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1、第十二章 机械量检测技术,概述,机械运动是各种复杂运动的基本形式，机械量是表征机械运动特性的参量，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。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 位移检测 12.2 速度检测12.3 加速度检测 12.4 力和转矩检测12.5 机械振动测量12.6 噪声检测,12.1 位移检测,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。因此位移的度量除要确定其大小外，还要确定其方向。,12.1.1
2、位移检测方法,位移的检测包括线位移和角位移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（2）回波法（3）线位移和角位移转换法（4）物理参数法,（1）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。,12.1.1 位移检测方法,（2）回波法 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
3、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。,12.1.1 位移检测方法,（3）线位移和角位移转换法 被测量是线位移时，若测量角位移更方便，则可用间接测量方法，通过测角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乘以周长而得到汽车的里程的。,12.1.1 位移检测方法,（4）物理参数法 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。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
4、类。图12-1所示为位移检测装置原理与类型。,12.1.1 位移检测方法,要根据被测对象的具体情况和测量要求，充分利用被测对象所在场合和具备的条件来设计、选择测量方法。,12.1.1 位移检测方法,12.1.2 线位移检测,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。下面介绍几种线位移传感器。,1.电位器式位移传感器,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
5、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，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,若负载电阻为RL，则有：,1.电位器式位移传感器,电位器式位移传感器的优缺点,1.电位器式位移传感器,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
6、。,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。,2.光栅式位移检测装置,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,莫尔条纹的特点,a.放大作用,b.误差平均作用,c.方向对应与同步性,2.光栅式位移检测装置,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
7、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W。,2.光栅式位移检测装置,光栅位移传感器特点,2.光栅式位移检测装置,优点,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
8、；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,3.感应同步器,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。,3.感应同步器,(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。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：,可见：定尺的感应电势取决于滑尺的相对
9、位移x，故通过感应电势可测量位移。,3.感应同步器,(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,利用函数电压发生器使激励电压的幅值满足,3.感应同步器,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,3.感应同步器,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。
10、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,3.感应同步器,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，计算出待测距离。,换算公式为：,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(直接测定时间)和相位式(间接测定时间)两种方法。,4.激光距离检测,脉冲式激光测距,工作原理如图12-10所示,激光脉冲到目标的往返传输时间,测得t即可计算出被测距离,（2）相位式激
11、光测距,用相位延迟测量的间接方法测定光在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：,又,则待测距离L为：,式中，=c/f；N=/2，0N1。,（2）相位式激光测距,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：,测出相位差 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，这样就可保证距离测
12、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。,扩展阅读,KTC线性位移传感器（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 型：位移传感器 量 程：075425mm 04501250mm精 确 度：0.05%电 阻：50%K 50%200%K供电电源：10A工作温度：-60150最大工作速度：10m/s特 点：KTC是一般通用型，适合各类型设备的位置检测典型应用
13、：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,扩展阅读,12.1.3 角位移检测,许多测量线性位移的检测装置，只要在结构上做适当变动，就可以用于角位移的测量。,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。,12.1.3 角位移检测,几种常用的角位移传感器,1.旋转变压器2微动同步器式角位移传感器3.数字式角编码器,12.1.3 角位移检测,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
14、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。,1.旋转变压器,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：,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。,1.旋转变压器,可见：转子输出电压大小取决于定子和转子两绕组轴线的
15、空间相互位置，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。,1.旋转变压器,测量方式,鉴相式,转子绕组中的感应电压为：,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。,1.旋转变压器,鉴幅式,转子绕组中的感应电压为：,1.旋转变压器,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
16、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。,2.微动同步式角位移传感器,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：,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
17、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。,2.微动同步式角位移传感器,角编码器在结构上主要由可旋转的码盘和信号检测装置组成。,按码盘刻度方法及信号输出形式分类：,增量式,绝对式,混合式,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,3.数字式角编码器,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
18、-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,3.数字式角编码器,光电编码结构示意图如图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,3.数字式角编码器,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。,3.数字式角编码器,光电式绝对编码器特点,优点：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
19、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,缺点：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,3.数字式角编码器,扩展阅读,HGD-256光电单圈绝对编码器,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
20、4、铝合金外壳，特殊表面处理,特点：,12.1 位移检测 12.2 速度检测12.3 加速度检测 12.4 力和转矩检测12.5 机械振动测量12.6 噪声检测,速度：在单位时间内的位移增量，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,12.2 速度检测,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),12.2.1 速度测量方法,1速度
21、测量的分类,从物体运动的形式看，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,12.2.1 速度测量方法,微、积分测速法 线速度和角速度相互转换测速法 利用物理参数测速法(速度传感器法)时间、位移计算测速法,（1）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
22、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。,12.2.1 速度测量方法,（2）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,12.2.1 速度测量方法,（3）利用物理参数测速法(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。,12.2.1
23、速度测量方法,（4）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。,12.2.1 速度测量方法,3.常用速度检测装置性能与特点,12.2.1 速度测量方法,12.2.2 线速度测量,霍尔效应与霍尔元件,1,皮托管测速,2,空间滤波器测速,3,4,磁电感应式测速,弹丸飞行速度测量,1.磁电感应式测速,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
24、，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,12.2.2 线速度测量,2.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。,12.2.2 线速度测量,12.2.2 线速度测量,设流体密度
25、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：,由式可求出流速v：,所以用皮托管测出差压P就可测出流体流速。,3.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%,12.2.2 线速度测量,4.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,12.2.2 线速度测量,产生测时脉冲信号的区截装置：,接触型,非接触型,
26、12.2.2 线速度测量,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。如图,12.2.2 线速度测量,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.模拟式转速测量仪表,直流测速发电机,原理如图12-33所示,12.2.3 转速测量,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
27、距大，有换向火花，输出特性不稳定。,直流测速发电机的特点,12.2.3 转速测量,离心式转速表,离心式转速表由转动轴、重锤、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,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,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,12.2.3 转速测量,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,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
28、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，然后按下式计算出真实被测转速n：,12.2.3 转速测量,2.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,测定传感器脉冲信号频率f 就可求出转速n。,12.2.3 转速测量,磁电感应式,12.2.3 转速测量,电容式,霍尔式,12.2.3 转速测量,光电式,12.2.3 转速测量,5)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
29、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：,12.2.3 转速测量,12.1 位移检测 12.2 速度检测12.3 加速度检测 12.4 力和转矩检测12.5 机械振动测量12.6 噪声检测,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。,12.3 加速度检测,12.3.1 加速度测量原理,加速度测量的原理是基于对
30、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：,有位移关系 x=y+z,若令；则有：,测出位移y，或者测出质量块作用在弹簧上的惯性力就可以测出被测运动物体的加速度。,12.3.2 位移式加速度传感器,1.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，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
31、线上可求得加速度。,2.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。电阻值的变化可以由相应电路转换为电压信号输出，从而可以测出加速度。,12.3.2 位移式加速度传感器,12.3.3 应变式加速度传感器,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,12.3.4 微机电系统加速度计,微机电系统加速
32、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。,硅微型加速度计型式分类：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，有电容检测、电感检测、隧道电流检测和频率检测等,几种硅微加速度计的性能及特点,一种叉指式硅微型加速度计的结构,一种叉指式微型加速度计产品,ADXL50,12.3.4 微机电系统加速度计,12.1 位移检测 12.2 速度检测12.3 加速度检测 12.4 力和转矩检测12.5 机械振动测量12.6 噪声检测,12.4 力和转矩检测,力是最
33、重要的物理量之一，转矩是各种工作机械传动轴的基本载荷形式，各种机械运动的实质都是力和转矩的传递过程。力和转矩的测量不仅仅在机械系统设计、制造领域具有重要的意义，而且在科学研究、国防和工农业生产中也有广泛的应用需求,12.4.1 力的检测,1,力的测量方法,2,测力计,3,力的基本概念,12.4.1 力的检测,1.力的基本概念,力体现了物质之间的相互作用，凡是能使物体的运动状态或物体所具有的动量发生改变、或者使物体发生变形的作用都称为力。按照力产生原因的不同，可以把力分为重力、弹性力、惯性力、膨胀力、摩擦力、浮力、电磁力等等。按力对时间的变化性质可分为静态力和动态力两大类。力在国际单位制(SI)
34、中是导出量，在我国法定计量单位制和国际单位制中，规定力的单位为牛顿(N)，定义为：使1kg质量的物体产生1 m/s2加速度的力，即1N=1kgm/s2。,2.力的测量方法,1)力平衡法,力平衡式测量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。平衡力可以是已知质量的重力、电磁力或气动力等。,(1)机械式力平衡装置,图12-47给出了两种机械式力平衡装置,1)力平衡法,图12-47(a)为梁式天平，将被测力Fi与标准质量(砝码G)的重力进行平衡，直接比较得出被测力Fi的大小。,图12-47(b)为机械杠杆式力平衡装置，测量时，调整砝码的位置使之与被测力平衡。当达到平
35、衡时，则有：,式中，a，b分别为被测力Fi和砝码G的力臂；g为当地重力加速度。这种测力计机构简单，常用于材料试验机的测力系统中。但这种方法是基于静态重力力矩平衡，因此仅适用于作静态测量。,(2)液压和气压式测力系统,1)力平衡法,图12-48(a)给出了液压活塞式测力系统的原理：,当被测力Fi作用在活塞上时，引起油压变化p，其值可由指示仪表读出，也可采用压力传感器将读数转换为电信号。这样根据力平衡条件Fi=pS，S是活塞等效截面积，就可以通过测量油的压力来测量力。,1)力平衡法,图12-48(b)是气压式测力系统原理；,当被测力Fi加到膜片上时，膜片带动挡板向下移动x，使喷嘴截面积减小，气体压
36、力p0增高。压力p0作用在膜片面积S上产生一个等效集中力Fp，Fp力图使膜片返回到初始位置。当FiFp时，系统处于平衡状态。此时，气体压力p0与被测力Fi的关系为：,可得：,近似推出：,即被测力Fi与p0成线性关系。,2.力的测量方法,2)测位移法,在力作用下，弹性元件产生变形，测位移法通过测量未知力所引起的位移，从而间接地测得未知力值。,3)利用某些物理效应测力,物体在力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。各种类型的测力计就是基于这些效应。,12.4.1 力的检测,3.测力计,测力计通常将力转换为正比于作用力大小的电信号，使用十分方便，因
37、而在工程领域及其他各种场合应用最为广泛。测力计种类繁多，依据不同的物理效应和检测原理可分为电阻应变式、压磁式、压电式、振弦式等等。,1)应变式测力计,2)压磁式测力计,应变式测力计的工作原理与应变式压力传感器基本相同，它也是由弹性敏感元件和贴在其上的应变片组成。应变式测力计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。弹性元件的结构形式有柱形、筒形、环形、梁形、轮辐形、S形等。,图12-49给出了常见的柱形、筒形、梁形弹性元件及应变片的贴片方式。图12-49(a)为柱形弹性元件；图12-49(b)为筒形弹性元件；图12-49(c)为梁形弹性元件。,1)应
38、变式测力计,1)应变式测力计,当被测力F沿柱体轴向作用在弹性体上时，其纵向应变和横向应变分别为：,式中，E材料的弹性模量；S柱体的截面积；材料的泊松比。,(1)柱形应变式测力计,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。最大量程可达10 MN。在载荷较小时(1100kN)，为便于粘贴应变片和减小由于载荷偏心或侧向分力引起的弯曲影响，同时为了提高灵敏度，多采用空心柱体。四个应变片粘贴的位置和方向应保证其中两片感受纵向应变，另外两片感受横向应变，如图12-49(a)所示。,1)应变式测力计,(2)轮辐式测力计,图12-50是较常用的轮辐式切应力测力计的结构简图,把应变片贴到与切应力成
39、45的位置上，使它感受的仍是拉伸和压缩应变，但该应变不是由弯距产生的，而主要是由剪切力产生的，此即这类传感器的基本工作原理。这类传感器最突出的优点是抗过载能力强，能承受几倍于额定量程的过载。此外其抗偏心、抗侧向力的能力也较强，精度在0.1之内。,压磁式测力计由压磁元件、传力机构组成，如图12-51(a)所示,2)压磁式测力计,当铁磁材料在受到外力拉、压作用而在内部产生应力时，其导磁率会随应力的大小和方向而变化：受拉力时，沿力作用方向的导磁率增大，而在垂直于作用力的方向上导磁率略有减小；受压力作用时则导磁率的变化正好相反。这种物理现象就是铁磁材料的压磁效应，可用于力的测量。,12.4.2 转矩测
40、量,1.转矩的基本概念,1)转矩的定义及单位,使机械元件转动的力矩或力偶称为转动力矩，简称转矩。机械元件在转矩作用下都会产生一定程度的扭转变形，故转矩有时又称为扭矩。力矩是由一个不通过旋转中心的力对物体形成的，而力偶是一对大小相等、方向相反的平行力对物体的作用。所以转矩等于力与力臂或力偶臂的乘积，在国际单位制(SI)中，转矩的计量单位为牛顿米(Nm)，工程技术中也曾用过公斤力米等作为转矩的计量单位。,2)转矩的类型,1.转矩的基本概念,动态转矩,静态转矩,3)转矩的测量方法,(1)平衡力法及平衡力类转矩测量装置,(2)能量转换法,(3)传递法,12.4.2 转矩测量,2.传递法转矩测量,1,压
41、磁式转矩测量,2,扭转角式转矩测量,3,应变式转矩测量,1)应变式转矩测量,转轴在转矩M的作用下，其横截面上最大剪应力max与轴截面系数W和转矩M之间的关系为：,式中，D轴的外径；d空心轴的内径。,max无法用应变片来测量，但与转轴中心线成45夹角方向上的正负主应力1和3的数值等于max，即：,根据应力应变关系，应变为：,式中，E材料的弹性模量；材料的泊松比。,这样就可沿正负主应力1和3的方向贴应变片，测出应变即可知其轴上所受的转矩M。,1)应变式转矩测量,应变片可以直接贴在需要测量转矩的转轴上，也可以贴在一根特制的轴上制成应变式转矩检测装置，用于各种需要测量转矩的场合。如图12-52所示，在
42、沿轴向45方向上分别粘贴有四个应变片，感受轴的最大正、负应变，将其组成全桥电路，则可输出与转矩M成正比的电压信号。这种接法可以消除轴向力和弯曲力的干扰。,1)应变式转矩测量,2)压磁式转矩测量,在铁芯线圈A中通以50 Hz的交流电，形成交变磁场。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。当转轴受转矩作用时，其表面上出现各向异性磁阻特性，磁力线将重新分布，而不再对称，因此在铁芯B的线圈上产生感应电势。转矩愈大，感应电势愈大，在一定范围内，感应电势与转矩成线性关系，这样就可通过测量感应电势e来测定轴上转矩的大小。,3)扭转角式转矩测量,扭
43、转角式转矩测量法是通过扭转角来测量转矩的。根据材料力学，在转矩M作用下，转轴上相距L的两横截面之间的相对扭转角为：,式中，G轴的剪切弹性模量。,当转轴受转矩作用时，其上两截面间的相对扭转角与转矩成比例，因此可以通过测量扭转角来测量转矩。根据这一原理，可以制成光电式、相位差式、振弦式等各种转矩检测装置。,光电式转矩检测装置,相位差式转矩检测装置,这是一种非接触测量方法，结构简单，使用方便可靠，且测量精度不受转速变化的影响。,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0.2。,3)扭转角式转矩测量,扩展阅读,转矩转速传感器（欧
44、瑞特科技）,应用范围：ORT系列扭矩传感器是一种测量各种扭矩、转速及机械功率的精密测量仪器。应用范围十分广泛，主要用于：1、电动机、发动机、内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率的检测；2、风机、水泵、齿轮箱、扭力板手的扭矩及功率的检测；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；4、可用于污水处理系统中的扭矩及功率的检测；5、可用于制造粘度计；6、可用于过程工业和流程工业中。,1、信号输出可任意选择波形方波或脉冲波。2、检测精度高、稳定性好、抗干扰性强。3、不需反复调零即可；连续测量正反扭矩。4、即可测量静止扭矩，也可测量动态扭矩。5、体积小、重传感器可脱离二次仪表独立
45、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。量轻、易于安装。6、测量范围：5Nm10000Nm可选，非标准可定制。,产品特点：,扩展阅读,12.1 位移检测 12.2 速度检测12.3 加速度检测 12.4 力和转矩检测12.5 机械振动测量12.6 噪声检测,12.5.1机械振动测量概述,物体或物体的一部分沿直线或曲线在平衡位置附近所作的周期性的往复运动。,机械振动,振动测试的目的,1.检查机器运转时的振动特性，以检验产品质量；,2.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
46、；,3.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；,4.对运动中的机器进行故障监控，以避免重大事故。,测量的两种方式,12.5.2振动的基本知识,1.振动信号分类,2.振动测试的基本参数,振动三要素,幅值,频率,相位,简谐振动,y(t)=Asin(t+),合理选择测量参数,12.5.2振动的基本知识,3.单自由度系统的受迫振动,12.5.2振动的基本知识,单自由度线性系统是最基本的振动模型，它仅用一个位移坐标（即一个自由度）来描述系统的运动，因此系统可由质量块、弹簧和阻尼器组成。,为正确理解和掌握振动测试传感器的工作原理，讨论单自由度系统在两种不同激励下的响应。,质量块受力产
47、生的受迫振动,如图12-56所示,质量块m的运动微分方程为：,频率响应H()为：,12.5.2振动的基本知识,幅频特性A()和相频特性()分别为：,通常把振动幅频特性曲线A()上幅值最大处的频率r称为位移共振频率，可求得位移共振频率：,12.5.2振动的基本知识,由基础运动产生的受迫振动,惯性式拾振器的力学模型如图12-57,质量块m的运动方程为：,令 y(t)=x(t)-z(t)，为质量块m 对基础的相对位移，则,12.5.2振动的基本知识,系统频率响应函数 H()、幅频特性A()、相频特性()分别为：,12.5.2振动的基本知识,基础激振时质量块相对基础位移的幅频和相频特性曲线如图12-5
48、8,12.5.2振动的基本知识,4.机械阻抗的概念,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。,机械阻抗与机械导纳的一般定义为：,（Z）=,(M)=,=,12.5.2振动的基本知识,12.5.3振动测量系统,1.振动测量方法,2.电测法振动测量系统,电测法测振系统的一般组成框图如图12-59所示,12.5.3振动测量系统,3.测振传感器,测振传感器的类型,12.5.3振动测量系统,拾振器按振动测量方法的力学原理可分为惯性式(绝对式)和相对式拾振器；按照测量时拾振器是否和被测物体接触可分为接触式和非接触式拾振器；按工作原理分，则有压电式、磁电式、电动
49、式、电容式、电感式、电涡流式、电阻式和光电式等等。,选择测振传感器的原则,选择测振传感器类型时，主要需考虑被测量的参数(位移、速度或加速度)、测量的频率范围、量程及分辨率、使用环境和相移等问题，并结合各类测振传感器的性能特点综合进行选择。,选择适当的测量参数,选择适当的测振传感器类型,12.5.3振动测量系统,4.振动的激励,激振就是使用激振器对试件施加某种预定要求的激振力，使试件受到按预定要求、可控的振动，以便测定对象的动态特性参量，评定抗振能力，检验产品性能、寿命情况以及进行拾振器及测振系统的校准。,激振方法,正弦激振,随机激振,瞬态激振,激振器,电动式,电磁式,电液式,12.5.3振动测
50、量系统,常用的激振设备,5.振动分析仪器,测振仪,频率分析仪,FFT分析仪,虚拟频谱分析仪,12.5.3振动测量系统,12.5.4振动参量的测量,1.振幅的测量,峰值是从振动波形的基线位置到波峰的距离，峰峰值是正峰值到负峰值之间的距离。,有效值,平均绝对值,峰值、有效值和平均绝对值之间的关系为,2.谐振动频率的测量,12.5.4振动参量的测量,直接法,比较法,将拾振器的输出信号送到各种频率计或频谱分析仪直接读出被测谐振动的频率。在缺少直接测量频率仪器的条件下，可用示波器通过比较测得频率。,比较法有录波比较法和李沙育图形法。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
