传感与检测技术课件：ch19-几何量运动量测量

1、 第19章 几何量、运动量测量19.1 长度测量概述19.2 尺寸测量19.3 位移、物位、厚度测量19.4 速度、转速测量19.5加速度、振动测量119. 几何量、运动量测量19.1 长度测量概述19.1.1长度检测的意义1）长度是生产实践中最常遇的被测量之一2）长度检测是常规计量项目中的基本项目十大计量项目：长度、热量、力学、电磁、电子、时间频率、光学、 辐射、声学、化学3）长度是最基本的物理量之一 体积长*宽*高，速度位移/时间， 19.1.2 长度的单位与基准1）长度的单位与国际基准 国际单位制“米”（m）：长度的法定单位 米的新定义：1983年第17届国际计量大会规定： 1米是“光在

2、真空中于1/299792458秒的时间间隔内所经历路程的长度”，称为“米的国际基准”。219.1 长度测量概述19.1.2 长度的单位与基准2）长度的实用基准（标准量）(1) 光波波长： 5种激光（He-Ne）波长，单色？(2) 量块：形状-金属长方体； 材料 - 线膨胀系数小、性质稳定、耐磨以及不易 变形的合金钢材料； 量值 - 单值量具，两个工作面的距离，可组合(3) 线纹尺：带有刻线的尺 - 光栅、磁栅、容栅、 319.1 长度测量概述19.1.3 长度测量的方法1）按测量手续划分直接测量：直接测量被测量，测量结果即为被测量的值。例：用卡尺直接测零件直径，卡尺读数即为被测值。 D = 2

3、0.01 mm特点：操作简单，精度较高间接测量：先测与被测量相关的其他量，再按函数关系式求得被测量。例：用弓高弦长法测大尺寸直径，读数为弓高H和弦长L， 计算得直径值D：D=L2/(4H)+H特点：操作复杂，精度不高419.1 长度测量概述19.1.3 长度测量的方法2、按测量结果的性质划分绝对测量：仪器示值为被测量的绝对值。例：用刻度尺直接测零件长度， 刻度尺读数即零件长度值。 L = 20.1 mm特点：操作简单，测量范围大，精度不高相对测量：先测量被测量与某个已知标准量的相对差值，然后测量结果加上标准量求得被测量。例：用比较仪测零件长度，标准量为20mm量块，读数为+0.065mm，零件

4、长度为20.065mm特点：操作复杂，测量范围小，精度高 被测目标测量设备被测目标测量基准测量设备53）按测量器具与目标有无接触划分接触测量：测量器具与被测目标相接触， 例：卡尺、千分尺、电感位移传感器、特点：测量过程可靠，但响应慢，需测量力，易变形和划伤非接触测量：测量器具与被测目标不接触， 例：电容位移传感器、激光传感器、测量显微镜 特点：响应快，无测力磨损和变形4）按生产工艺过程划分： 在线测量和离线测量(主动测量和被动测量）19.1 长度测量概述19.1.3 长度测量的方法61）测量实例利用卡尺测量零件尺寸，理论：L = D； 实际：L D 原因: 导轨不直测量线与基准线不平行 量爪不

5、平行偏差误差大小与夹角大小有关，与测量线基准线之间的距离有关，有：=L- L=stg =s2）阿贝原则被测量的尺寸线应与标准量的尺寸线重合或在其延长线上。作用：使导轨直线度误差引起的测量误差为二阶误差，一般可忽略。 L=A-A=A2/219.1 长度测量概述19.1.4 长度测量应遵循的原则SDL71) 定位：使被测件处于最佳方位，使实际测量量符合被测量的定义。典型定位方法：平面定位、外圆定位、内圆定位、顶尖定位要求-选择定位面时应考虑：首先保证能按被测量的定义进行测量；遵守长度测量原则；选取尺寸及形状精度高的面为定位面，尽可能与测量基面、工艺基面、装配基面统一，并且能保持定位的稳定性；测多参

6、量时，定位方式能满足所有参量测量要求，避免多次定位。2) 瞄准：确定被测量上的测量点相对标准量的确切位置。3) 读数/采样：读取量仪的显示值；采集传感器的输出信号19.2 尺寸测量19.2.1尺寸测量的一般过程平面定位 外圆定位81) 影像测量仪工作原理：光源目标镜头CCD图像 计算机数据处理测量结果特点：快速-可直接获取一维、二维、三维尺寸 智能-自动调焦、自动瞄准 精准-高放大倍率、亚像素细分2) 投影测量仪工作原理：光源准直透镜平行光目标 物镜 反射镜投影幕测量方法：人工目视瞄准读数19.2 尺寸测量19.2.1常规尺寸的测量-非接触式测量法光源准直透镜工作台物镜CCD摄像机零件光源准直

7、透镜工作台物镜投影幕零件反射镜91）大长度测量(1) 距离测量法分别瞄准被测长度的两端A和B，分别测量两个位置的距离DA和DB，计算得出长度：L=DADB常用测量器具：激光干涉仪(2) 光学测量法 用光学系统将缩小测目标 (比例k)，测量被测长度的像长度 L0，计算被测长度：L = kL0常用测量器具：影像测量仪 19.2 尺寸测量19.2.2 大尺寸的测量-非接触式测量法AB10微小尺寸：环绕波导丝、随电子波光速移动的磁场-与垂直波导丝轴线的磁环磁力线正交-移动磁场到达磁环位置-复合成瞬态螺旋磁场-波导丝扭曲-以超声速的扭转弹性波-检测器接收转换为电脉冲-发射-接收信号时差-磁铁位置。231

8、9.3 位移、物位、厚度测量19.3.3 物位测量4) 磁致伸缩物位传感器性能优点：高精度（国内产品已实现非线性小于0.05%FS，重复性优于0.002%）、超大量程，能同时测多参数，寿命长，耐高温高压，适用于易燃易爆、有腐蚀的场合，易安装和维护，便于自动化、智能化。 应用情况：直接将位置磁铁与浮球相连，且在波导钢丝外加保护套，广泛应用于液位、界面的测量，特别是用于数十米高的超大油罐内液面的监测。 2419.3 位移、物位、厚度测量19.3.4 厚度测量 厚度和位移均属长度测量范畴，很多情况下可用测长、测位移的传感及技术测厚度。厚度测量可分为绝对和相对测量。相对测量不需知道绝对厚度，只要测出相

9、对变化与标准厚度的偏差。从测量对象看，除了板材、带材、管材厚度外，还有涂层或镀层的厚度。 可测厚的传感器种类很多，一类方法是直接利用厚度调制传感器的输出信号，即绝对测厚，如低频透射式涡流测厚、超声波测厚、微波测厚、核辐射测厚等方法。其中除涡流和微波测厚用于导体材料以外，其他均适用于任何材料。另一类测厚即相对测厚，采用如极距变化型电容传感器。右图所示为高频反射式涡流传感器测金属板厚的相对法。2519.4 速度、转速测量19.4.1 速度测量1）概述速度：物体单位时间内运动的位移增量，单位: m/s。 按物体运动的形式，测量的速度分为线速度和角速度；根据运动速度的参考基准，有绝对速度和相对速度的测

10、量；从速度的数值特征看，有平均速度和瞬时速度的测量；按速度的获取方式，分为直接速度测量和间接速度的测量。2）速度的测量方法(1) 时间、位移计算方法 此方法根据速度的定义来测量，即测量距离L和通过该距离的时间t求得平均速度。L越小，所得速度越接近运动体的瞬时速度。由此可延伸出多种测速法，如：相关法和、空间滤波器法、光束切断法。 根据图示光束切断法有：v=L/NT。 如何提高精度？2619.4 速度、转速测量19.4.1 速度测量(1) 时间、位移计算方法a) 相关测速法：利用求随机过程互相关函数极值的方法测速度。设平稳随机过程观察的时间为T，则其互相关函数为： 当被测运动以速度v运动时，运动体

11、表面总有些可测得的痕迹变化或标记。如图a所示。在固定的距离L上装两个检测器A和B，用于检测痕迹变化。其输出信号波形如图b所示。这两个信号是测量获得的物体表面变化的随机过程x(t),y(t)。在测量条件基本相同的情况下，这两个随机信号只在时间上滞后t0，即: y(t)= x(t- t0). t0是物体上某点从A运动到B的时间，测得t0后就可求得物体运动速度，即v= L/t。2719.4 速度、转速测量19.4.1 速度测量(1) 时间、位移计算方法a) 相关测速法： 计算t0的方法就是利用数学上求互相关函数极值的方法。在测量足够长的时间T内， x(t),y(t)的互相关函数为： 它和Rx()相比

12、， Rx( -t0)相当于把自相关函数Rx()延时 t0的值。当 =t0时，Rx( -t0)有极大值，也即互相关函数Rxy() 有极大值，此时 就是所求的t0值。 将x(t),y(t)送到模拟或数字相关分析器中，改变滞后时间，可得到相互关函数随滞后时间变化时的图形，求得最大值时所对应的时间就是t0，由此求得速度。 工程上用此方法可测量轧钢时板材速度、流体流动速度、汽车车速等。2819.4 速度、转速测量19.4.1 速度测量(1) 时间、位移计算方法b) 空间滤波器测速基本原理：用可选一定空间频率段的空间滤波器件与被测物同步运动，在单位空间内测量相应的时间频率，计算出被测速度。空间频率：单位空

13、间线度内物理量周期性变化的次数。 如图所示，在长L的栅格板上刻N个等距的透明狭缝，栅板移动时，光敏器件可感知光的明暗变化，变化的空间频率: =N/L 若栅格板移动速度为v，移动L所需时间为t，则光敏器件测到的时间频率: f=N/t。 由N=L得时间频率和空间频率的关系： f=L /t= v 可知，速度v可用空间频率描述2919.4 速度、转速测量19.4.1 速度测量(1) 时间、位移计算方法b) 空间滤波器测速工作原理：如图所示，点光源以一定速度沿 y向运动，光通过透镜成像在叉指式光电池栅格上，使光电池输出频率为 f的脉冲串。选择光电池栅格尺寸和形状，使栅格对一定空间频率有选择性，则物体速度

14、转换为时间频率信号。空间滤波器输出信号的中心频率正比于速度，通过测频来测速。但实际光源非点光源，存在任意辉度的分布。 此方法适用于传送带、钢板、车辆等的速度检测，可用于以转动物体为背景的角速度测量；其检测范围为.5250 km/h，精度可达0.5%。3019.4 速度、转速测量19.4.1 速度测量2）加速度积分法和位移微分测量法 测量运动体的加速度，并对时间积分，可得运动体的速度；测量运动体的位移信号，将其对时间微分，也可得到速度，这两种方法完全相同。 利用该方法典型实例是振动测量中，利用加速度计测量振动体的加速度振动信号经电路积分获得振动速度；应用振幅计测量振动体位移信号再进行微分得到振动

15、的速度。3）利用物理参数测量速度 利用速度大小与某些物理量间的已知关系间接测量物体运动速度。如：电动式速度传感器和电磁式速度传感器。3119.4 速度、转速测量19.4.1 速度测量3）利用物理参数测量速度电动式速度传感器：结构原理如图所示。组成：轭铁+永久磁铁+线圈及支承弹簧原理：永久磁铁和轭铁产生一个均匀磁场，根据电磁感应定律，穿过该磁场中的线圈的磁通量随时间变化时，线圈两端将产生成正比于磁通量减少速率的电压 V =d/dt 。如果传感器中的线圈垂直于磁场运动，在线圈中产生成正比于线圈速度的感应电压，由此电压可测得速度。 这种传感器的灵敏度与磁通密度、线圈的匝数及其展开面积的乘积成正比。但

16、线圈的面积越大，传感器的体积也越大，且会使其动态特性变坏。3219.4 速度、转速测量19.4.1 速度测量3）利用物理参数测量速度电磁式速度传感器：结构原理如图所示。组成：永久磁铁+线圈；永久磁铁和运动物体相连，线圈处于固定状态。当永久磁铁从线圈旁经过时，线圈会产生一个感应电势，如果磁铁经过的路径不变，那么此感应脉冲的电压峰值与磁铁运动速度成正比。因此，此脉冲电压的峰值可用来确定永久磁铁的运动速度。将永久磁铁固定在被测体上，可得物体的运动速度。3319.4 速度、转速测量19.4.1 速度测量4）多普勒效应测速多普勒效应：当发射机与接收机之间的距离变化时，发射机发射信号的频率与接收机收到的信

17、号频率不同的现象。多普勒效应产生过程(以被测体向测点接近的情况为例): 如图a所示，发射机发出信号(电磁或超声)向被测体辐射，被测体以速度v运动，被测体接收到的信号频率为： f1 =f0+ v /0式中，f0为发射机发射信号的频率；v为被测物体的运动速度；0为发射信号波长，0C/f0，C为信号波传播速度。3419.4 速度、转速测量19.4.1 速度测量4）多普勒效应测速 如果将f1作为反射波向接收机发射，如上图b所示。接收机接收到的信号波频率为： f2 = f1+ v /1 = f0+ v /0 + v /1 若被测物的运动速度v远小于信号波的传播速度C，即：v C时，可认为0 =1，所以

18、f2 = f0 + 2v /0 由多普勒效应产生的频率之差称为多普勒频率，即 fd=f2f0=2v /0 可见，只要v 0。式中，am为被测物体的加速度幅值；m是传感器可动部分及顶杆的质量；Fk弹簧力。Fk=kl，k为弹簧的弹性系数；l为弹簧的初压缩量。5919.5 加速度与振动测量19.5.3 振动测量1）相对振动与绝对振动电测法(1)相对振动电测法 若被测振动为简谐振动，则振动加速度幅值am=2xm；式中，是简谐振动角频率；xm是简谐振动的振幅。 综上可得传感器可动部分跟随被测体运动的条件： l(m/k) 2xm=(/0)2xm式中，0=(k/m)1/2为简谐振动固有振动角频率。 可知：如

19、果在使用中，弹簧的初始压缩量l不够大，或者被测体的振动频率过高或振幅xm过大，都会使上述跟随条件得不到满足，从而使顶杆与被测物体发生脱离或撞击，故该方式只能在一定的频率和振幅范围内工作。6019.5 加速度与振动测量19.5.3 振动测量1）相对振动与绝对振动电测法(2)绝对振动电测法 被测物体相对大地或惯性空间的往复运动称为绝对运动。绝对振动传感器工作原理如图所示，整个传感器被固定在被测体上，传感器中的固定部分与被测体一起运动，构成一个弹簧质量系统。 由牛顿力学知，加速度和力通过质量联系在一起。可将弹簧质量系统作为传感器，使之与被测系统直接连在一起，当从系统框架外部施加振动位移或加速度时，设

20、检测系统外壳与质量m之间的相对位移为y，支点位移为z=Asint，则质量的绝对位移x=y+z=y+Asint; 求导可得： d2x/dt2=d2y/dt2- A2sint6119.5 加速度与振动测量19.5.3 振动测量1）相对振动与绝对振动电测法(2)绝对振动电测法 弹簧力和阻尼力都与相对位移有关，其运动方程式为： md2x/dt2= - Cdy/dt- ky式中, k为弹簧系数；C为阻尼系数。 振动系统的运动方程式为： md2y/dt2+Cdy/dt+ky=mA2sint此式表明：支点位移为Asint的振动系统等价于支点静止、受外力为mA2sint冲击的加速度系统。其运动方程解为： y=

21、y0Asin(t-)其中：0=(k/m)1/2, =C/(2m0).6219.5 加速度与振动测量19.5.3 振动测量1）相对振动与绝对振动电测法(2)绝对振动电测法由此可知：根据弹簧质量系的固有角振动频率0与支点的角振动频率的关系，测量支点与质量m的相对位移 不仅可求出支点的位移变化即振动幅值，而且可求出支点的加速度及速度；其关系式是以下3种绝对振动电测法的理论基础。a）支点位移测量（ 0的情况） 当0时，由上式得：y0/A1; =, 即: y- Asint也即：相对位移的振幅y0与支点位移的振幅A大小相等、方向相反。这种振动测量称为位移测量。 通常要使用大质量和低弹性弹簧。此时绝对位移x=0，即位移测量时的质量基本静止不动。6319.5 加速度与振动测量19.5.3 振动测量1）相对振动与绝对振动电测法(2)绝对振动电测法b)支点加速度测量(0的情况) 当0时，相对速度可看成是壳体的绝对速度，因此输出电压也就与壳体的绝对速度成正比。当=0.50.7, f0=(1015)Hz时，用这类传感器测低频振动(1.7060)就只能保证幅值精度，无法保证相位精度。因为在低频