（教学课件）机械量检测技术及仪表

机械量检测技术及仪表《过程参数检测技术及仪表》2021/8/231内容安排：7.1概述7.2位移检测仪表7.3厚度检测仪表7.4力、应力与力矩检测仪表7.5转速检测仪表7.6转矩检测仪表7.7振动与加速度检测仪表2021/8/2327.1概述机械量检测主要涉及物体形状和运动状态的测量。

在机械量测量中无不与力有关，力的测量具有普遍性，但直接测力是困难的，目前都是采用间接的方法测量。

可进行机械量测量的传感器有多种，如电阻应变式、电容式、电感式、霍尔式、磁电式、压电式、压磁式、超声波式和光电式等。各种机械量测量可采用的测量原理见表7-1。2021/8/233精品PPT模板

机械量检测所涉及的理论和技术内容广泛，形式多样；与机械量检测相关的仪表种类繁多且与新材料新技术同步发展。工业过程参数检测中涉及的机械量检测技术及仪表在整个机械量检测技术中的重要性正在受到普遍重视，相关的技术和应用正在向工业生产的各个领域渗透。2021/8/234精品PPT模板7.2位移检测仪表

位移是指物体或其某一部分的位置对参考点产生的偏移量。位移的形式可以是直线位移或角位移。2021/8/235精品PPT模板2021/8/236精品PPT模板7.2.1电容式位移检测方法电容式位移测量系统以平板电容器作为传感元件。在实际使用时，应充分考虑分布电容、非线性及干扰等因素对测量的影响。

电容式传感器按工作原理可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三类。在位移测量系统中常采用变极距型电容式传感器。2021/8/237精品PPT模板

图7-1（a）中，一个电极为固定电极，另一个电极为可动电极，它与被测物体相连；图7-1(b)为差动电容式位移检测结构，图7-1(c)为与之配套的信号调理电路——变压器电桥电路。

电容式轴位移测量系统如图7-2所示。其中包括了轴向位移和径向位移两套测量装置。2021/8/238精品PPT模板

利用先进的IC制造技术可以制作超小型电容式位移传感器。图7-3为电容耦合型位移传感器结构图。

可动电极与固定驱动电板的电容量耦合，耦合容量随可动电极的位置变化而改变。相邻两固定电极上施加幅度相同相位差为90°的正弦波电压，这时可动电极的感应电压的相位是固定电极排列方向上位移x的函数，因此通过检测相位即可求得位移。2021/8/239精品PPT模板7.2.2电涡流式位移检测方法7.2.2.1工作原理电涡流传感器是基于涡流效应工作的。

如果导体的磁导率及线圈激励电流强度和频率等参数恒定不变，则可把线圈的电抗看成是线圈与金属导体间距离的单值函数，即二者之间成比例关系。这样，根据涡流的大小即可测量出线圈与金属导体间的距离。

电涡流传感器根据激励电流频率的高低可分为高频反射式电涡流传感器和低频透射式电涡流传感器两类。目前，高频反射式电涡流传感器应用比较多，上面介绍的就是这一种。2021/8/2310精品PPT模板7.2.2.2测量系统

传感器线圈由铂金属丝平绕在固定支架上，并采用不锈钢壳体和耐腐蚀的材料封装而成。石英晶体振荡器用于产生一个频率和幅值都固定的高频信号，这一信号经固定电阻R加到由传感器线圈L和固定电容C组成的并联回路上。这样，并联回路的阻抗就会随着轴与传感器线圈之间的距离x的变化而变化。2021/8/2311精品PPT模板7.2.2.3应用问题⑴测量系统各部分之间必须互相匹配⑵探头的安装问题①多个探头间的相互影响②探头安装位置的确定③探头的固定④探头与电缆的连接⑤接地⑶轴的材质对测量的影响2021/8/2312精品PPT模板7.2.3光纤式位移检测方法

图(a)是光纤位移检测原理图。光源经多股发射光缆传到被测物体表面，光纤端口处光线呈圆锥状扩散，照射到物体表面后被反射，反射光的一部分再经多股接收光缆传到光敏元件。接受光范围同样是圆锥状，所以照射光圆锥与接收光圆锥相重叠部分的光线强度将被检测输出。随着被测物体的位移变化，重叠部分的光强也发生变化，根据光强信号就可以检测位移。

为了增加反射光强度，应增加发射和接收光纤数量，故对发射和接收光纤采取如图(b)所示的各种模式组合方式。改变组合模式，可以调整检测范围和灵敏度，如图(c)所示。2021/8/2313精品PPT模板7.2.4光栅式位移检测方法

如图7-9所示为透射式直线光栅原理图，它由随测量位移(或长度)移动的滑尺(主光栅)和不动的定尺(指示光栅)组成。在光源和透镜组成的光学系统照射下，因定、滑尺的线纹间有微小的夹角θ，当栅节距较光波长大得多的情况下，由于线纹的遮挡作用产生明暗相间的条纹——莫尔条纹，当滑尺沿刻线的垂直方向与定尺作相对移动时，每移过一个栅距W，莫尔条纹的亮区和暗区交替一次，在图示的固定位置设置光电元件S1时，其所输出的电信号将变化一周，因此可以利用此电信号的交变数来反映位移的大小(光栅节距W的倍数)。2021/8/2314精品PPT模板7.3厚度检测仪表厚度测量属于长度测量范畴，应用广泛。常用的厚度测量仪表有电感式，射线式、超声波式、高频涡流式和微波式等。7.3.1滚轮接触式电感厚度仪

由一个活动滚轮和一个固定滚轮组成滚轮组。被测物体的厚度变化会引起活动滚轮的径向位移，从而引起电感传感器的电感量发生变化，通过测量电感量即可求得被测物体的厚度。7.3.2射线式厚度仪

射线穿过被测物体后，射线的衰减程度与被测物体的厚度有关，这就是射线式厚度仪的测量原理。2021/8/2315精品PPT模板7.3.3超声波测厚仪

超声波测厚与超声波测距有相同的工作原理，不同的是，前者的超声波传播介质是各种固体材料，而后者是空气，如图7-10所示。

换能器发射的超声波从上表面进入被测物体到从下表面反射后被换能器接收所经历的时间为t，则被测物体厚度H为

值得注意的是，当被测物体厚度值较小时，上式中的时间t是很小的，以至于该方法无法实现。2021/8/2316精品PPT模板

则发射波和反射波之间因相互增强而产生共振，在被测物体中形成驻波。换能器的频率特性在被测物体中形成驻波处出现峰值。设计合适的信号处理电路检测到这个峰值以及对应的一阶驻波（n=1)的波长λ=c/f,其中，f为简谐信号频率，则由上可计算物体厚度。

用连续的简谐信号激发换能器，产生的超声波可在上下表面进行多次反射，如被测物体的厚度满足下式式中，为超声波波长；n-=1,2,……为驻波阶数。2021/8/2317精品PPT模板7.4力、应力与力矩检测仪表

工程中力的测量通常是指对惯性力和弹性力的测量。对惯性力的测量一般是通过测量物体之间的相对运动实现，对弹性力的测量通常是通过测量物体自身的变形实现。下面，我们将忽略物体的相对运动，只考虑物体的变形，即只考虑弹性力的测量问题。7.4.1应变式测力传感器应变式传感器是由弹性元件、电阻应变片和相应的信号处理电路组成的。7.4.1.1弹性圆柱式力传感器2021/8/2318精品PPT模板

将两片相同的应变片分别沿轴线和圆周方向粘贴，如图7-11（c）所示。则在轴向应力F的作用下，应变片电阻的变化满足式中，μ——弹性材料的泊松系数；

如果要得到差动电桥的效果，应将沿轴线方向粘贴的应变片沿与轴线成一定角度的方向粘贴，且满足以下关系和则有如此构造的电桥可以达到差动的效果。2021/8/2319精品PPT模板7.4.1.2悬臂梁式力传感器等截面悬臂梁作用力与悬臂梁上表面长度方向的应变关系式2021/8/2320精品PPT模板等强度悬臂梁作用力与悬臂梁上沿长度方向的应变关系式等截面梁表面上的应变量与位置有关，而等强度梁表面上的应变量处处相等。2021/8/2321精品PPT模板

两种悬臂梁的上下表面对应处的应变量的大小相等，方向相反。在梁的上下表面相对位置处粘贴应变片，如下图，可在电桥中构造理想的差动效果。7.4.1.3扭转圆柱式力传感器

在力矩测量中常用扭转圆柱体作为弹性元件。2021/8/2322精品PPT模板

在与轴线成45度角的方向上出现最大应力。扭转圆柱体表面上有两个相互垂直且与轴线成45度角的方向，在所加力矩一定时，这两个方向感受到的应变大小相等，方向相反。图7-16给出了应变片在扭转圆柱体表面上粘贴位置的展开图，图中四个应变片构成图7-17所示的全桥电路。2021/8/2323精品PPT模板7.4.2电阻应变仪

电阻应变片的电阻变化很小，经测量电桥转换成电压后输出信号也很微弱，必须加以放大后才能进行显示或其他处理。

图7-18是电阻应变仪的电路原理框图。电阻应变仪主要由信号发生器、电桥、运算放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、稳压电源和显示记录装置等部分组成。2021/8/2324精品PPT模板

电阻应变仪中相敏检波器既能检测应变振幅的大小，又能鉴别应变的正负，其工作原理如图7-19所示。2021/8/2325精品PPT模板7.5转速检测仪表转速即旋转角速度或旋转频率，它是衡量物体旋转快慢的一个物理量。旋转角速度的SI单位弧度/秒（rad/s）与单位转/分（r/min）之间的关系是7.5.1离心力检测法

质量为m的重锤旋转时受到mrω2的离心力而远离主轴，这将克服弹簧力向上拉动套筒，套筒的升降通过齿轮带动指针转动，可直接读出转数。2021/8/2326精品PPT模板7.5.2光电码盘检测法

光电码盘检测法是利用光电码盘和透射型光电耦合器结合来测量转速的，光电耦合器的输出信号是对应于码盘窗口明暗的脉冲序列。光电耦合器如图7-21所示，可分为透射型和反射型两种。2021/8/2327精品PPT模板

光电码盘有绝对光电码盘与增量光电码盘之分。如图7-22(a)所示的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；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，通过累计脉冲个数测量旋转角，而不能检测转轴的绝对转角和转向。2021/8/2328精品PPT模板

增量光电码盘在工业中的应用远比绝对码盘多。为了使增量光电码盘也能检测转角及转向，可以采取图7-23所示的检测A，B和Z三个增量脉冲信号的办法。当只需检测转速时，选择带一个光电耦合器的单相输出增量码盘即可；若还要判别正负转向并控制转角位置时，则需要选择内部含三个光电耦合器的有三相输出的增量码盘。2021/8/2329精品PPT模板7.6转矩检测仪表7.6.1力矩、转矩和扭转角

要想实现机械设备中运动部件转动状态和位置的精确控制，必须对设备中各部件的运动状态进行测量，转矩的测量是其中重要的组成部分。图中的转轴看作刚体，力矩M为沿圆周切线方向的力F与转轴半径r的乘积2021/8/2330精品PPT模板

工程上，转轴被看作弹性体，作用在弹性转轴上的力矩被称作转动力矩，简称转矩。机械元件在转矩作用下都会产生一定程度的扭转变形，故转矩又称为扭矩。当长度为l的转轴承受转矩M时，转轴的扭转角φ为：7.6.2转矩的测量

对于相对静止的转轴（一端固定，亦称扭力棒），转矩的测量一般采用在转轴表面粘贴应变片测剪切应变的方法。参考图7-24。最大应变为

在确定了最大应变的方向后，在转轴表面沿该方向粘贴应变片，即可实现对转轴转矩的测量。2021/8/2331精品PPT模板

对于转动中的转轴，上述方法难以实现，目前应用最多的是扭转角测量法，如下图，两个全同调制轮与霍尔开关测转速系统分别安装在被测转轴的两端。2021/8/2332精品PPT模板

在转矩为零时，两个传感器输出的信号是完全相同的，此时系统只有转速测量功能。当转矩不为零时，两个传感器输出的信号波形如图7-26所示。2021/8/2333精品PPT模板最终得到转矩计算公式为：

式中，为常数，在理想情况下脉冲周期T也是常数，故只要测得时间差即可由上式求得转轴的转矩M。7.6.3转矩的测量误差

在理想情况下，两个霍尔开关输出信号均为周期信号，对转矩M的测量精度产生影响的只有两个时间的计时误差。即主要应考虑单片机的计时误差，单片机的工作频率越高，计时误差越小。

实际情况是非理想的。调制盘上Z个磁极的分布不可能是完全均匀的，存在误差；调制轮与霍尔开关的间隙的不均匀性也要引入误差；各个磁极磁感应强度的不均匀性以及设备振动等各种干扰的共同影响，最终使得两个霍尔开关的输出信号波形不可能是准确的周期信号，这也会导致误差。2021/8/2334精品PPT模板7.6.4微机扭矩仪

图7-27是国产JW-3型微机扭矩仪的主机部分，它是采用微电脑技术设计的一种具有一定智能的、测定各种动力设备和动力传输机械的扭矩、转速和功率的高精度电子仪器。2021/8/2335精品PPT模板7.7振动与加速度检测仪表7.7.1振动与加速度检测原理

由牛顿运动方程可知，加速度和力是通过质量联系在一起的。如图7-27所示，可以将弹簧质量系统作为传感器，使之与被调系统直接连在一起。2021/8/2336精品PPT模板

当从系统框架外部施加振动位移或加速度时，根据弹簧质量系的固有角振动频率ω0与支点的角振动频率ω的关系，检测支点与质量m的相对位移y，不仅可求出支点的位移变化（即振动），而且还可求出支点的加速度以及速度。(1)支点位移检测(ω>>ω0的情况)

相对位移y的振幅y0与支点位移的振幅A大小相等、方向相反，这种振动检测称为位移检测。(2)支点加速度检测(ω<<ω0的情况)

相对位移y的幅值与支点加速度成比例变化，这种振动检测称为加速度检测。2021/8/2337精品PPT模板(3)支点速度检测(ω>>ω0的情况)

相对位移y的幅值与支点速度成比例变化，这种振动检测可以称为速度检测。7.7.2动电型振动传感器

在磁场密度为B的磁场中，长度为l的导体以速度v切割磁力线，导体两端则产生电势差为

利用这一原理检测振动速度，称为动电型振动检测。2021/8/2338精品PPT模板7.7.3应变片式加速度传感器

测量时，将传感器壳体与被测物体刚性连接，当被测物体以加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使弹簧片变形，该变形被粘贴在弹簧片上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压，这样即可得出被测物体的振动加速度和振动频率。2021/8/2339精品PPT模板7.7.4压电式加速度传感器

主要由壳体、压电元件、质量块、弹簧及引线等组成。使用时，将传感器与振动物体刚性固定在一起，这样，传感器就会随振动物体的振动而一起振动，其内部的质量块在重力、外力及弹簧弹力的共同作用下，会给压电元件施加与振动同频率的作用力，压电元件便会产生