現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)周杏鵬第五章講義

1、第五章 運(yùn)動(dòng)量及振動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 運(yùn)動(dòng)量運(yùn)動(dòng)量是描述物體運(yùn)動(dòng)的量，包括位移、速 度和加速度。運(yùn)動(dòng)量是最基本的量，運(yùn)動(dòng)量測(cè) 量是最基本、最常見的測(cè)量，它是許多物理量， 如力、壓力、溫度、振動(dòng)等測(cè)量的前提，也是 慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)技術(shù)的基礎(chǔ)。 振動(dòng)振動(dòng)是工程技術(shù)和日常生活中普遍存在的物 理現(xiàn)象。大多數(shù)情況下振動(dòng)是有害的，但也有 可利用的一面，無論是要防止振動(dòng)危害還是要 利用振動(dòng)，振動(dòng)試驗(yàn)和測(cè)量始終是一個(gè)重要的、 必不可少的手段。 5.1 5.1 位移檢測(cè)位移檢測(cè) 5.2 5.2 速度檢測(cè)速度檢測(cè) 5.3 5.3 加速度檢測(cè)加速度檢測(cè) 5.4 5.4 機(jī)械振動(dòng)測(cè)量機(jī)械振動(dòng)測(cè)量 位移位移是向量，是指物體或其某

2、一部分 的位置相對(duì)參考點(diǎn)在一定方向上產(chǎn)生的位 置變化量。 因此位移的度量除要確定其大小大小外，還 要確定其方向方向。 位移的檢測(cè)包括線位移線位移和角位移角位移的測(cè)量 位移測(cè)量包括了長(zhǎng)度、厚度、高度、距離、 鍍層厚度、表面粗糙度、角度等 常用位移測(cè)量方法如下： （1 1）測(cè)量速度積分法）測(cè)量速度積分法 （2 2）回波法）回波法 （3 3）線位移和角位移轉(zhuǎn)換法）線位移和角位移轉(zhuǎn)換法 （4 4）位移傳感器法）位移傳感器法 （1 1）測(cè)量速度積分法）測(cè)量速度積分法 測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的速度或加速度，經(jīng)過積 分或二次積分求得運(yùn)動(dòng)體的位移。 例如在慣性導(dǎo)航中，就是通過測(cè)量載 體的加速度，經(jīng)過二次積分而求得載體的

3、位移。 （2 2）回波法）回波法 從測(cè)量起始點(diǎn)到被測(cè)面是一種介質(zhì)， 被測(cè)面以后是另一種介質(zhì)，利用介質(zhì)分界面 對(duì)波的反射原理測(cè)位移。 例如激光測(cè)距儀、超聲波液位計(jì)都是利用分 界面對(duì)激光、超聲波的反射測(cè)量位移的。相關(guān)測(cè)距 則是利用相關(guān)函數(shù)的時(shí)延性質(zhì)，將向某被測(cè)物發(fā)射 信號(hào)與經(jīng)被測(cè)物反射的返回信號(hào)作相關(guān)處理，求得 時(shí)延，從而推算出發(fā)射點(diǎn)與被測(cè)物之間的距離。 （3 3）線位移和角位移轉(zhuǎn)換法）線位移和角位移轉(zhuǎn)換法 被測(cè)量是線位移時(shí)，若測(cè)量角位移更 方便，則可用間接測(cè)量方法，通過測(cè)角位移 再換算成線位移。 同樣，被測(cè)量是角位移時(shí)，也可先測(cè)線 位移再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 例如汽車的里程表，是通過測(cè)量車輪 轉(zhuǎn)數(shù)再乘以周

4、長(zhǎng)而得到汽車的里程的。 （4 4）位移傳感器法）位移傳感器法 通過位移傳感器，將被測(cè)位移量的變 化轉(zhuǎn)換成電量（電壓、電流、阻抗等）、 流量、光通量、磁通量等的變化。位移傳 感器法是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法。 一般來說，在進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，要充 分利用被測(cè)對(duì)象所在場(chǎng)合和具備的條件來 設(shè)計(jì)、選擇測(cè)量方法。 位移的傳感器種類繁多，可根據(jù)位移檢測(cè)范圍變 化的大小選用。 下面介紹幾種線位移傳感器。 電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器 1 電感式位移傳感器電感式位移傳感器 2 光柵位移傳感器光柵位移傳感器 3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 4 激光距離檢測(cè)激光距離檢測(cè) 5 圖5-1(b)中，測(cè)量軸與 內(nèi)部電位器電

5、刷相連，當(dāng)其 與被測(cè)物相接觸，有位移輸 入時(shí)，測(cè)量軸便沿導(dǎo)軌移動(dòng)， 同時(shí)帶動(dòng)電刷在滑線電阻上 移動(dòng)，因電刷的位置變化會(huì) 有電阻變化，由電路轉(zhuǎn)換成 電壓輸出，就可以判斷位移 的大小。如要求同時(shí)測(cè)出位 移的大小和方向?？蓪D中 的精密電阻和滑線電阻組成 橋式測(cè)量電路。 測(cè)量原理測(cè)量原理： 在電位器A、C兩端接上激勵(lì) 電壓Ui，則當(dāng)電刷在輸入位移 驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)時(shí)，B、C兩端就 會(huì)有電壓輸出Uo。設(shè)電位器為 線性，長(zhǎng)度為l，總電阻為R， 電刷位移為x，相應(yīng)電阻為Rx， 負(fù)載電阻為RL，根據(jù)電路分壓 原理，電路的輸出電壓為： 電位器式位移傳感器測(cè)量 原理與電路模型 )/( )/( LxLxx LxLx i

6、o RRRRRR RRRR UU 若負(fù)載電阻為RL，則有： l x U R R UU i x io 優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 價(jià)格低廉, 性能穩(wěn)定, 對(duì)環(huán)境 條件要求不高, 輸出信號(hào)大，便于維修。 缺點(diǎn) 電刷與電阻元件之間存在摩擦, 易磨損， 易產(chǎn)生噪聲，分辨力有限, 精度不夠高, 要求輸入的能量大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，僅適 于測(cè)量變化較緩慢的量。 測(cè)量原理：測(cè)量原理： 電感式位移傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測(cè)位移轉(zhuǎn)換為電 感或互感的變化。按傳感器結(jié)構(gòu)的不同，可分為自感式（電 感式 ）、互感式（差動(dòng)變壓器 ）和電渦流式。 自感式自感式 分為三類：分為三類： 變氣隙式變氣隙式 變截面積式變截面積式 螺管式螺管式

7、 經(jīng)過推算可以知道線圈的自感量L有如下關(guān)系式： 空氣隙厚度；S磁路有效截面積； N線圈匝數(shù)；0空氣磁導(dǎo)率 結(jié)論：只要被測(cè)位移能夠引起空氣隙或等效截面 積S變化，線圈的自感量就會(huì)隨之變化。 思考：變氣隙式傳感器 k=？ 2 2 0SN L 對(duì)于變氣隙式，只能用于微小位移的測(cè)量，一般約 為0.001mm1mm。 對(duì)于變截面積式，其線性度良好、測(cè)量范圍較大， 但靈敏度較低，且有漏感，即在S=0時(shí)，仍有一定 的自感量。 對(duì)于螺管式，傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，適用于 測(cè)量比較大的位移。但靈敏度稍低。 三種形式的優(yōu)缺點(diǎn)：三種形式的優(yōu)缺點(diǎn)： 存在問題？存在問題？ 三種類型的自感位移傳感器在工作時(shí)，由于線 圈

8、中通有交流勵(lì)磁電流，銜鐵始終承受電磁吸力， 因而會(huì)引起振動(dòng)及附加誤差，而外界的干擾如電 源電壓頻率的變化，溫度的變化也會(huì)造成測(cè)量誤 差，另外，非線性誤差較大。 解決方法解決方法 采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)差動(dòng)結(jié)構(gòu)， 兩個(gè)相同的傳感 器線圈共用一個(gè) 銜鐵構(gòu)成差動(dòng) 式自感位移傳感 器 。如右圖 減小電磁吸力的作用，對(duì)溫度、電源頻率變化的 影響也可以互相抵消，大大提高傳感器的靈敏度， 改善線性，減少測(cè)量誤差。 采用差動(dòng)式自感位移傳感器的優(yōu)勢(shì) 變氣隙式靈敏度k 為： 2 2 0 2 SN d dL k 而差動(dòng)變氣隙式靈敏度k變?yōu)椋?2 2 0 2 2 0 2 2 SNSN d dL k 比較如下: 傳感器靈敏度提高

9、了一倍傳感器靈敏度提高了一倍 線性度比較如下圖： 結(jié)論： 差動(dòng)變壓器較多采用螺管式 ，如 圖（a）所示，等效電路如圖 (b) 所示 差動(dòng)變壓器輸出電勢(shì)的大小 和相位可以反應(yīng)銜鐵位移量 的大小和方向 ，輸出電壓 的有效值為： 1 2 1 2 1 2 )( 2 U LR M U 結(jié)論：結(jié)論：當(dāng)激勵(lì)電壓的幅值U1和 角頻率、初級(jí)線圈的等效電阻 R1及電感L1為定值時(shí)，差動(dòng)變壓 器輸出電壓的幅值U2與互感的變 化量M成正比，而且在銜鐵上移 或下移量相等時(shí)，輸出電壓幅值 相同，但相位相差180。 差動(dòng)變壓器的輸出特性曲線如圖5-7所示 電渦流式位移傳感器是利用渦流效應(yīng)，將位移量 轉(zhuǎn)換為阻抗的變化而進(jìn)行測(cè)

10、量的。傳感器原理和 結(jié)構(gòu)分別如圖 線圈的阻抗變化與導(dǎo)體的 電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、 線圈的幾何參數(shù)、激勵(lì)電流頻 率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距 離有關(guān)。 如果控制上述參數(shù)中的僅 距離改變，而其余參數(shù)不變， 則阻抗就成為這個(gè)距離的單值 函數(shù)，阻抗的變化就可以反映 線圈到被測(cè)金屬導(dǎo)體間的距離 大小變化。 電渦流位移傳感器的測(cè)量電路有調(diào)頻和調(diào) 幅式等，圖5-10是一種調(diào)幅式測(cè)量電路。 電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、 測(cè)量范圍大、抗干憂能力強(qiáng)，特別是有非接觸測(cè)量 的優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中 得到了廣泛的應(yīng)用。 調(diào)幅式測(cè) 量電路 光柵位移傳感器結(jié)構(gòu)光柵位移傳感器結(jié)構(gòu) 光柵

11、位移傳感器由光源、光 路系統(tǒng)、光柵副(標(biāo)尺光柵+ 指示光柵)和光敏元件組成， 其結(jié)構(gòu)如圖5-12所示。 當(dāng)被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，光源發(fā)出 的光透過光柵縫隙形成的光脈 沖被光敏元件接收并計(jì)數(shù), 即 可實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量，被測(cè)物體位 移=柵距脈沖數(shù)。 光柵位移傳感器 莫爾條紋莫爾條紋 在用光柵測(cè)量位移時(shí)，由于刻線很密，柵 距很小，而光敏元件有一定的機(jī)械尺寸， 故很難分辨到底移動(dòng)了多少個(gè)柵距。實(shí)際 測(cè)量是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)行的。 莫爾條紋的產(chǎn)生莫爾條紋的產(chǎn)生 莫爾條紋的特點(diǎn)莫爾條紋的特點(diǎn) a. 放大作用 b. 誤差平均作用 c. 方向?qū)?yīng)與同步性 光柵位移測(cè)量原理光柵位移測(cè)量原理 用光敏元件接收莫爾條紋移

12、動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化并轉(zhuǎn)換為電信 號(hào)輸出。光敏元件接收的光強(qiáng)變化近似于正弦波，其輸出 電壓信號(hào)的幅值U為光柵位移量x的正弦函數(shù)，即： U=U0+Umsin(2x/W) 式中 U0輸出信號(hào)中的直流分量；Um輸出信號(hào)中正弦交流分量的幅值； x兩光柵間的相對(duì)位移 將該電壓信號(hào)放大、整形為方波，再由微分電路轉(zhuǎn)換成脈 沖信號(hào)，送計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，就可得出位移量的大小，位移量 為脈沖數(shù)與柵距的乘積，測(cè)量分辨力為光柵柵距W。 光柵位移傳感器特點(diǎn)光柵位移傳感器特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量量程范圍大(可達(dá)數(shù)米)且同時(shí)具有高分 辨力(可達(dá)0.01m)和高精度；可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量；輸出 數(shù)字量，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量和自動(dòng)控制；具有較強(qiáng) 的抗

13、干擾能力。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：對(duì)使用環(huán)境要求較高，怕振動(dòng)，怕油污、灰塵 等的污染；制造成本高。 光柵位移傳感器 激光測(cè)距的原理：激光測(cè)距的原理： 利用激光器向目標(biāo)發(fā)射單次激光脈沖或脈沖串，光脈沖從目標(biāo) 反射后被接收，通過測(cè)量激光脈沖在待測(cè)距離上往返傳播的時(shí) 間，計(jì)算出待測(cè)距離。 換算公式為： 2 ct L 式中，L待測(cè)距離；c光速，t光波往返傳輸時(shí)間。 測(cè)量傳輸時(shí)間t，有脈沖式脈沖式(直接測(cè)定時(shí)間)和相位相位 式式(間接測(cè)定時(shí)間)兩種方法。 脈沖式激光測(cè)距脈沖式激光測(cè)距 工作原理如圖5-17所示 激光脈沖到目標(biāo) 的往返傳輸時(shí)間 測(cè)得t即可計(jì) 算出被測(cè)距離 f nnt 1 （2 2）相位式激光測(cè)距）相

14、位式激光測(cè)距 用相位延遲測(cè)量的間接方法測(cè)定光在待測(cè)距離上往返傳播 所需的時(shí)間，相位式激光測(cè)距方法的原理如圖5-18所示 激光脈沖往返傳輸時(shí)間為： f N t 2 2 2 ct L 又又 則待測(cè)距離L為： )( 22 2 2 NN f Nc L 式中，=c / f；N = /2，0N1。 （2 2）相位式激光測(cè)距）相位式激光測(cè)距 相位法測(cè)距就像用尺量距離，測(cè)尺長(zhǎng)度為/2，N為整尺長(zhǎng)，N為 不足整尺的零數(shù)。但是，任何測(cè)量交變信號(hào)相位移的方法都不能 確定出相位移的整周期數(shù)N，而只能測(cè)定其中不足2的 ,測(cè)尺 長(zhǎng)度/2大于待測(cè)距離L，則由式(5-24)可知，N0，故： 22 L 測(cè)出相位差 就能夠測(cè)出距

15、離。 如果被測(cè)距離較長(zhǎng)，則可選擇較低 的調(diào)制頻率f，使相應(yīng)的測(cè)尺長(zhǎng)度大 于待測(cè)距離，這樣就可保證距離測(cè) 量的確定性。但是由于測(cè)相系統(tǒng)精 度有限，過大的測(cè)尺長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致距 離測(cè)量的誤差增大。 KTCKTC線性位移傳感器線性位移傳感器 （江門市安泰電子有限公司產(chǎn)品）（江門市安泰電子有限公司產(chǎn)品） KTC拉桿系列傳感器用于對(duì)位移或者長(zhǎng)度進(jìn)行精確測(cè)量。 量程長(zhǎng)達(dá)1250mm，線性度0.05%（型號(hào)大于350mm），重 復(fù)精度0.01mm。典型應(yīng)用于注塑機(jī)、壓鑄機(jī)、橡膠機(jī)、 鞋機(jī)、EVA注射機(jī)、木工機(jī)械、液壓機(jī)械等。 類類 型：型： 位移傳感器 量量 程：程： 075425mm 04501250mm 精精

16、 確確 度：度： 0.05% 電電 阻：阻： 50% K 50%200% K 供電電源：供電電源： 10A 工作溫度：工作溫度： -60150 最大工作速度：最大工作速度：10m/s 特特 點(diǎn)：點(diǎn)： KTC是一般通用型，適合各類型設(shè)備 的位置檢測(cè) 典型應(yīng)用：典型應(yīng)用： 注塑機(jī)、壓鑄機(jī)、橡膠機(jī)、鞋機(jī)、EVA 注射機(jī)、木工機(jī)械、液壓機(jī)械等 技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo) 直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu) 直線感應(yīng)同步器由 定尺和滑尺兩部分 組成，其結(jié)構(gòu)如圖 5-14所示 定尺和滑尺上的電路繞組都是用印刷電路工藝制成的矩形繞 組，定尺繞組為單相連續(xù)繞組，節(jié)距為W2，一般取W2=2mm。 滑尺上有兩組分開的繞組

17、，兩個(gè)繞組間的距離L1應(yīng)滿足關(guān)系： L1= (n/2+1/4)W2，其中n為正整數(shù)。因?yàn)閮衫@組相差90相位 角，故分別稱為正弦繞組和余弦繞組。兩相繞組節(jié)距相同， 均為W1，通常取W1 = W2= W。 直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu) 圖5-15是直線感應(yīng)同步器繞組結(jié)構(gòu)示意圖。圖中上部為定尺繞 組，下部為W型滑尺繞組。為了減小由于定尺和滑尺工作面不 平行或氣隙不均勻帶來的誤差，各正弦和余弦繞組交替排列。 (2) (2) 直線感應(yīng)同步器工作原理直線感應(yīng)同步器工作原理 采用滑尺繞組勵(lì)磁，從定 尺繞組取出感應(yīng)電勢(shì)的激 勵(lì)方式。定尺繞組中感應(yīng) 電勢(shì)的波形圖見圖5-16 正弦或余弦繞組在定尺上產(chǎn) 生

18、的相應(yīng)感應(yīng)電勢(shì)分別為： x W tkUe ms 2 cossin x W tskUe mc 2 insin 可見：可見：定尺的感應(yīng)電勢(shì) 取決于滑尺的相對(duì)位移x， 故通過感應(yīng)電勢(shì)可測(cè)量位 移。 (3) (3) 感應(yīng)同步器信號(hào)的檢測(cè)感應(yīng)同步器信號(hào)的檢測(cè) 感應(yīng)同步器輸出信號(hào)的檢測(cè)方法： 鑒幅法 鑒相法 在滑尺的正、余弦繞組上施加頻率和相位相同、但幅值不同 的正弦激勵(lì)電壓 鑒幅法介紹鑒幅法介紹 tUu tUu cc ss sin sin 利用函數(shù)電壓發(fā)生器使激勵(lì)電壓的幅值滿足 cos sin mc ms UU UU 感應(yīng)同步器的磁路系統(tǒng)可視為線性，可進(jìn)行線性疊加，可 得定尺繞組輸出的總感應(yīng)電勢(shì)為 tk

19、U tskUtkUeee m mmcs sin)sin( insincoscossinsin 式中kUmsin( )為感應(yīng)電勢(shì)的幅值，其值隨位移相位角 (即位移x)而變化。若調(diào)整給定激勵(lì)電壓的相位角，使輸 出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的幅值為0，則此時(shí)有 ( ) = 0。由于 = = 2x/W，所以位移x = W/2，這就是鑒幅法測(cè)位移x的原 理。 具有較高的精度與分辨力。 測(cè)量長(zhǎng)度范圍不受限制。 抗干擾能力強(qiáng)。 使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單。 工藝性好，成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。 輸出信號(hào)較弱，需要高放大倍數(shù)的前置放大器。 (4) (4) 感應(yīng)同步器的特點(diǎn)感應(yīng)同步器的特點(diǎn) 對(duì)測(cè)量線性位移的傳感器進(jìn) 行結(jié)構(gòu)上適

20、當(dāng)變動(dòng)，可以用 于角位移的測(cè)量。例如： 思考：與測(cè)量線位移進(jìn)行比較 幾種常用的角位移傳感器 1. 1. 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 2 2微動(dòng)同步器式角位移傳感器微動(dòng)同步器式角位移傳感器 3. 3. 數(shù)字式角編碼器數(shù)字式角編碼器 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種基于電磁感應(yīng)原理工作的精密角度位置檢測(cè)裝 置，又稱分解器，它將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換成與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系 的電信號(hào)。 結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)類型 旋轉(zhuǎn)變壓器由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子繞組為變壓器的原邊，轉(zhuǎn)子繞組為變 壓器的副邊。交流激磁電壓接到定子繞組上，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由轉(zhuǎn)子繞組輸出。 圖5-22 為二極旋轉(zhuǎn)變壓器繞組結(jié)構(gòu)。 工作原理工作原理 互感原理工作互感原理工作 設(shè)

21、加在定子繞組的勵(lì)磁電壓為： ，由于旋轉(zhuǎn)變壓 器在結(jié)構(gòu)上保證了定子和轉(zhuǎn)子間氣隙內(nèi)的磁通分布呈正(余)弦 規(guī)律，所以轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為： sinsin 3 tkUU m 式中，Um勵(lì)磁電壓幅值；k變壓比(即轉(zhuǎn)、定子繞組匝數(shù)比)； 勵(lì)磁電壓圓頻率；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。 SinwtUU m 1 可見：可見：轉(zhuǎn)子輸出電壓大小 取決于定子和轉(zhuǎn)子兩繞組軸 線的空間相互位置，兩者垂 直時(shí)=0，U3為零；兩者平 行時(shí)=90，U3最大。圖5- 23為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)子繞組感 應(yīng)電勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 測(cè)量方式測(cè)量方式 鑒相式 轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電壓為： )cos(cossintkUkUkUU mcs 可知感應(yīng)電壓的相位角就等于轉(zhuǎn)

22、子的機(jī)械轉(zhuǎn)角。 因此只要檢測(cè)出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就知道了 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。 鑒幅式 轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電壓為： tsin)cos( cossin m cs kU kUkUU 若已知?jiǎng)?lì)磁電壓的相位角 ，則只需測(cè)出轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓U的 幅值kUmcos( -)，便可間接求出轉(zhuǎn)子與定子的相對(duì)位置； 若不斷調(diào)整勵(lì)磁電壓的相位角 ，使幅值U的幅值kUmcos( - )為0，跟蹤的變化，即可由求得角位移。 微動(dòng)同步器結(jié)構(gòu)原理如圖5-24 微動(dòng)同步器定子繞組的 接線方式如圖5-25 由四極定子和兩極轉(zhuǎn)子組成。 定子的每個(gè)極上有兩個(gè)繞組， 將各極中的一個(gè)繞組串聯(lián)，組 成初級(jí)勵(lì)磁回路；將各極中的 另一個(gè)繞組串聯(lián)，組成

23、次級(jí)感 應(yīng)回路。 按圖5-25所示的繞組接線方式，次級(jí)繞組總感應(yīng)輸出電壓為： keeeeU )( 23212422 0 式中，k微動(dòng)同步器的靈敏度； 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角；e2i(i=1,2,3,4) 是各次級(jí)繞組感應(yīng)電壓。 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如圖5-24所示的對(duì)稱于定子的位置時(shí)，定子和 轉(zhuǎn)子之間的四個(gè)氣隙幾何形狀完全相同，各極的磁通相等，從而 使I、III極上的感應(yīng)電壓與II、IV級(jí)上的感應(yīng)電壓相等，總的輸 出電壓為零，轉(zhuǎn)子被看成是處于零位。若轉(zhuǎn)子偏離零位一個(gè)角度， 則四個(gè)氣隙不再相同，造成各極磁通的變化量不同，其中一對(duì)磁 級(jí)的磁通量減小，另一對(duì)磁級(jí)的磁通量增加。這樣，次級(jí)就有一 個(gè)正比于轉(zhuǎn)子角位移的電壓輸出

24、。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變時(shí)，輸出電壓 也有180的相位躍變。 微動(dòng)同步器的靈敏度大約為每度0.25V，測(cè)量范圍約 540，線性度優(yōu)于0.1。 角編碼器在結(jié)構(gòu)上主要由可旋轉(zhuǎn)的碼盤和信號(hào)檢測(cè)裝置組成。 按碼盤刻度方法及信號(hào)輸出形式分類： 增量式 絕對(duì)式 混合式 增量式編碼器的輸出是一系列脈沖，用一個(gè)計(jì)數(shù)裝置對(duì)脈沖 進(jìn)行加或減計(jì)數(shù)，再配合零位基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)角位移的測(cè)量。 絕對(duì)式編碼器的輸出是與轉(zhuǎn)角位置相對(duì)應(yīng)的、唯一的數(shù)字碼， 如果需要測(cè)量角位移量，則只需將前后兩次位置的數(shù)字碼相 減就可以得到要求測(cè)量的角位移。 按碼盤信號(hào)的讀取方式分類 光電式接觸式 電磁式 光電式絕對(duì)編碼器結(jié)構(gòu)與工作原理光電式絕對(duì)編碼器結(jié)構(gòu)與工

25、作原理 光電式絕對(duì)編碼器的碼盤如圖5-26所示 在360范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為 24=16個(gè)，在圓周內(nèi)的每一個(gè) 角度方位對(duì)應(yīng)于不同的編碼 ， 只要根據(jù)碼盤的起始和終止位 置, 就可以確定角位移 光電式編碼器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-27 絕對(duì)位置的二進(jìn)制編碼的產(chǎn)生 絕對(duì)編碼器的角度分辨率 如何保證高分辨率和測(cè)量精度 標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制編碼的碼盤的缺點(diǎn) 改進(jìn)方法：采用二進(jìn)制循環(huán)碼盤(格雷碼盤) ，它的相 鄰數(shù)的編碼只有一位變化，因此就把誤差控制在最小單位 內(nèi)，避免了非單值性誤差。 光電式絕對(duì)編碼器特點(diǎn)光電式絕對(duì)編碼器特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 1.直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角或角位移轉(zhuǎn)換成唯一對(duì)應(yīng)的代碼，無需記 憶，無需參考點(diǎn)，無需計(jì)數(shù)

26、； 2.在電源切斷后位置信息也不會(huì)丟失，而且指示沒有累積誤 差； 3.大大提高了編碼器的抗干擾能力和數(shù)據(jù)的可靠性； 4.無磨損，碼盤壽命長(zhǎng)，精度保持性好 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 1. 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，碼盤基片為玻璃，抗沖擊和 振動(dòng)能力差； 2. 隨著分辨率的提高信號(hào)引出線較多 HGD-256光電單圈絕對(duì)編碼器光電單圈絕對(duì)編碼器 HGD-256型光電式絕對(duì)編碼器 是集光、機(jī)、電技術(shù)于一體的 數(shù)字化傳感器，可以高精度測(cè) 量轉(zhuǎn)角或直線位移。通過光電 轉(zhuǎn)換，將輸出軸的角位移轉(zhuǎn)換 成相應(yīng)的數(shù)字量。 1、信號(hào)輸出方式有： a.并行格雷碼輸出 b.485串行信號(hào)輸出 c.4-20mA電流輸出 d. SSI同步串行信

27、號(hào)輸出 2、根據(jù)用戶要求可設(shè)定并控 制測(cè)量范圍的上、下限 3、可以直接連接PLC或上位機(jī) 4、鋁合金外殼，特殊表面處 理 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 5.1 5.1 位移檢測(cè)位移檢測(cè) 5.2 5.2 速度檢測(cè)速度檢測(cè) 5.3 5.3 加速度檢測(cè)加速度檢測(cè) 5.4 5.4 機(jī)械振動(dòng)測(cè)量機(jī)械振動(dòng)測(cè)量 速度 ：在單位時(shí)間內(nèi)的位移增量在單位時(shí)間內(nèi)的位移增量 ，矢量，有大小，也有方向，矢量，有大小，也有方向 物體運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量分兩種： 線速度測(cè)量 旋轉(zhuǎn)速度的測(cè)量 如彈丸的飛行速度、機(jī)構(gòu)振動(dòng)速度的測(cè)量，線速度的計(jì)量 單位是米/秒(m/s)，工程上也用千米/小時(shí)(km/h)表示 如電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)速度，常稱其為轉(zhuǎn)速測(cè)量，單位

28、是轉(zhuǎn)/ 分(r/min)，而在被測(cè)轉(zhuǎn)速很小時(shí)，測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)物體 轉(zhuǎn)過的角度，稱為角速度測(cè)量，單位是弧度/秒(rad/s) p常用的速度測(cè)量方法有下述幾種： 微、積分測(cè)速法微、積分測(cè)速法 線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測(cè)速法線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測(cè)速法 利用物理參數(shù)測(cè)速法利用物理參數(shù)測(cè)速法( (速度傳感器法速度傳感器法) ) 時(shí)間、位移計(jì)算測(cè)速法時(shí)間、位移計(jì)算測(cè)速法 （1 1）微、積分測(cè)速法）微、積分測(cè)速法 對(duì)測(cè)得的物體運(yùn)動(dòng)的位移信號(hào)微分可以得到 物體運(yùn)動(dòng)速度，或?qū)y(cè)得的物體運(yùn)動(dòng)的加速度信號(hào) 作時(shí)間積分也可以得到速度。 例如在振動(dòng)測(cè)量時(shí)，應(yīng)用加速度計(jì)測(cè)得振動(dòng) 體的振動(dòng)加速度信號(hào)，或應(yīng)用振幅計(jì)測(cè)得振動(dòng)體

29、的 位移信號(hào)，再經(jīng)過電路進(jìn)行積分或微分運(yùn)算而得到 振動(dòng)速度。 （2 2）線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測(cè)速法）線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測(cè)速法 線速度與角速度在同一運(yùn)動(dòng)體上是有固定關(guān) 系的，在測(cè)量時(shí)可以采用互換的方法達(dá)到方便測(cè)量 的目的。 例如測(cè)火車行駛速度時(shí)，直接測(cè)線速度不方 便，可通過測(cè)量車輪的轉(zhuǎn)速，換算出火車的行駛速 度 （3 3）利用物理參數(shù)測(cè)速法）利用物理參數(shù)測(cè)速法( (速度傳感器法速度傳感器法) ) 利用各種速度傳感器測(cè)量與速度大小有確定 關(guān)系的各種物理量來間接測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)速度，將 速度信號(hào)變換為電、光等易測(cè)信號(hào)。這是最常用的 一種方法。 可利用物理效應(yīng)很多，如電磁感應(yīng)原理、多 普勒效應(yīng)、流

30、體力學(xué)、聲學(xué)定律等等。 （4 4）時(shí)間、位移計(jì)算測(cè)速法）時(shí)間、位移計(jì)算測(cè)速法 這種方法是根據(jù)速度的定義測(cè)量速度，即測(cè) 量物體經(jīng)過的距離L和經(jīng)過該距離所需的時(shí)間t，來 求得物體運(yùn)動(dòng)的平均速度。L越小，則求得的速度 越接近運(yùn)動(dòng)物體的瞬時(shí)速度。 根據(jù)這種測(cè)量原理，在確定的距離內(nèi)利用各 種數(shù)學(xué)方法和相應(yīng)器件可延伸出許多測(cè)速方法，如 相關(guān)測(cè)速法、空間濾波器測(cè)速法等等。 1. 1. 磁電感應(yīng)式測(cè)速磁電感應(yīng)式測(cè)速 原理：原理：導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電 動(dòng)勢(shì) ，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān) 一種用于測(cè)量線速度的恒磁通動(dòng)圈式磁電感應(yīng)式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖如圖 5-29，由永久磁鐵

31、、線圈、彈簧、金屬骨架等組成。 E=NBLV 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與線圈相對(duì)磁鐵 的運(yùn)動(dòng)速度V成正比，所以這 種傳感器能直接測(cè)量速度 2. 2. 空間濾波器測(cè)速空間濾波器測(cè)速 空間濾波技術(shù)是對(duì)物體的移動(dòng)進(jìn)行非接觸連續(xù)測(cè)量以探知其 長(zhǎng)度、運(yùn)動(dòng)速度的有效手段之一?？臻g濾波器測(cè)速原理如圖 5-30所示。 v=f / M f=N/t 空間頻率M=N/L 響應(yīng)速度很快，可以用來檢測(cè) 傳送帶、鋼板、車輛等的運(yùn)動(dòng) 速度，檢測(cè)范圍為1.5250 km/h， 測(cè)量精度可達(dá)0.2% 3. 3. 彈丸飛行速度測(cè)量彈丸飛行速度測(cè)量 常用時(shí)間位移計(jì)算測(cè)速法，測(cè)量原理如圖5-31所示 v=L/t 產(chǎn)生測(cè)時(shí)脈沖信號(hào)的區(qū)截裝置 ：

32、接觸型 非接觸型 對(duì)于大口徑武器，則可以采用光電靶和天幕靶等區(qū)截裝置來對(duì)于大口徑武器，則可以采用光電靶和天幕靶等區(qū)截裝置來 測(cè)量彈丸速度。測(cè)量彈丸速度。 如圖如圖 轉(zhuǎn)速的檢測(cè)方法很多，按照輸出信號(hào)的特點(diǎn)可分為模擬式 和數(shù)字式兩大類。 1. 1. 模擬式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表模擬式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)直流測(cè)速發(fā)電機(jī) 原理如圖5-37所示 定子產(chǎn)生恒定磁通0，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中 即產(chǎn)生交變的電勢(shì)，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)速成正比的 直流電勢(shì)： 當(dāng)Ce、0、r及RL都不變時(shí)，輸出電壓U0與轉(zhuǎn)速n成線性關(guān) 系。對(duì)于不同的負(fù)載電阻RL，輸出電壓不同，負(fù)載電阻越 小，輸出電壓也越小。 輸出斜率

33、大、線性好，但由于有電刷和換向器，因而結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)不便，摩擦轉(zhuǎn)距大，有換向火花，輸出特 性不穩(wěn)定。 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的特點(diǎn) n Rr C U L e /1 0 0 離心式轉(zhuǎn)速表離心式轉(zhuǎn)速表 離心式轉(zhuǎn)速表由轉(zhuǎn)動(dòng)軸、重錘、彈簧、連桿、套筒以及轉(zhuǎn)速 指示機(jī)構(gòu)等組成 ，其結(jié)構(gòu)與工作原理如圖5-38所示 測(cè)速原理測(cè)速原理 慣性較大，不適合測(cè)量快速變化的 轉(zhuǎn)速，測(cè)量精度也受到多力面的限 制，一般在1%2%。 特特 點(diǎn)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，可靠、耐 用、不怕沖擊振動(dòng)，無需電源就 可工作，測(cè)量范圍較寬 為彈簧彈性系數(shù)；彈簧作用力 為離心力系數(shù)；離心力 ksksxFs kkw2 F 頻閃式

34、轉(zhuǎn)速表頻閃式轉(zhuǎn)速表 頻閃式轉(zhuǎn)速表利用頻閃效應(yīng)原理來測(cè)量轉(zhuǎn)速 ，檢測(cè)的原理 如圖5-39所示 測(cè)量方法測(cè)量方法 若已知被測(cè)轉(zhuǎn)速范圍是nn， 則先將閃光頻率調(diào)到大于nn， 然后從高頻逐漸下降，直到第一次 出現(xiàn)標(biāo)記不動(dòng)時(shí)，此時(shí)就可以讀出 被測(cè)實(shí)際轉(zhuǎn)速； 若無法估計(jì)被測(cè)轉(zhuǎn)速時(shí)，則調(diào)整閃光頻率，當(dāng)旋轉(zhuǎn) 的圓盤上連續(xù)出現(xiàn)兩次標(biāo)記停留現(xiàn)象時(shí)，分別讀出對(duì) 應(yīng)的轉(zhuǎn)速值，然后按下式計(jì)算出真實(shí)被測(cè)轉(zhuǎn)速n： 21 21 nn nn mn 2.2.數(shù)字式轉(zhuǎn)速檢測(cè)方法數(shù)字式轉(zhuǎn)速檢測(cè)方法 在指定的時(shí)間T內(nèi)，對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器的輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。 若在時(shí)間T(s)內(nèi)計(jì)數(shù)值為N，轉(zhuǎn)速傳感器每周產(chǎn)生的脈沖數(shù)為 Z，則被測(cè)轉(zhuǎn)速n為：

35、 測(cè)量原理 f ZZT N n 6060 測(cè)定傳感器脈沖信號(hào)頻率f就可求出轉(zhuǎn)速n。 磁電感應(yīng)式 電容式 霍爾式 光電式 5)計(jì)數(shù)方法計(jì)數(shù)方法 根據(jù)式(5-43) 測(cè)出的脈沖信號(hào)頻率求出待測(cè)轉(zhuǎn)速的方法稱為測(cè) 頻法，比較適合于高轉(zhuǎn)速測(cè)量。測(cè)頻法有一個(gè)字計(jì)數(shù)誤差，在 轉(zhuǎn)速較低時(shí)會(huì)引起較大相對(duì)誤差，故在低轉(zhuǎn)速時(shí)，脈沖信號(hào)的 計(jì)數(shù)方法應(yīng)改用測(cè)周期法。測(cè)周期法的原理見圖(5-44) 轉(zhuǎn)速(r/min)為 ： mZ f n 0 60 5.1 5.1 位移檢測(cè)位移檢測(cè) 5.2 5.2 速度檢測(cè)速度檢測(cè) 5.3 5.3 加速度檢測(cè)加速度檢測(cè) 5.4 5.4 機(jī)械振動(dòng)測(cè)量機(jī)械振動(dòng)測(cè)量 加速度是表征物體在空間運(yùn)動(dòng)本

36、質(zhì)的加速度是表征物體在空間運(yùn)動(dòng)本質(zhì)的 一個(gè)基本物理量，可以通過測(cè)量加速度來一個(gè)基本物理量，可以通過測(cè)量加速度來 掌握物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。掌握物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 加速度的計(jì)量單位為m/s2(米/秒2) 。 在工程應(yīng)用中常用重力加速度g=9.81m/s2作 計(jì)量單位。 加速度測(cè)量的原理是基于對(duì)質(zhì)量塊感受加速度時(shí)所產(chǎn)生的慣性 力的測(cè)量。測(cè)量時(shí)采用絕對(duì)法，把測(cè)量裝置安裝在運(yùn)動(dòng)體上進(jìn) 行測(cè)量。測(cè)量加速度的裝置基結(jié)構(gòu)如圖5-41 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的微分方程： 0 2 2 ky dt dy c dt xd m 有位移關(guān)系 x = y+z,若令固有頻率 ； 阻尼比 則有： mk n / kmc 2 2 2 2 2 2 2

37、dt zd y dt dy dt yd nn 測(cè)出位移y，或者測(cè)出質(zhì)量塊作用在彈簧上的慣性力就可 以測(cè)出被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的加速度。 1. 1. 霍爾加速度傳感器霍爾加速度傳感器 霍爾式加速度傳感器的測(cè)量原理與結(jié)構(gòu)如圖5-46 所示： 傳感器固定在被測(cè)對(duì)象上并 與其一起作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì) 量塊感受到加速度而產(chǎn)生與 之成比例的慣性力，使懸臂 梁發(fā)生彎曲變形，其自由端 的霍爾元件H就產(chǎn)生與加速度 成比例的位移，輸出與加速 度成比例的霍爾電勢(shì)UH，從 UH與加速度的關(guān)系曲線上可 求得加速度。 2. 2. 電位器式加速度傳感器電位器式加速度傳感器 電位器式加速度傳感器的測(cè)量原理與結(jié)構(gòu)如圖5-47 所示： 傳感

38、器殼體與被測(cè)對(duì)象一起作 加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊相對(duì)殼體 有位移產(chǎn)生并帶動(dòng)電刷在滑動(dòng) 電阻元件上移動(dòng)。電阻值的變 化可以由相應(yīng)電路轉(zhuǎn)換為電壓 信號(hào)輸出，從而可以測(cè)出加速 度。 應(yīng)變式加速度傳感器的測(cè)量原理與結(jié)構(gòu)如圖5-48 ： 由敏感質(zhì)量塊感受加速度a而 產(chǎn)生與之成正比的慣性力F ma，再通過彈性元件把慣性 力轉(zhuǎn)變成應(yīng)變、應(yīng)力，或通過 壓電元件把慣性力轉(zhuǎn)變成電荷 量，從而間接測(cè)出加速度。 測(cè)量原理測(cè)量原理 微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)通常是指利用微電子加工手 段加工制作并和微電子測(cè)量線路集成在一起的加 速度計(jì)，這種加速度計(jì)常用硅材料制作，故又名 硅微型加速度計(jì)硅微型加速度計(jì)。 硅微型加速度計(jì)

39、型式多種多樣。 按檢測(cè)質(zhì)量支承方式檢測(cè)質(zhì)量支承方式分有懸臂梁支承、簡(jiǎn)支梁支承、 方波梁支承、折疊梁支承和撓性軸支承等； 按檢測(cè)信號(hào)拾取方式檢測(cè)信號(hào)拾取方式分，有電容檢測(cè)、電感檢測(cè)、 隧道電流檢測(cè)和頻率檢測(cè)等 一種叉指式硅微型加速度計(jì)的結(jié)構(gòu) 一種叉指式微型加速度計(jì)產(chǎn)品 ADXL50 5.1 5.1 位移檢測(cè)位移檢測(cè) 5.2 5.2 速度檢測(cè)速度檢測(cè) 5.3 5.3 加速度檢測(cè)加速度檢測(cè) 5.4 5.4 機(jī)械振動(dòng)測(cè)量機(jī)械振動(dòng)測(cè)量 物體或物體的一部分沿直線或曲線在平衡位置附近所作的周期 性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在自然界、工程技術(shù)和日常生活中，機(jī)械振動(dòng) 是普遍存在的物理現(xiàn)象。 機(jī)械振動(dòng) 振動(dòng)測(cè)試的目的 1.檢查

40、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)特性，以檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量； 2.測(cè)定機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，以便確定機(jī)器設(shè)備承受振 動(dòng)和沖擊的能力，并為產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)； 3.分析振動(dòng)產(chǎn)生的原因，尋找振源，以便有效地采取減振和隔振 措施； 4.對(duì)運(yùn)動(dòng)中的機(jī)器進(jìn)行故障監(jiān)控，以避免重大事故。 測(cè)量的兩種方式 1.1.機(jī)械振動(dòng)分類機(jī)械振動(dòng)分類 分 類 名 稱 主要特征與說明 按系統(tǒng)的 自 由度分 單自由度系 統(tǒng)振動(dòng) 用一個(gè)獨(dú)立變量就能表示系統(tǒng)振動(dòng) 多自由度系 統(tǒng)振動(dòng) 須用多個(gè)獨(dú)立變量表示系統(tǒng)振動(dòng) 連續(xù)彈性體 振動(dòng) 須用無限多個(gè)獨(dú)立變量表示系統(tǒng)振動(dòng) 按系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)參數(shù)的 特性分 線性振動(dòng) 可以用常系數(shù)線性微分方程來描述，系統(tǒng)的慣性力

41、、 阻尼力和彈性力分別與振動(dòng)加速度、速度和位移成正 比 非線性振動(dòng) 要用非線性微分方程來描述，即微分方程中出現(xiàn)非線 性項(xiàng) 分 類 名 稱 主要特征與說明 按振動(dòng)產(chǎn) 生 的原因分 自由振動(dòng) 系統(tǒng)受初始干擾或外部激振力取消后，系統(tǒng)本身由彈 性恢復(fù)力和慣性力來維持的振動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)無阻尼時(shí)， 振動(dòng)頻率為系統(tǒng)的固有頻率；當(dāng)系統(tǒng)存在阻尼時(shí)，其 振動(dòng)幅度將逐漸減弱 受迫振動(dòng) 由于外界持續(xù)干擾引起和維持的振動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)的振 動(dòng)頻率為激振頻率 自激振動(dòng) 系統(tǒng)在輸入和輸出之間具有反饋特性時(shí)，在一定條件 下，沒有外部激振力而由系統(tǒng)本身產(chǎn)生的交變力激發(fā) 和維持的一種穩(wěn)定的周期性振動(dòng)，其振動(dòng)頻率接近于 系統(tǒng)的固有頻率 按

42、振動(dòng)的 規(guī) 律分 簡(jiǎn)諧振動(dòng) 振動(dòng)量為時(shí)間的正弦或余弦函數(shù)，為最簡(jiǎn)單、最基本 的機(jī)械振動(dòng)形式。其他復(fù)雜的振動(dòng)都可以看成許多或 無窮個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成 周期振動(dòng) 振動(dòng)量為時(shí)間的周期性函數(shù)，可展開為一系列的簡(jiǎn)諧 振動(dòng)的疊加 瞬態(tài)振動(dòng) 振動(dòng)量為時(shí)間的非周期函數(shù)，一般在較短的時(shí)間內(nèi)存 在 隨機(jī)振動(dòng) 振動(dòng)量不是時(shí)間的確定函數(shù)，只能用概率統(tǒng)計(jì)的方法 來研究 2. . 振動(dòng)測(cè)試的基本參數(shù)振動(dòng)測(cè)試的基本參數(shù) 振動(dòng)三要素 幅值 頻率 相位 簡(jiǎn)諧振動(dòng) y(t)=Asin(t+) 合理選擇測(cè)量參數(shù) 3. .單自由度系統(tǒng)的受迫振動(dòng)單自由度系統(tǒng)的受迫振動(dòng) 單自由度線性系統(tǒng)是最基本的振動(dòng)模型，它僅用 一個(gè)位移坐標(biāo)（即一個(gè)自由

43、度）來描述系統(tǒng)的運(yùn) 動(dòng)，因此系統(tǒng)可由質(zhì)量塊、彈簧和阻尼器組成。 為正確理解和掌握振動(dòng)測(cè)試傳感器的工作原理， 討論單自由度系統(tǒng)在兩種不同激勵(lì)下的響應(yīng)。 質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動(dòng)質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動(dòng) 如圖5-51所示 質(zhì)量塊m的運(yùn)動(dòng)微分方程為： )()( )()( 2 2 tftkx dt tdx c dt txd m 頻率響應(yīng)H()為： )(2)(1 /1 22 nn j k H 幅頻特性A()和相頻特性()分別為： 222 )2()(1 /1 )( nn k A )/(1 /2 arctan)( 2 n n 通常把振動(dòng)幅頻特性曲線A()上幅值最大處的頻率r稱為位移 共振頻率，可求得位移共振

44、頻率： 2 21 nr 由基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的受迫振動(dòng)由基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的受迫振動(dòng) 慣性式拾振器的力學(xué)模型如圖5-52 質(zhì)量塊m的運(yùn)動(dòng)方程為： 0)( )( 2 2 zxk dt zxd c dt xd m 令 y(t)=x(t)-z(t)，為質(zhì)量塊m 對(duì)基礎(chǔ)的相對(duì)位移，則 2 2 2 2 dt zd mky dt dy c dt yd m 系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù) H()、幅頻特性A()、相頻特性()分別為： )(2)(1 )/( 2 2 nn n j H 222 2 )2()(1 )/( )( nn n A )/(1 /2 arctan)( 2 n n 基礎(chǔ)激振時(shí)質(zhì)量塊相對(duì)基礎(chǔ)位移的幅頻和相頻特性曲線如圖5

45、-53 4. 4. 機(jī)械阻抗的概念機(jī)械阻抗的概念 機(jī)械阻抗是在機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析中被廣泛應(yīng)用的一種理 論分析與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析方法。 機(jī)械阻抗與機(jī)械導(dǎo)納的一般定義為： 機(jī)械阻抗 )( )( R F 響應(yīng) 激勵(lì) （Z）= 機(jī)械導(dǎo)納 )( )( R F 激勵(lì) 響應(yīng) Z 1 (M) = = 1. 1. 振動(dòng)測(cè)量方法振動(dòng)測(cè)量方法 名稱原理優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用 電測(cè)法 將被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)量轉(zhuǎn) 換成電量，然后用電量 測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)量 靈敏度高，頻率范圍及動(dòng)態(tài)、線性 范圍寬，便于分析和遙測(cè)，但易受 電磁場(chǎng)干擾。是目前最廣泛采用的 方法 機(jī)械法 利用杠桿原理將振動(dòng)量 放大后直接記錄下來 抗干擾能力強(qiáng)，頻率范圍及

46、動(dòng)態(tài)、 線性范圍窄、測(cè)試時(shí)會(huì)給工件加上 一定的負(fù)荷，影響測(cè)試結(jié)果，用于 低頻大振幅振動(dòng)及扭振的測(cè)量 光學(xué)法 利用光杠桿原理、讀數(shù) 顯微鏡、光波干涉原理， 激光多普勒效應(yīng)等進(jìn)行 測(cè)量 不受電磁場(chǎng)干擾，測(cè)量精度高，適 于對(duì)質(zhì)量小及不易安裝傳感器的試 件作非接觸測(cè)量。在精密測(cè)量和傳 感器、測(cè)振儀標(biāo)定中用得較多 2. 2. 電測(cè)法振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)電測(cè)法振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng) 電測(cè)法測(cè)振系統(tǒng)的一般組成框圖如圖5-54所示 3. 3. 測(cè)振傳感器測(cè)振傳感器 測(cè)振傳感器的類型測(cè)振傳感器的類型 拾振器按振動(dòng)測(cè)量方法的力學(xué)原理可分為慣性式(絕 對(duì)式)和相對(duì)式拾振器；按照測(cè)量時(shí)拾振器是否和被 測(cè)物體接觸可分為接觸式和非接觸式拾振器；按工 作原理分，則有壓電式、磁電式、電動(dòng)式、電容式、 電感式、電渦流式、電阻式和光電式等等。 選擇測(cè)振傳感器的原則選擇測(cè)振傳感器的原則 選擇測(cè)振傳感器類型時(shí)，主要需考慮被測(cè)量的參數(shù)(位移、速 度或加速度)、測(cè)量的頻率范圍、量程及分辨率、使用環(huán)境和 相移等問題，并結(jié)合各類測(cè)振傳感器的性能特點(diǎn)綜合進(jìn)行選擇