第四章-几何量与机械量检测技术

第4章几何量与机械量检测技术,4.1长度位移测量4.2速度加速度测量4.3振动测量4.4力的测量4.5噪声测量,4.1长度位移测量,我国和国际的长度单位是米。在1983年第十七届国际计量大会上正式通过米的新定义如下：“米是光在真空中1299792458秒的时间内所经过的距离。”,长度单位：米的定义,4.1.1基本概念,米原器,4.1长度位移测量,4.1.2长度量值传递,目前，在实际工作中常使用下述两种实物基准：量块和线纹尺。首先由稳定激光的基准波长传递到基准线纹尺和一等量块，然后再由它们逐次传递到工件，以确保量值准确一致。,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,4.1.3长度测量的标准量标准量:体现测量单位的某种物质形式，具有较高的稳定性和精确度。光波波长：直接使用米定义咨询委员会推荐使用的五种激光和两种同位素光谱灯的任一种来复现。,量块:由两个相互平行的测量面中心之间的距离来确定其工作长度的一种高精度量具。量块是单值量具，可以组合使用。量块的公称尺寸和实测尺寸。,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,量块的精度分级又分等量块按制造精度分为0、1、2、3、4级，其中0级精度最高，按检定精度分为1、2、3、4、5、6等，其中1等精度最高。,4.1长度位移测量,量块“等”和“级”之间的关系是：（1）对研合性及平面平行性偏差规定为：l、2等与0级，3、4等与1、2级，5、6等与3、4级分别相同。（2）“等”和级”可以代替使用。例如，0、1、2级量块的中心长度制造极限偏差分别与3、4、5等量块的中心长度测量极限误差相同，因此，0、l、2级量块可分别代替3、4、5等量块来使用。,4.1长度位移测量,光栅、容栅的栅距和感应同步器的线距测量效率高；容易实现数字显示和自动记录，可以实现测量自动化和自动控制。,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,阿贝原则：为了保证测量的准确，应使被测零件的尺寸线(简称被测线)和量仪中作为标准的刻度尺(简称标准线)重合或顺次排成一条直线。符合阿贝原则的测量，可尽量减小导轨直线度误差对测量结果的影响。,4.1.4长度测量的基本原则,4.1长度位移测量,游标量具应用游标读数原理制成的量具叫游标量具。它广泛用于测量内外尺寸、高度、深度等。游标读数原理:读数部分主要由尺身与游标组成，利用尺身刻线间距与游标刻线间距差来进行小数读数。,介绍长度计量中常用的量具与量仪,4.1.5长度尺寸的测量,4.1长度位移测量,VernierCaliper,4.1长度位移测量,读数方法：首先读出游标零刻线所指示的左边尺身上的毫米刻线整数；然后观察游标刻线与尺身刻线对准时的格数，将游标对准的格数乘以游标读数值，即为毫米小数；最后将毫米整数与毫米小数相加，即得被测工件的尺寸读数。例：游标读数值为0.10mm,则被测工件尺寸为2十0.302.30mm。,4.1长度位移测量,不用游标读数的新型卡尺:即数显卡尺（又称为电子卡尺），数显卡尺的测量范围为O150mm，分度值为0.01mm，测深为0115mm。数显卡尺的电子部分装有存储器、置零装置和公英制换算装置。,4.1长度位移测量,测微量具常用的精密量具，它利用精密螺旋副进行测量，而以微分筒和固定套筒上的刻度进行读数。精密螺旋副的螺距为0.5mm，由于测微螺杆的精度受到制造工艺的限制，其移动量通常为25mm。,4.1长度位移测量,测微量具是应用螺旋副传动原理，将角位移转变为直线位移，直线位移的各行程与螺旋转角成正比，其数学表达式为,4.1长度位移测量,L测微螺杆的位移mm测微螺杆的旋转角度radP测微螺杆的螺距mm,读数：14.10mm,读数方法读数机构由固定套筒和微分筒组成。在固定套筒上刻有纵刻线，纵刻线上下方各刻有25个分度，每个分度的刻线间距为1mm，微分量具中测微螺杆的螺距一般都是0.5mm，微分筒圆周斜面上刻有50个分度，因此当微分筒旋转一周时，测微螺杆轴向位移0.5mm，微分筒旋转一个分度时，测微螺杆移动0.01mm，故常用千分尺的读数值为0.01mm。,4.1长度位移测量,表类量具,原理将测量杆微小直线位移通过适当的放大机构放大后而转变为指针的角位移，最后由指针在刻度盘上指示出相应的示值。,4.1长度位移测量,钟表式百分表分度值为0.01mm,4.1长度位移测量,杠杆齿轮式测微仪,仪器的外形与仪器结构原理图,4.1长度位移测量,测杆微小的直线位移经杠杆齿轮机构放大后变为指针的大位移。此种仪器一般用于比较测量，因此刻度尺的示值范围多取为0.1mm其放大比K为:,4.1长度位移测量,光学比较仪（光学计）,是一种精度较高的光学机械式计量仪器。光学比较仪用作相对法测量，先用量块或标准件对准零位，被测尺寸和量块（或标准件）尺寸的差值可在仪器的刻度尺上读得。光学比较仪由光较仪管和支架座组成。光较仪管可以从仪器上取下，装在其它支架座上，做其它精密测量之用。,4.1长度位移测量,被测件最大长度:180mm,光较仪管是自准直光管和正切杠杆机构的组合。在物镜焦平面上的焦点C发出的一束光，经物镜后变成一束平行光射到平面反射镜。若平面反射镜与光轴垂直，则经过平面反射境反射的光仍按原路汇聚到发光点C处，即发光点C与象点C重合。若反射镜与光轴不垂直而偏转一个a角，根据反射定律则反射光束与入射光束间的夹角为2a。此时反射光束汇聚于象点C”，C与C”之间的距离应按下式计算：,测量时，应先用标准器具调整零位，即平面反射镜的镜面与光较仪中的光轴相垂直。由于采用比较测量法，因此当被测尺寸和标准尺寸有差异时，测杆就将沿着导轨做直线移动，从而推动平面反射镜P绕支点O摆动。测杆移动的距离为s时，反射镜偏转了a角，其关系为式中，b为测杆到支点O的距离。,4.1长度位移测量,这样，测杆的微小移动S就可以通过正切杠杆机构和光学装置放大，变成光点和象点间的距离CC”，其放大比为光学计的目镜放大倍数为K2，因此光学计的总放大倍数为KK2倍。（0.20.25）um,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,测长仪和测长机结构中带有长度标尺，通常是线纹尺或光栅尺。用此尺作为标准尺与被测长度做比较，通过显微镜读数以得到测量结果。量程较短的称为测长仪。根据测量座在仪器中的布置分立式测长仪和卧式万能测长仪（简称万能测长仪）两种。立式测长仪用于测量外尺寸；卧式测长仪除能测量外尺寸外，主要用于测量内尺寸。量程在500mm以上称为测长机。常用于绝对测量。,4.1长度位移测量,立式测长仪,工作台1上放置被测件2，通过测量轴体4上的可换测量头3与被测件接触测量。测量轴体4是一个高精度圆柱体，在精密滚动轴承支持下，通过钢带8，滑轮9，平衡锤12和阻尼油缸13完成平稳的轴向升降运动。配重7用来调整测量力。测量轴体的轴线上固定有基准标尺(玻璃刻尺)5，其上有l01条刻线，刻度间隔为1mm。由光源11发出的光，经透镜10，再透过基准玻璃刻尺，将毫米刻线影象投射入螺旋读数显微镜6，进行读数。,目镜8中，可看到三种刻线重合：一种是玻璃刻线尺5上的刻度（图中的7、8），其间距为lmm；一种是目镜视野中间隔为0.lmm的刻度（图中的0至10）一种是有10圈多一点的阿基米德螺旋线刻度（图中上部的35、40、45），螺旋线的螺距为0.1mm，螺旋线里面的圆周上刻有100格圆周刻度，因此每格圆周刻度代表0.001mm。,图的读数为7.141mm。不确定度：（1.5+L/100）um,4.1长度位移测量,卧式测长仪卧式测长仪又称为万能测长仪。万能测长仪是把测量座作卧式布置，测量轴线成水平方向的测长仪器。万能测长仪除了对外尺寸进行直接和比较测量之外，还可配合仪器的内测附件测量内尺寸。,4.1长度位移测量,卧式测长仪（万能测长仪）,卧式测长仪的毫米刻线尺和测量轴水平卧放在仪器的底座上，并可在底座的导轨上作左右方向的移动；它主要由底座7、测座1、万能工作台5和尾座6组成。,测长机是机械制造中测量大尺寸的精密仪器，按其测量范围来分，有1，2，3，4，6m，甚至还有12m的。主要进行绝对测量，但也可用于比较测量。绝对测量是将被测工件与仪器本身上的刻度尺进行比较；而相对测量则是将被测工件和一个预先用来对准仪器零点的标准件(如块规等)相比较，从仪器上读取两者之差值。,测长机,4.1长度位移测量,图中6是机身，在它的床面上镶有刻线尺7和分划板14。刻线尺7上从0到100mm内共有刻线1000条。故每格为0.1mm；分划板14共有10块，每块相距100mm，在每一块上面刻着两条刻线和0，1，2，9之间的一个数字，分别代表每一块分划板距刻线尺7零刻线的距离的分米数值。,光线自光源15，经聚光镜，滤光片、反射镜后照亮了分划板14。由于分划板位于物镜组11的焦平面上，故光线通过分划板14后，经直角棱镜12和物镜组11后便形成平行光束，经过同样焦距的物镜组9和棱镜8后，使分划板14成象于刻线尺7上(因刻线尺7亦放置在物镜组9的焦平面上)。通过读数显微镜3进行读数。小于0.1mm的读数由光学计管2完成。,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,显微镜是将被测件的尺寸、轮廓或用光干涉法产生的干涉条纹等，经显微放大，以便观察测量。被测件AB位于物镜的物方焦点F1之外，但不超过距物镜两倍焦距的距离，被测件被物镜放大成一倒立的实象AB，此实象位于目镜的物方焦面右方的分划板上，经目镜再次放大在明视距离J250mm处成一可从目镜视场中看到的虚象AB,显微镜光学系统,工具显微镜,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,非接触瞄准照明光源射出的光经滤色片2、可变光阑3、反射镜4和聚光镜5后变为平行光照明被测工件。经物镜放大后的工件轮廓成象在分划板11上，再经目镜放大后观察。根据所要求的放大倍数，可更换物镜。在分划板前设置一正象棱镜，使视野内所观察的象为正象。目镜头可以更换.,4.1长度位移测量,接触瞄准光学灵敏杠杆的工作原理示意图。由照明光源1照亮的分划板2上的三对双刻线，经透镜3后由与测杆相连的反射镜4反射，再经物镜5放大，最后成像在测角目镜分划板6上。反射镜4随测杆摆动时，三组双刻线的象随之左右移动。仅当测杆中心线与显微镜光轴重合时，双刻线的象位于米字分划板的中心位置。,在工具显微镜上用光学灵敏杠杆测量端面定位孔的直径时，可用两种方法确定采样点的位置。找拐点法测弦找中点法,4.1长度位移测量,立式接触式干涉仪是一种高精确度测微仪。,立式接触式干涉仪,4.1长度位移测量,测量方法用接触式干涉仪测量时使用白光，即移出滤色片，使视场中出现零级黑条纹。根据测头先后与标准件及被测件接触时零级条纹位置间的距离，即可测得被测量相对于标准量的偏差值。例如检定量块：测头与标准量块接触时，零级条纹位于al（格），测头与被检量块接触时，零级条纹位于a=+4格，若仪器分辨力i=0.1um，则被测量块相对于标准量的中心长度偏差为i(a2-a1)=+0.5um,4.1长度位移测量,干涉测长是激光在几何量测量中最重要的应用。光波干涉法作为精密测量长度和位移的有力手段问世已久。其测量精度很高。但在激光问世以前，由于缺乏亮度高、单色性好的光源，干涉办法的应用有着许多局限性，激光的出现则为干涉测长提供了极好的相干光源。(激光具有方向性好、能量高度集中、单色性好、干涉能力强的优点）。,激光干涉测长仪,4.1长度位移测量,激光干涉测长仪原理图,4.1长度位移测量,电动量仪电动量仪是将被测尺寸即测杆的位移转变为电信号实现尺寸测量的一种仪器。此类仪器一般由测量装置（或传感装置）、电器装置和显示装置三部分组成。电动量仪种类：电感式、电容式和光电式等。电动量仪特点：灵敏度和精确度很高，测量装置和显示装置可以分离，有利于进行远距离测量和实现测量自动化。,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,差动式电感传感器,4.1长度位移测量,绝对测量法：仪器示值为被测量的绝对值，常以刻度尺、光栅尺等作为测量基准，一般具有绝对零位，示值范围较大。如游标卡尺、千分尺、测长仪、测长机、工具显微镜等。,直接测量法：将被测量直接和标准量进行比较。可分为绝对测量和相对测量,4.1长度位移测量,相对测量法：仪器示值为被测量相对于某一定值标准量的偏差值。标准量应尽可能与被测量具有相同定义及公称值。用于相对测量的仪器多称作测微仪或比较仪，一般具有放大倍数大，示值范围较小、测量精确度高、零位可调的特点。如杠杆百分表，光学比较仪、接触式干涉仪、电感测微仪等。间接测量法：测量得到的量值是采样点的坐标（坐标测量法）或其他与被测量有确定函数关系的参量，被测量的值须通过计算求得。,4.1长度位移测量,随着科学技术和工业生产的发展，产品的小型化或微型化越来越成为一个重要的分支，因而微小尺寸的测量越来越多：如细丝、小孔、镀层厚度、集成电路中的氧化层厚度、各元件间的微小距离、计算机中磁头与磁盘间的微小间隙等等；而且精度要求也越来越高，如超大规模集成电路中要求位置的测量精度为0.lum的数量级。显然，现有的传统测量方法和仪器是难以完成任务的，要求提出新的测量方法，下面将介绍几个测量方法的实例。,4.1.5微小尺寸测量,4.1长度位移测量,用激光衍射法测量金属细丝直径一般的钢丝直径常用电感测微仪以接触法进行测量，这种方法受测量力的影响很大，即使在测量力较小的情况下，其相对测量误差也是较大的，而且容易引起细丝的弯曲变形。此外，如测力过小，也由于测量不稳定而无法保证测量精度。近年来由于激光技术的发展，为测量细丝直径提供了新的测量原理和方法。,4.1长度位移测量,夫琅和费衍射原理,当光源和衍射场(即屏幕P)都距衍射物(小孔、狭缝等)无限远时的衍射称为夫琅和费衍射(或平行光衍射)，实际上只要光源、屏幕离衍射物有足够大的距离部可认为是夫琅和费衍射。,4.1长度位移测量,表示亮暗条纹对称地分布在中央亮条纹的两侧，0给出了中央亮条纹P0的中心位置。由图可见，随着衍射角的增加，亮条纹的光强将迅速降低，暗点位置是等距分布的。如采用激光作为光源，由于能量高度集中，条纹可以更加清晰，衍射级次也更高(即能见到的衍射条纹致目多)。,衍射条纹的光强分布图,4.1长度位移测量,细丝为d，相当于狭缝。激光光源是平行光，免除透镜L1；并将衍射屏幕放置离细丝较远处(如l500mm)，这又可免除透镜L2。于P处得一组明暗相间的衍射条纹，测得衍射条纹距屏幕中心的距离Sk，可求得细丝直径(S为条纹间距）：,4.1长度位移测量,光纤直径的测量,激光能量法,4.1长度位移测量,用弦高法测量大直径的孔和轴如图所示为手持式测量装置。在装置基体1的中央放着指示表4；两侧装有带滚柱3的支杆2。测量前应在平板上进行调整指示表的零位，即两个滚柱与平板表面接触，而在指示表的量杆下端，垫以适当的块规。,4.1.6大尺寸的测量,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,坐标测量法坐标测量法是几何量测量最基本最常用的测量方法，通过测量被测几何要素上若干个点的位置坐标继而求得被测参量。包括采样读数和数据处理两个步骤。单坐标、双坐标、三座标。实现测量的关键是建立被测参量和采样点在测量机坐标系中的坐标关系模型。,4.1长度位移测量,三坐标测量机机架结构,组成：底座、测量工作台、立柱、X及Y向支撑梁和导轨、Z轴部件及测量系统（感应同步器、激光干涉仪、精密光栅尺等）、计算机及软件。,4.1长度位移测量,CMM,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,Chameleon7107三坐标测量机美国布朗夏普公司制造测量范围:6501000650,4.1长度位移测量,4.1.7形位误差的测量形位误差测量是将被测要素和理想要素进行比较，从而用数值描述实际要素与理想要素形状或位置上的差异。每个参数的测量过程包括测量和评定两个阶段。,4.1长度位移测量,圆度误差,圆度误差指包容同一正截面实际轮廓且半径差为最小的两同心圆的距离fm,4.1长度位移测量,最小包容区域法最小，最小二乘法稍大,圆度误差的评定方法,4.1长度位移测量,圆度仪测量法,4.1长度位移测量,4.1.8表面粗糙度测量定义：表面粗糙度测量是一种微观几何形状误差。特点：量值小（小于1mm)，变化频率高，所以粗糙度测量方法必须具有分辨率高和频响快的特性。测量方法：接触式轮廓仪（触针式轮廓仪）电感式轮廓仪、激光干涉式、压电式轮廓仪。非接触式轮廓仪,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,表面粗糙度的测量基准线原则上要求与被测表面的理想形状一致，但在实际测量中难以实现。比较常见的是利用与传感器壳体安装成一体的导头建立相对测量基准。,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,表面粗糙度的评定方法,国家标准中规定的评定基准为轮廓中线：最小二乘中线和算术平均中线。表面粗糙度的高度评定参数：轮廓算术平均偏差:,微观不平度十点高度：,轮廓最大高度：,4.1.9纳米测量技术0.01nm-100nm,扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscope,STM）1981年，IBM公司苏黎世实验室研制第一台新型的表面分析仪器扫描隧道显微镜，使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。,4.1长度位移测量,STM的基本原理是利用量子力学中的隧道效应，在样品与探针之间加一定的电压，当样品与针尖距离非常接近时，样品和针尖之间将产生隧道电流exp（）,是探针与样品之间的电压，为样品与针尖距离，k为常数。从上式可以看出，与成指数关系，即隧道电流对样品的微观表面起伏特别敏感，当减小.1时，将增加一个量级。,4.1长度位移测量,结构示意图,可以把扫描隧道显微镜的工作过程总结为：利用探针针尖扫描样品，通过隧道电流获取信息，经计算机处理得到图象。,1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。,4.1长度位移测量,原子力显微镜（AtomicForceMicroscope，AFM）原子力显微镜的设计思想是这样的：一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端有一个微小的探针，当探针轻微地接触样品表面时，由于探针尖端的原子与样品表面的原子之间产生极其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲，将微悬臂弯曲的形变信号转换成光电信号并进行放大，就可以得到原子之间力的微弱变化的信号。原子力显微镜同样具有原子级的分辨力。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了STM的不足。,4.1长度位移测量,左图是目前商品化的原子力显微镜仪器普遍采用的激光检测法示意图。,4.1长度位移测量,4.1.10位移测量电感式位移传感器,W-线圈匝数,Rm-磁路总磁阻,li-各段导磁体的长度,ui-各段导磁体的磁导率,Ai-各段导磁体的截面积,4.1长度位移测量,(1)变气隙式,基本形式,(2)变面积式(3)螺管式,4.1长度位移测量,(2)变面积式,(3)螺管式,蔡萍教材P40图3-5,4.1长度位移测量,电感位移传感器,意大利Marposs:,4.1长度位移测量,电感位移传感器,中国中原量仪:,4.1长度位移测量,光栅传感器原理(莫尔条纹),构成：,叠合,主光栅,指示光栅,夹角,明暗相间条纹,莫尔条纹,移动,条纹宽度：,W-栅距，a-线宽，b-缝宽,W=a+b，a=b=W/2,主光栅-标尺光栅，定光栅；,指示光栅-动光栅,4.1长度位移测量,光栅位移传感器（Grating）,莫尔条纹特性：,方向性：垂直于角平分线与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距莫尔条纹移动一个间距放大性：夹角很小BW光学放大提高灵敏度准确性：误差平均效应克服个别/局部误差提高精度,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,光栅传感器特点精确度高：测长(0.2+210-6L)m，测角0.1量程大：透射式-光栅尺长（几十米响应快：可用于动态测量增量式：增量码测量计数断电数据消失要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、移动精度成本高：电路复杂,光栅传感器结构,1主光栅尺（定光栅）2指示光栅（动光栅）3光电元件4透镜5光源,透射式结构：,反射式结构：,光源指示光栅透射主光栅光电元件,光源主光栅反射指示光栅光电元件,4.1长度位移测量,光栅传感器信号处理,4.1长度位移测量,输出电路,4.1长度位移测量,辨向电路,4.1长度位移测量,莫尔条纹细分技术,B,光学细分电子细分软件细分,细分电路教材182页图4.31,4.1长度位移测量,典型产品：,德国Heidenhain（海德汉）：,封闭式：量程3000mm，分辨力0.1m,开放式：量程1440mm，分辨力0.01m,开放式：量程270mm分辨力1nm,4.1长度位移测量,英国Renishaw（雷尼绍）：,量程：任意分辨力：0.1m0.01m,中国长春光机所：,量程：1000mm分辨力：0.01m精确度：2m,4.1长度位移测量,圆光栅传感器,工作原理：莫尔条纹技术,类型：(1)直线莫尔条纹：条纹-直线,(2)圆型莫尔条纹：条纹-圆型,RENISHAW圆光栅：角度分辨率为0.01系统精度为0.7,(a)径向光栅-圆弧形莫尔条纹,光栅：两块，径向刻线，栅距角相同，偏心叠合,条纹宽度不是定值，随位置不同而不同。,在位于偏心的垂直位置上，条纹近似垂直于栅线，称横向莫尔条纹,在沿着偏心方向上，条纹近似地平行于栅线，称纵向莫尔条纹,其他位置上上，称为斜向莫尔条纹,条纹：在不同区域栅线的交角不同，不同曲率半径圆弧,光栅：两块完全相同，环形刻线，偏心叠合，,(b)切向光栅-环形莫尔条纹,光栅：两块，切向刻线，切向相同，栅距角相同，基圆半径不同，栅线面相对同心叠合，,条纹：是以光栅中心为圆心的同心圆簇，,宽度也不是定值，随位置不同而不同。,特点：具有全光栅平均效应，用于高精度角度测量和分度。,(c)环形光栅-辐射形莫尔条纹,条纹：近似直线并成辐射方向，称为辐射形莫尔条纹。,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,磁栅感应同步器容栅,原理与信号处理与光栅大同小异,4.1长度位移测量,光学干涉（Interference）,干涉原理（单频干涉）：,两束同频光束在空间相遇会发生干涉条纹，其亮暗程度取决于两束光间的相位差,亮条：,暗条：,=2k,k=0,1,l,2,相消干涉,=2k,k=0,1,l,2,相长干涉,4.1长度位移测量,结构：,实现要点:（1）单一光源,（4）分光镜（半透半反）,（5）固定参考反射镜,（2）被测物体,（3）光电接收,双频激光干涉位移传感器,测量原理：,4.1长度位移测量,激光器发出一束激光，含有两束偏振光：左旋光频率f1，右旋光频率f2，振幅相同，频率相差约2MHz。,4.1长度位移测量,计数脉冲,位移,4.1长度位移测量,激光干涉位移传感器,HP5528ALaserinterferometer：,量程：100m分辨力：0.01m,4.1长度位移测量,4.1.11光电编码器,原理：平行光源码盘光电元件电信号输出,码盘：光学玻璃，透光/不透光照相腐蚀,光源：LED光学系统平行光投影精确,光电元件：硅光电池，光电晶体管滞后响应速度,码道：位数每个码道对应一个光电元件分辨力,角度分辨率：=360/2nn-码道数（位数）,组成：光源、码盘、光电元件,增加码道、增大码盘尺寸有限,提高精确度,光学细分附加码道,绝对码光电编码器,4.1长度位移测量,绝对码光电编码器,1-光源；2-柱面镜；3-码盘；4-狭缝；5-元件,测量电路：,编码码制：,十进制码-0123456789,二进制码-00000001001000110100,格雷码-循环码：相邻两数只有一位不同每次只有一位变化转换,放大足够电平,整形接近理想方波,细分提高分辨力（光学+电路）,多位码同时动作同步误差错码,读数直观，不易电路处理,直观，易于后续电路和计算机处理,4.1长度位移测量,4位绝对码光电编码器码制,4.1长度位移测量,特点：,小范围绝对位置测量-角度、直线位置小范围位移、速度检测,结构简单、精度高、分辨力高，可靠性好，,应用：,例：直线旋转360,直接数字量输出-数字传感器，,绝对码-绝对角位置传感器,测量范围有限（360），,速度不高（最高几千转/分），怕振动-丢数,连接-弹性连轴结,4.1长度位移测量,增量码光电编码器,结构：与绝对编码器类似,码道：最外-增量码道：透光扇形区分辨力中间-辨向码道：错开半个扇形区最内-零位码道：透光狭缝基准脉冲,应用：相对位置测量-角度、直线位置，位移、速度测量,特点：结构简单、精确度高、分辨力高，可靠性好，脉冲数字输出，测量范围无限，速度不高（最高几千转/分）怕振动-丢数,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,电涡流测距,工作原理:,交变电流,传感器线圈,被测导体,交变磁场H1,电涡流,交变磁场H2,参数变化(电感、阻抗、品质因数等),输出信号,4.1长度位移测量,4.1.12测距,保持其他参数不变，只改变一个参数-测量，,变化因素：,被测导体-几何形状、电导率、磁导率,线圈-几何参数、电流大小和频率、,其他-线圈与导体距离,测量原理：,电涡流密度径向分布,涡流密度不等：,电涡流分布：,深度：,高频激励-表面薄层，,铜导体，1MHz频率，深度0.07mm,径向：,有限范围-圆环形-涡流环,D=d时：密度最大D=1.8d：下降为5%D0.4d：无电涡流,传感器特性：非线性严重，修正,4.1长度位移测量,日本Keynce量程：50mm精确度0.03%,4.1长度位移测量,激光测距传感器,激光测距特点：测量距离可达几公里甚至几十公里,激光测距方法：飞行时间法、相位差法,(a)飞行时间法：,被测距离:,c-光速t-往返飞行时间,原理：激光器发出单个激光脉冲,特点：对时间测量精度要求高，适于测量超长距离（地球-月球：分辨力达到1m）,4.1长度位移测量,(b)相位差法：,被测距离:,c-光速f0-脉冲频率-相位差,原理：激光器发出连续激光脉冲,特点：测量精度高，测量范围大（短距离超长距离）（相机自动调焦）,4.1长度位移测量,范围：0.2300m分辨力：3mm,德国俫卡手持式：范围：0.2200m分辨力：0.2mm,美国bushwell单目军用范围：1000m分辨力：1m,4.1长度位移测量,4.1长度位移测量,声音-机械波（机械振动-弹性媒质）；声波-纵波；,声速（C）-声波在媒质中传播的速度，单位m/s,声频范围（可听频率范围）：2020000Hz,次声波-频率低于20Hz；超声波-超过20kHz,超声波在空气中的传播速度：,空气中：344m/s；水中：1440m/s；钢铁中：5000m/s。,1）原理：,超声测距,4.1长度位移测量,tc-往返时间,特点：不易受太阳光干扰；不受测量对象颜色、表面形状的影响；抗污染能力强,应用：粉尘、水滴飞溅；透明体（如塑料薄膜和板材）、海绵、橡胶、蝶形纸类的堆积量/厚度的测量；物流运输系统,被测距离：,4.1长度位移测量,2）应用实例：,运输小车的控制,4.1长度位移测量,车体的定位检测,4.2速度加速度测量,4.2.1概述,机械运动的重要参数,加速度：单位时间内的速度增量，m/s2,速度：单位时间内的位移，m/s,角速度：单位时间内的角位移，弧度/s,4.2速度加速度测量,4.2速度加速度测量,4.2.2速度的测量,线速度、角速度运动形式,分类,绝对速度、相对速度参考基准,平均速度、瞬时速度数值特征,直接速度、间接速度测量方式,4.2速度加速度测量,时间位移计算法,测量方法,加速度积分或位移微分法,测与速度相关的物理参数,陀螺测速度,线速度与角速度转换,4.2速度加速度测量,时间位移计算法,平均速度,瞬时速度,4.2速度加速度测量,相关测速,4.2速度加速度测量,两个检测器的输出存在如下关系：,4.2速度加速度测量,求，,两检测器输出的互相关函数为：,即：检测器输出的自相关函数延时,4.2速度加速度测量,当，,检测器输出的自相关函数取得极大值,此时的就是所求的,即：检测器输出的互相关函数取得极大值,将检测器的输出送到相关分析仪中，改变滞后时间，得到互相关函数随之后的变化图形，其中的极大值所对应的之后时间就是,应用：轧钢板材速度、流体速度、汽车速度,4.2速度加速度测量,空间滤波器测速,一定空间频率段的空间滤波器件与被测物体同步运动，测得单位时间内的时间频率,（N条缝）,空间频率：,4.2速度加速度测量,栅板移动速度为,时间频率：,-栅板移动L距离所用时间,4.2速度加速度测量,加速度积分或位移微分法,加速度积分,位移微分,振动测量中应用较多,4.2速度加速度测量,利用物理参数测量速度,感应电动势测速度,流体动压测速度,B-磁感应强度,E-感应电动势,L-导线有效长度,Pv-流体动压,-流体动压,4.2速度加速度测量,线速度与角速度互换,例如：列车速度测量利用测角速度传感器三相交流测速发电机将火车车轮的转速转换为三相交流电压输出，再经过整流滤波电路用电压表显示火车的速度,陀螺测速度,（后面将要讲到）,4.2速度加速度测量,皮托管测速度,被测速度：,被测速度大于400Km/h要修正,4.2速度加速度测量,多普勒测速法（激光）,被测速度：,参见余成波教材258页图4.105：,多普勒频移：,特点：精确度高、分辨力高、测量范围宽、非接触、使用方便,4.2速度加速度测量,陀螺测量角速度,特点：转子高速旋转时，主轴Z稳定地保持在惯性空间某个方向上（定轴性）,三自由度陀螺示意图,传统陀螺量程（0-170）/s，精确度0.5,新型陀螺光纤陀螺、微机械振动陀螺,4.2速度加速度测量,光纤陀螺测量角速度,光纤陀螺原理图（教材119页图3.108）,4.2速度加速度测量,激光陀螺测量角速度,激光陀螺原理图,4.2速度加速度测量,各种形式速度测量方法技术性能,4.2速度加速度测量,各种形式速度测量方法技术性能（续）,4.2速度加速度测量,各种形式速度测量方法技术性能（续）,4.2速度加速度测量,各种形式速度测量方法技术性能（续）,4.2速度加速度测量,4.2.3转速的测量,模拟法、计数法、同步法测量原理,分类,机械式、电气式、光电式、频闪式变换方式,测量旋转轴的角速度，以每分钟的转数来表示，r/min,4.2速度加速度测量,频率法测转速：采样时间内对传感器输出的脉冲计数,测量原理,由数字式转速传感器和电子计数电路组成，传感器将转轴的转速转换为电脉冲信号，经过电路放大、整形后送电子计数器显示。一般，中高速采用频率法测转速，低速采用周期法测转速,电子数字式转速测量,N计数器显示值,Z传感器每转脉冲数,t采样时间，秒,4.2速度加速度测量,周期法测转速：用被测旋转角度的周期T来控制闸门，填充时间进入计数器计数为了体高测量精确度，通过对周期信号分频，使被测量的周期得到倍乘,k周期的倍乘数，100、101、102、,4.2速度加速度测量,光电式、磁电式、电容式、霍尔式、电涡流式,测速传感器,传感器将转轴的转速转换为电脉冲信号，推动电子计数器。,通过联轴器或标记与被测转轴相连，采用非接触方式将旋转轴的角位移转换为电脉冲信号。90度辨向电路。,4.2速度加速度测量,数字式测速电路,4.2速度加速度测量,数字式测速电路工作原理：传感器送出的电脉冲信号经过放大整形送到门C，同时用于控制计数器的加减（辨别转向）。标准时钟的信号经过双稳A来控制门C开关，即计数器每隔一定标准时间计一组转速信号（如间隔1min，即为每分钟转数）。标准时钟的信号经过双稳A来控制门C关闭的同时，也使双稳B反转来关闭门D，此时计数器处于显示状态。可调低频起动振荡器用来控制和调整测速显示时间，使计数器复零，门D打开，又重复下一次测速过程。,4.2速度加速度测量,频闪盘：测量转速时用的圆盘,频闪效应,物体在人的视野里消失以后，人眼视网膜上能在一段时间内保持视觉印象，即视后暂留现象，维持时间约为（1/51/20）S。,频闪式转速测量,频闪法测速原理,频闪像：测量转速时按频闪原理复现的图像,频闪灯：可调频率的闪光灯,4.2速度加速度测量,频闪灯与频闪盘示意图,4.2速度加速度测量,频闪灯的频率与频闪盘转动频率不同时，频闪像不清晰。,频闪灯的频率与频闪盘转动频率相同时，可以看到清晰的、固定不动的频闪像。此时，闪光频率成一60就是频闪盘每分钟转数。,注意：频闪像频率为频闪灯频率的整数倍时都可以看到清晰的像，应该调整频闪灯频率最大时的清晰的频闪像。,4.2速度加速度测量,问题：如何保证频闪像清晰时频闪灯的频率是最大值？,解决办法：两次测量！,频闪灯的频率是频闪像频率的整数倍分之一时都可以看到清晰的频闪像，紧邻的两次看到清晰像的频闪灯的频率：,量程：小于1X106r/min，误差：小于1%,4.2速度加速度测量,各种形式转速测量方法与特点模拟式,4.2速度加速度测量,各种形式转速测量方法与特点模拟式,4.2速度加速度测量,各种形式转速测量方法与特点计数式,4.2速度加速度测量,4.2.4加速度的测量,压电式：教材图4.57，4.58，4.60,分类,主要依靠质量块的惯性工作,应变式：教材图4.59，4.61，4.62,电感式：教材图4.65,电容式：教材图4.64,谐振式,光纤式：教材图4.66,力平衡式：教材图4.68,微机电式,4.3振动测量,4.3.1振动测量概述,自然界地震、风、雷、波浪是振动工程上各种机器、仪器、设备存在振动日常生活中的各种声音是振动,振动是普遍存在的物理现象,振动通常是有害的,降低机器的性能，缩短寿命，事故隐患产生噪声，污染环境，危害人体健康危害土木工程健康,4.3振动测量,和谐的音乐加速时效，去除应力夯实基础排出混凝土中的气泡时间基准（晶振）地质勘探,振动有时也有益于人类,振动的概念：物体在一定位置附近所作的周期性往复的运动。机械振动系统，就是指围绕其静平衡位置作来回往复运动的机械系统，单摆就是一种简单的机械振动系统。机械振动系统的基本要素：惯性、恢复性和阻尼。惯性就是能使系统当前运动持续下去的性质，恢复性就是能使系统位置恢复到平衡状态的性质，阻尼就是能使系统能量消耗掉的性质。这三个基本要素通常分别由物理参数质量M、刚度K和阻尼C表征。,4.3振动测量,振动的分类从产生原因来分：自由振动系统仅受到初始条件(初始位移、初始速度)的激励而引起的振动称为自由振动。强迫振动系统在持续的外作用力激励下的振动称为强迫振动。自由振动问题虽然比强迫振动问题单纯但自由振动反映了系统内部结构的所有信息，是研究强迫振动的基础。,4.3振动测量,从振动的规律来分：简谐振动复合周期振动瞬态振动（冲击）随机振动,4.3振动测量,简谐振动单自由度系统：在简化模型中，振动体的位置或形状只需用一个独立坐标来描述的系统称为单自由度系统。,4.3振动测量,动力学特征,如弹簧振子（单自由度无阻尼振动）,运动学特征,微分方程特征,4.3振动测量,解微分方程可得到位移、速度、加速度,加速度,速度,位移,4.3振动测量,4.3振动测量,振幅和初始相位,结论：单自由度无阻尼系统的自由振动是以谐波函数表示，故称为简谐振动，自由振动的角频率仅由系统本身的参数所确定，而与外界激励、初始条件等均无关无阻尼自由振动的周期为自由振动的振幅X和初相角由初始条件所确定。单自由度无阻尼系统的自由振动是等幅振动。,4.3振动测量,单自由度有阻尼自由振动,通解为：,4.3振动测量,4.3振动测量,复合周期振动是由两个或两个以上的频率之比为有理数的简谐振动复合而成。,复合周期振动,准周期振动是由频率比不全为有理数的简谐振动叠加而成。,4.3振动测量,准周期振动,瞬态振动是指在极短时间内仅持续几个周期的振动。冲击是单个脉冲。特点：过程突然发生，持续时间短，能量很大。通常它由零到无限大的所有频率的谐波分量构成。,4.3振动测量,瞬态振动、冲击,没有确定的周期，振动量与时间也无一定的关系。,4.3振动测量,随机振动,1.由作用在质量块上的力所引起的受迫振动,4.3振动测量,单自由度系统的受迫振动,4.3振动测量,4.3振动测量,4.3振动测量,不管系统的阻尼比是多少，在时位移始终落后于激励力90o现象，称为相位共振。,率,对于无阻尼系统，,4.3振动测量,许多情况下，受迫振动是由基础的运动所引起的，称位移激励。设基础的绝对位移为x(t)，质量块m的绝对位移为y(t)。质量块M对基础的相对运动位移(y-x)。其运动方程为：,4.3振动测量,基础运动所引起的受迫振动,4.3振动测量,4.3振动测量,如果知道了系统的输入(激励)和输出(响应)，就可以求出系统的数学模型，也即动态特性。振动系统测试就是求取系统动态特性的一种试验方法。为了完成上述测试任务，一般说来测试系统应该包括下述三个主要部分：,4.3振动测量,振动的激励和激振器,1)激励部分实现对被测系统的激励(输入)，使系统发生振动。它主要由激励信号源、功率放大器和激振装置组成。2)拾振部分检测并放大被测系统的输出信号，并转换成电信号。它主要由传感器、可调放大器组成。3)分析记录部分将拾振部分传来的信号记录下来供以后分析处理或直接近行分析处理并记下处理结果。它主要由各种记录设备和频谱分析设备组成。,4.3振动测量,稳态正弦激励方法这是测量频率响应的经典方法，它提供给被测系统的激励信号是一个具有稳定幅值和频率的正弦信号，测出激励大小和响应大小，便可求出系统在该频率点处的频率响应的大小。激励系统一般由正弦信号发生器、功率放大器和电磁激振器组成，测量系统由跟踪滤波器、峰值电压表和相位计组成。,4.3振动测量,4.3.2振动的激励,给被测系统提供的激励信号是一种瞬态信号，它属于一种宽频带激励，即一次同时给系统提供频带内各个频率成份的能量和使系统产生相应频带内的频率响应。因此，它是一种快速测试方法。同时由于测试设备简单，灵活性大，故常在生产现场使用。常用的瞬态激励方法有快速正弦扫描、脉冲锤击和阶跃松弛激励等方法，下面分别讨论和介绍。,4.3振动测量,瞬态激励方法,4.3振动测量,使正弦激励信号在所需的频率范围内作快速扫描(在数秒钟内完成)，激振信号频率在扫描周期T内成线性增加，而幅值保持恒定。扫描信号的频谱曲线几乎是一根平坦的曲线，从而能达到宽频带激励的目的。,快速正弦扫描,4.3振动测量,用脉冲锤对被测系统进行敲击，给系统施加一个脉冲力，使之发生振动。由于锤击力脉冲在一定频率范围内具有平坦的频谱曲线，所以它是一种宽频带的快速激励方法。,4.3振动测量,脉冲锤击激励,阶跃松弛激励定义特点：由于阶跃函数的导数是脉冲函数，阶跃函数引起的响应的导数是脉冲响应函数，所以这种方法也是一种宽频带激励方法。实现：在实际应用中，常常是用一根刚度很大质量很轻的张力弦通过力传感器对系统预加载，然后突然切断张力弦。,4.3振动测量,阶跃松驰激励,纯随机激励理想的纯随机信号是具有高斯分布的白噪声，它在整个时间历程上是随机的，不具有周期性，在频率域上它是一条几乎平坦的直线。,4.3振动测量,随机激励方法,伪随机信号是一种有周期性的随机信号，它在一个周期内的信号是纯随机的，但各个周期内的信号是完全相同的。这种方法的优点在于试验的可重复性。将白噪声在T内截断，然后按周期T反复重复，即形成伪随机信号。,4.3振动测量,伪随机激励,4.3振动测量,电动式激振器,当Fi以简谐规律变化时，则作用在激振对象上的力F也为同频率的简谐力，在使用时，往往在顶杆与激振对象之间加一个力传感器，以精确地测出激振力F(t),4.3振动测量,激振器,为了使激振器的能量尽量用于激振对象的激励上,在激振时最好让激振器基座在空间基本上保持静止：在高频激振时，往往用弹簧将激振器悬挂起来，降低安装的自然频率，使之低于激振频率的l3；在低频激振时，则将激振器的基座与静止的地基刚性相连，使安装的自然频率高于激振频率3倍以上。,激振器安装原则：,4.3振动测量,高频激振,低频激振,4.3振动测量,电磁激振器是非接触式的，频率上限约500800Hz。,4.3振动测量,电磁式激振器,激振器是由通入线圈中的交变电流产生交变磁场，而被测对象作为衔铁，在交变磁场作用下产生振动。由于在电磁铁与衔铁之间的作用力F(t)只会是吸力，而无斥力，为了形成往复的正弦激励，应该在其间施加一恒定的吸力F0，然后才能叠加上一个交变的谐波力F(t)，即:,为此，通入线圈中的电流I(t)也应该由直流与交流两部分组成，即:,4.3振动测量,电磁铁所产生的磁力正比于所通过电流的平方，即,a为比例系数，与电磁铁的尺寸、结构、材料与气隙的大小有关。在AI0的情况下，右边第三项可略去，得,如果条件AI0不成立，则将在激振力中引入二次谐波:,4.3振动测量,4.3振动测量,脉冲锤是一种产生瞬态激励力的激振器，它由锤体、手柄和可以调换的锤头和配重组成，通常在锤体和锤头之间装有一个力传感器，以测量被测系统所受锤击力的大小。一般来说，锤击力的大小是由锤击质量和锤击被测系统时的运动速度决定的。激励的频率范围主要由接触表面刚度决定，锤头的材料越硬则脉冲的持续时间越短，上限频率fe越高。为了能调整激励频率范围，通常使用一套不同材料的锤头。,脉冲锤,4.3振动测量,脉冲锤进行冲击激励时，相当于对被测系统施加了一个半正弦波的力脉冲，如图(a)所示。该类脉冲的频谱如图(b)所示，在小于上限频率fe的频段内，脉冲的频谱基本上是平坦的，fe以后迅速下降。一般来说，锤头的材料越硬则脉冲的持续时间越短，上限频率fe越高。,4.3振动测量,分类：接触式和非接触式按壳体的固定方式可分为相对式和绝对式。机械振动是一种物理现象，而不是一个物理参数，和振动相关的物理量有振动位移、振动速度、振动加速度等，所以振动测试是对这些振动量的检测，它们反映了振动的强弱程度。,4.3振动测量,4.3.3测振传感器,4.3振动测量,力学模型和运动方程式,惯性式测振传感器,惯性式位移传感器的响应条件,惯性式位移传感器的输出位移zm反映被测振动的位移量xm,4.3振动测量,4.3振动测量,位移传感器的上限测量频率在理论上是无限的，但实际上受具体仪器结构和元器件特性。后继放大电路频响等条件的限制，不能太高。下限测量频率则受弹性元件的强度和质量块尺寸、重量等因素的限制，使n不能太小。因此位移传感器的频率范围是有限的。,4.3振动测量,惯性式加速度传感器的响应条件,惯性式加速度传感器的质量块相对位移Zm与被测振动的加速度成正比，因而可用质量块的位移来反映被测振动的加速度大小。加速度传感器的幅频特性的表达式:,4.3振动测量,4.3振动测量,惯性式加速度传感器的最大优点是它具有