《現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)及儀表》課件第8章 機(jī)械量檢測(cè)及儀表

物體或質(zhì)點(diǎn)的位置通常用其在選定參照物的坐標(biāo)系上所處的坐標(biāo)來描述。位移就是位置的移動(dòng)量。物體或質(zhì)點(diǎn)作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的位移稱為線位移，作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的位移稱為角位移。8.1位移測(cè)量?jī)x表

8.1.1電容傳感器

以電容器作為敏感元件，將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化的傳感器稱為電容傳感器。電容傳感器有三種形式，極距變化型、面積變化型和介電常數(shù)變化型。

電感傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置?？梢杂脕頊y(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、流量、重量、力矩、應(yīng)變等多種物理量。電感傳感器種類很多，一般分為自感式和互感式兩大類。習(xí)慣上講的電感傳感器通常是指自感式傳感器，而互感式傳感器由于是利用變壓器原理，又往往做成差動(dòng)形式，所以常稱為差動(dòng)變壓器式傳感器。8.1.2電感傳感器

8.1.3光柵傳感器

光柵傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理制成的一種計(jì)量光柵，主要用于位移測(cè)量及與位移相關(guān)的物理量（如速度、加速度等方面）測(cè)量。由于光柵傳感器具有準(zhǔn)確度高、量程大、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)，以及可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量等特點(diǎn)，所以它在幾何量和機(jī)械量等物理量的測(cè)量、數(shù)控系統(tǒng)的位置檢測(cè)和數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。光柵傳感器的主要元件是光柵。在長(zhǎng)度和角度測(cè)量中應(yīng)用的光柵，常稱為計(jì)量光柵。計(jì)量光柵根據(jù)光線走向分為透射光柵和反射光柵兩種；根據(jù)刻線型式又可分為黑白光柵和相位光柵兩種；根據(jù)形狀和用途分為長(zhǎng)光柵和圓光柵兩種。8.2轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表

旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速測(cè)量在工程上經(jīng)常遇到，以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來表達(dá)，即r/min。測(cè)量轉(zhuǎn)速的儀表統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)速儀。轉(zhuǎn)速儀的種類繁多，按測(cè)量原理可分為模擬法、計(jì)數(shù)法和同步法；按變換方式又分為機(jī)械式、電氣式、光電式和頻閃式等。

8.2.1磁電式轉(zhuǎn)速傳感器

圖8-25為磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它由永久磁鐵、線圈、磁盤等組成。在永久磁鐵組成的磁路中，若改變磁阻（如空氣隙）的大小，則磁通量隨之改變。磁路通過感應(yīng)線圈，當(dāng)磁通量發(fā)生突變時(shí)，感應(yīng)出一定幅度的脈沖電動(dòng)勢(shì)，該脈沖電動(dòng)勢(shì)的頻率等于磁阻變化的頻率。

為了使氣隙變化，在待測(cè)軸上裝一個(gè)由軟磁材料做成的齒盤（通常采用60個(gè)齒）。當(dāng)待測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒盤也跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，齒盤中的齒和齒隙交替通過永久磁鐵的磁場(chǎng)，從而不斷改變磁路的磁阻，使鐵芯中的磁通量發(fā)生突變，在線圈內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)脈沖電動(dòng)勢(shì)，其頻率與待測(cè)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速成正比。輸出軸圖8-25磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖8.2.2光電式轉(zhuǎn)速傳感器

1.直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器

圖8-26直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖

圖8-26為直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它由開孔圓盤、光源、光敏元件及縫隙板等組成。開孔圓盤的輸入軸與被測(cè)軸相連接，光源發(fā)出的光通過開孔圓盤和縫隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。開孔圓盤上有許多小孔，開孔圓盤旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件輸出的電脈沖個(gè)數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)。因此，可通過測(cè)量光敏元件輸出的脈沖頻率得知被測(cè)轉(zhuǎn)速。8.2.2光電式轉(zhuǎn)速傳感器

2.反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器

圖8-27反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖

圖8-27為反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它由紅外發(fā)射管、紅外接收管、光學(xué)系統(tǒng)等組成。光學(xué)系統(tǒng)由透鏡及半透鏡構(gòu)成，紅外發(fā)射管由直流電源供電，工作電流為20mA，可發(fā)出紅外光。半透鏡既能使發(fā)射的紅外光射向轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，又能使從轉(zhuǎn)動(dòng)的物體反射回來的紅外光穿過半透鏡射向紅外接收管。測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)需要在被測(cè)物體上粘貼一小塊紅外反射紙，這種紙具有定向反射作用。當(dāng)被測(cè)物體旋轉(zhuǎn)時(shí)，粘貼在物體上的反射紙和物體一起旋轉(zhuǎn)，紅外接收管則隨感受到反射光的強(qiáng)弱而產(chǎn)生相應(yīng)變化的信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)電路處理后便可以由顯示電路顯示出被測(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)速的大小。

8.2.3電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器

圖8-28為電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理圖。圖8-28電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理圖

它由電渦流式傳感器和輸入軸等組成。在軟磁性材料的輸入軸上加工一個(gè)鍵槽，在距輸入軸表面處設(shè)置電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器，輸入軸與被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸相連。當(dāng)被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸入軸跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使傳感器與輸入軸的距離發(fā)生的變化。由于電渦流效應(yīng)，這種變化將導(dǎo)致振蕩回路的品質(zhì)因數(shù)變化，使傳感器線圈電感隨的變化而變化，它們將直接影響振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率。因此，隨著輸入軸的旋轉(zhuǎn)，從振蕩器輸出的信號(hào)中包含與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖頻率信號(hào)。這種傳感器可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，最高測(cè)量轉(zhuǎn)速可達(dá)6×107r/min。8.2.4霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器

圖8-29為霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖8-29霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理圖待測(cè)物體

它是由霍爾開關(guān)集成傳感器和磁性轉(zhuǎn)盤組成。將磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸以角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁性轉(zhuǎn)盤便隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾開關(guān)集成傳感器便可在每一個(gè)小磁鋼通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知道被測(cè)對(duì)象的轉(zhuǎn)速。8.2.5光電碼盤轉(zhuǎn)速檢測(cè)法

光電碼盤有絕對(duì)光電碼盤與增量光電碼盤之分。

圖8-31絕對(duì)碼盤及其編碼方式（a）二進(jìn)制編碼（b）循環(huán)編碼

如圖8-31（a）所示的絕對(duì)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，它可以測(cè)絕對(duì)角度，而且當(dāng)有外部干擾或電源斷電事故發(fā)生后恢復(fù)正常時(shí)，可以立即準(zhǔn)確檢測(cè)位置信息。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，并需要用多個(gè)光電元件檢測(cè)來自各位的脈沖信號(hào)。圖8-31（b）所示也是絕對(duì)光電碼盤，但它是可以減少誤碼率的循環(huán)碼盤。增量光電碼盤是隨旋轉(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(cè)量旋轉(zhuǎn)角，若只使用一個(gè)光耦合器只能檢測(cè)轉(zhuǎn)速，而不能檢測(cè)轉(zhuǎn)軸的絕對(duì)轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向。8.2.6測(cè)速發(fā)電機(jī)

測(cè)速發(fā)電機(jī)是把機(jī)械轉(zhuǎn)速變換為與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)的微型電機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中和模擬計(jì)算裝置中，作為檢測(cè)元件、解算元件和角加速度信號(hào)元件等得到了廣泛的應(yīng)用。在交直流調(diào)速系統(tǒng)中，常使用測(cè)速發(fā)電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)速度反饋來改善控制系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)精度。目前常用的測(cè)速發(fā)電機(jī)主要有直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、交流測(cè)速發(fā)電機(jī)和霍爾效應(yīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)等。其中使用最多的是直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。

力測(cè)量?jī)x表按其工作原理可分為彈性式、電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、壓電式、壓磁式等。8.3力測(cè)量?jī)x表

8.3.1力的檢測(cè)方法

1.力平衡法力平衡法是基于比較測(cè)量的原理，用一個(gè)已知力來平衡待測(cè)的未知力，從而得出待測(cè)力的值。2.測(cè)位移法在力作用下，彈性元件會(huì)產(chǎn)生變形。測(cè)位移法就是通過測(cè)量未知力所引起的位移，從而間接地測(cè)得未知力的值。3.物理效應(yīng)測(cè)力物體在力的作用下會(huì)產(chǎn)生某些物理效應(yīng)，如應(yīng)變效應(yīng)、壓磁效應(yīng)、壓電效應(yīng)等，可以利用這些效應(yīng)間接檢測(cè)力值。8.3.2常用測(cè)力傳感器

1.應(yīng)變式力傳感器在所有力傳感器中，應(yīng)變式力傳感器應(yīng)用最為廣泛。它能應(yīng)用于從極小到很大的動(dòng)、靜態(tài)力的測(cè)量，且測(cè)量準(zhǔn)確度高，其使用量約占力傳感器總量的90%左右。應(yīng)變式力傳感器的工作原理與應(yīng)變式壓力傳感器基本相同。應(yīng)變式力傳感器首先把被測(cè)力轉(zhuǎn)變成彈性元件的應(yīng)變，再利用電阻應(yīng)變效應(yīng)測(cè)出應(yīng)變，從而間接地測(cè)出力的大小。

2.壓磁式力傳感器當(dāng)鐵磁材料在受到外力的拉、壓作用而在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，其磁導(dǎo)率會(huì)隨應(yīng)力的大小和方向而變化。受拉力時(shí)，沿力作用方向的磁導(dǎo)率增大，而