第4章机械量测量

1、第第4 4章章 机械量测量机械量测量 尺寸：长、宽、高；尺寸：长、宽、高；位移：直线位移、角位移；位移：直线位移、角位移；速度：直线速度、角速度、转速；速度：直线速度、角速度、转速；力学量：力、力矩、加速度、振动等。力学量：力、力矩、加速度、振动等。直线位移是机械量中最基本的参数；直线位移是机械量中最基本的参数；速度是位移的时间微分；速度是位移的时间微分；力或力矩可以使弹性体变形而产生位移；力或力矩可以使弹性体变形而产生位移；由牛顿定律可知加速度与作用力有关；由牛顿定律可知加速度与作用力有关；机械量检测的主要任务：检测位移和力机械量检测的主要任务：检测位移和力的大小。的大小。dSdSCr01.

2、 变极距型变极距型0000ddCdddCC001ddCCK21CCC002ddCC002ddCCK2. 变面积型变面积型drC2drCK21dabCdbxCK23. 电容传感器测量电路电容传感器测量电路变压器电桥电路变压器电桥电路ECCCCUO2121EddUO0ddSC01ddSC02二极管式双二极管式双T电路电路运算放大器电路运算放大器电路ESdCECCECjCjUxxO00011差动脉宽调制电路差动脉宽调制电路1. 工作原理工作原理202SWL 变 气 隙 型 ：变 气 隙 型 ： 0 =0.10.5mm， 0 5，灵敏度高，灵敏度高，非线性误差大。非线性误差大。变截面型：线性度变截面型

3、：线性度好，量程大。好，量程大。螺管式：灵敏度螺管式：灵敏度低，量程大，结低，量程大，结构简单便于制造。构简单便于制造。. 差动式电感传感器差动式电感传感器. 电感传感器的测量电路电感传感器的测量电路UUZZZUUUBAO21211LLjZZZ001LLjZZZ002LLUUO02. 差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器光栅种类很多，可分为物理光栅和计量光栅。光栅种类很多，可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅主要是利用光的衍射现象，常用于光物理光栅主要是利用光的衍射现象，常用于光谱分析和光波波长测定；谱分析和光波波长测定；在检测技术中常用的是计量光栅。计量光栅主在检测技术中常用的是计量光栅。

4、计量光栅主要是利用光的透射和反射现象，常用于位移测要是利用光的透射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分辨力，可优于量，有很高的分辨力，可优于0.1 m。计量光栅根据光线走向可分为透射式光栅和反计量光栅根据光线走向可分为透射式光栅和反射式光栅。根据形状可分为长光栅和圆光栅。射式光栅。根据形状可分为长光栅和圆光栅。根据刻线形式可以分为黑白光栅和相位光栅。根据刻线形式可以分为黑白光栅和相位光栅。1. 光栅传感器的结构和原理光栅传感器的结构和原理光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。指示光栅）和光电接收元件组成。 光栅传感器光源

5、光栅传感器光源钨丝灯泡：钨丝灯泡： 输出功率较大，工作范围较宽（输出功率较大，工作范围较宽（-40到到+130）与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低。件下工作时，使用寿命将降低。半导体发光器件半导体发光器件: 转换效率高，响应特征快速。如砷化镓发光二极管，转换效率高，响应特征快速。如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达30%左右。左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十ns，可以使，可以使光源工作在触发状态，从

6、而减小功耗和热耗散。光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。 光栅副：指示光栅主光栅光栅副：指示光栅主光栅 a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，通常情况下，a=b=W/2 光电元件光电元件 包括有光电池和光敏三极管等部分。包括有光电池和光敏三极管等部分。在采用固态光源时，需要选用敏感波在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。高的转换效率。在光敏元件的输出端，常接有放大器，在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。干

7、扰的影响。2. 莫尔条纹的形成及其特点莫尔条纹的形成及其特点2tantan横向莫尔条纹的斜率横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹间距WWBCABBH2sin22sin莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度BH由由光栅常数与光栅夹角决定光栅常数与光栅夹角决定 莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点平均作用平均作用莫尔条纹是由光栅的大量栅线（常为数百条）共同形莫尔条纹是由光栅的大量栅线（常为数百条）共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，在很大程度上成的，对光栅的刻划误差有平均作用，在很大程度上消除了栅线的局部缺陷和短周期误差的影响消除了栅线的局部缺陷和短周期误差的影响, , 个别栅线个别栅线的栅距误差或断线及疵病

8、对莫尔条纹的影响很微小，的栅距误差或断线及疵病对莫尔条纹的影响很微小，从而提高了光栅传感器的测量精度。从而提高了光栅传感器的测量精度。放大作用放大作用调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。了放大作用，又提高了测量精度。主光栅相对指示主光栅相对指示光栅的转角方向光栅的转角方向主光栅主光栅移动方向移动方向莫尔条纹莫尔条纹移动方向移动方向顺时针方向顺时针方向向左向左向上向上向右向右向下向下逆时针方向逆时针方向向左向左向上向上向右向右向下向下对应关系对应关系莫尔条纹的移动量和移动方向与两光栅的相莫尔条纹的移动量和移动方向与两光

9、栅的相对位移量和位移方向有着严格的对应关系。对位移量和位移方向有着严格的对应关系。WxUUUmaVo22sin光栅位移与输出电压的关系光栅位移与输出电压的关系3. 辨向辨向 辨向原理辨向原理单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移。不能正确测量位移。如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数

10、中减加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。结果。4. 细分细分提高分辨力的方法。提高分辨力的方法。在选择合适的光栅栅距的前提下，以对在选择合适的光栅栅距的前提下，以对栅距进行测微，电子学中称栅距进行测微，电子学中称“细分细分”，来得到所需的最小读数值。也就是在莫来得到所需的最小读数值。也就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。当量提高分辨力。 光纤结构光纤结构 光纤是多层介质结构的圆

11、柱体，由纤芯、包层和保护层组成。光纤是多层介质结构的圆柱体，由纤芯、包层和保护层组成。 纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料圆柱体，其直径在纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料圆柱体，其直径在575m内。有时在主体材料中掺人极微量的其他材料如二氧化锗内。有时在主体材料中掺人极微量的其他材料如二氧化锗或五氧化二磷等，以便提高其对光的折射率。或五氧化二磷等，以便提高其对光的折射率。 包层可以是单层，也可以是多层结构，层数取决于光纤的应包层可以是单层，也可以是多层结构，层数取决于光纤的应用场所，但总直径控制在用场所，但总直径控制在100200m范围内。包层材料一船为范围内。包层材料一船为SiO2，也有的掺人极微

12、量的三氧化二硼或四氧化硅。与纤芯掺杂，也有的掺人极微量的三氧化二硼或四氧化硅。与纤芯掺杂的目的不同，包层掺杂的目的是为了降低其对光的折射率。的目的不同，包层掺杂的目的是为了降低其对光的折射率。 光纤最外层是一层塑料保护管，其颜色用以区分光缆中各种光纤最外层是一层塑料保护管，其颜色用以区分光缆中各种不同的光纤。不同的光纤。光纤传感器的类型光纤传感器的类型 光纤传感器按其传感器原理分为两大类：一类是传光光纤传感器按其传感器原理分为两大类：一类是传光型，也称为非功能型光纤传感器；另一类是传感型，或称型，也称为非功能型光纤传感器；另一类是传感型，或称为功能型光纤传感器。为功能型光纤传感器。 在传光型光

13、纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的对外界信息的“感觉感觉”功能是依靠其它功能元件来完成的。功能是依靠其它功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的，其间有中断，中断的部分要传感器中的光纤是不连续的，其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件。接上其他介质的敏感元件。 传光型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数。传光型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数。非功能型光纤传感非功能型光纤传感功能型光纤传感功能型光纤传感光纤传感器的特点光纤传感器的特点 (1)光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗小。光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗

14、小。 (2)光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。性度好。 (3)光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。非接触式、非破坏性以及远距离测量。12arcsinnnc22211100sinsinnnnn反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器tan2dL tan2rdLrrr1arcsin11arccos1222tan2tan2LrLrF工作原理工作原理交变电流交变电流传感器线圈传感器线圈被测导体被测导体交变磁场交变磁场H1电涡流电涡流交变磁场交变磁场

15、H2参数变化参数变化(电感、阻电感、阻抗、抗、 品质因素等品质因素等)输出信号输出信号保持其他参数不变，只改变一个参数保持其他参数不变，只改变一个参数 - 测量，测量，变化因素：变化因素：被测导体被测导体 - 几何形状、电导率、磁导率几何形状、电导率、磁导率 线圈线圈 - 几何参数、电流大小和频率、几何参数、电流大小和频率、 其他其他 - 线圈与导体距离线圈与导体距离测量原理：测量原理：导体导体 - 传感器的一部分传感器的一部分 - 参数影响参数影响材料：材料：形状：形状：被测导体被测导体：作用：作用：电导率越高，灵敏度越高；电导率越高，灵敏度越高；磁导率越高，灵敏度越低，磁导率越高，灵敏度越

16、低，平面平面 - 曲面曲面 - 曲率半径曲率半径 （D3.5d） 测量距离可达几公里甚至几十公里（主要手段）测量距离可达几公里甚至几十公里（主要手段）(1) 激光测距特点：激光测距特点：(2) 激光测距方法：飞行时间法、相位差法激光测距方法：飞行时间法、相位差法(a) 飞行时间法：飞行时间法：2/ctd 被测距离被测距离:c - 光速光速 t - 往返飞行时间往返飞行时间(b) 相位差法：相位差法：被测距离被测距离:c - 光速光速 f0 - 脉冲频率脉冲频率 - 相位差相位差激光器激光器被测目标被测目标原理：激光器发出单个激光脉冲原理：激光器发出单个激光脉冲原理：激光器发出连续激光脉冲原理：

17、激光器发出连续激光脉冲激光器激光器被测目标被测目标0042fccD特点：对时间测量精度要求高，适于测量超长距离（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 ）特点：测量精度高，测量范围大（短距离特点：测量精度高，测量范围大（短距离 超长距离）超长距离）（相机自动调焦）超声波传感器（超声波探头），是实现声电转换的装置（超声换能器）超声波传感器（超声波探头），是实现声电转换的装置（超声换能器）这种装置能够发射超声波，同时还可以接收超声回波，并转换成电信号。这种装置能够发射超声波，同时还可以接收超声回波，并转换成电信号。超声测距原理：超声测距原理：2/ctd 被测距离被

18、测距离:c - 声速声速 t - 往返飞行时间往返飞行时间应用：适于大目标、近距离、一般精度测距应用：适于大目标、近距离、一般精度测距 手持测距仪手持测距仪 - 盲人导盲盲人导盲 汽车倒车雷达汽车倒车雷达 - 汽车安全汽车安全 工业应用工业应用 - 超声测量液位、物位超声测量液位、物位特点：超声波束发散，测量范围小特点：超声波束发散，测量范围小 波束聚焦困难，测量精度低波束聚焦困难，测量精度低 测量目标不能太小；测量目标不能太小； 超声探头超声探头被测目标被测目标光电编码器是一种回转式数字测量元件，光电编码器是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转通常装在被检测轴上，随被测

19、轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。冲形式或绝对式的代码形式。 光电编码器由光电码盘和光电耦合器件光电编码器由光电码盘和光电耦合器件组成。组成。 1. 光电耦合器光电耦合器2. 光电码盘光电码盘 绝对光电码盘是把旋转轴的旋转角度用二进制编码绝对光电码盘是把旋转轴的旋转角度用二进制编码输出，它可以检测绝对角度，而且有外部干扰或电输出，它可以检测绝对角度，而且有外部干扰或电源断电事故发生后恢复正常时，可以立即准确检测源断电事故发生后恢复正常时，可以立即准确检测位置信息，但缺点是结构复杂，成本高，并需要用位置信息，但缺点是结构复杂，成本高，并需要用阵列光电元件检测来自各位的脉冲信号。阵列光电元件检测来自各位的脉冲信号。 增量光电码盘是随旋转轴的旋转角度输出一列连续增量光电码盘是随旋转轴的旋转角度输出一列连续脉冲波的码盘，通过累计脉