运动量检测技术

1、前言 运动量检测在工业、交通、国防领域等应用较多。例如，汽车、火车、飞机等交通工具需要实时地测量自身的速度与加速度，发动机等则需要测量输出轴的转速，桥梁、大型设备等需要测量其振动，气象部门需要对大自然的风速进行测量等。010203041.1.线位移和角位移检测。线位移和角位移检测。（1 1）积分法、（）积分法、（2 2）相关测距法、（）相关测距法、（3 3）回波法）回波法（4 4）线位移和角位移相互转换、（）线位移和角位移相互转换、（5 5）位移传感器）位移传感器012 2常用的位移传感器常用的位移传感器（1 1）电感式位移传感器）电感式位移传感器: :利用传感器线圈的利用传感器线圈的电感电感

2、变化来检测非电量的机电转换装置。变化来检测非电量的机电转换装置。特点：特点：a.a.结构简单、工作可靠、寿命长、精度高（分辨力达结构简单、工作可靠、寿命长、精度高（分辨力达0.1um0.1um）。）。b.b.缺点：线性范围小、不适于高频动态测量场合。缺点：线性范围小、不适于高频动态测量场合。根据传感器线圈的接线方式分为：自感式和互感式。根据传感器线圈的接线方式分为：自感式和互感式。根据传感器线圈的结构分为：变气隙型、变面积型螺管型。根据传感器线圈的结构分为：变气隙型、变面积型螺管型。变气隙型、变面积型变气隙型、变面积型线 圈衔 铁螺管型螺管型电感传感器外形电感传感器外形（2 2）电容式位移传感

3、器）电容式位移传感器: :特点：特点：a.a.结构简单，能在恶劣环境下工作，可用无机材料（玻璃、石英、结构简单，能在恶劣环境下工作，可用无机材料（玻璃、石英、陶瓷）作绝缘支架，上面渡以金属作为极板，能承受相当大的陶瓷）作绝缘支架，上面渡以金属作为极板，能承受相当大的温度变化及辐射，以及强烈振动，并可以在各向同性的电介质温度变化及辐射，以及强烈振动，并可以在各向同性的电介质液中使用。液中使用。b.b.分辨力高（纳米级），动态特性好，电容传感器需要的作用能分辨力高（纳米级），动态特性好，电容传感器需要的作用能量极小。因而有较高的固有频率，同时能在几兆赫的频率下工量极小。因而有较高的固有频率，同时能

4、在几兆赫的频率下工作，从而保证有良好的动态响应能力。作，从而保证有良好的动态响应能力。c.c.小功率、高阻抗，本身发热量小。小功率、高阻抗，本身发热量小。d.d.本身损耗小，零点稳定；由于本身发热引起的零漂，可以认为本身损耗小，零点稳定；由于本身发热引起的零漂，可以认为不存在。不存在。e.e.变极距型广范用于变极距型广范用于微位移微位移测量系统中。测量系统中。 （3 3）感应同步器位移传感器）感应同步器位移传感器: :是应用电磁感应原理把位移量转换成为是应用电磁感应原理把位移量转换成为数字量数字量的位移传感器。的位移传感器。感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随相对位置不同而变感应同步器是利用

5、两个平面形绕组的互感随相对位置不同而变化的原理化的原理, , 将直线位移或角位移转换成电信号的。将直线位移或角位移转换成电信号的。感应同步器有直线式和旋转式两种感应同步器有直线式和旋转式两种, , 直线式（长）感应同步器由定尺和滑尺组成。直线式（长）感应同步器由定尺和滑尺组成。旋转式（圆）感应同步器由转子和定子组成。旋转式（圆）感应同步器由转子和定子组成。特点：特点：a.a.测量精度高，工作可靠。测量精度高，工作可靠。b.b.抗干扰能力强，寿命长。抗干扰能力强，寿命长。c.c.使用便利。使用便利。d.d.尤其适用于生产现场在线尤其适用于生产现场在线检测。检测。直线式（长）感应同步器直线式（长）

6、感应同步器旋转式（圆）感应同步器旋转式（圆）感应同步器（4 4）电涡流式传感器）电涡流式传感器 根据法拉第电磁感应原理根据法拉第电磁感应原理, , 块状金属导体置于变化的磁块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时场中或在磁场中作切割磁力线运动时, , 导体内将产生呈涡旋导体内将产生呈涡旋状的感应电流状的感应电流, ,此电流叫电涡流此电流叫电涡流, ,以上现象称为以上现象称为电涡流效应电涡流效应。 根据电涡流效应制成的传感器称为根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器电涡流式传感器。特点特点: :A A、能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式、能对位移、

7、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量。连续测量。B B、具有体积小、具有体积小, ,灵敏度高灵敏度高, ,抗干扰能力强，频率抗干扰能力强，频率 响应宽。响应宽。C C、不受油污等介质影响，应用极其广泛。、不受油污等介质影响，应用极其广泛。D D、有变间隙、变面积、螺管型。、有变间隙、变面积、螺管型。电涡流传感器电涡流传感器工作原理图工作原理图根据法拉第定律根据法拉第定律, , 当传感器线圈通以正弦交变电流当传感器线圈通以正弦交变电流I1时时, , 线圈周围空间必然产生正弦线圈周围空间必然产生正弦交变磁场交变磁场H1, ,使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流使置于此磁场中的

8、金属导体中感应电涡流 I2, , I2又产生新的交变磁场又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律根据愣次定律, , H2的作用将反抗原磁的作用将反抗原磁H1, ,导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上可知可知, , 线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效应既与被线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效应既与被测体的电阻率测体的电阻率、磁导率、磁导率以及几何形状有关以及几何形状有关, , 又与线圈几何参数、线圈中激磁电流又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关频率有关, , 还与线圈与导体间的距离还与线圈与导体间的距离x

9、 x有关。因此有关。因此, , 传感器线圈受电涡流影响时的等传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗效阻抗Z Z的函数关系式为的函数关系式为 Z= FZ= F（, , r, f, x, , r, f, x） 式中式中: r: r线圈与被测体的尺寸因子。线圈与被测体的尺寸因子。 如果保持上式中其它参数不变如果保持上式中其它参数不变, , 而只改变其中一个参而只改变其中一个参数数, , 传感器线圈阻抗传感器线圈阻抗Z Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗与传感器配用的测量电路测出阻抗Z Z的变化量的变化量, , 即可实现对即可实现对该参数的测量

10、。该参数的测量。电涡流传感器等效电路图电涡流传感器等效电路图电涡流传感器电涡流传感器载流线圈载流线圈金属导体金属导体。（5 5）光栅式数字位移传感器）光栅式数字位移传感器 光栅是一种在基体上刻制有等间距均匀分布条纹的光学光栅是一种在基体上刻制有等间距均匀分布条纹的光学元件。用于位移测量的光栅称为计量光栅。元件。用于位移测量的光栅称为计量光栅。下图为透射光栅的示意图。下图为透射光栅的示意图。 图中图中a a为刻线宽度为刻线宽度, b, b为缝隙宽度为缝隙宽度, a+b=W, a+b=W称为光称为光栅的栅距（也称光栅常数）。通常栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b=W/2, a=b=W/2, 也可

11、刻成也可刻成 a:b=1.1:0.9a:b=1.1:0.9。 目前常用的光栅每毫米刻成目前常用的光栅每毫米刻成1010、2525、5050、100100、250250条线条。条线条。 光栅传感器又称光栅读数头光栅传感器又称光栅读数头,主要由标尺光栅、主要由标尺光栅、指示光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。范围。指示光栅比标尺光栅短得多指示光栅比标尺光栅短得多,但两者刻有同样的栅距但两者刻有同样的栅距,使用时两光栅互相重叠使用时两光栅互相重叠,两者之间有微小的空隙两者之间有微小的空隙,其中一片固其中一片固定

12、定,另一片随着被测物体移动另一片随着被测物体移动,即可实现位移测量。即可实现位移测量。光栅测量原理光栅测量原理:当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时,由由于挡光效应（对线纹密度于挡光效应（对线纹密度50条条/mm的光栅）或光的衍射作用（对线纹的光栅）或光的衍射作用（对线纹密度密度100条条/mm的光栅）的光栅）,在与光栅线纹大致垂直的方向上在与光栅线纹大致垂直的方向上,产生出亮暗产生出亮暗相间的条纹相间的条纹,这些条纹称为这些条纹称为“莫尔条纹莫尔条纹”。莫尔条纹测位移的特点莫尔条纹测位移的特点:(1)位移的放大作用位移的放大作用当光栅移

13、动一个栅距当光栅移动一个栅距W时时,莫尔条纹移动一个间距莫尔条纹移动一个间距B,莫尔条纹的间距莫尔条纹的间距B与两光栅线纹夹角与两光栅线纹夹角之间的之间的关系为关系为:B=W/2sin（/2）W/越小越小,B越大。例如越大。例如很小很小,则则1/较大较大,即莫尔条纹宽度是栅距的即莫尔条纹宽度是栅距的1/倍。这相当于把倍。这相当于把栅距放大了栅距放大了1/倍倍,提高了测量的灵敏度。提高了测量的灵敏度。02一、速度检测方法 速度测量分为线速度测量和角速度测量。线速度的计量单位通常用m/s（米/秒）来表示，角速度测量分为转速测量和角速率测量。转速的计量单位常用r/min（转/分）来表示，而角速率的计

14、量单位则常用/s（度/秒）或/h（度/小时）来表示。 1时间、位移计算测速法 2线速度和角速度相互转换测速法 3速度传感器法 4微积分法二、常用二、常用的速度测量传感器的速度测量传感器0303一、加速度检测方法加速度检测是基于测试仪器检测质量敏感加速度产生惯性力的测量，是一种全自主的惯性测量。加速度检测广泛应用于航天、航空和航海的惯性导航系统及运载武器的制导系统中，在振动试验、地震检测、爆破工程、地基测量、地矿勘测等领域也有广泛的应用。目前主要是通过加速度传感器（俗称加速度计），并配以适当的检测电路测量加速度。加速度计由检测质量（也称敏感质量）、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。检测质量受

15、支承的约束只能沿一条轴线移动，这个轴常称为输入轴或敏感轴。二、微机二、微机电加速度计电加速度计微机电系统加速度计通常是指利用微电子加工手段加工制作，并和微电子测量线路集成在一起的加速度计，这种加速度计常用硅材料制作，故又名硅微型加速度计。 任何加速度传感器都概括为以下3个部分。 质量：被加速时，产生一个惯性力。 弹性构件：使力做某种功。 检拾器：检拾敏感力所做的功。 硅微机械加速度传感器结构中，弹性构件通常是很薄小的硅悬臂梁或挠性轴。敏感力所做功的检拾器，通常有压阻检测、电容检测和隧道电流检测等方式。1硅微型加速度计的类型硅微型加速度计的型式多种多样。按检测质量支承方式分有悬臂梁支承、简支梁支承、方波梁支承、折叠梁支承和挠性轴支承等