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電壓為,若已知?jiǎng)?lì)磁電壓的相位角 ，則只需測出轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓U的幅值kUmcos( -)，便可間接求出轉(zhuǎn)子與定子的相對位置；若不斷調(diào)整勵(lì)磁電壓的相位角 ，使幅值U的幅值kUmcos( -)為0

19、，跟蹤的變化，即可由求得角位移,旋轉(zhuǎn)變壓器,微動(dòng)同步器式角位移傳感器,微動(dòng)同步器結(jié)構(gòu)原理如圖5-24,微動(dòng)同步器定子繞組的接線方式如圖5-25,由四極定子和兩極轉(zhuǎn)子組成。定子的每個(gè)極上有兩個(gè)繞組，將各極中的一個(gè)繞組串聯(lián)，組成初級勵(lì)磁回路；將各極中的另一個(gè)繞組串聯(lián)，組成次級感應(yīng)回路,按圖5-25所示的繞組接線方式，次級繞組總感應(yīng)輸出電壓為,式中，k微動(dòng)同步器的靈敏度； 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角；e2i(i=1,2,3,4)是各次級繞組感應(yīng)電壓,當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如圖5-24所示的對稱于定子的位置時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子之間的四個(gè)氣隙幾何形狀完全相同，各極的磁通相等，從而使I、III極上的感應(yīng)電壓與II、IV級上的感應(yīng)電壓相等，

20、總的輸出電壓為零，轉(zhuǎn)子被看成是處于零位。若轉(zhuǎn)子偏離零位一個(gè)角度，則四個(gè)氣隙不再相同，造成各極磁通的變化量不同，其中一對磁級的磁通量減小，另一對磁級的磁通量增加。這樣，次級就有一個(gè)正比于轉(zhuǎn)子角位移的電壓輸出。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變時(shí)，輸出電壓也有180的相位躍變。 微動(dòng)同步器的靈敏度大約為每度0.25V，測量范圍約540，線性度優(yōu)于0.1,數(shù)字式角編碼器,角編碼器在結(jié)構(gòu)上主要由可旋轉(zhuǎn)的碼盤和信號檢測裝置組成,按碼盤刻度方法及信號輸出形式分類,增量式,絕對式,混合式,增量式編碼器的輸出是一系列脈沖，用一個(gè)計(jì)數(shù)裝置對脈沖進(jìn)行加或減計(jì)數(shù)，再配合零位基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)角位移的測量,絕對式編碼器的輸出是與轉(zhuǎn)角位置相對應(yīng)的

21、、唯一的數(shù)字碼，如果需要測量角位移量，則只需將前后兩次位置的數(shù)字碼相減就可以得到要求測量的角位移,按碼盤信號的讀取方式分類,光電式,接觸式,電磁式,光電式絕對編碼器結(jié)構(gòu)與工作原理,光電式絕對編碼器的碼盤如圖5-26所示,在360范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為24=16個(gè)，在圓周內(nèi)的每一個(gè)角度方位對應(yīng)于不同的編碼 ，只要根據(jù)碼盤的起始和終止位置, 就可以確定角位移,數(shù)字式角編碼器,光電式編碼器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-27,絕對位置的二進(jìn)制編碼的產(chǎn)生,絕對編碼器的角度分辨率,如何保證高分辨率和測量精度,標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制編碼的碼盤的缺點(diǎn),數(shù)字式角編碼器,改進(jìn)方法：采用二進(jìn)制循環(huán)碼盤(格雷碼盤) ，它的相鄰數(shù)的編碼只有一位變

22、化，因此就把誤差控制在最小單位內(nèi)，避免了非單值性誤差,數(shù)字式角編碼器,光電式絕對編碼器特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： 1.直接把被測轉(zhuǎn)角或角位移轉(zhuǎn)換成唯一對應(yīng)的代碼，無需記憶，無需參考點(diǎn)，無需計(jì)數(shù)； 2.在電源切斷后位置信息也不會(huì)丟失，而且指示沒有累積誤差； 3.大大提高了編碼器的抗干擾能力和數(shù)據(jù)的可靠性； 4.無磨損，碼盤壽命長，精度保持性好,缺點(diǎn)： 1. 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，碼盤基片為玻璃，抗沖擊和振動(dòng)能力差； 2. 隨著分辨率的提高信號引出線較多,數(shù)字式角編碼器,擴(kuò)展閱讀,HGD-256光電單圈絕對編碼器,HGD-256型光電式絕對編碼器是集光、機(jī)、電技術(shù)于一體的數(shù)字化傳感器，可以高精度測量轉(zhuǎn)角或直線位移。

23、通過光電轉(zhuǎn)換，將輸出軸的角位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量,1、信號輸出方式有： a.并行格雷碼輸出 b.485串行信號輸出 c.4-20mA電流輸出 d. SSI同步串行信號輸出 2、根據(jù)用戶要求可設(shè)定并控制測量范圍的上、下限 3、可以直接連接PLC或上位機(jī) 4、鋁合金外殼，特殊表面處理,特點(diǎn),5.1 位移檢測 5.2 速度檢測 5.3 加速度檢測 5.4 機(jī)械振動(dòng)測量,速度 ：在單位時(shí)間內(nèi)的位移增量 ，矢量，有大小，也有方向,物體運(yùn)動(dòng)速度的測量分兩種,線速度測量,旋轉(zhuǎn)速度的測量,5.2 速度檢測,如彈丸的飛行速度、機(jī)構(gòu)振動(dòng)速度的測量，線速度的計(jì)量單位是米/秒(m/s)，工程上也用千米/小時(shí)(km/h

24、)表示,如電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)速度，常稱其為轉(zhuǎn)速測量，單位是轉(zhuǎn)/分(r/min)，而在被測轉(zhuǎn)速很小時(shí)，測量單位時(shí)間內(nèi)物體轉(zhuǎn)過的角度，稱為角速度測量，單位是弧度/秒(rad/s,5.2.1 速度測量方法,常用的速度測量方法有下述幾種,微、積分測速法 線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測速法 利用物理參數(shù)測速法(速度傳感器法) 時(shí)間、位移計(jì)算測速法,1）微、積分測速法 對測得的物體運(yùn)動(dòng)的位移信號微分可以得到物體運(yùn)動(dòng)速度，或?qū)y得的物體運(yùn)動(dòng)的加速度信號作時(shí)間積分也可以得到速度。 例如在振動(dòng)測量時(shí)，應(yīng)用加速度計(jì)測得振動(dòng)體的振動(dòng)加速度信號，或應(yīng)用振幅計(jì)測得振動(dòng)體的位移信號，再經(jīng)過電路進(jìn)行積分或微分運(yùn)算而得到振動(dòng)速度,5.2

25、.1 速度測量方法,2）線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測速法 線速度與角速度在同一運(yùn)動(dòng)體上是有固定關(guān)系的，在測量時(shí)可以采用互換的方法達(dá)到方便測量的目的。 例如測火車行駛速度時(shí)，直接測線速度不方便，可通過測量車輪的轉(zhuǎn)速，換算出火車的行駛速度,5.2.1 速度測量方法,3）利用物理參數(shù)測速法(速度傳感器法) 利用各種速度傳感器測量與速度大小有確定關(guān)系的各種物理量來間接測量物體的運(yùn)動(dòng)速度，將速度信號變換為電、光等易測信號。這是最常用的一種方法。 可利用物理效應(yīng)很多，如電磁感應(yīng)原理、多普勒效應(yīng)、流體力學(xué)、聲學(xué)定律等等,5.2.1 速度測量方法,4）時(shí)間、位移計(jì)算測速法 這種方法是根據(jù)速度的定義測量速度，即測量

26、物體經(jīng)過的距離L和經(jīng)過該距離所需的時(shí)間t，來求得物體運(yùn)動(dòng)的平均速度。L越小，則求得的速度越接近運(yùn)動(dòng)物體的瞬時(shí)速度。 根據(jù)這種測量原理，在確定的距離內(nèi)利用各種數(shù)學(xué)方法和相應(yīng)器件可延伸出許多測速方法，如相關(guān)測速法、空間濾波器測速法等等,5.2.1 速度測量方法,5.2.2 線速度測量,1. 磁電感應(yīng)式測速,原理：導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢 ，感應(yīng)電動(dòng)勢與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān),一種用于測量線速度的恒磁通動(dòng)圈式磁電感應(yīng)式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖如圖5-29，由永久磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架等組成,E=NBLV,感應(yīng)電動(dòng)勢E與線圈相對磁鐵的運(yùn)動(dòng)速度V成正比，所以這種傳感器能直接

27、測量速度,2. 空間濾波器測速,空間濾波技術(shù)是對物體的移動(dòng)進(jìn)行非接觸連續(xù)測量以探知其長度、運(yùn)動(dòng)速度的有效手段之一?？臻g濾波器測速原理如圖5-30所示,v=f / M,響應(yīng)速度很快，可以用來檢測傳送帶、鋼板、車輛等的運(yùn)動(dòng)速度，檢測范圍為1.5250 km/h， 測量精度可達(dá)0.2,5.2.2 線速度測量,3. 彈丸飛行速度測量,常用時(shí)間位移計(jì)算測速法，測量原理如圖5-31所示,v=L/t,5.2.2 線速度測量,產(chǎn)生測時(shí)脈沖信號的區(qū)截裝置,接觸型,非接觸型,對于大口徑武器，則可以采用光電靶和天幕靶等區(qū)截裝置來測量彈丸速度。 如圖,5.2.2 線速度測量,5.2.3 轉(zhuǎn)速測量,轉(zhuǎn)速的檢測方法很多，

28、按照輸出信號的特點(diǎn)可分為模擬式和數(shù)字式兩大類,1. 模擬式轉(zhuǎn)速測量儀表,直流測速發(fā)電機(jī),原理如圖5-37所示,定子產(chǎn)生恒定磁通0，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場中旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中即產(chǎn)生交變的電勢，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)速成正比的直流電勢,當(dāng)Ce、0、r及RL都不變時(shí)，輸出電壓U0與轉(zhuǎn)速n成線性關(guān)系。對于不同的負(fù)載電阻RL，輸出電壓不同，負(fù)載電阻越小，輸出電壓也越小,輸出斜率大、線性好，但由于有電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)不便，摩擦轉(zhuǎn)距大，有換向火花，輸出特性不穩(wěn)定,直流測速發(fā)電機(jī)的特點(diǎn),5.2.3 轉(zhuǎn)速測量,離心式轉(zhuǎn)速表,離心式轉(zhuǎn)速表由轉(zhuǎn)動(dòng)軸、重錘、彈簧、連桿、套筒以及轉(zhuǎn)速指示機(jī)構(gòu)等組成 ，其結(jié)構(gòu)與工作

29、原理如圖5-38所示,測速原理,慣性較大，不適合測量快速變化的轉(zhuǎn)速，測量精度也受到多力面的限制，一般在1%2,特點(diǎn),結(jié)構(gòu)簡單、成本低，可靠、耐用、不怕沖擊振動(dòng)，無需電源就可工作，測量范圍較寬,5.2.3 轉(zhuǎn)速測量,頻閃式轉(zhuǎn)速表,頻閃式轉(zhuǎn)速表利用頻閃效應(yīng)原理來測量轉(zhuǎn)速 ，檢測的原理如圖5-39所示,測量方法,若已知被測轉(zhuǎn)速范圍是nn，則先將閃光頻率調(diào)到大于nn，然后從高頻逐漸下降，直到第一次出現(xiàn)標(biāo)記不動(dòng)時(shí)，此時(shí)就可以讀出被測實(shí)際轉(zhuǎn)速,若無法估計(jì)被測轉(zhuǎn)速時(shí)，則調(diào)整閃光頻率，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的圓盤上連續(xù)出現(xiàn)兩次標(biāo)記停留現(xiàn)象時(shí)，分別讀出對應(yīng)的轉(zhuǎn)速值，然后按下式計(jì)算出真實(shí)被測轉(zhuǎn)速n,5.2.3 轉(zhuǎn)速測量,2.數(shù)字

30、式轉(zhuǎn)速檢測方法,在指定的時(shí)間T內(nèi)，對轉(zhuǎn)速傳感器的輸出脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。若在時(shí)間T(s)內(nèi)計(jì)數(shù)值為N，轉(zhuǎn)速傳感器每周產(chǎn)生的脈沖數(shù)為Z，則被測轉(zhuǎn)速n為,測量原理,測定傳感器脈沖信號頻率f就可求出轉(zhuǎn)速n,5.2.3 轉(zhuǎn)速測量,磁電感應(yīng)式,5.2.3 轉(zhuǎn)速測量,電容式,霍爾式,5.2.3 轉(zhuǎn)速測量,光電式,5.2.3 轉(zhuǎn)速測量,5)計(jì)數(shù)方法,根據(jù)式(5-43) 測出的脈沖信號頻率求出待測轉(zhuǎn)速的方法稱為測頻法，比較適合于高轉(zhuǎn)速測量。測頻法有一個(gè)字計(jì)數(shù)誤差，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)會(huì)引起較大相對誤差，故在低轉(zhuǎn)速時(shí)，脈沖信號的計(jì)數(shù)方法應(yīng)改用測周期法。測周期法的原理見圖(5-44,轉(zhuǎn)速(r/min)為,5.2.3 轉(zhuǎn)速測

31、量,5.1 位移檢測 5.2 速度檢測 5.3 加速度檢測 5.4 機(jī)械振動(dòng)測量,加速度測量是基于測試儀器檢測質(zhì)量敏感加速度產(chǎn)生慣性力的測量，是一種全自主的慣性測量。 加速度的計(jì)量單位為m/s2(米/秒2) 。在工程應(yīng)用中常用重力加速度g=9.81m/s2作計(jì)量單位,5.3 加速度檢測,5.3.1 加速度測量原理,加速度測量的原理是基于對質(zhì)量塊感受加速度時(shí)所產(chǎn)生的慣性力的測量。測量時(shí)采用絕對法，把測量裝置安裝在運(yùn)動(dòng)體上進(jìn)行測量。測量加速度的裝置基結(jié)構(gòu)如圖5-41,系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的微分方程,有位移關(guān)系 x = y+z,若令 ；則有,測出位移y，或者測出質(zhì)量塊作用在彈簧上的慣性力就可以測出被測運(yùn)動(dòng)物體的

32、加速度,5.3.2 位移式加速度傳感器,1. 霍爾加速度傳感器,霍爾式加速度傳感器的測量原理與結(jié)構(gòu)如圖5-46 所示,傳感器固定在被測對象上并與其一起作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊感受到加速度而產(chǎn)生與之成比例的慣性力，使懸臂梁發(fā)生彎曲變形，其自由端的霍爾元件H就產(chǎn)生與加速度成比例的位移，輸出與加速度成比例的霍爾電勢UH，從UH與加速度的關(guān)系曲線上可求得加速度,2. 電位器式加速度傳感器,電位器式加速度傳感器的測量原理與結(jié)構(gòu)如圖5-47 所示,傳感器殼體與被測對象一起作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊相對殼體的有位移產(chǎn)生并帶動(dòng)電刷在滑動(dòng)電阻元件上移動(dòng)。電阻值的變化可以由相應(yīng)電路轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，從而可以測出加速度,5

33、.3.2 位移式加速度傳感器,5.3.3 應(yīng)變式加速度傳感器,應(yīng)變式加速度傳感器的測量原理與結(jié)構(gòu)如圖5-48,由敏感質(zhì)量塊感受加速度a而產(chǎn)生與之成正比的慣性力Fma，再通過彈性元件把慣性力轉(zhuǎn)變成應(yīng)變、應(yīng)力，或通過壓電元件把慣性力轉(zhuǎn)變成電荷量，從而間接測出加速度,測量原理,5.3.4 微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì),微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)通常是指利用微電子加工手段加工制作并和微電子測量線路集成在一起的加速度計(jì)，這種加速度計(jì)常用硅材料制作，故又名硅微型加速度計(jì),硅微型加速度計(jì)型式多種多樣。 按檢測質(zhì)量支承方式分有懸臂梁支承、簡支梁支承、方波梁支承、折疊梁支承和撓性軸支承等； 按檢測信號拾取方式分，有電容檢測、電感

34、檢測、隧道電流檢測和頻率檢測等,幾種硅微加速度計(jì)的性能及特點(diǎn),一種叉指式硅微型加速度計(jì)的結(jié)構(gòu),一種叉指式微型加速度計(jì)產(chǎn)品,ADXL50,5.3.4 微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì),5.1 位移檢測 5.2 速度檢測 5.3 加速度檢測 5.4 機(jī)械振動(dòng)測量,5.4.1機(jī)械振動(dòng)測量概述,物體或物體的一部分沿直線或曲線在平衡位置附近所作的周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng),機(jī)械振動(dòng),振動(dòng)測試的目的,1.檢查機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)特性，以檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量,2.測定機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，以便確定機(jī)器設(shè)備承受振動(dòng)和沖擊的能力，并為產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù),3.分析振動(dòng)產(chǎn)生的原因，尋找振源，以便有效地采取減振和隔振措施,4.對運(yùn)動(dòng)中的機(jī)器進(jìn)行故

35、障監(jiān)控，以避免重大事故,測量的兩種方式,5.4.2振動(dòng)的基本知識,1.振動(dòng)信號分類,2. 振動(dòng)測試的基本參數(shù),振動(dòng)三要素,幅值,頻率,相位,簡諧振動(dòng),y(t)=Asin(t,合理選擇測量參數(shù),5.4.2振動(dòng)的基本知識,3.單自由度系統(tǒng)的受迫振動(dòng),單自由度線性系統(tǒng)是最基本的振動(dòng)模型，它僅用一個(gè)位移坐標(biāo)（即一個(gè)自由度）來描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，因此系統(tǒng)可由質(zhì)量塊、彈簧和阻尼器組成,為正確理解和掌握振動(dòng)測試傳感器的工作原理，討論單自由度系統(tǒng)在兩種不同激勵(lì)下的響應(yīng),5.4.2振動(dòng)的基本知識,質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動(dòng),如圖5-51所示,質(zhì)量塊m的運(yùn)動(dòng)微分方程為,頻率響應(yīng)H()為,幅頻特性A()和相頻特性()分別

36、為,通常把振動(dòng)幅頻特性曲線A()上幅值最大處的頻率r稱為位移共振頻率，可求得位移共振頻率,5.4.2振動(dòng)的基本知識,由基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的受迫振動(dòng),慣性式拾振器的力學(xué)模型如圖5-52,質(zhì)量塊m的運(yùn)動(dòng)方程為,令 y(t)=x(t)-z(t)，為質(zhì)量塊m 對基礎(chǔ)的相對位移，則,系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù) H()、幅頻特性A()、相頻特性()分別為,5.4.2振動(dòng)的基本知識,基礎(chǔ)激振時(shí)質(zhì)量塊相對基礎(chǔ)位移的幅頻和相頻特性曲線如圖5-53,5.4.2振動(dòng)的基本知識,4. 機(jī)械阻抗的概念,機(jī)械阻抗是在機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析中被廣泛應(yīng)用的一種理論分析與試驗(yàn)測試相結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析方法,機(jī)械阻抗與機(jī)械導(dǎo)納的一般定義為,Z）,M),5.4.2振動(dòng)的基本知識,5.4.3振動(dòng)測量系統(tǒng),1. 振動(dòng)測量方法,2. 電測法振動(dòng)測量系統(tǒng),電測法測振系統(tǒng)的一般組成框圖如圖5-54所示,5.4.3振動(dòng)測量系統(tǒng),3. 測振傳感器,測振傳感器的類型,拾振器按振動(dòng)測量方法的力學(xué)原理可分為慣性式(絕對式)和相對式拾振器；按照測量時(shí)拾振器是否和被測物體接