第10章机械量电测法

第10章机械量电测法1本章内容10.1转速的电测法10.2振动的电测法10.3力与荷重的电测法10.4力矩的电测法210.1转速的电测法转速的表示方式：1、转动角速度：2、转速：每分钟转动圈数n，3、转动频率f：每秒钟转动圈数4、转动周期，，所以单位：弧度/秒（rad/s）单位：转/分（r/min）单位：转/秒模拟式计数式3一、测速发电机10.1.1模拟式电测法——把转速转换成电压根据电磁感应原理做成的专门测速的微型发电机，输出电压正比于输入轴上的转速，即：B为测速发电机中的磁感应强度；r为测速发电机绕组的平均半径，l为绕组的总有效长度，ω为转子的角速度；n为测速发电机的每分钟转速。4Me使铝盘转动，迫使游丝扭转变形，游丝扭矩：二、磁性转速表图10-1-1磁性转速表的结构原理磁铁旋转时，铝盘因相对运动形成涡流，该涡流产生的磁场与永久磁铁的磁场相互作用使铝盘产生转矩Me。Me与转速n成正比：游丝带动指针转动，平衡时：指针指示的转角θ对应于被测轴的转速n5Me使铝盘转动，迫使游丝扭转变形，游丝扭矩：二、磁性转速表图10-1-1磁性转速表的结构原理磁铁旋转时，铝盘因相对运动形成涡流，该涡流产生的磁场与永久磁铁的磁场相互作用使铝盘产生转矩Me。Me与转速n成正比：游丝带动指针转动，平衡时：指针指示的转角θ对应于被测轴的转速n6图10-1-2离心式转速表结构原理----把转速转换为位移离心力：弹簧力：平衡时：三、离心式转速表7图10-1-2离心式转速表结构原理----把转速转换为位移离心力：弹簧力：平衡时：三、离心式转速表8----将转速转换成脉冲频率10.1.2计数式电测法一、测频计数式转换公式：适于转速快的场合9图10-1-4磁电式转速传感器10.1.2计数式电测法1、磁电式----将转速转换成脉冲频率一、测频计数式10图10-1-4磁电式转速传感器10.1.2计数式电测法1、磁电式----将转速转换成脉冲频率一、测频计数式11图10-1-4磁电式转速传感器转换公式脉冲频率：n：每分钟转动圈数m：每转一周传感器发出脉冲数（即齿轮齿数）10.1.2计数式电测法1、磁电式----将转速转换成脉冲频率一、测频计数式122、霍尔式10.1.2计数式电测法----将转速转换成脉冲频率一、测频计数式图10-1-7霍尔式转速传感器转盘圆周上安置m个永磁铁氧体13图10-1-7霍尔式转速传感器2、霍尔式m个永磁铁氧体霍尔元件霍尔元件粘贴在磁极的端面上10.1.2计数式电测法----将转速转换成脉冲频率一、测频计数式转盘圆周上安置m个永磁铁氧体14图10-1-8光电式转速传感器3、光电式10.1.2计数式电测法----将转速转换成脉冲频率一、测频计数式黑白间隔数(a图)或透光缝隙数(b图）为m15图10-1-8光电式转速传感器3、光电式10.1.2计数式电测法----将转速转换成脉冲频率一、测频计数式黑白间隔数(a图)或透光缝隙数(b图）为m1610.1.2计数式电测法当转速很慢时，通常是测量转动周期来反映转动快慢，这种测量转速的方法称为测周法。二、测时（测周）计数式若圆周上设m个检测电，每转1/m周计入的时钟脉冲个数为N，时钟脉冲周期为T0，则转动周期为：T=mNT0适于转速慢的场合1710.1.2计数式电测法三、测瞬时转速通常采用测量每转过一个指定的角度所需时间的方法来测量瞬时转速。瞬时角速度为：若计时脉冲频率为f0，时间内计入时钟脉冲个数为Ni，则：若将每转一周均匀分为m个测点，每两相邻测点间距为，各段所用时间的计时脉冲数位Ni，则各测点的瞬时角速度为：1810.2振动的电测法

物体的机械振动是指物体在其平衡位置附近作来回往复运动。用电测方法测量振动的装置称为振动传感器（或测振传感器）。对物体的机械振动进行测量，通常是测量其振动的频率、振幅、速度、加速度等。1910.2振动的电测法振动传感器分类：1、根据被测参数不同来分类：

振动位移传感器、振动速度传感器、振动加速度传感器。2、根据传感器工作原理分类：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、光电式等。3、根据选定的运动参照点来分类：

相对振动传感器、绝对振动传感器。2010.2.1相对振动传感器与绝对振动敏感器一、相对振动传感器相对振动——物体相对于其平衡位置的往复运动。1.相对振动传感器的特点内部固定部分与运动参照点（平衡）位置相对静止；内部可动部分与被测振动体一起运动。2110.2.1相对振动传感器与绝对振动敏感器一、相对振动传感器2.传感器可动部分与被测振动体关联方式图10-2-1相对振动传感器的关联方式(a)固接式（b)弹压式2210.2.1相对振动传感器与绝对振动敏感器一、相对振动传感器2.传感器可动部分与被测振动体关联方式图10-2-1相对振动传感器的关联方式(a)固接式（b)弹压式23弹压式相对振动传感器要求可动部分对被测物体的压力大于0（即保持接触不分离）：FKmamFk为弹簧力；m为传感器可动部分及顶杆的质量；am为被测物体的加速度幅值；k为弹簧的弹性系数；ΔL为弹簧的初压缩量；ω为简谐振动角频率；xm为简谐振动的振幅。传感器可动部分跟随被测物体运动的条件为：2410.2.1相对振动传感器与绝对振动敏感器二、绝对振动敏感器绝对振动——被测物体相对于大地或惯性空间的往复运动。1.绝对振动敏感器的特点内部固定部分与被测振动体一起运动。内部可动部分有一定质量m，且通过弹簧R与固定部分相连接。内部可动部分与固定部分之间相对运动受阻尼力作用，阻尼系数为C，即绝对振动敏感器内部存在一个“m-k-c”系统。2510.2.1相对振动传感器与绝对振动敏感器二、绝对振动敏感器2.绝对振动敏感器的工作原理图10-2-2绝对振动敏感器的工作原理x：绝对位移2610.2.1相对振动传感器与绝对振动敏感器二、绝对振动敏感器2.绝对振动敏感器的工作原理图10-2-2绝对振动敏感器的工作原理yx：绝对位移2710.2.1相对振动传感器与绝对振动敏感器二、绝对振动敏感器2.绝对振动敏感器的工作原理图10-2-2绝对振动敏感器的工作原理y如图由质量块弹簧阻尼器构成的系统简称为“m-k-c”系统，实质上就是一种敏感器。它把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。被测物体振动时，质量块绝对位移为z:z=x+y（矢量相加）x：绝对位移28基于“m-k-c”系统运动关系及受力分析，可列出其运动方程，对方程进行分析推导，可得到质量块的相对运动位移y与被测物体绝对运动参数（位移、速度、加速度）之间的关系。（分析推导过程略，结果如下）yx：绝对位移图10-2-2绝对振动敏感器的工作原理3.绝对振动敏感器的功能29ω是被测振动角频率，ω0是传感器固有角频率。3.绝对振动敏感器的功能当ω>>ω0时：当ω≈ω0时：当ω<<ω0时：相对振动位移振幅被测体绝对振动位移振幅相对振动位移振幅被测体绝对振动速度振幅相对振动位移振幅被测体绝对振动加速度振幅绝对振动敏感器把被测物体的绝对振动转换成敏感器内部可动部分与固定部分的相对运动。3010.2.2绝对振动电测法几种设计制作惯性式振动传感器的思路和方法：一、位移传感器配接“m-k-c”系统二、磁电式传感器配接“m-k-c”系统三、涡流式传感器配接“m-k-c”系统下面仅以第一种为例进行介绍。3110.2.2绝对振动电测法可动部分与固定部分用弹簧片或弹性元件相连，并填充阻尼液体或气体；可动部分质量加大或与质量块固定在一起；固定部分与被测振动体相连。一、位移传感器配接“m-k-c”系统

结构型位移传感器（电位器式、电感式、电容式、涡流式等）内部都包括固定部分和可动部分。对其做如下设计，即可制成位移型惯性式振动传感器。3210.2.2绝对振动电测法一、位移传感器配接“m-k-c”系统实例：

电容式加速度传感器图10-2-3电容式加速度传感器结构示意图此电容式加速度传感器实际上是变极距差动电容式位移传感器配接“m-k-c”系统构成。变极距型电容传感器差动式3310.2.2绝对振动电测法一、位移传感器配接“m-k-c”系统实例：

电容式加速度传感器图10-2-3电容式加速度传感器结构示意图此电容式加速度传感器实际上是变极距差动电容式位移传感器配接“m-k-c”系统构成。变极距型电容传感器差动式34差动电容：因为若ω>>ω0：若ω<<ω0：测出电桥电路中输出电压幅值Um，即可确定振动位移幅值Xm或振动加速度幅值Am。图10-2-3电容式加速度传感器结构示意图3510.3力与荷重的电测法直接法----直接将力转换为电信号，如压电式传感器(5.2节)、振弦式传感器、振梁式传感器（7.4节）间接法----以弹性元件作为敏感器，将拉力或压力转换为应变或位移，再用应变传感器或位移传感器把应变或位移转换为电量。3610.3.1力敏感器一、实心轴和空心圆轴图10-3-1实心圆柱状弹性元件纵向线应变：横向线应变：3710.3.1力敏感器一、实心轴和空心圆轴图10-3-1实心圆柱状弹性元件纵向线应变：横向线应变：3810.3.1力敏感器二、悬臂梁1.等截面梁图10-3-2（a)等截面梁自由端挠度：3910.3.1力敏感器二、悬臂梁2.变截面（等强度）梁图10-3-2（b)变截面梁自由端挠度：4010.3.2力的间接电测法——将应变片粘贴到力敏感器上一、应变式力传感器四应变片接成电桥的输出电压：411.受力圆柱上沿轴向和周向粘贴应变片图10-3-3受压圆柱上应变片的粘贴10.3.2力的间接电测法一、应变式力传感器422.等强度梁上下两表面粘贴应变片图10-3-4等强度梁上应变片的粘贴10.3.2力的间接电测法一、应变式力传感器43二、位移式力传感器1.电容式荷重传感器图10-3-5电容式称重传感器1-动极