（教學(xué)課件）機(jī)械量檢測技術(shù)及儀表

機(jī)械量檢測技術(shù)及儀表《過程參數(shù)檢測技術(shù)及儀表》2021/8/231內(nèi)容安排：7.1概述7.2位移檢測儀表7.3厚度檢測儀表7.4力、應(yīng)力與力矩檢測儀表7.5轉(zhuǎn)速檢測儀表7.6轉(zhuǎn)矩檢測儀表7.7振動(dòng)與加速度檢測儀表2021/8/2327.1概述機(jī)械量檢測主要涉及物體形狀和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的測量。

在機(jī)械量測量中無不與力有關(guān)，力的測量具有普遍性，但直接測力是困難的，目前都是采用間接的方法測量。

可進(jìn)行機(jī)械量測量的傳感器有多種，如電阻應(yīng)變式、電容式、電感式、霍爾式、磁電式、壓電式、壓磁式、超聲波式和光電式等。各種機(jī)械量測量可采用的測量原理見表7-1。2021/8/233精品PPT模板

機(jī)械量檢測所涉及的理論和技術(shù)內(nèi)容廣泛，形式多樣；與機(jī)械量檢測相關(guān)的儀表種類繁多且與新材料新技術(shù)同步發(fā)展。工業(yè)過程參數(shù)檢測中涉及的機(jī)械量檢測技術(shù)及儀表在整個(gè)機(jī)械量檢測技術(shù)中的重要性正在受到普遍重視，相關(guān)的技術(shù)和應(yīng)用正在向工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域滲透。2021/8/234精品PPT模板7.2位移檢測儀表

位移是指物體或其某一部分的位置對參考點(diǎn)產(chǎn)生的偏移量。位移的形式可以是直線位移或角位移。2021/8/235精品PPT模板2021/8/236精品PPT模板7.2.1電容式位移檢測方法電容式位移測量系統(tǒng)以平板電容器作為傳感元件。在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)充分考慮分布電容、非線性及干擾等因素對測量的影響。

電容式傳感器按工作原理可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三類。在位移測量系統(tǒng)中常采用變極距型電容式傳感器。2021/8/237精品PPT模板

圖7-1（a）中，一個(gè)電極為固定電極，另一個(gè)電極為可動(dòng)電極，它與被測物體相連；圖7-1(b)為差動(dòng)電容式位移檢測結(jié)構(gòu)，圖7-1(c)為與之配套的信號調(diào)理電路——變壓器電橋電路。

電容式軸位移測量系統(tǒng)如圖7-2所示。其中包括了軸向位移和徑向位移兩套測量裝置。2021/8/238精品PPT模板

利用先進(jìn)的IC制造技術(shù)可以制作超小型電容式位移傳感器。圖7-3為電容耦合型位移傳感器結(jié)構(gòu)圖。

可動(dòng)電極與固定驅(qū)動(dòng)電板的電容量耦合，耦合容量隨可動(dòng)電極的位置變化而改變。相鄰兩固定電極上施加幅度相同相位差為90°的正弦波電壓，這時(shí)可動(dòng)電極的感應(yīng)電壓的相位是固定電極排列方向上位移x的函數(shù)，因此通過檢測相位即可求得位移。2021/8/239精品PPT模板7.2.2電渦流式位移檢測方法7.2.2.1工作原理電渦流傳感器是基于渦流效應(yīng)工作的。

如果導(dǎo)體的磁導(dǎo)率及線圈激勵(lì)電流強(qiáng)度和頻率等參數(shù)恒定不變，則可把線圈的電抗看成是線圈與金屬導(dǎo)體間距離的單值函數(shù)，即二者之間成比例關(guān)系。這樣，根據(jù)渦流的大小即可測量出線圈與金屬導(dǎo)體間的距離。

電渦流傳感器根據(jù)激勵(lì)電流頻率的高低可分為高頻反射式電渦流傳感器和低頻透射式電渦流傳感器兩類。目前，高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用比較多，上面介紹的就是這一種。2021/8/2310精品PPT模板7.2.2.2測量系統(tǒng)

傳感器線圈由鉑金屬絲平繞在固定支架上，并采用不銹鋼殼體和耐腐蝕的材料封裝而成。石英晶體振蕩器用于產(chǎn)生一個(gè)頻率和幅值都固定的高頻信號，這一信號經(jīng)固定電阻R加到由傳感器線圈L和固定電容C組成的并聯(lián)回路上。這樣，并聯(lián)回路的阻抗就會(huì)隨著軸與傳感器線圈之間的距離x的變化而變化。2021/8/2311精品PPT模板7.2.2.3應(yīng)用問題⑴測量系統(tǒng)各部分之間必須互相匹配⑵探頭的安裝問題①多個(gè)探頭間的相互影響②探頭安裝位置的確定③探頭的固定④探頭與電纜的連接⑤接地⑶軸的材質(zhì)對測量的影響2021/8/2312精品PPT模板7.2.3光纖式位移檢測方法

圖(a)是光纖位移檢測原理圖。光源經(jīng)多股發(fā)射光纜傳到被測物體表面，光纖端口處光線呈圓錐狀擴(kuò)散，照射到物體表面后被反射，反射光的一部分再經(jīng)多股接收光纜傳到光敏元件。接受光范圍同樣是圓錐狀，所以照射光圓錐與接收光圓錐相重疊部分的光線強(qiáng)度將被檢測輸出。隨著被測物體的位移變化，重疊部分的光強(qiáng)也發(fā)生變化，根據(jù)光強(qiáng)信號就可以檢測位移。

為了增加反射光強(qiáng)度，應(yīng)增加發(fā)射和接收光纖數(shù)量，故對發(fā)射和接收光纖采取如圖(b)所示的各種模式組合方式。改變組合模式，可以調(diào)整檢測范圍和靈敏度，如圖(c)所示。2021/8/2313精品PPT模板7.2.4光柵式位移檢測方法

如圖7-9所示為透射式直線光柵原理圖，它由隨測量位移(或長度)移動(dòng)的滑尺(主光柵)和不動(dòng)的定尺(指示光柵)組成。在光源和透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)照射下，因定、滑尺的線紋間有微小的夾角θ，當(dāng)柵節(jié)距較光波長大得多的情況下，由于線紋的遮擋作用產(chǎn)生明暗相間的條紋——莫爾條紋，當(dāng)滑尺沿刻線的垂直方向與定尺作相對移動(dòng)時(shí)，每移過一個(gè)柵距W，莫爾條紋的亮區(qū)和暗區(qū)交替一次，在圖示的固定位置設(shè)置光電元件S1時(shí)，其所輸出的電信號將變化一周，因此可以利用此電信號的交變數(shù)來反映位移的大小(光柵節(jié)距W的倍數(shù))。2021/8/2314精品PPT模板7.3厚度檢測儀表厚度測量屬于長度測量范疇，應(yīng)用廣泛。常用的厚度測量儀表有電感式，射線式、超聲波式、高頻渦流式和微波式等。7.3.1滾輪接觸式電感厚度儀

由一個(gè)活動(dòng)滾輪和一個(gè)固定滾輪組成滾輪組。被測物體的厚度變化會(huì)引起活動(dòng)滾輪的徑向位移，從而引起電感傳感器的電感量發(fā)生變化，通過測量電感量即可求得被測物體的厚度。7.3.2射線式厚度儀

射線穿過被測物體后，射線的衰減程度與被測物體的厚度有關(guān)，這就是射線式厚度儀的測量原理。2021/8/2315精品PPT模板7.3.3超聲波測厚儀

超聲波測厚與超聲波測距有相同的工作原理，不同的是，前者的超聲波傳播介質(zhì)是各種固體材料，而后者是空氣，如圖7-10所示。

換能器發(fā)射的超聲波從上表面進(jìn)入被測物體到從下表面反射后被換能器接收所經(jīng)歷的時(shí)間為t，則被測物體厚度H為

值得注意的是，當(dāng)被測物體厚度值較小時(shí)，上式中的時(shí)間t是很小的，以至于該方法無法實(shí)現(xiàn)。2021/8/2316精品PPT模板

則發(fā)射波和反射波之間因相互增強(qiáng)而產(chǎn)生共振，在被測物體中形成駐波。換能器的頻率特性在被測物體中形成駐波處出現(xiàn)峰值。設(shè)計(jì)合適的信號處理電路檢測到這個(gè)峰值以及對應(yīng)的一階駐波（n=1)的波長λ=c/f,其中，f為簡諧信號頻率，則由上可計(jì)算物體厚度。

用連續(xù)的簡諧信號激發(fā)換能器，產(chǎn)生的超聲波可在上下表面進(jìn)行多次反射，如被測物體的厚度滿足下式式中，為超聲波波長；n-=1,2,……為駐波階數(shù)。2021/8/2317精品PPT模板7.4力、應(yīng)力與力矩檢測儀表

工程中力的測量通常是指對慣性力和彈性力的測量。對慣性力的測量一般是通過測量物體之間的相對運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，對彈性力的測量通常是通過測量物體自身的變形實(shí)現(xiàn)。下面，我們將忽略物體的相對運(yùn)動(dòng)，只考慮物體的變形，即只考慮彈性力的測量問題。7.4.1應(yīng)變式測力傳感器應(yīng)變式傳感器是由彈性元件、電阻應(yīng)變片和相應(yīng)的信號處理電路組成的。7.4.1.1彈性圓柱式力傳感器2021/8/2318精品PPT模板

將兩片相同的應(yīng)變片分別沿軸線和圓周方向粘貼，如圖7-11（c）所示。則在軸向應(yīng)力F的作用下，應(yīng)變片電阻的變化滿足式中，μ——彈性材料的泊松系數(shù)；

如果要得到差動(dòng)電橋的效果，應(yīng)將沿軸線方向粘貼的應(yīng)變片沿與軸線成一定角度的方向粘貼，且滿足以下關(guān)系和則有如此構(gòu)造的電橋可以達(dá)到差動(dòng)的效果。2021/8/2319精品PPT模板7.4.1.2懸臂梁式力傳感器等截面懸臂梁作用力與懸臂梁上表面長度方向的應(yīng)變關(guān)系式2021/8/2320精品PPT模板等強(qiáng)度懸臂梁作用力與懸臂梁上沿長度方向的應(yīng)變關(guān)系式等截面梁表面上的應(yīng)變量與位置有關(guān)，而等強(qiáng)度梁表面上的應(yīng)變量處處相等。2021/8/2321精品PPT模板

兩種懸臂梁的上下表面對應(yīng)處的應(yīng)變量的大小相等，方向相反。在梁的上下表面相對位置處粘貼應(yīng)變片，如下圖，可在電橋中構(gòu)造理想的差動(dòng)效果。7.4.1.3扭轉(zhuǎn)圓柱式力傳感器

在力矩測量中常用扭轉(zhuǎn)圓柱體作為彈性元件。2021/8/2322精品PPT模板

在與軸線成45度角的方向上出現(xiàn)最大應(yīng)力。扭轉(zhuǎn)圓柱體表面上有兩個(gè)相互垂直且與軸線成45度角的方向，在所加力矩一定時(shí)，這兩個(gè)方向感受到的應(yīng)變大小相等，方向相反。圖7-16給出了應(yīng)變片在扭轉(zhuǎn)圓柱體表面上粘貼位置的展開圖，圖中四個(gè)應(yīng)變片構(gòu)成圖7-17所示的全橋電路。2021/8/2323精品PPT模板7.4.2電阻應(yīng)變儀

電阻應(yīng)變片的電阻變化很小，經(jīng)測量電橋轉(zhuǎn)換成電壓后輸出信號也很微弱，必須加以放大后才能進(jìn)行顯示或其他處理。

圖7-18是電阻應(yīng)變儀的電路原理框圖。電阻應(yīng)變儀主要由信號發(fā)生器、電橋、運(yùn)算放大器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、穩(wěn)壓電源和顯示記錄裝置等部分組成。2021/8/2324精品PPT模板

電阻應(yīng)變儀中相敏檢波器既能檢測應(yīng)變振幅的大小，又能鑒別應(yīng)變的正負(fù)，其工作原理如圖7-19所示。2021/8/2325精品PPT模板7.5轉(zhuǎn)速檢測儀表轉(zhuǎn)速即旋轉(zhuǎn)角速度或旋轉(zhuǎn)頻率，它是衡量物體旋轉(zhuǎn)快慢的一個(gè)物理量。旋轉(zhuǎn)角速度的SI單位弧度/秒（rad/s）與單位轉(zhuǎn)/分（r/min）之間的關(guān)系是7.5.1離心力檢測法

質(zhì)量為m的重錘旋轉(zhuǎn)時(shí)受到mrω2的離心力而遠(yuǎn)離主軸，這將克服彈簧力向上拉動(dòng)套筒，套筒的升降通過齒輪帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)，可直接讀出轉(zhuǎn)數(shù)。2021/8/2326精品PPT模板7.5.2光電碼盤檢測法

光電碼盤檢測法是利用光電碼盤和透射型光電耦合器結(jié)合來測量轉(zhuǎn)速的，光電耦合器的輸出信號是對應(yīng)于碼盤窗口明暗的脈沖序列。光電耦合器如圖7-21所示，可分為透射型和反射型兩種。2021/8/2327精品PPT模板

光電碼盤有絕對光電碼盤與增量光電碼盤之分。如圖7-22(a)所示的絕對光電碼盤是把旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度用二進(jìn)制編碼輸出，它可以檢測絕對角度；增量光電碼盤是隨旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度輸出一列連續(xù)脈沖波的碼盤，通過累計(jì)脈沖個(gè)數(shù)測量旋轉(zhuǎn)角，而不能檢測轉(zhuǎn)軸的絕對轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向。2021/8/2328精品PPT模板

增量光電碼盤在工業(yè)中的應(yīng)用遠(yuǎn)比絕對碼盤多。為了使增量光電碼盤也能檢測轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向，可以采取圖7-23所示的檢測A，B和Z三個(gè)增量脈沖信號的辦法。當(dāng)只需檢測轉(zhuǎn)速時(shí)，選擇帶一個(gè)光電耦合器的單相輸出增量碼盤即可；若還要判別正負(fù)轉(zhuǎn)向并控制轉(zhuǎn)角位置時(shí)，則需要選擇內(nèi)部含三個(gè)光電耦合器的有三相輸出的增量碼盤。2021/8/2329精品PPT模板7.6轉(zhuǎn)矩檢測儀表7.6.1力矩、轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)角

要想實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備中運(yùn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)和位置的精確控制，必須對設(shè)備中各部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測量，轉(zhuǎn)矩的測量是其中重要的組成部分。圖中的轉(zhuǎn)軸看作剛體，力矩M為沿圓周切線方向的力F與轉(zhuǎn)軸半徑r的乘積2021/8/2330精品PPT模板

工程上，轉(zhuǎn)軸被看作彈性體，作用在彈性轉(zhuǎn)軸上的力矩被稱作轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，簡稱轉(zhuǎn)矩。機(jī)械元件在轉(zhuǎn)矩作用下都會(huì)產(chǎn)生一定程度的扭轉(zhuǎn)變形，故轉(zhuǎn)矩又稱為扭矩。當(dāng)長度為l的轉(zhuǎn)軸承受轉(zhuǎn)矩M時(shí)，轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角φ為：7.6.2轉(zhuǎn)矩的測量

對于相對靜止的轉(zhuǎn)軸（一端固定，亦稱扭力棒），轉(zhuǎn)矩的測量一般采用在轉(zhuǎn)軸表面粘貼應(yīng)變片測剪切應(yīng)變的方法。參考圖7-24。最大應(yīng)變?yōu)?/p>

在確定了最大應(yīng)變的方向后，在轉(zhuǎn)軸表面沿該方向粘貼應(yīng)變片，即可實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩的測量。2021/8/2331精品PPT模板

對于轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)軸，上述方法難以實(shí)現(xiàn)，目前應(yīng)用最多的是扭轉(zhuǎn)角測量法，如下圖，兩個(gè)全同調(diào)制輪與霍爾開關(guān)測轉(zhuǎn)速系統(tǒng)分別安裝在被測轉(zhuǎn)軸的兩端。2021/8/2332精品PPT模板

在轉(zhuǎn)矩為零時(shí)，兩個(gè)傳感器輸出的信號是完全相同的，此時(shí)系統(tǒng)只有轉(zhuǎn)速測量功能。當(dāng)轉(zhuǎn)矩不為零時(shí)，兩個(gè)傳感器輸出的信號波形如圖7-26所示。2021/8/2333精品PPT模板最終得到轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：

式中，為常數(shù)，在理想情況下脈沖周期T也是常數(shù)，故只要測得時(shí)間差即可由上式求得轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩M。7.6.3轉(zhuǎn)矩的測量誤差

在理想情況下，兩個(gè)霍爾開關(guān)輸出信號均為周期信號，對轉(zhuǎn)矩M的測量精度產(chǎn)生影響的只有兩個(gè)時(shí)間的計(jì)時(shí)誤差。即主要應(yīng)考慮單片機(jī)的計(jì)時(shí)誤差，單片機(jī)的工作頻率越高，計(jì)時(shí)誤差越小。

實(shí)際情況是非理想的。調(diào)制盤上Z個(gè)磁極的分布不可能是完全均勻的，存在誤差；調(diào)制輪與霍爾開關(guān)的間隙的不均勻性也要引入誤差；各個(gè)磁極磁感應(yīng)強(qiáng)度的不均勻性以及設(shè)備振動(dòng)等各種干擾的共同影響，最終使得兩個(gè)霍爾開關(guān)的輸出信號波形不可能是準(zhǔn)確的周期信號，這也會(huì)導(dǎo)致誤差。2021/8/2334精品PPT模板7.6.4微機(jī)扭矩儀

圖7-27是國產(chǎn)JW-3型微機(jī)扭矩儀的主機(jī)部分，它是采用微電腦技術(shù)設(shè)計(jì)的一種具有一定智能的、測定各種動(dòng)力設(shè)備和動(dòng)力傳輸機(jī)械的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率的高精度電子儀器。2021/8/2335精品PPT模板7.7振動(dòng)與加速度檢測儀表7.7.1振動(dòng)與加速度檢測原理

由牛頓運(yùn)動(dòng)方程可知，加速度和力是通過質(zhì)量聯(lián)系在一起的。如圖7-27所示，可以將彈簧質(zhì)量系統(tǒng)作為傳感器，使之與被調(diào)系統(tǒng)直接連在一起。2021/8/2336精品PPT模板

當(dāng)從系統(tǒng)框架外部施加振動(dòng)位移或加速度時(shí)，根據(jù)彈簧質(zhì)量系的固有角振動(dòng)頻率ω0與支點(diǎn)的角振動(dòng)頻率ω的關(guān)系，檢測支點(diǎn)與質(zhì)量m的相對位移y，不僅可求出支點(diǎn)的位移變化（即振動(dòng)），而且還可求出支點(diǎn)的加速度以及速度。(1)支點(diǎn)位移檢測(ω>>ω0的情況)

相對位移y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)檢測稱為位移檢測。(2)支點(diǎn)加速度檢測(ω<<ω0的情況)

相對位移y的幅值與支點(diǎn)加速度成比例變化，這種振動(dòng)檢測稱為加速度檢測。2021/8/2337精品PPT模板(3)支點(diǎn)速度檢測(ω>>ω0的情況)

相對位移y的幅值與支點(diǎn)速度成比例變化，這種振動(dòng)檢測可以稱為速度檢測。7.7.2動(dòng)電型振動(dòng)傳感器

在磁場密度為B的磁場中，長度為l的導(dǎo)體以速度v切割磁力線，導(dǎo)體兩端則產(chǎn)生電勢差為

利用這一原理檢測振動(dòng)速度，稱為動(dòng)電型振動(dòng)檢測。2021/8/2338精品PPT模板7.7.3應(yīng)變片式加速度傳感器

測量時(shí)，將傳感器殼體與被測物體剛性連接，當(dāng)被測物體以加速度a運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用，使彈簧片變形，該變形被粘貼在彈簧片上的應(yīng)變片感受到并隨之產(chǎn)生應(yīng)變，從而使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化。電阻的變化引起應(yīng)變片組成的橋路出現(xiàn)不平衡，從而輸出電壓，這樣即可得出被測物體的振動(dòng)加速度和振動(dòng)頻率。2021/8/2339精品PPT模板7.7.4壓電式加速度傳感器

主要由殼體、壓電元件、質(zhì)量塊、彈簧及引線等組成。使用時(shí)，將傳感器與振動(dòng)物體剛性固定在一起，這樣，傳感器就會(huì)隨振動(dòng)物體的振動(dòng)而一起振動(dòng)，其內(nèi)部的質(zhì)量塊在重力、外力及彈簧彈力的共同作用下，會(huì)給壓電元件施加與振動(dòng)同頻率的作用力，壓電元件便會(huì)產(chǎn)生