《现代检测技术及仪表》课件第8章 机械量检测及仪表

物体或质点的位置通常用其在选定参照物的坐标系上所处的坐标来描述。位移就是位置的移动量。物体或质点作直线运动时的位移称为线位移，作旋转运动时的位移称为角位移。8.1位移测量仪表

8.1.1电容传感器

以电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化的传感器称为电容传感器。电容传感器有三种形式，极距变化型、面积变化型和介电常数变化型。

电感传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。电感传感器种类很多，一般分为自感式和互感式两大类。习惯上讲的电感传感器通常是指自感式传感器，而互感式传感器由于是利用变压器原理，又往往做成差动形式，所以常称为差动变压器式传感器。8.1.2电感传感器

8.1.3光栅传感器

光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种计量光栅，主要用于位移测量及与位移相关的物理量（如速度、加速度等方面）测量。由于光栅传感器具有准确度高、量程大、分辨率高、抗干扰能力强，以及可实现动态测量等特点，所以它在几何量和机械量等物理量的测量、数控系统的位置检测和数控机床的伺服系统等领域得到了广泛应用。光栅传感器的主要元件是光栅。在长度和角度测量中应用的光栅，常称为计量光栅。计量光栅根据光线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。8.2转速测量仪表

旋转轴的转速测量在工程上经常遇到，以每分钟的转数来表达，即r/min。测量转速的仪表统称为转速仪。转速仪的种类繁多，按测量原理可分为模拟法、计数法和同步法；按变换方式又分为机械式、电气式、光电式和频闪式等。

8.2.1磁电式转速传感器

图8-25为磁电式转速传感器的结构图，它由永久磁铁、线圈、磁盘等组成。在永久磁铁组成的磁路中，若改变磁阻（如空气隙）的大小，则磁通量随之改变。磁路通过感应线圈，当磁通量发生突变时，感应出一定幅度的脉冲电动势，该脉冲电动势的频率等于磁阻变化的频率。

为了使气隙变化，在待测轴上装一个由软磁材料做成的齿盘（通常采用60个齿）。当待测轴转动时，齿盘也跟随转动，齿盘中的齿和齿隙交替通过永久磁铁的磁场，从而不断改变磁路的磁阻，使铁芯中的磁通量发生突变，在线圈内产生一个脉冲电动势，其频率与待测转轴的转速成正比。输出轴图8-25磁电式转速传感器的结构原理图8.2.2光电式转速传感器

1.直射式光电转速传感器

图8-26直射式光电转速传感器的结构图

图8-26为直射式光电转速传感器的结构图。它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，将光信号转换为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数。因此，可通过测量光敏元件输出的脉冲频率得知被测转速。8.2.2光电式转速传感器

2.反射式光电转速传感器

图8-27反射式光电转速传感器的结构图

图8-27为反射式光电转速传感器的结构图。它由红外发射管、红外接收管、光学系统等组成。光学系统由透镜及半透镜构成，红外发射管由直流电源供电，工作电流为20mA，可发出红外光。半透镜既能使发射的红外光射向转动的物体，又能使从转动的物体反射回来的红外光穿过半透镜射向红外接收管。测量转速时需要在被测物体上粘贴一小块红外反射纸，这种纸具有定向反射作用。当被测物体旋转时，粘贴在物体上的反射纸和物体一起旋转，红外接收管则随感受到反射光的强弱而产生相应变化的信号。该信号经电路处理后便可以由显示电路显示出被测对象转速的大小。

8.2.3电涡流式转速传感器

图8-28为电涡流式转速传感器的工作原理图。图8-28电涡流式转速传感器的工作原理图

它由电涡流式传感器和输入轴等组成。在软磁性材料的输入轴上加工一个键槽，在距输入轴表面处设置电涡流式转速传感器，输入轴与被测旋转轴相连。当被测旋转轴转动时，输入轴跟随转动，从而使传感器与输入轴的距离发生的变化。由于电涡流效应，这种变化将导致振荡回路的品质因数变化，使传感器线圈电感随的变化而变化，它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。因此，随着输入轴的旋转，从振荡器输出的信号中包含与转速成正比的脉冲频率信号。这种传感器可实现非接触式测量，最高测量转速可达6×107r/min。8.2.4霍尔式转速传感器

图8-29为霍尔式转速传感器的结构原理图。

图8-29霍尔式转速传感器的工作原理图待测物体

它是由霍尔开关集成传感器和磁性转盘组成。将磁性转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴以角速度旋转时，磁性转盘便随之转动，固定在磁性转盘附近的霍尔开关集成传感器便可在每一个小磁钢通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知道被测对象的转速。8.2.5光电码盘转速检测法

光电码盘有绝对光电码盘与增量光电码盘之分。

图8-31绝对码盘及其编码方式（a）二进制编码（b）循环编码

如图8-31（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，它可以测绝对角度，而且当有外部干扰或电源断电事故发生后恢复正常时，可以立即准确检测位置信息。其缺点是结构复杂、成本高，并需要用多个光电元件检测来自各位的脉冲信号。图8-31（b）所示也是绝对光电码盘，但它是可以减少误码率的循环码盘。增量光电码盘是随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，若只使用一个光耦合器只能检测转速，而不能检测转轴的绝对转角和转向。8.2.6测速发电机

测速发电机是把机械转速变换为与转速成正比的电压信号的微型电机，在自动控制系统中和模拟计算装置中，作为检测元件、解算元件和角加速度信号元件等得到了广泛的应用。在交直流调速系统中，常使用测速发电机构成闭环速度反馈来改善控制系统的性能，提高系统精度。目前常用的测速发电机主要有直流测速发电机、交流测速发电机和霍尔效应测速发电机等。其中使用最多的是直流测速发电机。

力测量仪表按其工作原理可分为弹性式、电阻应变式、电感式、电容式、压电式、压磁式等。8.3力测量仪表

8.3.1力的检测方法

1.力平衡法力平衡法是基于比较测量的原理，用一个已知力来平衡待测的未知力，从而得出待测力的值。2.测位移法在力作用下，弹性元件会产生变形。测位移法就是通过测量未知力所引起的位移，从而间接地测得未知力的值。3.物理效应测力物体在力的作用下会产生某些物理效应，如应变效应、压磁效应、压电效应等，可以利用这些效应间接检测力值。8.3.2常用测力传感器

1.应变式力传感器在所有力传感器中，应变式力传感器应用最为广泛。它能应用于从极小到很大的动、静态力的测量，且测量准确度高，其使用量约占力传感器总量的90%左右。应变式力传感器的工作原理与应变式压力传感器基本相同。应变式力传感器首先把被测力转变成弹性元件的应变，再利用电阻应变效应测出应变，从而间接地测出力的大小。

2.压磁式力传感器当铁磁材料在受到外力的拉、压作用而在内部产生应力时，其磁导率会随应力的大小和方向而变化。受拉力时，沿力作用方向的磁导率增大，而