机械量测量讲义

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1、机械量包括：长度、位移、速度、转角、转速、力、力矩、振动等参数。其中位移和力的大小是机械量检测的主要任务。按机械量检测原理分类：见表8-1机械式电气电子式光学式机械量测量8机械量测量主要内容模拟式位移检测——电容式位移检测、电感式位移检测*、差动变压器式位移检测*、光纤位移检测*光学数字式位移检测——光栅标尺、莫尔条纹标尺转速检测——离心力检测法、光电码盘转速检测法力的检测方法——金属应变元件、半导体应变元件、压电元件、压敏导电橡胶加速度与振动检测——加速度检测原理、动电型振动检测方法、微机械加速度传感元件一、电容式位移检测方法8.1模拟式位移检测Ana

2、logdisplacementdetecting原理：平行板电容器的电容值为：分类：使用时保持三个参数中的两个不变而改变另一个参数使电容量发生变化，故其可分成三类：变极距式d、变面积式ab和变介电常数式ε。变极距式灵敏度：d0（起始间隙,但受击穿电压限制不能太小）越小，k越大，同时非线性增大。为了提高敏度，减小非线性，常采用差动结构检测位移。这种对称结构可以减少因极板间的静电引力、环境温度变化和电源变化所引起的误差。变面积式灵敏度：增大极板边长b，减小间隙d都可以提高敏度。电容耦合型位移传感器利用IC制造技术可以制作超小型电容式位移传感器。图8-2为电容

3、耦合型位移传感器结构图。二、电感式位移检测方法分类:根据转换原理分为自感式和互感式；按结构形式分为变间隙式、变面积式和螺管式。自感式——组成：线圈、铁芯和衔铁互感式—差动变压器式原理：如图，一次线圈和二级线圈的互感随铁芯的位置的变化而变化，输出电压相应的变化。组成：一次线圈、上下对称的两个二级线圈、铁芯组成三、光纤位移检测方法组成：光纤、光源和光敏元件。优点：可在高温、易燃、易爆环境中使用；与被测对象不接触，有利于提高测量精度；可远距离测量等。简单光纤位移传感器发送光纤和接受光纤的端面相对，间隔为1～2µm。接受光纤接收到的光强随两光纤径向相对位置的不同

4、而不同。反射式光纤位移传感器光线照射到被测物体，经其反射后导入光敏元件。光强度随物体的位移变化而变化。光源的光经发送光缆的端面处呈圆锥状扩散，照射到物体表面；被测物体反射光的一部分经接受光缆传到光敏元件，照射光圆锥和发射光圆锥相重叠部分的光强将被检测出。光强随物体的位移的变化而变化。数字式位移检测是利用栅格编码器将长度或角度的变化直接转换成脉冲个数或二进制符号的方法。包括光栅标尺、容栅标尺和磁栅标尺等多种方式。8.2光学数字式位移检测Opticaldigitaldisplacementdetecting一、光栅标尺在基体上刻制有等间距均匀分布黑白条纹的光

5、学元件，指示光栅短于主光栅。光源发出的光经光栅缝隙透过，由光电元件（光电池、光敏三极管）检测透射光强，可通过计数测位移，可由相位判断移动方向。两排光栅相位相差1/4周期，通过S1、S2输出信号的相位关系，可以判断G1的移动方向。当两光栅栅线不平行，相差微小角度θ时，在与栅线近似成直角的方向上有粗条纹产生，称为莫尔条纹。如图：刻线重合处，光从缝隙透过形成亮带，黑带是因两光栅的线纹彼此错开，挡光而形成。莫尔条纹的方向几乎与刻线垂直。莫尔条纹间距W与栅格间距P之间的关系近似为：W=P/θ二、莫尔条纹标尺容栅传感器是基于变面积工作原理的电容传感器，它的电极排列如

6、同栅状。与其他大位移传感器，如光栅、磁栅等相比，虽然精度稍差，但体积小、造价低、耗电省，广泛应用于电子数显卡尺、千分尺、高度仪、坐标仪等几百毫米以下行程的测量中。容栅传感器可分为三类：直线型容栅、圆容栅和圆筒形容栅。其中，直线型和圆筒形容栅传感器用于直线位移的测量，圆形容栅传感器用于角位移的测量。三、容栅标尺各种容栅测量装置各种容栅卡尺（续）各种容栅数显卡尺（续）外卡尺汽车专用卡尺各种容栅数显卡尺（续）内卡尺容栅数显卡尺的结构容栅数显测高仪1.测力调节2.测头导轨3.测头4.坐垫5.液晶屏显示6.触摸开关7.RS-232输出8.打印机9.驱动开关10.气

7、泵开关11.电源线四、磁栅标尺组成：磁栅传感器主要由磁尺（磁栅）、磁头和信号处理电路组成。工作原理：磁栅上录有等间距的磁信号，它是利用磁带录音的原理将等节距的周期变化的电信号(正弦波或矩形波)用录磁的方法记录在磁性尺子或圆盘上而制成的。装有磁栅传感器的仪器或装置工作时，磁头相对于磁栅有一定的相对位置，在这个过程中，磁头把磁栅上的磁信号读出来，这样就把被测位置或位移转换成电信号。特点：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。磁栅的外形及结构磁尺静态磁头去信号处理电路固定孔1.磁栅（一）磁栅的结构磁栅结构如图所示，磁栅基

8、体1是用不导磁材料做成的，上面镀一层均匀的磁性薄膜2，经过录磁，其磁信号排列情况