机械量的电测法1

1、16.0 速度测量（速度测量（补充补充）6.1 转速的电测法转速的电测法6.2 振动的电测法振动的电测法6.3 力与荷重力与荷重的电测法的电测法6.4 力矩的电测法力矩的电测法2 速度测量n2角速度角速度测量测量( (rad/srad/s) ) 转速转速测量测量n( (转转/ /分）分）速度速度测量测量线速度线速度测量测量v （m/sm/s，km/h)km/h) rv 3 速度测量原理分类1）时间、位移计算测速：）时间、位移计算测速： 根据线速度定义，可从物体在一定时间内移动的根据线速度定义，可从物体在一定时间内移动的距离或者从物体移动一定距离所需的时间求得。距离或者从物体移动一定距离所需的时

2、间求得。 这种方法只能求某段距离或时间的平均速度。这种方法只能求某段距离或时间的平均速度。s越越小，越接近瞬时速度。小，越接近瞬时速度。tsv 方法：光束切断法、相关法、空间滤波器法方法：光束切断法、相关法、空间滤波器法4 速度测量原理分类2）角速度和线速度的相互转化）角速度和线速度的相互转化3）利用物理效应测量：）利用物理效应测量： 多普勒效应、流体力学定律、电磁感应原理多普勒效应、流体力学定律、电磁感应原理4）加速度积分法和位移微分法）加速度积分法和位移微分法5）陀螺）陀螺测速法测速法*rv 5光束切断法n非接触式测量，测量精度较高。非接触式测量，测量精度较高。 图图1 光束切断式速度测量

3、光束切断式速度测量原理：提高精度的措施？NTLv 6相关法n原理原理：利用随机过程互相关函数确定运动时间的方法；：利用随机过程互相关函数确定运动时间的方法；n组成组成：两个相距为：两个相距为L L的相同的传感器，如光电传感器、超的相同的传感器，如光电传感器、超声波传感器、电涡流传感器等；声波传感器、电涡流传感器等；n检测检测：表面粗糙度、表面缺陷、表面标记等；：表面粗糙度、表面缺陷、表面标记等；n处理处理：在测量条件基本相同的情况下，：在测量条件基本相同的情况下，y(t)y(t)的波形和的波形和x(t)x(t)是相似的，只是时间上推迟了是相似的，只是时间上推迟了t t0 0(=L/v)(=L/

4、v)，即求出，即求出t t0 0。7 图2 相关测速原理图 物理含义：物理含义：x(t)延迟延迟to 后成后成x(tt0)，其波形将和，其波形将和y（t）几乎）几乎重叠，因此互相关值有最大值。重叠，因此互相关值有最大值。00000( )()11( )lim() ( )lim() ()()TTxyTTxy tx t tRx ty t dtx t t x tdtTTRt8 接触辊法n特点特点：应用广泛：应用广泛n方法方法：把旋转辊轮（测量辊）：把旋转辊轮（测量辊）接触在行进的物体上，被测接触在行进的物体上，被测物体以速度物体以速度v行进并带动测量行进并带动测量辊转动，由测量辊的转速和辊转动，由测量

5、辊的转速和周长求得物体的行进速度周长求得物体的行进速度。n可用于生产过程中的塑料板带、布、钢板带等速度检测。可用于生产过程中的塑料板带、布、钢板带等速度检测。n注意测量辊与被测物之间的滑移所造成的测量误差。注意测量辊与被测物之间的滑移所造成的测量误差。rv 9皮托管测速法n皮托管是测量流体速度的主要工具之一，广泛用于船舶皮托管是测量流体速度的主要工具之一，广泛用于船舶和飞行体的测速；和飞行体的测速；n在测量时，只要把皮托管对准流体流动的方向，使内管在测量时，只要把皮托管对准流体流动的方向，使内管顶端（滞止点）能感受全压力顶端（滞止点）能感受全压力Pt，而具有静压孔的外管，而具有静压孔的外管感受

6、静压力感受静压力Ps即可。即可。10（一）（一） 皮托管的结构皮托管的结构标准皮托管用两根不同内径管子同心标准皮托管用两根不同内径管子同心套接而成，内管通直端尾接头，是全套接而成，内管通直端尾接头，是全压管，外管通侧接头，是静压管。压管，外管通侧接头，是静压管。， 11（二）皮托管测速原理（二）皮托管测速原理222()vtsvpppvvtstsvpppppp全压静压动压12修正后的流速公式：修正后的流速公式：2()tsvpp为皮托管系数，由实验标定。 一般在0.991.01之间。13 多普勒测速法n光/声学多普勒效应： 当光当光/ /声源和反射体或散射体之间存在相对运动时，声源和反射体或散射体

7、之间存在相对运动时，接收到的光接收到的光/ /声波频率与入射光声波频率与入射光/ /声波频率之间存在正比于声波频率之间存在正比于物体运动速度的频率偏移现象，此现象称为多普勒效应物体运动速度的频率偏移现象，此现象称为多普勒效应（奥地利学者多普勒于（奥地利学者多普勒于18421842年发现）。年发现）。n散射光频率和入射光频率偏移叫多普勒频移；多普勒频移与入射光频率（波长）有关，与运动物体的速度有关。多普勒频移与入射光频率（波长）有关，与运动物体的速度有关。141:2为物体至光源方向与物体运动方向间的夹角;为物体至观察者方向与物体运动方向间的夹角其中1212i iv (k -k )v (k -k

8、)s si if =f =ddi iv(cosv(cos+cos+cos ) )= =则散射光与原始光之间的频移为：c-v kc-v kc ci i f =f -f =(-1) f =f -f =(-1)s s0 0ddc-v kc-v ki is s由于vc，则多普勒频移与入射光频率（波长）有关，与运动物体的速度有关。kiksP1215 电磁波的传播同样有多普勒特性。 当一个发出固定频率的波的物体，相对于观察点有相对运动时，在观察点收到的频率随着它们的相对速度而变化。当物体向着观察点接近时，波长变短，频率变高；而远离观当物体向着观察点接近时，波长变短，频率变高；而远离观察点时，波长变长，频率

9、变低察点时，波长变长，频率变低。这样通过频率的变化就能计算出卫星的高度、速度和方位。若用此法连续测量，就可得到精确的卫星实际轨道数据。 多普勒测速应用实例1) 1) 卫星跟踪测轨系统卫星跟踪测轨系统16光纤血流传感器频移器（布拉格盒移频器）将参考光信号f0调制为f0-f1，再与含被测量的f0f混频，得到f1f2) 基于多普勒效应的光纤血流速度测量基于多普勒效应的光纤血流速度测量流动血液中的“粒子”（红细胞）会散射光，下图中的传感器具体如何测速？ 思考：超声多普勒法是怎样测量血液流动的思考：超声多普勒法是怎样测量血液流动的?17 利用多普勒效应制成的仪器有激光多普勒测量仪、超声多普勒测量仪等。广

10、泛用于流速测量、工业生产中钢板、铝材测量、医学中血液循环监测、医学诊断等。 特点：精度高、非接触、不扰乱流场、响应快、空间分辨率高、使用方便 非接触测量可克服由于机械磨损和打滑造成的测量误差。非接触测量可克服由于机械磨损和打滑造成的测量误差。18n转速转速：物体转动的速度，单位时间内的转数：物体转动的速度，单位时间内的转数n转速的转速的单位单位：转：转/分分 或或 r/minn转动转动角速度角速度： 时间内转动的角位移时间内转动的角位移 与转动时间之比与转动时间之比 n角速度角速度单位单位：弧度：弧度/秒秒 或或 rad/sn转动频率转动频率：每分钟的转速（转动周期的倒数）：每分钟的转速（转动

11、周期的倒数）tt19转速测量n 转速的测量方法及特点：转速的测量方法及特点： 工程中的角速度测量是旋转轴的转速测量，以每分钟工程中的角速度测量是旋转轴的转速测量，以每分钟的转数来表达。测转速的仪表统称转速表。的转数来表达。测转速的仪表统称转速表。n分类：分类： 按测量原理分为模拟法、计数法、同步法按测量原理分为模拟法、计数法、同步法 按变换方式分为机械式、电气式、光电式、频闪式按变换方式分为机械式、电气式、光电式、频闪式 精度等级从精度等级从0.01到到2.5共共10级级206.1.1 模拟式电测法模拟式电测法6.1.2 计数式电测法计数式电测法21 n测速发电机测速发电机n磁性转速表磁性转速

12、表n离心式转速表离心式转速表n频闪转速表频闪转速表22n测量原理：电磁感应测量原理：电磁感应 测速发电机的输出电压正比于输入轴上的转速测速发电机的输出电压正比于输入轴上的转速 （9-1-2）n测速发电机类型：直流、交流测速发电机类型：直流、交流n测速发电机优点：线性好、灵敏度高、输出信号大测速发电机优点：线性好、灵敏度高、输出信号大60Blrn2BlrBlvU023esknk nk24n转轴随待测物旋转、永久磁铁同步旋转；转轴随待测物旋转、永久磁铁同步旋转；n铝制圆盘靠近永久磁铁，当永久磁铁旋转时，二者产生相对运动，铝制圆盘靠近永久磁铁，当永久磁铁旋转时，二者产生相对运动，铝盘中形成涡流；铝盘

13、中形成涡流；n涡流产生的磁场与永久磁铁产生的磁场相互作用，铝盘产生一定涡流产生的磁场与永久磁铁产生的磁场相互作用，铝盘产生一定的转矩的转矩MC（与待测物转速与待测物转速n成正比成正比）；n转矩转矩MC驱动铝盘转动，使游丝扭转变形产生与转角成比例的反驱动铝盘转动，使游丝扭转变形产生与转角成比例的反作用力矩作用力矩MS（与转动角度成正比与转动角度成正比）；n两个力矩相等时，铝盘和指针停留在一定位置，转角对应于被测两个力矩相等时，铝盘和指针停留在一定位置，转角对应于被测轴的转速；轴的转速；n优点：结构简单、使用方便；缺点：精度不高优点：结构简单、使用方便；缺点：精度不高25图9-1-2 离心式转速表

14、结构原理2cskxk26n转轴转动时，重锤在重力和杆的张力作用下作匀速圆周运动；转轴转动时，重锤在重力和杆的张力作用下作匀速圆周运动；n连杆和拉杆的交点连杆和拉杆的交点A在连杆张力和拉杆拉力作用下也作匀速圆周在连杆张力和拉杆拉力作用下也作匀速圆周运动；运动；n套筒在重锤离心力作用下通过拉杆沿转轴方向向上或向下移动一套筒在重锤离心力作用下通过拉杆沿转轴方向向上或向下移动一个位移个位移x；n套筒压缩或拉伸弹簧，弹簧产生一个反弹力，使套筒达到动态平套筒压缩或拉伸弹簧，弹簧产生一个反弹力，使套筒达到动态平衡；衡；n离心力离心力FC与转速的平方成正比，弹簧力与转速的平方成正比，弹簧力Fs与套筒的位移成正

15、比；与套筒的位移成正比； n两者平衡时：两者平衡时： xkFkFSs2cC27n优点：结构简单、成本低、检测范围宽、输出力大；优点：结构简单、成本低、检测范围宽、输出力大；n缺点：转速与位移是非线性关系，重锤的惯性大，不能用于检测缺点：转速与位移是非线性关系，重锤的惯性大，不能用于检测变化快的转速；变化快的转速；n应用：利用其输出力大的特点，制成蒸汽机、汽轮机和水利发电应用：利用其输出力大的特点，制成蒸汽机、汽轮机和水利发电机用的无辅助能源的调节器，直接推动阀门；机用的无辅助能源的调节器，直接推动阀门；n离心式转速表实际上将速度转换成位移；离心式转速表实际上将速度转换成位移；n若配接位移传感器

16、，可实现转速的电测法若配接位移传感器，可实现转速的电测法28图 9-1-3 频闪转速表原理图1被测转轴；2反光标志；3频闪管；4多谐振荡器fS表示闪光频率、表示闪光频率、fX表示被测转轴的转动频率表示被测转轴的转动频率29n工作原理：基于人眼的视觉暂留现象工作原理：基于人眼的视觉暂留现象n频率可调的多谐振荡器频率可调的多谐振荡器4产生某一频率的等幅信号；产生某一频率的等幅信号；n控制频闪管控制频闪管3发出相同频率的闪光至被测转轴发出相同频率的闪光至被测转轴1的反光标志的反光标志2上；上；nfS与与fX相等时，由于人眼的视觉惰性，反光标志看起来似乎在某相等时，由于人眼的视觉惰性，反光标志看起来似

17、乎在某一位置是静止不动的；一位置是静止不动的；n当当fS大于大于fX时，反光标志朝与转轴相反方向旋转；时，反光标志朝与转轴相反方向旋转；n当当fS小于小于fX时，反光标志朝与转轴相同方向旋转；时，反光标志朝与转轴相同方向旋转；n反复调节振荡器的频率，直至看到反光标志最亮且似乎静止不动反复调节振荡器的频率，直至看到反光标志最亮且似乎静止不动为止，此时可从振荡器震荡频率的指示盘上直接读出被测的转速为止，此时可从振荡器震荡频率的指示盘上直接读出被测的转速30n频闪转速表：将转速转换成频率测量频闪转速表：将转速转换成频率测量n特点：方便灵活、可随意移动测试特点：方便灵活、可随意移动测试n适合中、高速测

18、量，精度约为适合中、高速测量，精度约为0.1%-2%316.1.2 计数式电测法-数字式n特点特点：量程宽、准确度高、便于携带，数字输出量程宽、准确度高、便于携带，数字输出 应用最广的精密测量转速方法之一应用最广的精密测量转速方法之一 n测量原理测量原理：将被测转速变成电脉冲信号：将被测转速变成电脉冲信号n 电子计数电路：电子计数电路： 测量转速测量转速n 中高速中高速采用频率法采用频率法n 低速低速采用周期法采用周期法32n转速的计数式电测法：利用转速传感器将转速转换转速的计数式电测法：利用转速传感器将转速转换成脉冲频率，再用测频法或测周法对脉冲频率进行成脉冲频率，再用测频法或测周法对脉冲频

19、率进行数字测量；数字测量；n转速传感器：转速传感器： 1）磁电式）磁电式 2）电涡流式和电容式）电涡流式和电容式 3）霍尔式）霍尔式 4）光电式）光电式 5）圆珊式）圆珊式n转速传感器测量电路转速传感器测量电路 1）测频计数式）测频计数式 2）测周计数式）测周计数式33n转速传感器：种类多转速传感器：种类多n共同点：将转速转换成脉冲频率共同点：将转速转换成脉冲频率n设每分钟转动圈数为设每分钟转动圈数为n，每转一圈传感器发出脉冲，每转一圈传感器发出脉冲数为数为m（m的数值最好为的数值最好为60的整数倍），则传感器的整数倍），则传感器脉冲的频率为（式脉冲的频率为（式9-1-5）n只要测得传感器脉冲

20、的频率，即可求得转速式（只要测得传感器脉冲的频率，即可求得转速式（9-1-6）60nmffmn6034图 9-1-4 磁电式转速传感器35n图图9-1-4（a）：开磁路磁阻式转速传感器）：开磁路磁阻式转速传感器n组成：永久磁铁组成：永久磁铁1、软铁、软铁2、感应线圈、感应线圈3、齿轮、齿轮4 齿轮（齿数为齿轮（齿数为 m）安装在被测转轴上）安装在被测转轴上n原理：当齿轮随转轴旋转时，齿的凸凹引起磁阻变原理：当齿轮随转轴旋转时，齿的凸凹引起磁阻变化，导致线圈中磁通发生变化，感应出幅值交变的化，导致线圈中磁通发生变化，感应出幅值交变的电动势，感应电动势的频率由式（电动势，感应电动势的频率由式（9-

21、1-5）决定；）决定；n特点：结构简单，但是输出信号小。当被测轴振动特点：结构简单，但是输出信号小。当被测轴振动 较大时，传感器输出波形失真较大。较大时，传感器输出波形失真较大。n在震动强的场合常采用闭磁路转速传感器。在震动强的场合常采用闭磁路转速传感器。36n图图9-1-4（b）：闭磁路转速传感器）：闭磁路转速传感器n组成：转轴组成：转轴1、内齿轮、内齿轮2、外齿轮、外齿轮3、线圈、线圈4、磁铁、磁铁5 内外齿轮的齿数均为内外齿轮的齿数均为 mn原理：转轴原理：转轴1连接在被测转轴上与其一起转动，使连接在被测转轴上与其一起转动，使 内外齿轮相对运动，内外齿轮相对运动， 使磁路气隙周期变化，使

22、磁路气隙周期变化， 在线圈中产生感应电动势，感应电动势的频在线圈中产生感应电动势，感应电动势的频率由式（率由式（9-1-5）决定；）决定；37n感应电动势的幅值取决于切割磁力线的速度，也与感应电动势的幅值取决于切割磁力线的速度，也与转速成一定比例；转速成一定比例；n当转速太低时，输出电压很小，导致无法测量；当转速太低时，输出电压很小，导致无法测量；n磁电式转速传感器工作频率：磁电式转速传感器工作频率： 下限：下限：50Hz（闭磁路式可降至（闭磁路式可降至30Hz） 上限：上限：100kHz38图 9-1-5 磁阻式转速脉冲转换电路39n磁阻式转速磁阻式转速-脉冲转换电路：脉冲转换电路：P215

23、 图图9-1-5n转换原理：转换原理： 1）传感器感应电压由二极管）传感器感应电压由二极管D削去负半周；削去负半周； 2）送至）送至T1进行放大；进行放大； 3）由射级跟随器）由射级跟随器T2送入送入T3和和T4组成的射级耦合触组成的射级耦合触 发器进行整形；发器进行整形； 4）得到方波输出信号）得到方波输出信号40nP214 图图9-1-4（a）中的磁电式传感器若换成电涡流）中的磁电式传感器若换成电涡流式传感器，即构成电涡流式转速传感器；式传感器，即构成电涡流式转速传感器；n当金属齿轮随被测转轴转动时，电涡流式传感器线圈当金属齿轮随被测转轴转动时，电涡流式传感器线圈的电感将周期性地变化，其变

24、化频率由式（的电感将周期性地变化，其变化频率由式（9-1-5）决定；决定；nP214 图图9-1-4（a）中的磁电式传感器若换成变极距）中的磁电式传感器若换成变极距型电容传感器，即构成电容式转速传感器，如图型电容传感器，即构成电容式转速传感器，如图9-1-6所示。所示。41图 9-1-6 电容式转速传感器n当齿轮作为电容传当齿轮作为电容传感器的动极板随被感器的动极板随被测转轴转动时，电测转轴转动时，电容传感器的电容也容传感器的电容也周期性变化，周期性变化，其变其变化频率由式（化频率由式（9-1-5）决定。）决定。42P215图 9-1-7 霍尔式转速传感器43n霍尔式转速传感器原理图：霍尔式转

25、速传感器原理图：P215 图图9-1-7n图（图（a）：将一非磁性圆盘固定在被测转轴上，圆）：将一非磁性圆盘固定在被测转轴上，圆盘周边上等距离镶嵌盘周边上等距离镶嵌m个永磁铁氧体，相邻两铁氧个永磁铁氧体，相邻两铁氧体的极性相反；体的极性相反；n磁导体和霍尔元件（置于磁导体间隙中）组成测量磁导体和霍尔元件（置于磁导体间隙中）组成测量头（磁导体尽可能安装在铁氧体边上）；头（磁导体尽可能安装在铁氧体边上）；n当圆盘转动时，霍尔元件感受的磁场强度周期性变当圆盘转动时，霍尔元件感受的磁场强度周期性变化，霍尔元件输出正负交变的周期电压。化，霍尔元件输出正负交变的周期电压。44nP215 图图9-1-7所示

26、霍尔式转速传感器，配以适当所示霍尔式转速传感器，配以适当的电路即可构成非接触型转速表；的电路即可构成非接触型转速表；n这种转速表对被测轴影响小，输出信号幅值与转速这种转速表对被测轴影响小，输出信号幅值与转速无关，测量精度高。无关，测量精度高。45P216图 9-1-8 光电式转速传感器46n图（图（a）反射式：）反射式：n用金属箔或反射纸在转轴用金属箔或反射纸在转轴1上贴一圈黑白相间的反上贴一圈黑白相间的反射面，光源射面，光源3发射光线经透镜发射光线经透镜2、半透膜、半透膜6和聚焦镜和聚焦镜7投射在转轴反射面上；投射在转轴反射面上；n反射光经聚焦镜反射光经聚焦镜5汇聚后，照射在光电器件汇聚后，

27、照射在光电器件4上产生上产生光电流；光电流；n转轴旋转时，黑白相间的反射面使反射光强弱变化，转轴旋转时，黑白相间的反射面使反射光强弱变化，形成频率与转轴及黑白间隔数有关的光脉冲；形成频率与转轴及黑白间隔数有关的光脉冲；n由由P214式式9-1-5可知，当黑白间隔数可知，当黑白间隔数m一定时，电一定时，电脉冲的频率脉冲的频率f与转速与转速n成正比。成正比。47n图（图（b）透射式：）透射式：n旋转盘旋转盘4固定在被测转轴上，其圆周上开有固定在被测转轴上，其圆周上开有m道径道径向透光的缝隙；向透光的缝隙；n不动的指示盘不动的指示盘3具有和旋转盘相同间距的缝隙；具有和旋转盘相同间距的缝隙；n两盘缝隙

28、重合时，光源两盘缝隙重合时，光源1发出的光线经透镜发出的光线经透镜2照射在照射在光电器件光电器件5上，形成光电流。上，形成光电流。n旋转盘随被测轴转动时，每转过一条缝隙，光电器旋转盘随被测轴转动时，每转过一条缝隙，光电器件接收的光线就发生一次明暗变化，从而输出一个件接收的光线就发生一次明暗变化，从而输出一个电脉冲信号；电脉冲信号；48n透射式：透射式：n旋转缝隙数目旋转缝隙数目m确定后，所产生的电脉冲频率确定后，所产生的电脉冲频率f与与轴的转速轴的转速n成正比（成正比（P214式式9-1-5）；）；n此结构可以大大增加旋转盘上的缝隙数目，使被测此结构可以大大增加旋转盘上的缝隙数目，使被测轴每转

29、一圈产生的电脉冲数增加，从而提高转速测轴每转一圈产生的电脉冲数增加，从而提高转速测量精度。量精度。n光电转速表测量电路：光电转速表测量电路：P216图图9-1-8（c） 原理同原理同P215图图9-1-549图 9-1-8 光电式转速传感器50P217n圆感应同步器和圆光栅：可用于转速的精密测量圆感应同步器和圆光栅：可用于转速的精密测量n柱状圆容珊传感器（多齿电容传感器）：柱状圆容珊传感器（多齿电容传感器）：n组成：同轴安装的定子（圆筒）和转子（圆柱）组成：同轴安装的定子（圆筒）和转子（圆柱） 定子内表面和转子外表面刻制一系列宽度相定子内表面和转子外表面刻制一系列宽度相 等的齿和槽等的齿和槽

30、（ P217图图9-1-9（a）n当定子与转子的齿面相对时电容量最大，错开时电当定子与转子的齿面相对时电容量最大，错开时电容量最小；容量最小；n电容量电容量C与转角的关系：与转角的关系：P217图图9-1-9（b）51图 9-1-9 多齿电容传感器2360mm52n测频计数式：测频计数式： 原理图：原理图：P218图图9-1-10（a） 特点：转速越快，计数值越大特点：转速越快，计数值越大n测周计数式：测周计数式： 原理图：原理图：P218图图9-1-10（b） 特点：转速越慢，计数值越大特点：转速越慢，计数值越大53n转速传感器输出的脉冲信号经放大整形，变为频率为转速传感器输出的脉冲信号经放

31、大整形，变为频率为f的方波脉冲；的方波脉冲；n晶体振荡器输出稳定的时钟频率晶体振荡器输出稳定的时钟频率fc，经分频器，经分频器k分频后分频后形成宽度为形成宽度为T=k/fc的门控信号，使控制门打开让方形的门控信号，使控制门打开让方形脉冲通过，计数器对方形脉冲计数。脉冲通过，计数器对方形脉冲计数。 nfkmffkTfNCC6054n测周法：转速很慢时，测量转动周期测周法：转速很慢时，测量转动周期T来反映转动快慢；来反映转动快慢；n转速传感器信号（频率为转速传感器信号（频率为T/m）经整形和）经整形和k分频时，形成分频时，形成门控信号，使控制门打开让晶体振荡器输出的周期为门控信号，使控制门打开让晶

32、体振荡器输出的周期为Tc的时钟脉冲通过；的时钟脉冲通过；n计数结果：计数结果： TTmkNC55n在随转轴转动的转盘上均匀分布在随转轴转动的转盘上均匀分布m个测点；个测点；n每相邻两个测量点的间距为每相邻两个测量点的间距为 n只要测出转过各段只要测出转过各段 所用时间所用时间 的计时脉冲数的计时脉冲数Ni， 即可求出每个测点的瞬时角速度。即可求出每个测点的瞬时角速度。m2it), , 2 , 1( ,2miNmfiiCciiTNt 56n机械震动：物体在其平衡位置附近来回往复运动；机械震动：物体在其平衡位置附近来回往复运动；n震动测量应用场合：震动测量应用场合： 1）石油勘探：探测地下地质结构

33、，确定钻井位置）石油勘探：探测地下地质结构，确定钻井位置 2）机械设备、堤坝、桥梁等的振动情况）机械设备、堤坝、桥梁等的振动情况 3）科学研究）科学研究57n振动传感器（测振传感器）分类振动传感器（测振传感器）分类n按振动参数分类：按振动参数分类： 振动位移、振动速度、振动加速度振动位移、振动速度、振动加速度n按工作原理分类：按工作原理分类： 应变式、电容式、电感式、电涡流式、应变式、电容式、电感式、电涡流式、 差动变压器式、磁电式、压电式、光电式差动变压器式、磁电式、压电式、光电式n按选定的运动参照点分类：按选定的运动参照点分类： 相对振动、绝对振动相对振动、绝对振动 586.2.1 相对振

34、动传感器和绝对振动敏感器相对振动传感器和绝对振动敏感器6.2.2 绝对振动电测法绝对振动电测法596.2.1 - 1 n相对振动相对振动：物体相对于其平衡位置或者以其平衡位置为参物体相对于其平衡位置或者以其平衡位置为参照点的往复运动；照点的往复运动；n结构型传感器一般都包含固定部分和可动部分，结构型传感器一般都包含固定部分和可动部分，9.1节介节介绍的各种位移传感器都可以构成相对振动传感器；绍的各种位移传感器都可以构成相对振动传感器；n可动部分与被测物体的关联方式：两种可动部分与被测物体的关联方式：两种 示意图：示意图： P219 图图9-2-160图 9-2-1 相对振动传感器的关联方式0k

35、m2220mmmLxxk 616.2.1 - 2 n绝绝对振动对振动：被测物体相对于大地或惯性空间的往复被测物体相对于大地或惯性空间的往复运动；运动；n绝绝对振动对振动敏敏感器工作原理示意图：感器工作原理示意图：P220 图图9-2-1n敏感器固定在被测物体上，其可动部分与一质量块（惯性体，质敏感器固定在被测物体上，其可动部分与一质量块（惯性体，质量为量为m）固接在一起；）固接在一起；n惯性体通过弹簧（弹性系数为惯性体通过弹簧（弹性系数为k）与敏感器的固定部分连接，其运）与敏感器的固定部分连接，其运动受到阻尼器（阻尼系数为动受到阻尼器（阻尼系数为c）的阻尼作用；）的阻尼作用；n由质量块、弹簧、

36、阻尼器构成的系统简称为由质量块、弹簧、阻尼器构成的系统简称为“m-k-c”系统，可以系统，可以将被测物体的绝对运动转换为敏感器中可动部分与固定部分的相将被测物体的绝对运动转换为敏感器中可动部分与固定部分的相对运动。对运动。620km022ccDmmk图 9-2-2 绝对振动敏感器22200222d ydyd xDydtdtdt n式中式中 为固有或自然角频率，为固有或自然角频率，D为阻尼系数，为阻尼系数，Y（图中（图中V）为位移）为位移063 n绝绝对振动对振动敏敏感器的输入感器的输入-输出特性推导：输出特性推导：P220 P222n推导结果：推导结果： P221 式式 9-2-16/17/1

37、8n简化结果：简化结果： P221 式式9-2-19/20n由式由式9-2-19/20可见：可见：n当当 时，时， 绝对振动绝对振动位移位移转换为相对振动位移；转换为相对振动位移； n当当 时，时， 绝对振动绝对振动速度速度转换为相对振动位移；转换为相对振动位移；n当当 时，时， 绝对振动绝对振动加速度加速度转换为相对振动位移转换为相对振动位移n 为固有频率（物体自由震荡时的频率，与固有特性相关）为固有频率（物体自由震荡时的频率，与固有特性相关）n被测振动角频率被测振动角频率 与敏感器固有角频率与敏感器固有角频率 的比值，决定了绝对振动敏感器的比值，决定了绝对振动敏感器中质量块的相对运动位移与

38、被测振动体绝对运动的哪一种参数（位移、速度、中质量块的相对运动位移与被测振动体绝对运动的哪一种参数（位移、速度、加速度）成正比。加速度）成正比。 00mmXY0kmAAYm20mm0mmD2VY00646.2.2 n设计制作惯性式绝对振动传感器的方法设计制作惯性式绝对振动传感器的方法： 1） 位移传感器配接绝对振动敏感器；位移传感器配接绝对振动敏感器； 实例：电容式加速度传感器、差动变压器式加速度传感器实例：电容式加速度传感器、差动变压器式加速度传感器 以悬臂梁作为弹性支承的加速度传感器以悬臂梁作为弹性支承的加速度传感器 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 2） 磁电式传感器配接绝对振动敏感

39、器；磁电式传感器配接绝对振动敏感器； 3） 涡流式传感器配接绝对振动敏感器；涡流式传感器配接绝对振动敏感器； 4）惯性式测振传感器配接微分电路和积分电路）惯性式测振传感器配接微分电路和积分电路65n原理原理：n结构型位移传感器（电位器式、电感式、电容式、涡流式传感器结构型位移传感器（电位器式、电感式、电容式、涡流式传感器等）内部都包括等）内部都包括“固定固定”部分和部分和“可动可动”部分；部分；n其其“可动可动”部分（如电位器滑壁、活动衔铁、动极板、金属板等）部分（如电位器滑壁、活动衔铁、动极板、金属板等）随被测运动物体运动；随被测运动物体运动；n其其“固定固定”部分与运动参照点保持相对静止；

40、部分与运动参照点保持相对静止；n则位移传感器内则位移传感器内“可动可动”部分相对于部分相对于“固定固定”部分的位移即被测部分的位移即被测物体相对于运动参照点的位移。物体相对于运动参照点的位移。66n制作方法制作方法：n将位移传感器的将位移传感器的“可动可动”部分与部分与“固定固定”部分之间用弹簧或其他部分之间用弹簧或其他弹性体连接并充填阻尼液体或气体；弹性体连接并充填阻尼液体或气体；n“固定固定”部分随传感器底座一起固定在被测物体上。部分随传感器底座一起固定在被测物体上。n电容式加速度传感器电容式加速度传感器： 1）振动体的运动使质量块运动，）振动体的运动使质量块运动， 2）电容）电容C1、C

41、2改变改变 3）测量电桥输出）测量电桥输出U0改变改变 4）U0与位移与位移X成正比成正比dXEdYEUmm00022图 9-2-3 电容式加速度传感器67n只需将只需将P222 式（式（9-2-23）代入位移传感器输出电量与相对位移的关）代入位移传感器输出电量与相对位移的关系式，即可求出由位移传感器配接绝对振动传感器制成的加速度传系式，即可求出由位移传感器配接绝对振动传感器制成的加速度传感器的输出电量与振动加速度的关系式；感器的输出电量与振动加速度的关系式；n适用范围：电位器式、涡流式、差动变压器式、应变式、压阻式、适用范围：电位器式、涡流式、差动变压器式、应变式、压阻式、压电式、霍尔式等加

42、速度传感器；压电式、霍尔式等加速度传感器；n此类传感器的共性：此类传感器的共性： 1）壳体与被测振动体固接在一起，相对大地或惯性空间绝对振动；）壳体与被测振动体固接在一起，相对大地或惯性空间绝对振动； 2）壳体通过弹簧等弹性支承带动质量块相对于壳体作相对运动；）壳体通过弹簧等弹性支承带动质量块相对于壳体作相对运动； 3）质量块的相对位移被转换成电量，故被测振动体的绝对振动加速）质量块的相对位移被转换成电量，故被测振动体的绝对振动加速 度被转换成电量。度被转换成电量。68图 9-2-4 差动变压器式加速度传感器n两种差动变压器式加速度传感器结构示意图：两种差动变压器式加速度传感器结构示意图：P2

43、24 图图9-2-4n图图a：变气隙式，可测水平方向振动加速度：变气隙式，可测水平方向振动加速度n图图b：螺管型，测量垂直方向振动加速度：螺管型，测量垂直方向振动加速度69图 9-2-5 （a）以悬臂梁作为弹性支承的加速度传感器n以悬臂梁作为弹性支承的加速度传感器示意图：以悬臂梁作为弹性支承的加速度传感器示意图：P224 图图9-2-5（a）n悬臂梁根部粘帖应变片连接成差动电桥悬臂梁根部粘帖应变片连接成差动电桥70图 9-2-5 （b）以悬臂梁作为弹性支承的加速度传感器n霍尔式加速度传感器示意图：霍尔式加速度传感器示意图：P224 图图9-2-5（b）n质量块质量块m的末端装有霍尔元件的末端装

44、有霍尔元件n输出的霍尔电压与加速度之间线性关系较好输出的霍尔电压与加速度之间线性关系较好71图 9-2-5 （c）以悬臂梁作为弹性支承的加速度传感器n弯曲型加速度传感器示意图：弯曲型加速度传感器示意图：P224 图图9-2-5（c）n悬臂梁由金属片和双压电片组成；悬臂梁由金属片和双压电片组成；n将将F=mAm代入代入P89 式式4-2-13中，得到电荷中，得到电荷Q的表达式；的表达式； n特点：灵敏度高，频率响应低。特点：灵敏度高，频率响应低。n应用领域：医学、地壳和建筑物振动监测应用领域：医学、地壳和建筑物振动监测AmldQm22318372图 9-2-6 压电式加速度传感器n压电式加速度传

45、感器示意图：压电式加速度传感器示意图：P225 图图9-2-6（a）n压电元件由压电元件由2片压电片并联组成；片压电片并联组成；n传感器输出电荷（或电压）与作传感器输出电荷（或电压）与作用力成正比，即与试件的加速度用力成正比，即与试件的加速度成正比；成正比；n特点：谐振动频率高、频响范围特点：谐振动频率高、频响范围宽、灵敏度高（应用较多）宽、灵敏度高（应用较多）（因为00433042033111)(mdmkkdAQ73图 9-2-6 压电式加速度传感器n结构示意图：结构示意图：P225 图图9-2-6（b）n组成：压电陶瓷圆筒组成：压电陶瓷圆筒2、底座、底座1、 惯性质量环惯性质量环3、引线、

46、引线4n原理：利用压电元件的切变效应；原理：利用压电元件的切变效应；n传感器受到振动时，压电元件上出传感器受到振动时，压电元件上出现剪切应力，产生剪切形变；压电现剪切应力，产生剪切形变；压电元件内外表面上产生电荷，输出与元件内外表面上产生电荷，输出与加速度成正比的电压；加速度成正比的电压；n特点：灵敏度高、受环境影响小特点：灵敏度高、受环境影响小74n当振动频率高于固有频率时，须采用磁电式传感器配接绝对振当振动频率高于固有频率时，须采用磁电式传感器配接绝对振动敏感器构成磁电式振动速度传感器；动敏感器构成磁电式振动速度传感器；n实例：石油、地震勘探中广泛使用的地震检波器；实例：石油、地震勘探中广

47、泛使用的地震检波器；n传感器原理图：传感器原理图：P81 图图4-1-2（a）n输入输出关系式：输入输出关系式： P227 式式9-2-47BlRRRVVKUdcd075n测量振动频率高于固有频率的振动加速度时，须采用涡流传感测量振动频率高于固有频率的振动加速度时，须采用涡流传感器配接绝对振动敏感器，构成涡流式加速度传感器；器配接绝对振动敏感器，构成涡流式加速度传感器；n应用实例：高分辨率地震勘探的新型地震检波器；应用实例：高分辨率地震勘探的新型地震检波器；n输入输出关系式：输入输出关系式： P229 式式9-2-54mmVKU076n在速度传感器后配接积分电路构成位移传感器，配接微分电路在速

48、度传感器后配接积分电路构成位移传感器，配接微分电路构成加速度传感器，如构成加速度传感器，如P82图图4-1-3所示所示 。n上述方案不足之处：易受噪声或偏置的影响；上述方案不足之处：易受噪声或偏置的影响；n改进：用相应传感器直接测量所选择的振动量（位移、速度、改进：用相应传感器直接测量所选择的振动量（位移、速度、加速度）加速度）77n振动位移幅值振动位移幅值Xm、速度幅值、速度幅值Vm、加速度幅值、加速度幅值Am三者关系：三者关系：mmXVm2mmXVAn振动位移、速度和加速度三者的幅值相互间的关系与频率有关；振动位移、速度和加速度三者的幅值相互间的关系与频率有关；n只要测得一个振动参数，即可

49、根据振动频率求得另外两个振动参只要测得一个振动参数，即可根据振动频率求得另外两个振动参量。量。78n测量方法：直接法、间接法测量方法：直接法、间接法n直接法：利用压电式、振弦式、振筒式传感器直接法：利用压电式、振弦式、振筒式传感器 直接将力转换为电信号；直接将力转换为电信号；n间接法：以弹性元件为敏感器，将拉力或压力转间接法：以弹性元件为敏感器，将拉力或压力转 换成应变或位移，再转换为电量换成应变或位移，再转换为电量796.3.1 力敏感器力敏感器6.3.2 力的间接电测法力的间接电测法6.3.3 荷重传感器与电子秤荷重传感器与电子秤80n力敏感器（力敏感型弹性元件）：力敏感器（力敏感型弹性元

50、件）： 将力转换成位移或应变的弹性元件将力转换成位移或应变的弹性元件n种类：种类： 1）实心轴或空心圆轴）实心轴或空心圆轴 2）悬臂梁：等截面梁、变截面（等强度）梁）悬臂梁：等截面梁、变截面（等强度）梁81lFAErFAE n纵向（沿轴向）线应变：纵向（沿轴向）线应变：n横向（沿圆周）线应变：横向（沿圆周）线应变：nF：拉力为正、压力为负：拉力为正、压力为负nE ：弹性模量（杨氏模量）：弹性模量（杨氏模量）82n悬臂梁：一端固定、一端自由悬臂梁：一端固定、一端自由 的弹性敏感元件；的弹性敏感元件；n特点：结构简单、加工方便；特点：结构简单、加工方便；n应用：较小力的测量应用：较小力的测量n种类

51、：种类： 1）等截面梁：截面处处相等，不同部位的应变不等）等截面梁：截面处处相等，不同部位的应变不等 2）变截面梁（等强度）：不同部位的应变大小相等）变截面梁（等强度）：不同部位的应变大小相等 各处上下表面应变符号相反各处上下表面应变符号相反FkFyFykF83n结论：结论： 1）力敏感型弹性元件上某一指定部位处的应变）力敏感型弹性元件上某一指定部位处的应变 与与 外力外力F成正比；成正比； 2）自由端或外力作用点相对于固定端的位移（挠度）自由端或外力作用点相对于固定端的位移（挠度）Y 与外力与外力F成正比成正比n各类力敏感型弹性元件的共同点：各类力敏感型弹性元件的共同点： 将力转换为与之成正

52、比的位移或应变将力转换为与之成正比的位移或应变n应变式传感器和位移传感器只要配置力敏感型弹性元件，应变式传感器和位移传感器只要配置力敏感型弹性元件，即可构成将力转换成电量的力传感器。即可构成将力转换成电量的力传感器。FkFyFykF84n应变式力传感器：将应变片粘帖到受力的力敏应变式力传感器：将应变片粘帖到受力的力敏感型弹性元件上感型弹性元件上n位移式力传感器：各类位移传感器配置力敏感位移式力传感器：各类位移传感器配置力敏感型弹性元件型弹性元件85图 9-3-3 受力圆柱上应变片的粘贴AEFkUU)1 (2086图 9-3-4 受力等强度梁应变片的粘贴FhbElkUUkU200687图 9-3

53、-5 受力薄臂环上应变片的粘贴FEbRkUUkU20092. 188图 9-3-6 受力固定梁应变片的粘贴FhEblkUUkU204389n位移式力传感器：各类位移传感器配置力敏感型弹性元件位移式力传感器：各类位移传感器配置力敏感型弹性元件n实例：电容式力传感器实例：电容式力传感器 P234 图图9-3-7 差动变压器式力传感器差动变压器式力传感器 图图9-3-890 图 9-3-7 电容式荷重传感器（a）大吨位电子吊秤用电容式传感器 （b）平台式电容式荷重传感器 1动极板；2定极板；3绝缘材料；4弹性体；5极板支架 91n示意图示意图： P234 图图9-3-7（a） n原理原理：n扁环形弹

54、性元件内腔上分别固连扁环形弹性元件内腔上分别固连 电容传感器的两个极板；电容传感器的两个极板；n称重时弹性元件受力变形，使电容极板间距改变，导致电称重时弹性元件受力变形，使电容极板间距改变，导致电容变化；容变化；n引起由电容组成的振荡器的震荡频率变化，经计数、编码、引起由电容组成的振荡器的震荡频率变化，经计数、编码、传输到显示部分。传输到显示部分。92 n示意图示意图： P224 图图9-3-7（b） n原理原理：n在一块弹性元件内安装一排平行的平板电容；在一块弹性元件内安装一排平行的平板电容；n重量时，使圆孔变形，每个孔中的电容极板的间隙随之变重量时，使圆孔变形，每个孔中的电容极板的间隙随之

55、变小，其电容相应增大当钢块上端面承受；小，其电容相应增大当钢块上端面承受；n因各电容并联连接，故总的电容增量与钢块上端面承受的因各电容并联连接，故总的电容增量与钢块上端面承受的总重量成正比。总重量成正比。93图 9-3-8 差动变压器式测力传感器94n示意图示意图： P234 图图9-3-8（a） 环形弹性元件环形弹性元件 P234 图图9-3-8（b） 筒形弹性元件筒形弹性元件n原理原理：弹性元件受力产生位移，带动差动变压器的铁心运：弹性元件受力产生位移，带动差动变压器的铁心运动，使两线圈互感发生变化；动，使两线圈互感发生变化；n差动变压器的输出电压产生和弹性受力大小成比例的变化。差动变压器

56、的输出电压产生和弹性受力大小成比例的变化。95n荷重传感器荷重传感器：用于测量重力的力传感器：用于测量重力的力传感器 电子秤中将荷重转换为电量输出的装置电子秤中将荷重转换为电量输出的装置n电子秤电子秤组成组成：荷重传感器（压头）：荷重传感器（压头）+ 显示仪表显示仪表n电子秤电子秤类型类型：电子台秤、电子吊车秤：电子台秤、电子吊车秤 电子料斗秤、电子平台秤和轨道衡电子料斗秤、电子平台秤和轨道衡 电子皮带秤电子皮带秤96图 9-3-9 电子台秤n电子台秤多采用悬臂梁作为电子台秤多采用悬臂梁作为荷重敏感器，其敏感度高，荷重敏感器，其敏感度高，适合较小力的测量；适合较小力的测量；n悬臂梁的上下表面粘

57、帖应变悬臂梁的上下表面粘帖应变片，并接入电桥；片，并接入电桥；n电桥输出电压与荷重成正比。电桥输出电压与荷重成正比。FhbElkUUkU2006（ P232 式 9-3-17 ）97n电子吊车秤将荷重传感器直接安电子吊车秤将荷重传感器直接安装在吊车的吊钩或行走的小车上；装在吊车的吊钩或行走的小车上；n在吊运过程中，可直接称量出物在吊运过程中，可直接称量出物体的重量，并通过传输线送至显体的重量，并通过传输线送至显示仪表进行显示；示仪表进行显示；n在工厂、仓库、港口等场合应用在工厂、仓库、港口等场合应用较多。较多。电子叉车秤电子叉车秤98n料斗秤是冶金、化工生产中用来料斗秤是冶金、化工生产中用来配

58、料的秤重装置；配料的秤重装置；n当物料从料仓注入称量斗后，荷当物料从料仓注入称量斗后，荷重传感器将料斗的重量转换为电重传感器将料斗的重量转换为电信号，送到二次仪表显示出来。信号，送到二次仪表显示出来。99n平台秤主要用于载重汽车、卡车等重量的称量平台秤主要用于载重汽车、卡车等重量的称量100n轨道秤（轨道衡）是列车在一定速度行进状态下，能连续自动轨道秤（轨道衡）是列车在一定速度行进状态下，能连续自动地对各节货车进行称重的大型设备；地对各节货车进行称重的大型设备；n主要用于车站货场、码头仓库以及进料场等。主要用于车站货场、码头仓库以及进料场等。101n电子皮带秤是在皮带传输装置中安装的自动称重设备；电子皮带秤是在皮带传输装置中安装的自动称重设备；n它不仅能称出某一瞬间传送带所输送的物料重量，而且可以称它不仅能称出某一瞬间传送带所输送的