第4章 非电量基本参数的测试方法

1、第4章 非电量基本参数的测试方法 重点(zhngdin)：拉伸/压缩力、剪切力、转矩的测量布片和接桥方法；线位移传感器的类型和测量系统；速度、加速度和转速的测量方法。 难点：拉伸/压缩力、剪切力、转矩的测量布片和接桥方法。“现代测试(csh)技术”电子教案共四十二页第4章 非电量(dinling)基本参数的测试方法4.1 力和转矩的测量(cling) 4.2 位移和厚度的测量 4.3 速度和加速度的测量 4.4 振动的测量 4.5 转速的测量 4.6 噪声的测量 4.7 压力的测量 4.8 温度的测量 4.9 湿度的测量 4.10 流量的测量 共四十二页 力和转矩的测量以及由其产生的应力、应变

2、测量在科学实验和工程测量中应用非常多，在计量和商业上大量(dling)应用的电子称重、称量衡器也是采用力测量方法。4.1.1 拉伸力/压缩力、剪切力的测量 1. 分析应力与应变的关系 1）拉伸力/压缩力 2）剪切力4.1 力和转矩的测量(cling) 共四十二页 4.1 力和转矩的测量(cling) 共四十二页 4.1 力和转矩的测量(cling) 共四十二页 4.1 力和转矩的测量(cling) 共四十二页 4.1 力和转矩的测量(cling) 4.1.1 拉伸(l shn)力/压缩力、剪切力的测量 2. 正确的布片和接桥 1）拉伸力/压缩力； 2）剪切力。4.1.2 转矩的测量 1. 分析

3、应力与应变的关系 在实心圆轴情况下，外径为D。 2. 正确的布片和接桥 1）半桥接法； 2）全桥接法。共四十二页 4.1 力和转矩的测量(cling) 4.1.3 应变片测量系统中的温度补偿 1）温度对测试系统的影响 应变片本身材料的热温度系数不为零： 试件材料1与应变片2的线膨胀系数不同，导致应变片附加(fji)拉伸或压缩的应变： 温度引起的总的电阻变化为： 共四十二页 4.1 力和转矩的测量(cling) 4.1.3 应变片测量系统中的温度补偿 2）温度的补偿方法 单丝自补偿法； 即 双丝组合式补偿法；即 电桥(din qio)补偿法。 补偿板上贴补偿片； 工作片同时当作补偿片。 共四十二

4、页 4.2 位移(wiy)和厚度的测量 4.2.1 位移的测量(cling) 1. 常用传感器的类型及技术性能 2. 差动电容式位移的测量 1）电容位移传感器的优点： 结构简单，适应性强； 无阻力，惯性小； 有较高的灵敏度。 2）差动电容式传感器位移测量系统 由于电桥输出的电量是AM波，故在后继电路的处理中要加解调装置。共四十二页 位移(wiy)传感器一览表 共四十二页 差动电容式传感器位移测量系统(xtng)框图共四十二页 4.2 位移(wiy)和厚度的测量 4.2.1 位移的测量 3.差动变压器式位移的测量 1）差动变压器式位移传感器的特点： 测量精度高，能测大位移； 不必用高频电源，提高

5、抗干扰； 比较笨重，有电磁吸力，线圈发热。 2）差动变压器式传感器位移测量系统(xtng) 由于电桥输出的电量是AM波，故在后继电路的处理中要加解调装置。共四十二页 差动变压器式传感器位移(wiy)测量系统框图共四十二页 4.2 位移和厚度(hud)的测量 4.2.1 位移的测量 4.计量光栅式位移的测量 1）光栅的定义： 是一种在某种基底上均匀(jnyn)地依次排列着透光条纹的光学器件。用于位移测量的光栅称为计量光栅。 2）光栅式位移传感器 又称光栅读数头，主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电器件组成。 指示光栅后面出现的是莫尔条纹。在暗条纹处，光通量最小；而亮条纹时，光通量最大。在最大

6、和最小之间，光通量是线性变化的。因此，光通量的变化应符合三角波变化规律。但由于两光栅之间的距离、光源的宽度、光栅的衍射作用等，光通量的变化近似遵从正弦波变化规律。共四十二页 示透射(tu sh)光栅示意图 共四十二页莫尔条纹(tio wn)的形成 共四十二页 光栅(gungshn)位移与输出电压的关系共四十二页 4.2 位移和厚度(hud)的测量 4.2.1 位移的测量 4.计量光栅式位移的测量 3）光栅式位移测量系统： 莫尔条纹(tio wn)光通量经光电元件转换后，送入放大器、整形后变为方波，再经微分电路转换成脉冲电路，再由辩向电路和可逆计数器计数，则可在显示元件上实时地，以数字形式显示出

7、位移量的大小。位移量等于脉冲数与栅距的乘积，当栅距为单位长度时，所显示的脉冲数则直接表示出位移量的大小。共四十二页 计量光栅(gungshn)式传感器位移测量系统框图共四十二页 辨向装置及辨向电路(dinl)的工作原理共四十二页 4.3 速度(sd)和加速度(sd)的测量 4.3.1 线速度(sd)的测量 1. 激光多普勒效应法： 当光源或观察者相对于介质运动时，观察者所接收到波的频率不同于波源的频率，这种现象称为光或声的多普勒效应。 不论是波源运动，或是观察者运动，或是两者同时运动，只要两者互相接近，接收到的频率就高于原来波源的频率。两者互相远离，接收到的频率则低于原来波源的频率。 由多普勒

8、效应而引起的频率变化数值称为多普勒频移值。共四十二页 4.3 速度(sd)和加速度(sd)的测量 1. 激光多普勒效应法： 反射面运动，光程缩短dL:由此引起的频率(pnl)偏移为式中：为光线入射角；为光源波长。若入射光线垂直于反射表面，则有 共四十二页 4.3 速度(sd)和加速度(sd)的测量 4.3.1 线速度的测量 1.激光多普勒效应法： 测量原理：激光作为光源照射运动物体，由于多普勒效应，被物体反射或散射的光的频率发生变化。把频率发生变化的光与原光拍频（求频率差的绝对值）比较(bjio)，得到频率漂移fd，此信号经光电器件转换，即可得到与物体运动速度成正比的电信号。入射光反射光光电传

9、感器光电传感器差动放大器滤波电压表激光多普勒效应法测量线速度系统框图共四十二页 4.3 速度(sd)和加速度(sd)的测量 4.3.1 线速度的测量 2. 相关法： 相关法测量运动物体的线速度是基于相关原理，即当两个平稳的随机信号 u1(t) 和 u2(t) 的波形完全一致时，其互相关函数（见下式）获得极大值。式中：T 为有限平均时间，0为延迟时间。 测量时在固定间距为s的两处安置两个特性相同的传感器，如光电式传感器（或电容式传感器，或超声波发射和接收传感器等），分别接收所在位置物体运动时的随机信号。当后一个传感器接收的信号波形与前一个的相似(xin s)时，信号则延迟了0，由此共四十二页 4

10、.3 速度(sd)和加速度(sd)的测量 测量两信号(xnho)互相关函数取极大值的延迟时间0，即可求得物体的线速度为共四十二页 4.3 速度(sd)和加速度(sd)的测量 4.3.1 线速度的测量 3. 定时测距法： 通过测量被测件经过一已知距离所需的时间t，然后计算出其速度。该方法的关键(gunjin)是如何给定已知距离和测出被测件经过此给定距离所需的时间。式中：n为时标脉冲数，t0为时标周期。光电传感器时标脉冲放大、整形控制门计数器定距S位移共四十二页4.3 速度(sd)和加速度(sd)的测量 4.3.1 线速度(sd)的测量 3. 定时测距法： 定距测量打击速度的原理共四十二页 4.3

11、 速度(sd)和加速度(sd)的测量 4.3.2 加速度的测量 1.线加速度的测量 1）应变片法： 电阻应变片式加速度传感器广泛应用于振动测量领域，其优点是低频特性好、价格低廉、输出灵敏度高及可测加速度较大（150g或更大）。 采用悬臂梁为弹性元件，振动物体的位移为x，重块振动幅度为 y，振动物体的振动频率为f，系统(xtng)的固有频率为 f0。 当f0 f 时， y与x成正比；当f0 f 时， y 与a 成正比，而 。与应变计的应变有固定关系，因此用应变传感器可测量振动物体的加速度。共四十二页 4.3 速度(sd)和加速度(sd)的测量 4.3.2 加速度的测量 1.线加速度的测量 1）应

12、变片法： 悬臂梁系统的固有频率一般在100HZ以下。视所测加速度的量程而不同(b tn)，国内外生产的电阻应变计式加速度传感器，加速度量程有1g，5g，50g，其固有频率相应为50400HZ，可测加速度频率为30200HZ。共四十二页 4.3 速度(sd)和加速度(sd)的测量 4.3.2 加速度的测量 1.线加速度的测量 2）差动变压器法： 被测件以加速度 a 运动时，铁心的惯性力作用在弹簧片上而产生弯曲(wnq)变形，也即铁心相对于线圈有位移，因此差动变压器有输出，其输出与铁心位移即加速度 a 成正比。差动变压器式加速度计交流放大器相敏检波及滤波器显示记录器位移共四十二页 4.3 速度(s

13、d)和加速度(sd)的测量 1.线加速度的测量 3）压电式加速度计法： （1）石英挠性伺服加速度计； 是一种反馈式传感器。加速度借助于质量体产生的力与线圈产生的电磁力满足平衡。即 用于检测(jin c)超低频微加速度（10-5g）和静态角的良好装置。 共四十二页 4.3 速度(sd)和加速度(sd)的测量 1.线加速度的测量(cling) 3）压电式加速度计法： （2）压电石英谐振式加速度计； 利用压电石英谐振器的力频特性来进行加速度的测量，可以直接输出频率信号，不需进行模拟放大和A/D转换。 压电石英谐振器加速度传感器的主要特点是结构简单，成本低，可靠性好，适用于航空及工业自动化中的加速度检

14、测。 共四十二页 4.3 速度(sd)和加速度(sd)的测量 1.线加速度的测量 3）压电式加速度计法： （3）压电石英振动加速度计； 当加速度计感受到振动信号时，其输出端产生一个与振动加速度成正比的电荷量输出。它不能测量频率太低的被测量，更不能测量静态量。 压电石英振动加速度传感器的主要特点是体积小、重量轻、量程大、频带宽、工作(gngzu)可靠、精度和灵敏度高，在振动测试领域得到广泛的应用。 压电式加速度计前置放大器放大器显示记录器a共四十二页 4.5 转速(zhun s)的测量 旋转物体的转速一般采用间接的方法测量，即通过各种各样的传感器将转速变换为其他物理量，如机械量、电磁量、光学量等

15、，然后再用模拟和数字两种方法显示。4.5.1 电磁式转速计 运动部件上若有凸起的铁磁物，如齿轮，可在近旁安装绕有线圈的磁铁。当齿轮的齿经过磁极时，磁通变化(binhu)，在线圈上产生感应电动势，经过放大整形送入脉冲计数器，在一定时间间隔内累计脉冲数，便可得到转速。共四十二页 4.5 转速(zhun s)的测量 4.5.2 光电式转速计 用光电法测转速也易于数字化，可采用(ciyng)透光式和反射式光电传感器。光电式传感器放大器整形闸 门n计数器译码、显示时标脉冲共四十二页 4.5 转速(zhun s)的测量 4.5.2 光电式转速(zhun s)计 也可用于单片机进行计数、显示。共四十二页 4

16、.5 转速(zhun s)的测量 4.5.3 测速发电机转速计 直流测速发电机的输出电压和转速有较好的线性关系，并且直流的极性能反映转向(zhunxing)，用在模拟式测速电路上很方便。共四十二页 4.5 转速(zhun s)的测量 4.5.3 霍尔式转速计 1.集成霍尔传感器 把霍尔元件、温度补偿电路、放大器及电源(dinyun)等做在一个芯片上，然后封装起来就构成了集成霍尔传感器。集成霍尔传感器可分为线性型和开关型两种。共四十二页霍尔式传感器放大器整形闸 门n计数器译码、显示时标脉冲 4.5 转速(zhun s)的测量 4.5.3 霍尔式转速(zhun s)计 2. 霍尔式转速测量 开关型霍尔传感器将转速变换成电脉冲信号，通过处理后送入计数器计数，然后译码显示转速值。共四十二页 本章(bn zhn)小结1.重点掌握拉伸/压缩力、剪切力、转矩的测量布片和接桥方法；2. 理解线位移(wiy)传感器的类型；掌握电容式和差动变压器式测量线位移系统；3. 掌握相关法测量速度的测量方法。4. 掌握压电式测量加速度的测量方法。5. 掌握光电式测量转速的原理与系统。共四十二页内容摘要第4章 非电量基本参数的测试方法。学实验和工程测量中应用非常多，在计量和商业上大量应。4.1.1 拉伸力/压缩力、剪切力