1、第十二章第十二章 机械量检测技术机械量检测技术 机械运动是各种复杂运动的基本形式，包括长度、位移、速度、加速度、力、转矩以及振动与噪声等等。机械量的，按检测原理分有等几种。机械式方法应用最早，且成本低廉；光学式方法十分精密；电测方法在工业生产过程中应用最为广泛。12.1 12.1 位移检测位移检测 12.2 12.2 速度检测速度检测12.3 12.3 加速度检测加速度检测 12.4 12.4 力和力和转矩检测转矩检测12.5 12.5 机械振动测量机械振动测量12.6 12.6 噪声检测噪声检测 位移位移是向量，是指物体或其某一部分的位置相对参考点在一定方向上产生的位置变化量。因此位移的度量
2、除要确定其大小大小外，还要确定其方向方向。位移的检测包括和的测量位移测量包括了长度、厚度、高度、距离、镀层厚度、表面粗糙度、角度等 常用位移测量方法如下：（1）测量速度积分法）测量速度积分法（2）回波法）回波法（3）线位移和角位移转换法）线位移和角位移转换法（4）物理参数法）物理参数法（1 1）测量速度积分法）测量速度积分法 测量运动体的速度或加速度，经过积分或二次积分求得运动体的位移。例如在惯性导航中，就是通过测量载体的加速度，经过二次积分而求得载体的位移。（2 2）回波法）回波法 从测量起始点到被测面是一种介质，从测量起始点到被测面是一种介质，被测面以后是另一种介质，利用介质分界面被测面以
3、后是另一种介质，利用介质分界面对波的反射原理测位移。对波的反射原理测位移。例如激光测距仪、超声波液位计都是利用分界面对激光、超声波的反射测量位移的。相关测距则是利用相关函数的时延性质，将向某被测物发射信号与经被测物反射的返回信号作相关处理，求得时延，从而推算出发射点与被测物之间的距离。（3 3）线位移和角位移转换法）线位移和角位移转换法 被测量是线位移时，若测量角位移更被测量是线位移时，若测量角位移更方便，则可用间接测量方法，通过测角位移方便，则可用间接测量方法，通过测角位移再换算成线位移。再换算成线位移。同样，被测量是角位移时，也可先测线位移再进行转换。例如汽车的里程表，是通过测量车轮转数再
4、乘以周长而得到汽车的里程的。（4 4）物理参数法）物理参数法 利用各种位移检测装置，将被测位移利用各种位移检测装置，将被测位移的变化转换成电、光、磁等物理量的变化的变化转换成电、光、磁等物理量的变化来测量来测量，这是应用最广泛的一种方法。可利用的检测转换原理很多，根据检测装置信号输出形式，有模拟和数字式两大类。图12-1所示为位移检测装置原理与类型。要根据被测对象要根据被测对象的具体情况和测的具体情况和测量要求，充分利量要求，充分利用被测对象所在用被测对象所在场合和具备的条场合和具备的条件来设计、选择件来设计、选择测量方法。测量方法。位移的传感器种类繁多，可根据位移检测范围变化的大小选用。下面
5、介绍几种线位移传感器。电位器式位移传感器电位器式位移传感器 1光栅式位移检测装置光栅式位移检测装置 2感应同步器感应同步器 3激光距离检测激光距离检测 4测量原理测量原理图12-2(b)中，测量轴与内部电位器电刷相连，当其与被测物相接触，有位移输入时，测量轴便沿导轨移动，同时带动电刷在滑线电阻上移动，因电刷的位置变化会有电阻变化，由电路转换成电压输出，就可以判断位移的大小。如要求同时测出位移的大小和方向。可将图中的精密无感电阻和滑线电阻组成桥式测量电路。在A、C两端接上激励电压Ui，则当电刷在输入位移驱动下移动时，B、C两端就会有电压输出Uo。设电位器为线性，长度为l，总电阻为R，电刷位移为x
6、，相应电阻为Rx，负载电阻为RL，根据电路分压原理，电路的输出电压为：电位器式位移传感器测量原理与电路模型)/()/(LxLxxLxLxioRRRRRRRRRRUU若负载电阻为RL，则有：lxURRUUixio电位器式位移传感器的优缺点电位器式位移传感器的优缺点优点缺点结构简单,价格低廉,性能稳定,对环境条件要求不高,输出信号大，便于维修。电刷与电阻元件之间存在摩擦,易磨损，易产生噪声，分辨力有限,精度不够高,要求输入的能量大，动态响应较差，仅适于测量变化较缓慢的量。光栅位移传感器结构光栅位移传感器由光源、光路系统、光栅副(标尺光栅+指示光栅)和光敏元件组成，其结构如图12-5所示。当被测物体
7、运动时，光源发出的光透过光栅缝隙形成的光脉冲被光敏元件接收并计数,即可实现位移测量，被测物体位移=栅距脉冲数。莫尔条纹 在用光栅测量位移时，由于刻线很密，栅距很小，而光敏元件有一定的机械尺寸，故很难分辨到底移动了多少个栅距。实际测量是利用光栅的莫尔条纹现象进行的。莫尔条纹的产生莫尔条纹的产生 莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点 a.放大作用 b.误差平均作用 c.方向对应与同步性振动量为时间的非周期函数，一般在较短的时间内存在电位器式加速度传感器的测量原理与结构如图12-43所示：在指定的时间T内，对转速传感器的输出脉冲信号进行计数。感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，可得定尺绕组输出的
8、总感应电势为利用函数电压发生器使激励电压的幅值满足在滑尺的正、余弦绕组上施加频率和相位相同、但幅值不同的正弦激励电压2微动同步器式角位移传感器但是由于测相系统精度有限，过大的测尺长度会导致距离测量的误差增大。随着分辨率的提高信号引出线较多直接把被测转角或角位移转换成唯一对应的代码，无需记忆，无需参考点，无需计数；利用梳齿电容变化进行检测，制作容易电 阻：50%K 50%200%K微动同步器定子绕组的接线方式如图12-20机械阻抗是在机械结构的动力分析中被广泛应用的一种理论分析与试验测试相结合的动态分析方法。测量加速度的装置基结构如图12-412)响度、响度级与等响曲线在用光栅测量位移时，由于刻
9、线很密，栅距很小，而光敏元件有一定的机械尺寸，故很难分辨到底移动了多少个栅距。等效连续声级(Leq或LAeq,T)转子绕组中的感应电压为：微动同步式角位移传感器光栅位移测量原理用光敏元件接收莫尔条纹移动时光强的变化并转换为电信号输出。光敏元件接收的光强变化近似于正弦波，其输出电压信号的幅值U为光栅位移量x的正弦函数，即：U=U0+Umsin(2x/W)式中 U0输出信号中的直流分量；Um输出信号中正弦交流分量的幅值；x两光栅间的相对位移将该电压信号放大、整形为方波，再由微分电路转换成脉冲信号，经过辨向电路后送可逆计数器计数，就可得出位移量的大小，位移量为脉冲数与栅距的乘积，测量分辨力为光栅栅距
10、W。光栅位移传感器特点 优点优点缺点缺点测量量程范围大(可达数米)且同时具有高分辨力(可达0.01m)和高精度；可实现动态测量；输出数字量，易于实现数字化测量和自动控制；具有较强的抗干扰能力。对使用环境要求较高，怕振动，怕油污、灰尘等的污染；制造成本高。直线感应同步器结构直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，其结构如图12-7所示 直线感应同步器结构图12-8是直线感应同步器绕组结构示意图。图中上部为定尺绕组，下部为W型滑尺绕组。为了减小由于定尺和滑尺工作面不平行或气隙不均匀带来的误差，各正弦和余弦绕组交替排列。(2)直线感应同步器工作原理 采用滑尺绕组励磁，从定尺绕组取出感应电势的激励方式。
11、定尺绕组中感应电势的波形图见图12-9 正弦或余弦绕组在定尺上产生的相应感应电势分别为：xWtkUems2cossinxWtskUemc2insin可见：可见：定尺的感应电势取决于滑尺的相对位移x，故通过感应电势可测量位移。(3)感应同步器信号的检测 感应同步器输出信号的检测方法：鉴幅法鉴相法在滑尺的正、余弦绕组上施加频率和相位相同、但幅值不同的正弦激励电压 鉴幅法介绍鉴幅法介绍tUutUuccsssinsin利用函数电压发生器使激励电压的幅值满足 cossinmcmsUUUU感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行线性叠加，可得定尺绕组输出的总感应电势为 tkUtskUtkUeeemmmcss
12、in)sin(insincoscossinsin式中kUmsin()为感应电势的幅值，其值随位移相位角(即位移x)而变化。若调整给定激励电压的相位角，使输出感应电动势e的幅值为0，则此时有()=0。由于=2x/W，所以位移x=W/2，这就是鉴幅法测位移x的原理。具有较高的精度与分辨力。测量长度范围不受限制。抗干扰能力强。使用寿命长，维护简单。工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。输出信号较弱，需要高放大倍数的前置放大器。(4)感应同步器的特点 激光测距的原理：激光测距的原理：利用激光器向目标发射单次激光脉冲或脉冲串，光脉冲从目标反射后被接收，通过测量激光脉冲在待测距离上往返传播的时间，计算出
13、待测距离。换算公式为：2ctL 式中，L待测距离；c光速，t光波往返传输时间。测量传输时间t，有脉冲式脉冲式(直接测定时间)和相位相位式式(间接测定时间)两种方法。工作原理如图12-10所示 激光脉冲到目标激光脉冲到目标的往返传输时间的往返传输时间 测得测得t即可计即可计算出被测距离算出被测距离 fnnt1这种接法可以消除轴向力和弯曲力的干扰。比较法常用录波比较法和李沙育图形法两种。式中kUmsin()为感应电势的幅值，其值随位移相位角(即位移x)而变化。质量块m的运动方程为：电位器式位移传感器测量定尺绕组中感应电势的波形图见图12-9分析振动产生的原因，寻找振源，以便有效地采取减振和隔振措施
14、；原理：导体和磁场发生相对运动时，导体上会产生感应电动势，感应电动势与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关频率、波长和声速三者的关系：c=f 在滑尺的正、余弦绕组上施加频率和相位相同、但幅值不同的正弦激励电压根据变换器的形式不同，常用传声器有电容式、动圈式、压电式和永电体式等。光电式绝对编码器特点图12-49(b)为筒形弹性元件；机械量的测量方法，按检测原理分有机械式、光学式和电子电气式等几种。式中，=c/f；U=U0+Umsin(2x/W)噪声的测量主要是声压级、声功率级及其噪声频谱的测量。光栅位移传感器特点(3)感应同步器信号的检测用一个独立变量就能表示系统振动用相位延迟测量的间接方法测定光在
15、待测距离上往返传播所需的时间，相位式激光测距方法的原理如图12-11所示 激光脉冲往返传输时间为：fNt222ctL 又又则待测距离L为：)(2222NNfNcL式中，=c/f；N=/2，0N1。相位法测距就像用尺量距离，测尺长度为/2，N为整尺长，N为不足整尺的零数。但是，任何测量交变信号相位移的方法都不能确定出相位移的整周期数N，而只能测定其中不足2的 。所以，当距离L大于测尺长/2时，是无法测定距离的。如果测尺长度/2大于待测距离L，N0，故：22L测出相位差测出相位差 就能够测出距离。就能够测出距离。如果被测距离较长，则可选择较低的调制频率f，使相应的测尺长度大于待测距离，这样就可保证
16、距离测量的确定性。但是由于测相系统精度有限，过大的测尺长度会导致距离测量的误差增大。KTCKTC线性位移传感器线性位移传感器 （江门市安泰电子有限公司产品）（江门市安泰电子有限公司产品）KTC拉杆系列传感器用于对位移或者长度进行精确测量。量程长达1250mm，线性度0.05%（型号大于350mm），重复精度0.01mm。典型应用于注塑机、压铸机、橡胶机、鞋机、EVA注射机、木工机械、液压机械等。类类 型：型：位移传感器 量量 程：程：075425mm 04501250mm精精 确确 度：度：0.05%电电 阻：阻：50%K 50%200%K供电电源：供电电源：10A工作温度：工作温度：-601
17、50最大工作速度：最大工作速度：10m/s特特 点：点：KTC是一般通用型，适合各类型设备的位置检测典型应用：典型应用：注塑机、压铸机、橡胶机、鞋机、EVA注射机、木工机械、液压机械等技术指标技术指标 图12-12是一种测量角位移的旋转电容传感器；图12-13中的(a)和(b)是两种差动旋转电容传感器；图12-14是一种变气隙式电感角位移传感器；图12-15是一种测量角位移的旋转电位器；图12-16是圆感应同步器。几种常用的角位移传感器 1.1.旋转变压器旋转变压器2 2微动同步器式角位移传感器微动同步器式角位移传感器3.3.数字式角编码器数字式角编码器旋转变压器是一种基于电磁感应原理工作的精
18、密角度位置检测装置，又称分解器，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号。结构类型旋转变压器由定子和转子组成，定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。交流激磁电压接到定子绕组上，感应电动势由转子绕组输出。图12-17 为二极旋转变压器绕组结构。工作原理互感原理工作 设加在定子绕组的励磁电压为：U1=Umsint，由于旋转变压器在结构上保证了定子和转子间气隙内的磁通分布呈正(余)弦规律，所以转子绕组产生的感应电势为：sinsin3tkUUm式中，Um励磁电压幅值；k变压比(即转、定子绕组匝数比)；励磁电压圆频率；转子转角。可见：转子输出电压大小取决于定子和转子两绕组轴线的空间相互
19、位置，两者垂直时=0，U3为零；两者平行时=90，U3最大。图12-18为转子转角与转子绕组感应电势的对应关系。结构简单、成本低，可靠、耐用、不怕冲击振动，无需电源就可工作，测量范围较宽输出斜率大、线性好，但由于有电刷和换向器，因而结构复杂，维护不便，摩擦转距大，有换向火花，输出特性不稳定。当FiFp时，系统处于平衡状态。在A、C两端接上激励电压Ui，则当电刷在输入位移驱动下移动时，B、C两端就会有电压输出Uo。2微动同步器式角位移传感器低于20Hz的波动称为次声波，高于20000Hz的波动称为超声波。（310）10-6g/柱形弹性元件通常都做成圆柱形和方柱形，用于测量较大的力。利用物理参数测
20、速法(速度传感器法)励磁电压圆频率；频谱仪是测量噪声频谱的仪器，它的基本组成大致与声级计相似。灵敏度高，频率范围及动态、线性范围宽，便于分析和遥测，但易受电磁场干扰。例如在惯性导航中，就是通过测量载体的加速度，经过二次积分而求得载体的位移。加速度的计量单位为m/s2(米/秒2)。图12-12是一种测量角位移的旋转电容传感器；质量块m的运动方程为：激光脉冲到目标的往返传输时间图12-25为皮托管结构和工作原理：系统强迫振动的能量在共振点前后能量为共振时能量的1/2处的两个频率f1、f2称为半功率点频率，则此两半功率点频率之差值与系统的阻尼比之间有如下关系：2 位移式加速度传感器 测量方式 鉴相式
21、 转子绕组中的感应电压为：)cos(cossintkUkUkUUmcs可知感应电压的相位角就等于转子的机械转角。因此只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角。鉴幅式 转子绕组中的感应电压为：tsin)cos(cossinmcskUkUkUU若已知励磁电压的相位角，则只需测出转子感应电压U的幅值kUmcos(-)，便可间接求出转子与定子的相对位置；若不断调整励磁电压的相位角，使幅值U的幅值kUmcos(-)为0，跟踪的变化，即可由求得角位移。微动同步器结构原理如图12-19 微动同步器定子绕组的接线方式如图12-20 由四极定子和两极转子组成。定子的每个极上有两个绕组，将各极中的一个绕
22、组串联，组成初级励磁回路；将各极中的另一个绕组串联，组成次级感应回路。按图5-25所示的绕组接线方式，次级绕组总感应输出电压为：keeeeU)(232124220 转子转到如图5-24所示的对称于定子的位置时，定子和转子之间的四个气隙几何形状完全相同，各极的磁通相等，使I、III极上的感应电压与II、IV级上的感应电压相等，总输出电压为零。若转子偏离零位一个角度，则四个气隙不再相同，造成各极磁通的变化量不同，其中一对磁级的磁通量减小，另一对磁级的磁通量增加。这样，次级就有一个正比于转子角位移的电压输出。微动同步器的灵敏度大约为每度0.25V，测量范围约540，线性度优于0.1。角编码器在结构上
23、主要由可旋转的码盘可旋转的码盘和信号检测装置信号检测装置组成。按码盘刻度方法及信号输出形式分类：增量式编码器的输出是一系列脉冲，用一个计数装置对脉冲进行加或减计数，再配合零位基准，实现角位移的测量。绝对式编码器的输出是与转角位置相对应的、唯一的数字码，如果需要测量角位移量，则只需将前后两次位置的数字码相减就可以得到要求测量的角位移。按码盘信号的读取方式分类光电式接触式电磁式 光电式绝对编码器结构与工作原理光电式绝对编码器的码盘如图12-21所示 在360范围内可编数码数为24=16个，在圆周内的每一个角度方位对应于不同的编码 ，只要根据码盘的起始和终止位置,就可以确定角位移 光电编码结构示意图
24、如图12-22绝对位置的二进制编码的产生 绝对编码器的角度分辨率 如何保证高分辨率和测量精度 标准二进制编码的码盘的缺点 改进方法：采用二进制循环码盘(格雷码盘)，它的相邻数的编码只有一位变化，因此就把误差控制在最小单位内，避免了非单值性误差。光电式绝对编码器特点 直接把被测转角或角位移转换成唯一对应的代码，无需记忆，无需参考点，无需计数；在电源切断后位置信息也不会丢失，而且指示没有累积误差；大大提高了编码器的抗干扰能力和数据的可靠性；无磨损，码盘寿命长，精度保持性好 结构复杂，价格高，码盘基片为玻璃，抗冲击和振动能力差；随着分辨率的提高信号引出线较多HGD-256光电单圈绝对编码器光电单圈绝
25、对编码器 HGD-256型光电式绝对编码器是集光、机、电技术于一体的数字化传感器，可以高精度测量转角或直线位移。通过光电转换，将输出轴的角位移转换成相应的数字量。1、信号输出方式有：a.并行格雷码输出b.485串行信号输出c.4-20mA电流输出d.SSI同步串行信号输出2、根据用户要求可设定并控制测量范围的上、下限3、可以直接连接PLC或上位机4、铝合金外壳，特殊表面处理特点：特点：测定机械系统的动态响应特性，以便确定机器设备承受振动和冲击的能力，并为产品的改进设计提供依据；式中，a，b分别为被测力Fi和砝码G的力臂；将被测对象的振动量转换成电量，然后用电量测试仪器进行测量（2）线速度和角速
26、度相互转换测速法频率、波长和声速三者的关系：c=f 6、测量范围：5Nm10000Nm可选，非标准可定制。在用光栅测量位移时，由于刻线很密，栅距很小，而光敏元件有一定的机械尺寸，故很难分辨到底移动了多少个栅距。当达到平衡时，则有：但是由于测相系统精度有限，过大的测尺长度会导致距离测量的误差增大。柱形弹性元件通常都做成圆柱形和方柱形，用于测量较大的力。3、铁路机车、汽车、拖拉机、飞机、船舶、矿山机械中的扭矩及功率的检测；如果被测距离较长，则可选择较低的调制频率f，使相应的测尺长度大于待测距离，这样就可保证距离测量的确定性。25V，测量范围约540，线性度优于0.利用隧道电流变化进行检测，灵敏度高
27、，动态范围大在用光栅测量位移时，由于刻线很密，栅距很小，而光敏元件有一定的机械尺寸，故很难分辨到底移动了多少个栅距。微动同步器定子绕组的接线方式如图12-20检查机器运转时的振动特性，以检验产品质量；录波比较法是将被测振动信号和时标信号一起送入示波器或记录仪中同时显示，根据它们在波形图上的周期或频率比，算出振动信号的周期或频率。转轴未受转矩作用时，其各向磁阻相同，BB方向正好处于磁力线的等位中心线上，B上的绕组不会产生感应电势。正弦或余弦绕组在定尺上产生的相应感应电势分别为：12.1 12.1 位移检测位移检测 12.2 12.2 速度检测速度检测12.3 12.3 加速度检测加速度检测 12
28、.4 12.4 力和力和转矩检测转矩检测12.5 12.5 机械振动测量机械振动测量12.6 12.6 噪声检测噪声检测 速度 ：在单位时间内的位移增量在单位时间内的位移增量 ，矢量，有大小，也有方向，矢量，有大小，也有方向 物体运动速度的测量分两种：线速度测量 旋转速度的测量 如弹丸的飞行速度、机构振动速度的测量，线速度的计量单位是米/秒(m/s)，工程上也用千米/小时(km/h)表示 如电机轴的旋转速度，常称其为转速测量，单位是转/分(r/min)，而在被测转速很小时，测量单位时间内物体转过的角度，称为角速度测量，单位是弧度/秒(rad/s)1速度测量的分类 从物体运动的形式运动的形式看，
29、速度的测量可分为线速度测量和角速度的测量；从速度的参考基准参考基准来看，可分为绝对速度测量和相对速度测量；从速度的数值特征数值特征来看，分为平均速度测量和瞬时速度测量；从获取物体运动速度的方式运动速度的方式来看，又可分为直接速度测量和间接速度测量。2速度的测量方法微、积分测速法微、积分测速法 线速度和角速度相互转换测速法线速度和角速度相互转换测速法 利用物理参数测速法利用物理参数测速法(速度传感器法速度传感器法)时间、位移计算测速法时间、位移计算测速法（1 1）微、积分测速法）微、积分测速法 对测得的物体运动的位移信号微分可以得到物体运动速度，或对测得的物体运动的加速度信号作时间积分也可以得到
30、速度。例如在振动测量时，应用加速度计测得振动体的振动加速度信号，或应用振幅计测得振动体的位移信号，再经过电路进行积分或微分运算而得到振动速度。（2 2）线速度和角速度相互转换测速法）线速度和角速度相互转换测速法 线速度与角速度在同一运动体上是有固定关系的，在测量时可以采用互换的方法达到方便测量的目的。例如测火车行驶速度时，直接测线速度不方便，可通过测量车轮的转速，换算出火车的行驶速度（3 3）利用物理参数测速法）利用物理参数测速法(速度传感器法速度传感器法)利用各种速度传感器测量与速度大小有确定关系的各种物理量来间接测量物体的运动速度，将速度信号变换为电、光等易测信号。这是最常用的一种方法。可
31、利用物理效应很多，如电磁感应原理、多普勒效应、流体力学、声学定律等等。（4 4）时间、位移计算测速法）时间、位移计算测速法 这种方法是根据速度的定义测量速度，即测量物体经过的距离L和经过该距离所需的时间t，来求得物体运动的平均速度。L越小，则求得的速度越接近运动物体的瞬时速度。根据这种测量原理，在确定的距离内利用各种数学方法和相应器件可延伸出许多测速方法，如相关测速法、空间滤波器测速法等等。3.常用速度检测装置性能与特点 类型原理测量范围精度特点线速度测量磁电式工作频率10500Hz10%灵敏度高，性能稳定，移动范围（115）mm，尺寸重量较大空间滤波器1.5200km/h0.2%无需两套特性
32、完全相同的传感器转 速 测 量交流测速发电机4004000 r/min4000r/min)利用汽车发动机点火时，线圈高压放电，感应出脉冲信号，实现对发动机不剖体测量传感器固定在被测对象上并与其一起作加速运动时，质量块感受到加速度而产生与之成比例的惯性力，使悬臂梁发生弯曲变形，其自由端的霍尔元件H就产生与加速度成比例的位移，输出与加速度成比例的霍尔电势UH，从UH与加速度的关系曲线上可求得加速度。改进方法：采用二进制循环码盘(格雷码盘)，它的相邻数的编码只有一位变化，因此就把误差控制在最小单位内，避免了非单值性误差。将被测对象的振动量转换成电量，然后用电量测试仪器进行测量5、可用于制造粘度计；在
33、指定的时间T内，对转速传感器的输出脉冲信号进行计数。对于不同的负载电阻RL，输出电压不同，负载电阻越小，输出电压也越小。HGD-256光电单圈绝对编码器根据式(12-36)测出的脉冲信号频率求出待测转速的方法称为测频法，比较适合于高转速测量。例如在惯性导航中，就是通过测量载体的加速度，经过二次积分而求得载体的位移。感应电动势E与线圈相对磁铁的运动速度v成正比，所以这种传感器能直接测量速度微动同步式角位移传感器旋转变压器是一种基于电磁感应原理工作的精密角度位置检测装置，又称分解器，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号。根据变换器的形式不同，常用传声器有电容式、动圈式、压电式和永电体式
34、等。微动同步器定子绕组的接线方式如图12-20因此只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角。各种类型的测力计就是基于这些效应。利用隧道电流变化进行检测，灵敏度高，动态范围大激振力大，频率较低，台面负载大，易于自控和多台激振，设备复杂把待测声源机器放在室外空旷无噪声干扰的地方或在消声室内，测量以机器为中心的半球面上或半圆柱面上(长机械)若干均匀分布点的声压级，便可以求得声功率级：U=U0+Umsin(2x/W)12341.1.磁电感应式测速磁电感应式测速 原理：原理：导体和磁场发生相对运动时，导体上会产生感应电动势，感应电动势与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关 一种用于测量线速度的恒磁
35、通动圈式磁电感应式传感器结构原理图如图12-14，由永久磁铁、线圈、弹簧、金属骨架等组成。E=NBLv感应电动势E与线圈相对磁铁的运动速度v成正比，所以这种传感器能直接测量速度 2.2.皮托管测速皮托管测速图12-25为皮托管结构和工作原理：测量时，将皮托管对准流体流动方向(如图示)，就可同时测出流体总压力和静压力，并由导出管分别导出至测压装置。流体总压力与静压力的差值与流体流速有关，因而可以通过用皮托管测出流体差压的方法来测量流体流速。设流体密度为，流速为v，测出的流体总压力为Pz，静压力为Pj，则根据流体流动的伯努利方程有：202vPPjz由式可求出流速v：PPPvjz2)(2所以用皮托管
36、测出差压P就可测出流体流速。3.3.空间滤波器测速空间滤波器测速空间滤波技术是对物体的移动进行非接触连续测量以探知其长度、运动速度的有效手段之一。空间滤波器测速原理如图12-26所示。v=f/M 响应速度很快，可以用来检测传送带、钢板、车辆等的运动速度，检测范围为1.5250 km/h，测量精度可达0.2%4.4.弹丸飞行速度测量弹丸飞行速度测量常用时间位移计算测速法，测量原理如图12-27所示 v=L/t 产生测时脉冲信号的区截装置 ：接触型 非接触型 对于大口径武器，则可以采用光电靶和天幕靶等区截装置来对于大口径武器，则可以采用光电靶和天幕靶等区截装置来测量弹丸速度。测量弹丸速度。如图如图
37、转速的检测方法很多，按照输出信号的特点可分为模拟式和数字式两大类。1.1.模拟式转速测量仪表模拟式转速测量仪表 直流测速发电机原理如图12-33所示 定子产生恒定磁通0，当转子在磁场中旋转时，转子绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成与转速成正比的直流电势：当Ce、0、r及RL都不变时，输出电压U0与转速n成线性关系。对于不同的负载电阻RL，输出电压不同，负载电阻越小，输出电压也越小。输出斜率大、线性好，但由于有电刷和换向器，因而结构复杂，维护不便，摩擦转距大，有换向火花，输出特性不稳定。直流测速发电机的特点直流测速发电机的特点nRrCULe/100离心式转速表离心式转速表由转动轴、重锤
38、、弹簧、连杆、套筒以及转速指示机构等组成 ，其结构与工作原理如图12-34所示 测速原理测速原理惯性较大，不适合测量快速变化的转速，测量精度也受到多力面的限制，一般在1%2%。特点特点结构简单、成本低，可靠、耐用、不怕冲击振动，无需电源就可工作，测量范围较宽频闪式转速表频闪式转速表利用频闪效应原理来测量转速，检测的原理如图12-35所示 测量方法测量方法 若已知被测转速范围是nn，则先将闪光频率调到大于nn，然后从高频逐渐下降，直到第一次出现标记不动时，此时就可以读出被测实际转速；若无法估计被测转速时，则调整闪光频率，当旋转的圆盘上连续出现两次标记停留现象时，分别读出对应的转速值，然后按下式计
39、算出真实被测转速n：2121nnnnmn2.2.数字式转速检测方法数字式转速检测方法 在指定的时间T内，对转速传感器的输出脉冲信号进行计数。若在时间T(s)内计数值为N，转速传感器每周产生的脉冲数为Z，则被测转速n为：测量原理fZZTNn6060测定传感器脉冲信号频率f 就可求出转速n。磁电感应式 电容式 霍尔式光电式5)计数方法计数方法根据式(12-36)测出的脉冲信号频率求出待测转速的方法称为测频法，比较适合于高转速测量。测频法有一个字计数误差，在转速较低时会引起较大相对误差，故在低转速时，脉冲信号的计数方法应改用测周期法。测周期法的原理见图(12-40)转速(r/min)为 ：mZfn0
40、6012.1 12.1 位移检测位移检测 12.2 12.2 速度检测速度检测12.3 12.3 加速度检测加速度检测 12.4 12.4 力和力和转矩检测转矩检测12.5 12.5 机械振动测量机械振动测量12.6 12.6 噪声检测噪声检测 加速度测量是基于测试仪器检测质量加速度测量是基于测试仪器检测质量敏感加速度产生惯性力的测量，是一种全敏感加速度产生惯性力的测量，是一种全自主的惯性测量。自主的惯性测量。加速度的计量单位为m/s2(米/秒2)。在工程应用中常用重力加速度g=9.81m/s2作计量单位。加速度测量的原理是基于对质量块感受加速度时所产生的惯性力的测量。测量时采用绝对法，把测量
41、装置安装在运动体上进行测量。测量加速度的装置基结构如图12-41 系统运动的微分方程：022kydtdycdtxdm有位移关系 x=y+z,若令 ；则有：mkn/kmc 2222222dtzdydtdydtydnn25V，测量范围约540，线性度优于0.霍尔式加速度传感器的测量原理与结构如图12-42 所示：如何保证高分辨率和测量精度定子的每个极上有两个绕组，将各极中的一个绕组串联，组成初级励磁回路；定尺绕组中感应电势的波形图见图12-9按码盘信号的读取方式分类一种用于测量线速度的恒磁通动圈式磁电感应式传感器结构原理图如图12-14，由永久磁铁、线圈、弹簧、金属骨架等组成。分析振动产生的原因，
42、寻找振源，以便有效地采取减振和隔振措施；利用激光器向目标发射单次激光脉冲或脉冲串，光脉冲从目标反射后被接收，通过测量激光脉冲在待测距离上往返传播的时间，计算出待测距离。5、体积小、重传感器可脱离二次仪表独立使用，只要按插座针号提供15V，-15V（200mA）的电源，即可输出阻抗与扭矩成正比的等方波或脉冲波频率信号。如要进行更详细的频谱分析，就要用窄频带分析仪，例如用1/3频程划分频带。（3）线位移和角位移转换法与光电式转矩检测装置一样，相位差式转矩检测装置也是非接触测量，结构简单，工作可靠，对环境条件要求不高，精度一般可达0.所以，当距离L大于测尺长/2时，是无法测定距离的。下面介绍几种线位
43、移传感器。转轴未受转矩作用时，其各向磁阻相同，BB方向正好处于磁力线的等位中心线上，B上的绕组不会产生感应电势。Um输出信号中正弦交流分量的幅值；设加在定子绕组的励磁电压为：U1=Umsint，由于旋转变压器在结构上保证了定子和转子间气隙内的磁通分布呈正(余)弦规律，所以转子绕组产生的感应电势为：转子转到如图5-24所示的对称于定子的位置时，定子和转子之间的四个气隙几何形状完全相同，各极的磁通相等，使I、III极上的感应电压与II、IV级上的感应电压相等，总输出电压为零。利用各种位移检测装置，将被测位移的变化转换成电、光、磁等物理量的变化来测量，这是应用最广泛的一种方法。1.1.霍尔加速度传感
44、器霍尔加速度传感器 霍尔式加速度传感器的测量原理与结构如图12-42 所示：传感器固定在被测对象上并与其一起作加速运动时，质量块感受到加速度而产生与之成比例的惯性力，使悬臂梁发生弯曲变形，2.2.电位器式加速度传感器电位器式加速度传感器 电位器式加速度传感器的测量原理与结构如图12-43所示：传感器壳体与被测对象一起作加速运动时，质量块相对壳体的有位移产生并带动电刷在滑动电阻元件上移动。应变式加速度传感器的测量原理与结构如图12-44：由敏感质量块感受加速度a而产生与之成正比的惯性力Fma，再通过弹性元件把惯性力转变成应变、应力，或通过压电元件把惯性力转变成电荷量，从而间接测出加速度。测量原理
45、测量原理微机电系统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计，这种加速度计常用硅材料制作，故又名硅微型加速度计硅微型加速度计。硅微型加速度计型式分类：按检测质量支承方式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检测信号拾取方式分，有电容检测、电感检测、隧道电流检测和频率检测等型式测量范围零偏稳定性分辨力特 点扭摆式1g105g10-4g10g10-4g2g扭杆支承，力反馈控制、电容检测、耐冲击悬臂梁式0.1g50gLP2时，则从噪声极LP1到总噪声级LP 的附加值LP可由下式求得：
46、)101lg(1010/)(21LLPLPPPLLL1如果两个噪声中的一个噪声级超出另一个噪声级的68dB，则较弱声源的噪声可以不计，因为此时总噪声级附加值小于1dB。2)噪声的相减噪声测量中经常碰到如何扣除背景噪声问题，这就是噪声相减的问题。噪声级相减是按照能量的相减进行的，图12-63为背景噪声修正曲线。1.噪声的频谱分析通过频谱分析可以了解噪声的频率组成及相应的能量大小，从中找出噪声源。做频谱分析时要把噪声划分成一定宽度的频带。因此，讨论声压级时，除了指出外，还必须指明。在噪声研究中，常采用。2.噪声评价1)人耳的听觉特性2)响度、响度级与等响曲线响度(N)响度级(LN)响度与响度级的关
47、系等响曲线3)计权声级4)等效连续声级与噪声评价标准 等效连续声级(Leq或LAeq,T)噪声污染级昼夜等效声级噪声的测量主要是声压级、声功率级及其噪声频谱的测量。1.传声器传声器传声器传声器是，其原理是。根据变换器的形式不同，常用传声器有电容式、动圈式、压电式和永电体式等。2.声级计声级计声级计声级计是的仪器。声级计的工作原理如图12-69所示。被测的声压信号通过传声器转换成电压信号，然后经衰减器、放大器以及相应的计权网络、滤波器，或者输入记录仪器，或者经过均方根值检波器RMS直接推动以分贝标定的指示表头。3.声级频谱仪声级频谱仪 频谱仪是测量噪声频谱的仪器，它的基本组成大致与声级计相似。但
48、是频谱分析仪中，设置了完整的计权网络（滤波器）。借助于滤波器的作用，可以将声频范围内的频率分成不同的频带进行测量。一般情况下，进行频谱分析时，都采用倍频程划分频带。如要进行更详细的频谱分析，就要用窄频带分析仪，例如用1/3频程划分频带。其他噪声测量仪器还有录音机、记录仪、实时分析仪等。1.声功率的测量和计算1)自由声场法把待测声源机器放在室外空旷无噪声干扰的地方或在消声室内，测量以机器为中心的半球面上或半圆柱面上(长机械)若干均匀分布点的声压级，便可以求得声功率级：Lw=Lp+10lgS 式中，S测试球面或半圆柱面的面积(米2)；Lpn个测点的平均声压级，2/122)(,lg20nPPPPLiP2)标准声源法标准声源法标准声源法是利用经过声学实验室标定过声功率的任何噪声源作为标准声源，在现场中由而得出待测机器声功率的一种方法。用一个已知声功率级为Lw0的标准声源与被测噪声源在相同的条件下各进行一次同一包络面上各测点的测量，由下式求出待测噪声源的声功率级Lw：00PPwwLLLL标准声源的放置可以选用下述方法：替代法 并排法 比较法 2.噪声测量中应注意的问题1)测量部位的选取 2)测量时间的选取 3)本底噪声的修正 4)干扰的排除
