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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Analog displacement detec
2、ting,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。,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为电容耦合型位移传感器结构图。,二、电感式位移检测方法,分类:根
3、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12m。接受光纤接收到的光强随两光纤径向相对位置的不同而不同。,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
4、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 Optical digital displacement detecting,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
5、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/,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
6、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
7、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，其磁信号排列情况如图中所示，要求录磁信号幅度均匀，幅度变化应小于10，节距均匀。目前长磁栅常用的磁信号节距一般
8、为0.05mm和0.02mm两种，圆磁栅的角节距一般为几分至几十分。,磁栅基体：非导磁材料做成，具有良好的加工性能和电镀性能，其线膨胀系数与被测体接近。常用钢制作，用镀铜的方法解决隔磁问题。磁性薄膜：剩余磁感应强度要大，矫顽力要高，性能稳定，电镀均匀。,（二）磁栅的类型磁栅可分为长磁栅和圆磁栅。长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。1)长磁栅：分为尺型、带型和同轴型。尺型：用于精度要求较高情况下。带型：用于量程较大或安装面不好安排时。同轴型：用于结构紧凑的场合或小型测量装置中。2)圆磁栅：,1.磁栅,几种常见磁栅的结构,磁栅上的磁信号由读取磁头读出，按读取信号的方式的不同，磁头
9、可分为动态磁头与静态磁头两种。（一）动态磁头为非调制式磁头，又称速度响应式磁头，只有一组线圈。,读出原理：,2.磁头,当磁头与磁栅之间以一定的速度相对移动时，磁头线圈中输出感应电动势，其大小与磁头与磁栅之间的相对运动速度有关。相对静止时就没有信号输出，故不适合用于工件尺寸测量。,（二）静态磁头为调制式磁头，又称磁通响应式磁头，有励磁线圈和感应线圈（输出线圈/绕组）。它与动态磁头的根本不同之处在于，在磁头与磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出。读出原理：,铁心的磁阻很大，磁栅上的信号磁通不能通过磁头，因而输出绕组无感应电势输出。只有当激励磁信号两次过零时，铁心不饱和，磁栅上的信号磁通才能通过
10、输出绕组的铁心而产生感应电势。,1磁头；2磁栅；3输出波形,2.磁头,（二）静态磁头,2.磁头,静态磁头的磁栅是利用它的漏磁通变化来产生感应电动势的。静态磁头输出信号的频率为励磁电源频率的两倍，其幅值则与磁栅与磁头之间的相对位移成正弦（或余弦）关系。,静态磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示：,根据磁栅和磁头相对移动读出磁栅上的信号的不同，所采用的信号处理方式也不同。,动态磁头:只有一组绕组，其输出信号为正弦波，信号的处理方法也比较简单，只要将输出信号放大整形，然后由计数器记录脉冲数n，就可以测量出位移量的大小。但这种方法测量精度较低，而且不能判别移动方向。,3.信号处理方式,静态磁头:一般用两
11、个磁头，两个磁头间距为nW/4，其中n为正整数，W为磁信号节距，也就是两个磁头布置成相位差90关系。其信号处理方式可分为鉴幅方式和鉴相方式两种。,（一）鉴幅方式,若两磁头的激励磁绕组加上同相的正弦激励磁信号，则两磁头的输出信号为：,经滤除高频载波后，得到与位移量x成比例的信号为：,若两磁头的激励磁绕组上施加相位差为/4的正弦激励信号，或将输出信号移相/2，则两磁头输出信号变为：,将两个磁头的输出相减后，总输出电压为：,结论：输出信号的幅值不变，但相位与磁头、磁栅相对位移量有关，可用鉴相电路测量出来。,（二）鉴相方式,磁栅传感器的优缺点及使用范围与感应同步器相似，其精度略低于感应同步器。,磁栅传
12、感器的特点：录制方便，成本低廉。当发现所录磁栅不合适时可抹去重录；使用方便，可在仪器或机床上安装后再录制磁栅，因而可避免安装误差；可方便地录制任意节距的磁栅。例如检查蜗杆时希望基准量中含有因子，可在节距中考虑。,4.磁栅传感器的特点与误差分析,磁栅传感器的误差也包括零位误差与细分误差两项：影响零位误差的主要因素有：磁栅的节距误差；磁栅的安装与变形误差；磁栅剩磁变化所引起的零位漂移；外界电磁场干扰等。影响细分误差的主要因素有：由于磁膜不均匀或录磁过程不完善造成磁栅上信号幅度不相等；两个磁头间距偏离1/4节距较远；两个磁头参数不对称引起的误差；磁场高次谐波分量和感应电动势高次谐波分量的影响。,4.
13、磁栅传感器的特点与误差分析,鉴相型磁栅数显表的原理框图,磁尺与磁头接触，使用寿命不如光栅，数年后易退磁。,设置两个磁头的意义何在？,磁栅测量系统,压板,磁头,磁尺,磁栅在磨床测长系统中的应用,磁尺,磁头安装在何处？,8.3 转速检测Rotate speed detecting,一、离心力检测法,工作过程：重锤受到离心力作用克服弹簧力向上拉动套筒套筒的上下移动带动齿轮转动带动指针偏转直接读出读数。,一般应使主轴沿垂直方向立起来使用，精确度1。,二、光电码盘转速检测方法,原理：光电码盘和透射型光电耦合器结合，对转速计数，输出信号是对应于码盘窗口明暗的脉冲序列。光电耦合器：分透射型和反射型两种，见图
14、813。由发光二极管和光敏晶体管（二极管或三极管）组成。,发光二极管：是用半导体P-N结把电能转换为光能的一种器件。颜色是由半导体材料决定的光敏晶体管：是一种利用受光照时载流子增加的半导体光电元件。由于三极管的放大作用，其灵敏度比光敏二极管高。,光电码盘：透明玻璃上按一定的规律涂上黑白条码。分为绝对光码盘和增量光码盘。绝对光码盘：把旋转轴的旋转角度用二进制编码输出。可检测绝对角度，断电恢复后可准确检测位置信息。,增量光码盘：随旋转轴的旋转角度输出一列连续脉冲波，累计脉冲的个数可测量转角。使用一个时只能检测转速，而不能检测转轴的绝对转角和转向，改进的三个可以检测转角和转向。,编码盘一般只需三条码
15、道：增量码道S1：扇区数n决定编码器分辨力。辨向码道S2基准码道Z,8.4 力的检测方法Force detecting meathods,弹性体受力的作用时将发生弹性变形，检测弹性体变形可求得力的大小。力矩是通过测量弹性体的扭转变形而求得的。因此，位移测量的检测方式是检测力和力矩的基础。这里要介绍几种检测弹性变形的传感元件。,常用的检测弹性元件变形的传感器:金属应变元件半导体应变元件压电元件压敏导电橡胶,原理：金属电阻丝的电阻R取决于金属材料的电阻率、长度l和截面积S，有如下关系：,一、金属应变元件(metal strain gauge),在拉伸力作用下，金属丝被拉长，因此截面积缩小，导致电阻
16、变化。其电阻的变化量相对于初始值可以表示为：,拉伸l与截面直径D之间的关系为：,式中为材料的泊松比。,应变灵敏度K：表示单位应变的阻值变化,金属电阻丝由于弹性形变的电阻率变化很小，可以忽略；它的泊松比大约为0.3。因此K大约为2左右。,如图，一种是把金属丝贴在塑料薄膜基片上，在电阻丝上外加覆盖层；一种是在基板上加工箔片式薄膜电阻（采用光刻技术，均匀，阻值一致性好，传递应变性能好，常用）。其粘贴方式随测量目的的不同而不同。图818是压力和扭矩的粘贴方式。,电阻应变片的结构及粘贴方式如图817、818所示:,两个应变片分别承受拉伸力和压缩力，一般使用两组，接入测量电桥，可提高灵敏度和稳定性。检测扭
17、矩时与轴线成45角的各点上受力最大。,工作原理：基于半导体的压阻效应单晶半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率发生很大变化。特点：单位应变的电阻率变化（即灵敏度）很大，电阻率变化与应变量的关系如下：,二、半导体应变片(semiconductor strain gauge),E为材料的弹性模数，表示应变与作用力的关系；称为半导体应变片的压阻系数。,体积小，一般用于测压力。稳定性差，需温度补偿电路，大应变时，非线性。,金属应变片受压缩力时阻值变小；而半导体应变片可能增大（N型阻值随压力的变化率为负，P型为正，因为决定半导体阻值的电子和空穴的数量及移动量在力的作用下可正可负）,定义：某些物质如
18、石英、陶瓷等在受外力作用时不仅几何尺寸发生变化而且内部分子极化，使材料表面带电荷的现象。特点：表面电荷很快被材料内部的自由电荷或环境中的杂散电荷中和掉，呈电中性。故不能测恒压力，可响应动态压力，还可用于加速度与振动的测试。环境温度的变化和压电材料本身的时效，都会引起压电常数的变化，导致传感器灵敏度的变化，故需经常校准。逆压电效应：将压电材料置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，即机械变形。因此可对其施加交流电做振动源，如高频振动台和扬声器等。,三、压电效应(piezoelectricity),四、压敏导电橡胶,在橡胶材料里掺入炭粉，当炭粉浓度达到某一极限以上时，炭粉的颗粒部分发生接触，会呈现一定
19、的电阻率。当其变形时，阻抗值将随变形的强弱而变化，给其配上X、Y两个地址电极，并集成上FET（场效应晶体管）或二极管等开关元件，就可获取作用力的二维分布。用作触摸式面板的开关阵列。,能够检测位移和速度的检测原理都可以用于加速度与振动检测。以弹簧质量系惯性检测法为基础，类型包括应变片转换法、压电转换法、动电转换法、涡电流非接触法、可变电容法、差动变压器法等。,8.5 加速度与振动测量Acceleration and viberaton detecting,由牛顿方程可知，加速度和力是通过质量联系在一起的。如图8-21所示，可以将弹簧质量系统作为传感器来感受振动，将传感器固定在被测件上。,一、加速
20、度检测原理,设检测系统外壳与质量m之间的相对位移为y，支点位移为z=Asint，那么质量m的绝对位移x为：,质量m的受力方程（不考虑重力），即运动方程：,k为弹簧系数；r为阻尼系数。,振动系统的运动方程式为：,此式说明支点位移为 的质量m的振动系统等价于支点静止，受外力为mA2sint 的加速度系统。,振动系统运动方程的解为：,其中：,0为弹簧质量系统的固有角振动频率，为支点的角振动频率。,由,可求支点的位移变化、速度及加速度。,(1)支点位移检测：,因此：,可见，当固有角振动频率0 比支点的角频率小时，即0 的情况。代入解中，得：,即要使y0=A，见下式：,相对位移y的振幅与支点位移的振幅A
21、大小相等、方向相反，这种振动检测称为位移检测（vibrometer）。通常要求大质量和低弹性的弹簧（0，），此时绝对位移x等于零，即检测时质量基本静止不动。,相对位移y的幅值与支点加速度A2的振幅成比例变化，这种振动检测称为加速度检测（accelerometer）。通常要求小质量和大弹性的弹簧。,(2)支点加速度检测：,即要使y0与A2成正比，见下式：,可见，当固有角振动频率0 比支点的角频率大，即0。代入解中，得：,(3)支点速度检测：,相对位移y的幅值与支点速度的振幅A成比例变化，这种振动检测可以称为速度检测（speedometer/dromometer）。在共振状态下使用，很难实用化。,
22、即要使y0与A成正比，见下式：,可见，当固有角振动频率0 与支点的角频率基本相同的情况下，即=0。代入解中，得：,二、动电型振动检测方法,原理：导体切割磁力线时，会产生电势差。设磁场的磁感应强度为B，l为导体的长度，为振动速度，导体两端则产生电势差：,利用这一原理检测振动速度，称为动电型振动检测。加上积分电路可以检测振动位移。,由悬臂梁、质量块和基座组成。基座固定在振动体上，悬臂梁相当于惯性系统中的“弹簧”，工作时，梁的应变与质量相对于基座的位移成正比，且与振动体的加速度成正比，应变片把应变变为电阻的变化，再通过电桥转为电压输出，可测得振动加速度和振动频率。,应变片悬臂梁检测加速度：,三、微机械加速度传感元件,微机械加工技术使小型加速度传感器得到了很大的发展。例如缓冲汽车撞击伤害力的空气包里，就装有扩散硅压阻膜片的加速度传感器。,作业：P143：8-3、8-4,
