运动量检测技术

1、运动量检测技术,第四小组 杨天帅、彭君豫、何东、游蕊菱,前言,运动量是描述物体运动的量，是以自然界中两个基本量长度和时间为基础的，包括位移、速度和加速度，运动量测量是许多物理量测量的基础。 运动量检测在工业、交通、国防领域等应用较多。例如，汽车、火车、飞机等交通工具需要实时地测量自身的速度与加速度，发动机等则需要测量输出轴的转速，桥梁、大型设备等需要测量其振动，气象部门需要对大自然的风速进行测量等。 位移与长度的单位都是m。速度是物体运动时单位时间内位移的增量，如果物体运动的速度是变化的，则单位时间内速度的增量就是加速度。,目录,1.线位移和角位移检测。 （1）积分法、（2）相关测距法、（3）

2、回波法 （4）线位移和角位移相互转换、（5）位移传感器,2常用的位移传感器 （1）电感式位移传感器: 利用传感器线圈的电感变化来检测非电量的机电转换装置。 特点： a.结构简单、工作可靠、寿命长、精度高（分辨力达0.1um）。 b.缺点：线性范围小、不适于高频动态测量场合。 根据传感器线圈的接线方式分为：自感式和互感式。 根据传感器线圈的结构分为：变气隙型、变面积型螺管型。,变气隙型、变面积型,螺管型,电感传感器外形,（2）电容式位移传感器: 特点： a.结构简单，能在恶劣环境下工作，可用无机材料（玻璃、石英、陶瓷）作绝缘支架，上面渡以金属作为极板，能承受相当大的温度变化及辐射，以及强烈振动，

3、并可以在各向同性的电介质液中使用。 b.分辨力高（纳米级），动态特性好，电容传感器需要的作用能量极小。因而有较高的固有频率，同时能在几兆赫的频率下工作，从而保证有良好的动态响应能力。 c.小功率、高阻抗，本身发热量小。 d.本身损耗小，零点稳定；由于本身发热引起的零漂，可以认为不存在。 e.变极距型广范用于微位移测量系统中。,（3）感应同步器位移传感器: 是应用电磁感应原理把位移量转换成为数字量的位移传感器。 感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随相对位置不同而变 化的原理, 将直线位移或角位移转换成电信号的。 感应同步器有直线式和旋转式两种, 直线式（长）感应同步器由定尺和滑尺组成。 旋转式

4、（圆）感应同步器由转子和定子组成。,特点： a.测量精度高，工作可靠。 b.抗干扰能力强，寿命长。 c.使用便利。 d.尤其适用于生产现场在线检测。,直线式（长）感应同步器,旋转式（圆）感应同步器,（4）电涡流式传感器 根据法拉第电磁感应原理, 块状金属导体置于变化的磁 场中或在磁场中作切割磁力线运动时, 导体内将产生呈涡旋 状的感应电流,此电流叫电涡流,以上现象称为电涡流效应。 根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。 特点: A、能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量。 B、具有体积小,灵敏度高,抗干扰能力强，频率 响应宽。 C、不受油污等介质影响，应用

5、极其广泛。 D、有变间隙、变面积、螺管型。,电涡流传感器 工作原理图,根据法拉第定律, 当传感器线圈通以正弦交变电流I1时, 线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1,使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流 I2, I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律, H2的作用将反抗原磁H1,导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上可知, 线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效应既与被测体的电阻率、磁导率以及几何形状有关, 又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关, 还与线圈与导体间的距离x有关。因此, 传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为 Z= F（, , r, f, x

6、） 式中: r线圈与被测体的尺寸因子。 如果保持上式中其它参数不变, 而只改变其中一个参 数, 传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过 与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量, 即可实现对 该参数的测量。,电涡流传感器等效电路图,电涡流传感器载流线圈 金属导体。,（5）光栅式数字位移传感器 光栅是一种在基体上刻制有等间距均匀分布条纹的光学元件。用于位移测量的光栅称为计量光栅。 下图为透射光栅的示意图。 图中a为刻线宽度, b为缝隙宽度, a+b=W称为光 栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b=W/2, 也可刻成 a:b=1.1:0.9。 目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、

7、100、250条线条。 ,光栅传感器又称光栅读数头, 主要由标尺光栅、 指示光栅、 光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。 指示光栅比标尺光栅短得多, 但两者刻有同样的栅距, 使用时两光栅互相重叠, 两者之间有微小的空隙, 其中一片固定, 另一片随着被测物体移动, 即可实现位移测量。,光栅测量原理: 当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时, 由于挡光效应（对线纹密度50条/mm的光栅）或光的衍射作用（对线纹密度100条/mm的光栅）, 在与光栅线纹大致垂直的方向上, 产生出亮暗相间的条纹, 这些条纹称为“莫尔条纹” 。 莫尔条纹测位移的特点: (1)位移的放大作用

8、当光栅移动一个栅距W时, 莫尔条纹移动一个间距B, 莫尔条纹的间距B与两光栅线纹夹角之间的关系为: B =W/2sin（/2）W/ 越小, B越大。例如很小, 则1/较大, 即莫尔条纹宽度是栅距的1/倍。这相当于把 栅距放大了1/倍, 提高了测量的灵敏度。,一、速度检测方法 速度测量分为线速度测量和角速度测量。线速度的计量单位通常用m/s（米/秒）来表示，角速度测量分为转速测量和角速率测量。转速的计量单位常用r/min（转/分）来表示，而角速率的计量单位则常用/s（度/秒）或/h（度/小时）来表示。 1时间、位移计算测速法 2线速度和角速度相互转换测速法 3速度传感器法 4微积分法,二、常用的

9、速度测量传感器,一、加速度检测方法 加速度检测是基于测试仪器检测质量敏感加速度产生惯性力的测量，是一种全自主的惯性测量。加速度检测广泛应用于航天、航空和航海的惯性导航系统及运载武器的制导系统中，在振动试验、地震检测、爆破工程、地基测量、地矿勘测等领域也有广泛的应用。 目前主要是通过加速度传感器（俗称加速度计），并配以适当的检测电路测量加速度。 加速度计由检测质量（也称敏感质量）、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。检测质量受支承的约束只能沿一条轴线移动，这个轴常称为输入轴或敏感轴。,二、微机电加速度计,微机电系统加速度计通常是指利用微电子加工手段加工制作，并和微电子测量线路集成在一起的加速度

10、计，这种加速度计常用硅材料制作，故又名硅微型加速度计。 任何加速度传感器都概括为以下3个部分。 质量：被加速时，产生一个惯性力。 弹性构件：使力做某种功。 检拾器：检拾敏感力所做的功。 硅微机械加速度传感器结构中，弹性构件通常是很薄小的硅悬臂梁或挠性轴。敏感力所做功的检拾器，通常有压阻检测、电容检测和隧道电流检测等方式。,1硅微型加速度计的类型 硅微型加速度计的型式多种多样。按检测质量支承方式分有悬臂梁支承、简支梁支承、方波梁支承、折叠梁支承和挠性轴支承等；按检测信号拾取方式分，有电阻检测、隧道电流检测、热对流检测、电容检测和谐振频率检测等。 （1）压阻式加速度计 （2）隧道电流型加速度计 （3）微型热对流加速度计 （4）微电容式加