检测技术与仪表-第六章-机械量测量课件

第6章机械量测量6.1机械量的测量范围和所用的传感器6.2位移测量仪表

6.3厚度测量仪表6.4转速测量仪表6.5力学量测量仪表1整体概述概述二点击此处输入相关文本内容概述一点击此处输入相关文本内容概述三点击此处输入相关文本内容2机械量的测量范围包括：尺寸（常、宽、高），位移（直线位移、角位移），速度（直线速度、角速度、转速）、力学量（力、力矩、加速度、振动）等。机械量不仅是运动控制系统的重要参数，也是许多非电量传感器及变送器的中间参数。机械量的测量广泛地应用非电量的电测法，典型的传感器有电阻、电容、电感以及磁电、压电、压磁、光电、霍尔元件等，此外还有超声波、放射线等。此外，还有CCD（电荷耦合器件）图像传感器、光纤传感器以及基于MENS（微电子机械系统）技术的传感器。6.1机械量的测量范围和所用的传感器31.电容式位移传感器电容传感器有三种形式：极距变化型、面积变化型、介电常数变化型。6.2位移测量仪表

41.电容式位移传感器极距变化型6.2位移测量仪表

51.电容式位移传感器面积变化型6.2位移测量仪表

61.电容式位移传感器介电常数变化型6.2位移测量仪表

71.电容式位移传感器特点及应用特点：分辨力极高（电容值10-7，相对值100%~200%，位移0.01μm）动极板质量小，惯性小，动态响应好；非接触，自身发热和功耗小；结构简单，不含有机材料或磁性材料、对环境适应性强应用：微信息检测---测微仪；静态测量---金属零件计数高频信号检测---振动，转速；6.2位移测量仪表

82.电感式位移传感器电感式传感器有两种形式：自感式和互感式。电感式位移传感器是把被测工件的微小位移变化转变成电感L的变化来实现非电量电测的一种装置。6.2位移测量仪表

93.光栅传感器光栅传感器是新型的高精度、大位移、数字式位移传感器。在长度和角度测量中应用的光栅，常称为计量光栅。计量光栅根据光栅走向分为透射光栅和反射光栅两种；根据刻线型式又可分为黑白光栅和相位光栅两种；根据形状和用途分为长光栅和圆光栅两种。6.2位移测量仪表

10长光栅---直线位移；圆光栅---角位移

构成：1.主光栅---标尺光栅，定光栅；长度---测量范围；刻线密度---测量精度(10、25、50、100、125线/mm)2.指示光栅---动光栅；3.光路系统11(1)莫尔条纹（Moire）条纹宽度：

W-栅距，a-线宽，b-缝宽W=a+b

，a=b=W/2

特例：当=0,w1=w2

→B=→光闸莫尔条纹当=0,w1≠w2

→纵向莫尔条纹均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动12莫尔条纹特性：方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时→与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距→莫尔条纹移动一个间距一方向对应放大性：夹角θ很小→B>>W→光学放大→提高灵敏度可调性：夹角θ↓→条纹间距B↑→灵活准确性：大量刻线→误差平均效应→克服个别/局部误差→提高精度(2)光栅传感器分类与结构原理

按运动形式分：直线型---主光栅为直尺形→直线移动旋转型---主光栅为圆盘形→旋转运动按光学形式分：透射式---光源与光电元件在两侧→透射光反射式---光源与光电元件同一侧→反射光131415161718192021222324(3)光栅传感器特点

①精度高：测长±(0.2+2×10-6L)μm，测角±0.1″②量程大：透射式---光栅尺长（米），反射式---几十米③响应快：可用于动态测量④增量式：增量码测量→计数断电→数据消失⑤要求高：对环境要求高→温度、湿度、灰尘、振动、移动精度⑥成本高：电路复杂25

磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易于安装，测量范围宽可超过十几米，抗干扰能力强。磁栅可分为长磁栅和圆磁栅。长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成。目前还出现了磁敏电阻原理的磁头，可不必设置励磁电路，检测速度也进一步提高。还有一种“空间静磁栅”。在失电→上电后，仍能正确地反映失电前的位置或角度，实现了磁栅的“绝对编码”。磁栅26精思国计，细量民生大尺寸磁栅尺外形图27磁栅的外形及结构磁尺静态磁头接信号处理电路固定孔28磁尺磁栅外观图磁头29磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示30鉴相型磁栅数显表的原理框图

磁尺与磁头接触，使用寿命不如光栅，数年后易退磁。设置两个磁头的意义何在？31磁栅测量系统磁头磁尺32磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺磁头安装在何处？33磁栅在铣床直线位移测量中的应用磁尺数显表344、激光测距系统3）激光三角法---大范围远距离测距（几千/几十千米）1）脉冲测距法2）相位差测距法激光短脉冲信号（激光器被测目标）测量精度：时间间隔测量精度（脉冲窄、响应速度快）远距离---固体/二氧化碳；近距离---半导体巨脉冲激光器---地球—月球距离（分辨力：1m）激光束调制---相位差---时间---距离距离特点：测量精度高、分辨力强35原理：y=f(x)xy36Keyence激光测距传感器37特点：

非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高精度：光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面特征38应用：39404、超声波测距系统416.2位移测量仪表

5、视觉检测系统CCD图像传感器它分为线阵CCD和面阵CCD两种，前者用于尺寸和位移的测量，后者用于平面图形、文字的传递。目前面阵CCD已作为固态摄像器用于可视电话和闭路电视的监控等。426.光纤位移传感器6.2位移测量仪表

光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。前香港中文大学校长高锟和GeorgeA.Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。43光纤的结构光导纤维（OpticalFiber简称光纤）由纤芯、包层、涂敷层及护套组成。纤芯折射率大于包层折射率。光纤具有使光封闭在纤芯里面传输的功能。外套起保护作用。4445根据传输点模数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。所谓"模"是指以一定角速度进入光纤的一束光。单模光纤采用固体激光器做光源，多模光纤则采用发光二极管做光源。46多模光纤多模光纤是光纤通信最原始的技术，这一技术是人类首次实现通过光纤来进行通信的一项革命性的突破。多模光纤采用发光二极管做光源，光频谱宽、光波不纯净、光传输色散大、传输距离小。1000Mbit/s带宽传输，可靠距离为255米(m)。100Mbit/s带宽传输，可靠距离为2公里(km)。47多模光纤因为多模光纤则采用发光二极管做光源，所以多模光纤允许多束光在光纤中同时传播，从而形成模分散(因为每一个“模”光进入光纤的角度不同它们到达另一端点的时间也不同，这种特征称为模分散。)，模分散技术限制了多模光纤的带宽和距离，因此，多模光纤的芯线粗，传输速度低、距离短，整体的传输性能差，但其成本比较低，一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境下。48单模光纤光纤通信技术发展到今天，多模光纤通信固有的很多局限性愈发显得突出。随着光纤通信技术的发展，特别是激光器技术的发展以及人们对长距离、大信息量通信的迫切需求，人们又寻找到了更好的光纤通信技术----单模光纤通信。49单模光纤

单模发光器件为激光器，光频谱窄、光波纯净、光传输色散小，传输距离远。单模激光器又分为FP、DFB、CWDM三种。FP激光器通常可传输60公里(km)，DFB和CWDM激光器通常可传输100公里(km)。

50单模光纤单模光纤的纤芯较细，使光线能够直接发射到中心。建议距离较长时采用。单模信号的距离损失比多模的小。在头3000英尺的距离下，多模光纤可能损失其LED光信号强度的50%，而单模在同样距离下只损失其激光信号的6.25%。单模的带宽潜力使其成为高速和长距离数据传输的唯一选择。最近的测试表明，在一根单模光缆上可将40G以太网的64信道传输长达2，840英里的距离。51单模光纤在安全应用中，选择多模还是单模的最常见决定因素是距离。如果只有儿英里，首选多模，因为LED发射/接收机比单模需要的激光便宜得多。如果距离大于5英里，单模光纤最佳。另外一个要考虑的问题是带宽;如果将来的应用可能包括传输大带宽数据信号，那么单模将是最佳选择。52

从单模光纤通信技术诞生之日起，就意味着多模光纤通信方式的淘汰。目前用多模光纤传输的已经很少了，只是因为市场的惯性而延续至今。53反射式光纤位移传感器

5455一、原理：

光在光纤中传输如图1所示：反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。如图2：光纤采用Ｙ型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到发射光纤，通过光纤传输，射向反射片，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接受到的光强与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。56当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。在得到电压与距离的关系之后就可以通过单片机的处理将电压转换成距离显示出来。57MTI-2000光纤测量系统585960611.涡流式测厚仪高频反射式侧厚仪这种传感器的结构很简单，主要由一个固定在框架上的扁平线圈组成。线圈可以粘贴在框架的端部，也可以绕在框架端部的槽内。下图为某种型号的高频反射式电涡流传感器。6.3厚度测量仪表

621.涡流式测厚仪低频透射式测厚仪这种传感器的结构很简单，主要由一个固定在框架上的扁平线圈组成。线圈可以粘贴在框架的端部，也可以绕在框架端部的槽内。图6.43为某种型号的低频透射式电涡流传感器。6.3厚度测量仪表

632.射线式测厚仪射线式测厚仪是利用各种射线对金属或其它材料板材厚度以及镀层厚度的非接触式测量仪器。通常应用的射线有β射线、γ射线和X射线。透射式测厚仪反射式测厚仪6.3厚度测量仪表

641.离心力法其工作原理基于与回转轴偏置的重锤在回转时产生的离心力Q与回转轴的角速度ω的平方成正比，即式中，m为重锤的质量；r为重锤至被测轴的垂直距离。下图是其测