傳感與檢測技術(shù)課件：ch19-幾何量運(yùn)動(dòng)量測量

1、 第19章 幾何量、運(yùn)動(dòng)量測量19.1 長度測量概述19.2 尺寸測量19.3 位移、物位、厚度測量19.4 速度、轉(zhuǎn)速測量19.5加速度、振動(dòng)測量119. 幾何量、運(yùn)動(dòng)量測量19.1 長度測量概述19.1.1長度檢測的意義1）長度是生產(chǎn)實(shí)踐中最常遇的被測量之一2）長度檢測是常規(guī)計(jì)量項(xiàng)目中的基本項(xiàng)目十大計(jì)量項(xiàng)目：長度、熱量、力學(xué)、電磁、電子、時(shí)間頻率、光學(xué)、 輻射、聲學(xué)、化學(xué)3）長度是最基本的物理量之一 體積長*寬*高，速度位移/時(shí)間， 19.1.2 長度的單位與基準(zhǔn)1）長度的單位與國際基準(zhǔn) 國際單位制“米”（m）：長度的法定單位 米的新定義：1983年第17屆國際計(jì)量大會(huì)規(guī)定： 1米是“光在

2、真空中于1/299792458秒的時(shí)間間隔內(nèi)所經(jīng)歷路程的長度”，稱為“米的國際基準(zhǔn)”。219.1 長度測量概述19.1.2 長度的單位與基準(zhǔn)2）長度的實(shí)用基準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)量）(1) 光波波長： 5種激光（He-Ne）波長，單色？(2) 量塊：形狀-金屬長方體； 材料 - 線膨脹系數(shù)小、性質(zhì)穩(wěn)定、耐磨以及不易 變形的合金鋼材料； 量值 - 單值量具，兩個(gè)工作面的距離，可組合(3) 線紋尺：帶有刻線的尺 - 光柵、磁柵、容柵、 319.1 長度測量概述19.1.3 長度測量的方法1）按測量手續(xù)劃分直接測量：直接測量被測量，測量結(jié)果即為被測量的值。例：用卡尺直接測零件直徑，卡尺讀數(shù)即為被測值。 D = 2

3、0.01 mm特點(diǎn)：操作簡單，精度較高間接測量：先測與被測量相關(guān)的其他量，再按函數(shù)關(guān)系式求得被測量。例：用弓高弦長法測大尺寸直徑，讀數(shù)為弓高H和弦長L， 計(jì)算得直徑值D：D=L2/(4H)+H特點(diǎn)：操作復(fù)雜，精度不高419.1 長度測量概述19.1.3 長度測量的方法2、按測量結(jié)果的性質(zhì)劃分絕對測量：儀器示值為被測量的絕對值。例：用刻度尺直接測零件長度， 刻度尺讀數(shù)即零件長度值。 L = 20.1 mm特點(diǎn)：操作簡單，測量范圍大，精度不高相對測量：先測量被測量與某個(gè)已知標(biāo)準(zhǔn)量的相對差值，然后測量結(jié)果加上標(biāo)準(zhǔn)量求得被測量。例：用比較儀測零件長度，標(biāo)準(zhǔn)量為20mm量塊，讀數(shù)為+0.065mm，零件

4、長度為20.065mm特點(diǎn)：操作復(fù)雜，測量范圍小，精度高 被測目標(biāo)測量設(shè)備被測目標(biāo)測量基準(zhǔn)測量設(shè)備53）按測量器具與目標(biāo)有無接觸劃分接觸測量：測量器具與被測目標(biāo)相接觸， 例：卡尺、千分尺、電感位移傳感器、特點(diǎn)：測量過程可靠，但響應(yīng)慢，需測量力，易變形和劃傷非接觸測量：測量器具與被測目標(biāo)不接觸， 例：電容位移傳感器、激光傳感器、測量顯微鏡 特點(diǎn)：響應(yīng)快，無測力磨損和變形4）按生產(chǎn)工藝過程劃分： 在線測量和離線測量(主動(dòng)測量和被動(dòng)測量）19.1 長度測量概述19.1.3 長度測量的方法61）測量實(shí)例利用卡尺測量零件尺寸，理論：L = D； 實(shí)際：L D 原因: 導(dǎo)軌不直測量線與基準(zhǔn)線不平行 量爪不

5、平行偏差誤差大小與夾角大小有關(guān)，與測量線基準(zhǔn)線之間的距離有關(guān)，有：=L- L=stg =s2）阿貝原則被測量的尺寸線應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)量的尺寸線重合或在其延長線上。作用：使導(dǎo)軌直線度誤差引起的測量誤差為二階誤差，一般可忽略。 L=A-A=A2/219.1 長度測量概述19.1.4 長度測量應(yīng)遵循的原則SDL71) 定位：使被測件處于最佳方位，使實(shí)際測量量符合被測量的定義。典型定位方法：平面定位、外圓定位、內(nèi)圓定位、頂尖定位要求-選擇定位面時(shí)應(yīng)考慮：首先保證能按被測量的定義進(jìn)行測量；遵守長度測量原則；選取尺寸及形狀精度高的面為定位面，盡可能與測量基面、工藝基面、裝配基面統(tǒng)一，并且能保持定位的穩(wěn)定性；測多參

6、量時(shí)，定位方式能滿足所有參量測量要求，避免多次定位。2) 瞄準(zhǔn)：確定被測量上的測量點(diǎn)相對標(biāo)準(zhǔn)量的確切位置。3) 讀數(shù)/采樣：讀取量儀的顯示值；采集傳感器的輸出信號19.2 尺寸測量19.2.1尺寸測量的一般過程平面定位 外圓定位81) 影像測量儀工作原理：光源目標(biāo)鏡頭CCD圖像 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理測量結(jié)果特點(diǎn)：快速-可直接獲取一維、二維、三維尺寸 智能-自動(dòng)調(diào)焦、自動(dòng)瞄準(zhǔn) 精準(zhǔn)-高放大倍率、亞像素細(xì)分2) 投影測量儀工作原理：光源準(zhǔn)直透鏡平行光目標(biāo) 物鏡 反射鏡投影幕測量方法：人工目視瞄準(zhǔn)讀數(shù)19.2 尺寸測量19.2.1常規(guī)尺寸的測量-非接觸式測量法光源準(zhǔn)直透鏡工作臺物鏡CCD攝像機(jī)零件光源準(zhǔn)直

7、透鏡工作臺物鏡投影幕零件反射鏡91）大長度測量(1) 距離測量法分別瞄準(zhǔn)被測長度的兩端A和B，分別測量兩個(gè)位置的距離DA和DB，計(jì)算得出長度：L=DADB常用測量器具：激光干涉儀(2) 光學(xué)測量法 用光學(xué)系統(tǒng)將縮小測目標(biāo) (比例k)，測量被測長度的像長度 L0，計(jì)算被測長度：L = kL0常用測量器具：影像測量儀 19.2 尺寸測量19.2.2 大尺寸的測量-非接觸式測量法AB10微小尺寸：環(huán)繞波導(dǎo)絲、隨電子波光速移動(dòng)的磁場-與垂直波導(dǎo)絲軸線的磁環(huán)磁力線正交-移動(dòng)磁場到達(dá)磁環(huán)位置-復(fù)合成瞬態(tài)螺旋磁場-波導(dǎo)絲扭曲-以超聲速的扭轉(zhuǎn)彈性波-檢測器接收轉(zhuǎn)換為電脈沖-發(fā)射-接收信號時(shí)差-磁鐵位置。231

8、9.3 位移、物位、厚度測量19.3.3 物位測量4) 磁致伸縮物位傳感器性能優(yōu)點(diǎn)：高精度（國內(nèi)產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)非線性小于0.05%FS，重復(fù)性優(yōu)于0.002%）、超大量程，能同時(shí)測多參數(shù)，壽命長，耐高溫高壓，適用于易燃易爆、有腐蝕的場合，易安裝和維護(hù)，便于自動(dòng)化、智能化。 應(yīng)用情況：直接將位置磁鐵與浮球相連，且在波導(dǎo)鋼絲外加保護(hù)套，廣泛應(yīng)用于液位、界面的測量，特別是用于數(shù)十米高的超大油罐內(nèi)液面的監(jiān)測。 2419.3 位移、物位、厚度測量19.3.4 厚度測量 厚度和位移均屬長度測量范疇，很多情況下可用測長、測位移的傳感及技術(shù)測厚度。厚度測量可分為絕對和相對測量。相對測量不需知道絕對厚度，只要測出相

9、對變化與標(biāo)準(zhǔn)厚度的偏差。從測量對象看，除了板材、帶材、管材厚度外，還有涂層或鍍層的厚度。 可測厚的傳感器種類很多，一類方法是直接利用厚度調(diào)制傳感器的輸出信號，即絕對測厚，如低頻透射式渦流測厚、超聲波測厚、微波測厚、核輻射測厚等方法。其中除渦流和微波測厚用于導(dǎo)體材料以外，其他均適用于任何材料。另一類測厚即相對測厚，采用如極距變化型電容傳感器。右圖所示為高頻反射式渦流傳感器測金屬板厚的相對法。2519.4 速度、轉(zhuǎn)速測量19.4.1 速度測量1）概述速度：物體單位時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的位移增量，單位: m/s。 按物體運(yùn)動(dòng)的形式，測量的速度分為線速度和角速度；根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度的參考基準(zhǔn)，有絕對速度和相對速度的測

10、量；從速度的數(shù)值特征看，有平均速度和瞬時(shí)速度的測量；按速度的獲取方式，分為直接速度測量和間接速度的測量。2）速度的測量方法(1) 時(shí)間、位移計(jì)算方法 此方法根據(jù)速度的定義來測量，即測量距離L和通過該距離的時(shí)間t求得平均速度。L越小，所得速度越接近運(yùn)動(dòng)體的瞬時(shí)速度。由此可延伸出多種測速法，如：相關(guān)法和、空間濾波器法、光束切斷法。 根據(jù)圖示光束切斷法有：v=L/NT。 如何提高精度？2619.4 速度、轉(zhuǎn)速測量19.4.1 速度測量(1) 時(shí)間、位移計(jì)算方法a) 相關(guān)測速法：利用求隨機(jī)過程互相關(guān)函數(shù)極值的方法測速度。設(shè)平穩(wěn)隨機(jī)過程觀察的時(shí)間為T，則其互相關(guān)函數(shù)為： 當(dāng)被測運(yùn)動(dòng)以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)體

11、表面總有些可測得的痕跡變化或標(biāo)記。如圖a所示。在固定的距離L上裝兩個(gè)檢測器A和B，用于檢測痕跡變化。其輸出信號波形如圖b所示。這兩個(gè)信號是測量獲得的物體表面變化的隨機(jī)過程x(t),y(t)。在測量條件基本相同的情況下，這兩個(gè)隨機(jī)信號只在時(shí)間上滯后t0，即: y(t)= x(t- t0). t0是物體上某點(diǎn)從A運(yùn)動(dòng)到B的時(shí)間，測得t0后就可求得物體運(yùn)動(dòng)速度，即v= L/t。2719.4 速度、轉(zhuǎn)速測量19.4.1 速度測量(1) 時(shí)間、位移計(jì)算方法a) 相關(guān)測速法： 計(jì)算t0的方法就是利用數(shù)學(xué)上求互相關(guān)函數(shù)極值的方法。在測量足夠長的時(shí)間T內(nèi)， x(t),y(t)的互相關(guān)函數(shù)為： 它和Rx()相比

12、， Rx( -t0)相當(dāng)于把自相關(guān)函數(shù)Rx()延時(shí) t0的值。當(dāng) =t0時(shí)，Rx( -t0)有極大值，也即互相關(guān)函數(shù)Rxy() 有極大值，此時(shí) 就是所求的t0值。 將x(t),y(t)送到模擬或數(shù)字相關(guān)分析器中，改變滯后時(shí)間，可得到相互關(guān)函數(shù)隨滯后時(shí)間變化時(shí)的圖形，求得最大值時(shí)所對應(yīng)的時(shí)間就是t0，由此求得速度。 工程上用此方法可測量軋鋼時(shí)板材速度、流體流動(dòng)速度、汽車車速等。2819.4 速度、轉(zhuǎn)速測量19.4.1 速度測量(1) 時(shí)間、位移計(jì)算方法b) 空間濾波器測速基本原理：用可選一定空間頻率段的空間濾波器件與被測物同步運(yùn)動(dòng)，在單位空間內(nèi)測量相應(yīng)的時(shí)間頻率，計(jì)算出被測速度?？臻g頻率：單位空

13、間線度內(nèi)物理量周期性變化的次數(shù)。 如圖所示，在長L的柵格板上刻N(yùn)個(gè)等距的透明狹縫，柵板移動(dòng)時(shí)，光敏器件可感知光的明暗變化，變化的空間頻率: =N/L 若柵格板移動(dòng)速度為v，移動(dòng)L所需時(shí)間為t，則光敏器件測到的時(shí)間頻率: f=N/t。 由N=L得時(shí)間頻率和空間頻率的關(guān)系： f=L /t= v 可知，速度v可用空間頻率描述2919.4 速度、轉(zhuǎn)速測量19.4.1 速度測量(1) 時(shí)間、位移計(jì)算方法b) 空間濾波器測速工作原理：如圖所示，點(diǎn)光源以一定速度沿 y向運(yùn)動(dòng)，光通過透鏡成像在叉指式光電池柵格上，使光電池輸出頻率為 f的脈沖串。選擇光電池柵格尺寸和形狀，使柵格對一定空間頻率有選擇性，則物體速度

14、轉(zhuǎn)換為時(shí)間頻率信號。空間濾波器輸出信號的中心頻率正比于速度，通過測頻來測速。但實(shí)際光源非點(diǎn)光源，存在任意輝度的分布。 此方法適用于傳送帶、鋼板、車輛等的速度檢測，可用于以轉(zhuǎn)動(dòng)物體為背景的角速度測量；其檢測范圍為.5250 km/h，精度可達(dá)0.5%。3019.4 速度、轉(zhuǎn)速測量19.4.1 速度測量2）加速度積分法和位移微分測量法 測量運(yùn)動(dòng)體的加速度，并對時(shí)間積分，可得運(yùn)動(dòng)體的速度；測量運(yùn)動(dòng)體的位移信號，將其對時(shí)間微分，也可得到速度，這兩種方法完全相同。 利用該方法典型實(shí)例是振動(dòng)測量中，利用加速度計(jì)測量振動(dòng)體的加速度振動(dòng)信號經(jīng)電路積分獲得振動(dòng)速度；應(yīng)用振幅計(jì)測量振動(dòng)體位移信號再進(jìn)行微分得到振動(dòng)

15、的速度。3）利用物理參數(shù)測量速度 利用速度大小與某些物理量間的已知關(guān)系間接測量物體運(yùn)動(dòng)速度。如：電動(dòng)式速度傳感器和電磁式速度傳感器。3119.4 速度、轉(zhuǎn)速測量19.4.1 速度測量3）利用物理參數(shù)測量速度電動(dòng)式速度傳感器：結(jié)構(gòu)原理如圖所示。組成：軛鐵+永久磁鐵+線圈及支承彈簧原理：永久磁鐵和軛鐵產(chǎn)生一個(gè)均勻磁場，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，穿過該磁場中的線圈的磁通量隨時(shí)間變化時(shí)，線圈兩端將產(chǎn)生成正比于磁通量減少速率的電壓 V =d/dt 。如果傳感器中的線圈垂直于磁場運(yùn)動(dòng)，在線圈中產(chǎn)生成正比于線圈速度的感應(yīng)電壓，由此電壓可測得速度。 這種傳感器的靈敏度與磁通密度、線圈的匝數(shù)及其展開面積的乘積成正比。但

16、線圈的面積越大，傳感器的體積也越大，且會(huì)使其動(dòng)態(tài)特性變壞。3219.4 速度、轉(zhuǎn)速測量19.4.1 速度測量3）利用物理參數(shù)測量速度電磁式速度傳感器：結(jié)構(gòu)原理如圖所示。組成：永久磁鐵+線圈；永久磁鐵和運(yùn)動(dòng)物體相連，線圈處于固定狀態(tài)。當(dāng)永久磁鐵從線圈旁經(jīng)過時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電勢，如果磁鐵經(jīng)過的路徑不變，那么此感應(yīng)脈沖的電壓峰值與磁鐵運(yùn)動(dòng)速度成正比。因此，此脈沖電壓的峰值可用來確定永久磁鐵的運(yùn)動(dòng)速度。將永久磁鐵固定在被測體上，可得物體的運(yùn)動(dòng)速度。3319.4 速度、轉(zhuǎn)速測量19.4.1 速度測量4）多普勒效應(yīng)測速多普勒效應(yīng)：當(dāng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離變化時(shí)，發(fā)射機(jī)發(fā)射信號的頻率與接收機(jī)收到的信

17、號頻率不同的現(xiàn)象。多普勒效應(yīng)產(chǎn)生過程(以被測體向測點(diǎn)接近的情況為例): 如圖a所示，發(fā)射機(jī)發(fā)出信號(電磁或超聲)向被測體輻射，被測體以速度v運(yùn)動(dòng)，被測體接收到的信號頻率為： f1 =f0+ v /0式中，f0為發(fā)射機(jī)發(fā)射信號的頻率；v為被測物體的運(yùn)動(dòng)速度；0為發(fā)射信號波長，0C/f0，C為信號波傳播速度。3419.4 速度、轉(zhuǎn)速測量19.4.1 速度測量4）多普勒效應(yīng)測速 如果將f1作為反射波向接收機(jī)發(fā)射，如上圖b所示。接收機(jī)接收到的信號波頻率為： f2 = f1+ v /1 = f0+ v /0 + v /1 若被測物的運(yùn)動(dòng)速度v遠(yuǎn)小于信號波的傳播速度C，即：v C時(shí)，可認(rèn)為0 =1，所以

18、f2 = f0 + 2v /0 由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻率之差稱為多普勒頻率，即 fd=f2f0=2v /0 可見，只要v 0。式中，am為被測物體的加速度幅值；m是傳感器可動(dòng)部分及頂桿的質(zhì)量；Fk彈簧力。Fk=kl，k為彈簧的彈性系數(shù)；l為彈簧的初壓縮量。5919.5 加速度與振動(dòng)測量19.5.3 振動(dòng)測量1）相對振動(dòng)與絕對振動(dòng)電測法(1)相對振動(dòng)電測法 若被測振動(dòng)為簡諧振動(dòng)，則振動(dòng)加速度幅值am=2xm；式中，是簡諧振動(dòng)角頻率；xm是簡諧振動(dòng)的振幅。 綜上可得傳感器可動(dòng)部分跟隨被測體運(yùn)動(dòng)的條件： l(m/k) 2xm=(/0)2xm式中，0=(k/m)1/2為簡諧振動(dòng)固有振動(dòng)角頻率。 可知：如

19、果在使用中，彈簧的初始壓縮量l不夠大，或者被測體的振動(dòng)頻率過高或振幅xm過大，都會(huì)使上述跟隨條件得不到滿足，從而使頂桿與被測物體發(fā)生脫離或撞擊，故該方式只能在一定的頻率和振幅范圍內(nèi)工作。6019.5 加速度與振動(dòng)測量19.5.3 振動(dòng)測量1）相對振動(dòng)與絕對振動(dòng)電測法(2)絕對振動(dòng)電測法 被測物體相對大地或慣性空間的往復(fù)運(yùn)動(dòng)稱為絕對運(yùn)動(dòng)。絕對振動(dòng)傳感器工作原理如圖所示，整個(gè)傳感器被固定在被測體上，傳感器中的固定部分與被測體一起運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。 由牛頓力學(xué)知，加速度和力通過質(zhì)量聯(lián)系在一起?？蓪椈少|(zhì)量系統(tǒng)作為傳感器，使之與被測系統(tǒng)直接連在一起，當(dāng)從系統(tǒng)框架外部施加振動(dòng)位移或加速度時(shí)，設(shè)

20、檢測系統(tǒng)外殼與質(zhì)量m之間的相對位移為y，支點(diǎn)位移為z=Asint，則質(zhì)量的絕對位移x=y+z=y+Asint; 求導(dǎo)可得： d2x/dt2=d2y/dt2- A2sint6119.5 加速度與振動(dòng)測量19.5.3 振動(dòng)測量1）相對振動(dòng)與絕對振動(dòng)電測法(2)絕對振動(dòng)電測法 彈簧力和阻尼力都與相對位移有關(guān)，其運(yùn)動(dòng)方程式為： md2x/dt2= - Cdy/dt- ky式中, k為彈簧系數(shù)；C為阻尼系數(shù)。 振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式為： md2y/dt2+Cdy/dt+ky=mA2sint此式表明：支點(diǎn)位移為Asint的振動(dòng)系統(tǒng)等價(jià)于支點(diǎn)靜止、受外力為mA2sint沖擊的加速度系統(tǒng)。其運(yùn)動(dòng)方程解為： y=

21、y0Asin(t-)其中：0=(k/m)1/2, =C/(2m0).6219.5 加速度與振動(dòng)測量19.5.3 振動(dòng)測量1）相對振動(dòng)與絕對振動(dòng)電測法(2)絕對振動(dòng)電測法由此可知：根據(jù)彈簧質(zhì)量系的固有角振動(dòng)頻率0與支點(diǎn)的角振動(dòng)頻率的關(guān)系，測量支點(diǎn)與質(zhì)量m的相對位移 不僅可求出支點(diǎn)的位移變化即振動(dòng)幅值，而且可求出支點(diǎn)的加速度及速度；其關(guān)系式是以下3種絕對振動(dòng)電測法的理論基礎(chǔ)。a）支點(diǎn)位移測量（ 0的情況） 當(dāng)0時(shí)，由上式得：y0/A1; =, 即: y- Asint也即：相對位移的振幅y0與支點(diǎn)位移的振幅A大小相等、方向相反。這種振動(dòng)測量稱為位移測量。 通常要使用大質(zhì)量和低彈性彈簧。此時(shí)絕對位移x=0，即位移測量時(shí)的質(zhì)量基本靜止不動(dòng)。6319.5 加速度與振動(dòng)測量19.5.3 振動(dòng)測量1）相對振動(dòng)與絕對振動(dòng)電測法(2)絕對振動(dòng)電測法b)支點(diǎn)加速度測量(0的情況) 當(dāng)0時(shí)，相對速度可看成是殼體的絕對速度，因此輸出電壓也就與殼體的絕對速度成正比。當(dāng)=0.50.7, f0=(1015)Hz時(shí)，用這類傳感器測低頻振動(dòng)(1.7060)就只能保證幅值精度，無法保證相位精度。因?yàn)樵诘皖l