第10章機械量電測法

第10章機械量電測法1本章內容10.1轉速的電測法10.2振動的電測法10.3力與荷重的電測法10.4力矩的電測法210.1轉速的電測法轉速的表示方式：1、轉動角速度：2、轉速：每分鐘轉動圈數(shù)n，3、轉動頻率f：每秒鐘轉動圈數(shù)4、轉動周期，，所以單位：弧度/秒（rad/s）單位：轉/分（r/min）單位：轉/秒模擬式計數(shù)式3一、測速發(fā)電機10.1.1模擬式電測法——把轉速轉換成電壓根據(jù)電磁感應原理做成的專門測速的微型發(fā)電機，輸出電壓正比于輸入軸上的轉速，即：B為測速發(fā)電機中的磁感應強度；r為測速發(fā)電機繞組的平均半徑，l為繞組的總有效長度，ω為轉子的角速度；n為測速發(fā)電機的每分鐘轉速。4Me使鋁盤轉動，迫使游絲扭轉變形，游絲扭矩：二、磁性轉速表圖10-1-1磁性轉速表的結構原理磁鐵旋轉時，鋁盤因相對運動形成渦流，該渦流產生的磁場與永久磁鐵的磁場相互作用使鋁盤產生轉矩Me。Me與轉速n成正比：游絲帶動指針轉動，平衡時：指針指示的轉角θ對應于被測軸的轉速n5Me使鋁盤轉動，迫使游絲扭轉變形，游絲扭矩：二、磁性轉速表圖10-1-1磁性轉速表的結構原理磁鐵旋轉時，鋁盤因相對運動形成渦流，該渦流產生的磁場與永久磁鐵的磁場相互作用使鋁盤產生轉矩Me。Me與轉速n成正比：游絲帶動指針轉動，平衡時：指針指示的轉角θ對應于被測軸的轉速n6圖10-1-2離心式轉速表結構原理----把轉速轉換為位移離心力：彈簧力：平衡時：三、離心式轉速表7圖10-1-2離心式轉速表結構原理----把轉速轉換為位移離心力：彈簧力：平衡時：三、離心式轉速表8----將轉速轉換成脈沖頻率10.1.2計數(shù)式電測法一、測頻計數(shù)式轉換公式：適于轉速快的場合9圖10-1-4磁電式轉速傳感器10.1.2計數(shù)式電測法1、磁電式----將轉速轉換成脈沖頻率一、測頻計數(shù)式10圖10-1-4磁電式轉速傳感器10.1.2計數(shù)式電測法1、磁電式----將轉速轉換成脈沖頻率一、測頻計數(shù)式11圖10-1-4磁電式轉速傳感器轉換公式脈沖頻率：n：每分鐘轉動圈數(shù)m：每轉一周傳感器發(fā)出脈沖數(shù)（即齒輪齒數(shù)）10.1.2計數(shù)式電測法1、磁電式----將轉速轉換成脈沖頻率一、測頻計數(shù)式122、霍爾式10.1.2計數(shù)式電測法----將轉速轉換成脈沖頻率一、測頻計數(shù)式圖10-1-7霍爾式轉速傳感器轉盤圓周上安置m個永磁鐵氧體13圖10-1-7霍爾式轉速傳感器2、霍爾式m個永磁鐵氧體霍爾元件霍爾元件粘貼在磁極的端面上10.1.2計數(shù)式電測法----將轉速轉換成脈沖頻率一、測頻計數(shù)式轉盤圓周上安置m個永磁鐵氧體14圖10-1-8光電式轉速傳感器3、光電式10.1.2計數(shù)式電測法----將轉速轉換成脈沖頻率一、測頻計數(shù)式黑白間隔數(shù)(a圖)或透光縫隙數(shù)(b圖）為m15圖10-1-8光電式轉速傳感器3、光電式10.1.2計數(shù)式電測法----將轉速轉換成脈沖頻率一、測頻計數(shù)式黑白間隔數(shù)(a圖)或透光縫隙數(shù)(b圖）為m1610.1.2計數(shù)式電測法當轉速很慢時，通常是測量轉動周期來反映轉動快慢，這種測量轉速的方法稱為測周法。二、測時（測周）計數(shù)式若圓周上設m個檢測電，每轉1/m周計入的時鐘脈沖個數(shù)為N，時鐘脈沖周期為T0，則轉動周期為：T=mNT0適于轉速慢的場合1710.1.2計數(shù)式電測法三、測瞬時轉速通常采用測量每轉過一個指定的角度所需時間的方法來測量瞬時轉速。瞬時角速度為：若計時脈沖頻率為f0，時間內計入時鐘脈沖個數(shù)為Ni，則：若將每轉一周均勻分為m個測點，每兩相鄰測點間距為，各段所用時間的計時脈沖數(shù)位Ni，則各測點的瞬時角速度為：1810.2振動的電測法

物體的機械振動是指物體在其平衡位置附近作來回往復運動。用電測方法測量振動的裝置稱為振動傳感器（或測振傳感器）。對物體的機械振動進行測量，通常是測量其振動的頻率、振幅、速度、加速度等。1910.2振動的電測法振動傳感器分類：1、根據(jù)被測參數(shù)不同來分類：

振動位移傳感器、振動速度傳感器、振動加速度傳感器。2、根據(jù)傳感器工作原理分類：應變式、電容式、電感式、電渦流式、差動變壓器式、磁電式、壓電式、光電式等。3、根據(jù)選定的運動參照點來分類：

相對振動傳感器、絕對振動傳感器。2010.2.1相對振動傳感器與絕對振動敏感器一、相對振動傳感器相對振動——物體相對于其平衡位置的往復運動。1.相對振動傳感器的特點內部固定部分與運動參照點（平衡）位置相對靜止；內部可動部分與被測振動體一起運動。2110.2.1相對振動傳感器與絕對振動敏感器一、相對振動傳感器2.傳感器可動部分與被測振動體關聯(lián)方式圖10-2-1相對振動傳感器的關聯(lián)方式(a)固接式（b)彈壓式2210.2.1相對振動傳感器與絕對振動敏感器一、相對振動傳感器2.傳感器可動部分與被測振動體關聯(lián)方式圖10-2-1相對振動傳感器的關聯(lián)方式(a)固接式（b)彈壓式23彈壓式相對振動傳感器要求可動部分對被測物體的壓力大于0（即保持接觸不分離）：FKmamFk為彈簧力；m為傳感器可動部分及頂桿的質量；am為被測物體的加速度幅值；k為彈簧的彈性系數(shù)；ΔL為彈簧的初壓縮量；ω為簡諧振動角頻率；xm為簡諧振動的振幅。傳感器可動部分跟隨被測物體運動的條件為：2410.2.1相對振動傳感器與絕對振動敏感器二、絕對振動敏感器絕對振動——被測物體相對于大地或慣性空間的往復運動。1.絕對振動敏感器的特點內部固定部分與被測振動體一起運動。內部可動部分有一定質量m，且通過彈簧R與固定部分相連接。內部可動部分與固定部分之間相對運動受阻尼力作用，阻尼系數(shù)為C，即絕對振動敏感器內部存在一個“m-k-c”系統(tǒng)。2510.2.1相對振動傳感器與絕對振動敏感器二、絕對振動敏感器2.絕對振動敏感器的工作原理圖10-2-2絕對振動敏感器的工作原理x：絕對位移2610.2.1相對振動傳感器與絕對振動敏感器二、絕對振動敏感器2.絕對振動敏感器的工作原理圖10-2-2絕對振動敏感器的工作原理yx：絕對位移2710.2.1相對振動傳感器與絕對振動敏感器二、絕對振動敏感器2.絕對振動敏感器的工作原理圖10-2-2絕對振動敏感器的工作原理y如圖由質量塊彈簧阻尼器構成的系統(tǒng)簡稱為“m-k-c”系統(tǒng)，實質上就是一種敏感器。它把被測物體的絕對運動轉換為敏感器中可動部分與固定部分的相對運動。被測物體振動時，質量塊絕對位移為z:z=x+y（矢量相加）x：絕對位移28基于“m-k-c”系統(tǒng)運動關系及受力分析，可列出其運動方程，對方程進行分析推導，可得到質量塊的相對運動位移y與被測物體絕對運動參數(shù)（位移、速度、加速度）之間的關系。（分析推導過程略，結果如下）yx：絕對位移圖10-2-2絕對振動敏感器的工作原理3.絕對振動敏感器的功能29ω是被測振動角頻率，ω0是傳感器固有角頻率。3.絕對振動敏感器的功能當ω>>ω0時：當ω≈ω0時：當ω<<ω0時：相對振動位移振幅被測體絕對振動位移振幅相對振動位移振幅被測體絕對振動速度振幅相對振動位移振幅被測體絕對振動加速度振幅絕對振動敏感器把被測物體的絕對振動轉換成敏感器內部可動部分與固定部分的相對運動。3010.2.2絕對振動電測法幾種設計制作慣性式振動傳感器的思路和方法：一、位移傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)二、磁電式傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)三、渦流式傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)下面僅以第一種為例進行介紹。3110.2.2絕對振動電測法可動部分與固定部分用彈簧片或彈性元件相連，并填充阻尼液體或氣體；可動部分質量加大或與質量塊固定在一起；固定部分與被測振動體相連。一、位移傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)

結構型位移傳感器（電位器式、電感式、電容式、渦流式等）內部都包括固定部分和可動部分。對其做如下設計，即可制成位移型慣性式振動傳感器。3210.2.2絕對振動電測法一、位移傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)實例：

電容式加速度傳感器圖10-2-3電容式加速度傳感器結構示意圖此電容式加速度傳感器實際上是變極距差動電容式位移傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)構成。變極距型電容傳感器差動式3310.2.2絕對振動電測法一、位移傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)實例：

電容式加速度傳感器圖10-2-3電容式加速度傳感器結構示意圖此電容式加速度傳感器實際上是變極距差動電容式位移傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)構成。變極距型電容傳感器差動式34差動電容：因為若ω>>ω0：若ω<<ω0：測出電橋電路中輸出電壓幅值Um，即可確定振動位移幅值Xm或振動加速度幅值Am。圖10-2-3電容式加速度傳感器結構示意圖3510.3力與荷重的電測法直接法----直接將力轉換為電信號，如壓電式傳感器(5.2節(jié))、振弦式傳感器、振梁式傳感器（7.4節(jié)）間接法----以彈性元件作為敏感器，將拉力或壓力轉換為應變或位移，再用應變傳感器或位移傳感器把應變或位移轉換為電量。3610.3.1力敏感器一、實心軸和空心圓軸圖10-3-1實心圓柱狀彈性元件縱向線應變：橫向線應變：3710.3.1力敏感器一、實心軸和空心圓軸圖10-3-1實心圓柱狀彈性元件縱向線應變：橫向線應變：3810.3.1力敏感器二、懸臂梁1.等截面梁圖10-3-2（a)等截面梁自由端撓度：3910.3.1力敏感器二、懸臂梁2.變截面（等強度）梁圖10-3-2（b)變截面梁自由端撓度：4010.3.2力的間接電測法——將應變片粘貼到力敏感器上一、應變式力傳感器四應變片接成電橋的輸出電壓：411.受力圓柱上沿軸向和周向粘貼應變片圖10-3-3受壓圓柱上應變片的粘貼10.3.2力的間接電測法一、應變式力傳感器422.等強度梁上下兩表面粘貼應變片圖10-3-4等強度梁上應變片的粘貼10.3.2力的間接電測法一、應變式力傳感器43二、位移式力傳感器1.電容式荷重傳感器圖10-3-5電容式稱重傳感器1-動極