第4章運(yùn)動(dòng)量檢測技術(shù)

1、電子信息工程教研室信息采集技術(shù)第第4 4章章 運(yùn)動(dòng)量檢測技術(shù)運(yùn)動(dòng)量檢測技術(shù)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)量包括位移、轉(zhuǎn)角（角位移）、尺寸、轉(zhuǎn)速、力、重量、量包括位移、轉(zhuǎn)角（角位移）、尺寸、轉(zhuǎn)速、力、重量、扭矩、振動(dòng)、速度和加速度等。扭矩、振動(dòng)、速度和加速度等。 是非電量傳感器的中間參數(shù)是非電量傳感器的中間參數(shù), ,例如前面提到的彈性變形法測壓力等都要經(jīng)過例如前面提到的彈性變形法測壓力等都要經(jīng)過運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)量的轉(zhuǎn)換。量的轉(zhuǎn)換。位移是機(jī)械量中最基本的參數(shù)位移是機(jī)械量中最基本的參數(shù), , 也是也是運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)量檢測的重點(diǎn)量檢測的重點(diǎn), , 其其它它運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)量參數(shù)如力、力矩、速度、加速度和振動(dòng)等量參數(shù)如力、力矩、速度、加速度和振動(dòng)

2、等, , 都是以都是以位移測量作為基礎(chǔ)的。位移測量作為基礎(chǔ)的。4.14.1位移檢測位移檢測4.1.14.1.1位移檢測方法位移檢測方法線位移和角位移檢測。線位移和角位移檢測。（1 1）積分法、（）積分法、（2 2）相關(guān)測距法、（）相關(guān)測距法、（3 3）回波法）回波法（4 4）線位移和角位移相互轉(zhuǎn)換、（）線位移和角位移相互轉(zhuǎn)換、（5 5）位移傳感器）位移傳感器電子信息工程教研室信息采集技術(shù)4.1.24.1.2常用的位移傳感器常用的位移傳感器（1 1）電感式位移傳感器）電感式位移傳感器: :利用傳感器線圈的利用傳感器線圈的電感電感變化來檢測非電量的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。變化來檢測非電量的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。特點(diǎn)

3、：特點(diǎn)：a.a.結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、壽命長、精度高（分辨力達(dá)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、壽命長、精度高（分辨力達(dá)0.1um0.1um）。）。b.b.缺點(diǎn)：線性范圍小、不適于高頻動(dòng)態(tài)測量場合。缺點(diǎn)：線性范圍小、不適于高頻動(dòng)態(tài)測量場合。根據(jù)傳感器線圈的接線方式分為：自感式和互感式。根據(jù)傳感器線圈的接線方式分為：自感式和互感式。根據(jù)傳感器線圈的結(jié)構(gòu)分為：變氣隙型、變面積型根據(jù)傳感器線圈的結(jié)構(gòu)分為：變氣隙型、變面積型 螺管型。螺管型。 電子信息工程教研室信息采集技術(shù) 變氣隙型、變面積型變氣隙型、變面積型螺管型螺管型電子信息工程教研室信息采集技術(shù) 線圈銜鐵螺管型螺管型電感傳感器外形電感傳感器外形電子信息工程教研

4、室信息采集技術(shù)（2 2）電容式位移傳感器）電容式位移傳感器: :特點(diǎn)：特點(diǎn)：a.a.結(jié)構(gòu)簡單，能在惡劣環(huán)境下工作，可用無機(jī)材料（玻璃、石結(jié)構(gòu)簡單，能在惡劣環(huán)境下工作，可用無機(jī)材料（玻璃、石英、陶瓷）作絕緣支架，上面渡以金屬作為極板，能承受相英、陶瓷）作絕緣支架，上面渡以金屬作為極板，能承受相當(dāng)大的溫度變化及輻射，以及強(qiáng)烈振動(dòng)，并可以在各向同性當(dāng)大的溫度變化及輻射，以及強(qiáng)烈振動(dòng)，并可以在各向同性的電介質(zhì)液中使用。的電介質(zhì)液中使用。b.b.分辨力高（納米級(jí)），動(dòng)態(tài)特性好，電容傳感器需要的作用分辨力高（納米級(jí)），動(dòng)態(tài)特性好，電容傳感器需要的作用能量極小。因而有較高的固有頻率，同時(shí)能在幾兆赫的頻率能量

5、極小。因而有較高的固有頻率，同時(shí)能在幾兆赫的頻率下工作，從而保證有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。下工作，從而保證有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。c.c.小功率、高阻抗，本身發(fā)熱量小。小功率、高阻抗，本身發(fā)熱量小。d.d.本身損耗小，零點(diǎn)穩(wěn)定；由于本身發(fā)熱引起的本身損耗小，零點(diǎn)穩(wěn)定；由于本身發(fā)熱引起的零漂，可以認(rèn)為不存在。零漂，可以認(rèn)為不存在。e.e.變極距型廣范用于變極距型廣范用于微位移微位移測量系統(tǒng)中。測量系統(tǒng)中。 電子信息工程教研室信息采集技術(shù)（3 3）感應(yīng)同步器位移傳感器）感應(yīng)同步器位移傳感器: :是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理把位移量轉(zhuǎn)換成為是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理把位移量轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量數(shù)字量的位移傳感器。的位移傳感器。感

6、應(yīng)同步器是利用兩個(gè)平面形繞組的互感隨相對(duì)位置不同而變感應(yīng)同步器是利用兩個(gè)平面形繞組的互感隨相對(duì)位置不同而變化的原理化的原理, , 將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的。將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的。感應(yīng)同步器有直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種感應(yīng)同步器有直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種, , 直線式（長）感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成。直線式（長）感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成。旋轉(zhuǎn)式（圓）感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成。旋轉(zhuǎn)式（圓）感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成。電子信息工程教研室信息采集技術(shù)直線式（長）感應(yīng)同步器直線式（長）感應(yīng)同步器旋轉(zhuǎn)式（圓）感應(yīng)同步器旋轉(zhuǎn)式（圓）感應(yīng)同步器電子信息工程教研室信息采集技術(shù)特點(diǎn)：特點(diǎn)：a.a.測量精

7、度高，工作可靠。測量精度高，工作可靠。b.b.抗干擾能力強(qiáng)，壽命長?？垢蓴_能力強(qiáng)，壽命長。c.c.使用便利。使用便利。d.d.尤其適用于生產(chǎn)現(xiàn)場在線檢測。尤其適用于生產(chǎn)現(xiàn)場在線檢測。 電子信息工程教研室信息采集技術(shù)（4 4）電渦流式傳感器）電渦流式傳感器 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理, , 塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)場中或在磁場中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí), , 導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流狀的感應(yīng)電流, ,此電流叫電渦流此電流叫電渦流, ,以上現(xiàn)象稱為以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)電渦流效應(yīng)。 根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感

8、器稱為根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器電渦流式傳感器。特點(diǎn)特點(diǎn): :A A、能對(duì)位移、厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等、能對(duì)位移、厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測量。進(jìn)行非接觸式連續(xù)測量。B B、具有體積小、具有體積小, ,靈敏度高靈敏度高, ,抗干擾能力強(qiáng)，頻率抗干擾能力強(qiáng)，頻率 響應(yīng)寬。響應(yīng)寬。C C、不受油污等介質(zhì)影響，應(yīng)用極其廣泛。、不受油污等介質(zhì)影響，應(yīng)用極其廣泛。D D、有變間隙、變面積、螺管型。、有變間隙、變面積、螺管型。電子信息工程教研室信息采集技術(shù)電渦流傳感器電渦流傳感器工作原理圖工作原理圖電子信息工程教研室信息采集技術(shù)根據(jù)法拉第定律

9、根據(jù)法拉第定律, , 當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流I1時(shí)時(shí), , 線圈周圍空間線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場必然產(chǎn)生正弦交變磁場H1, ,使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流 I2, , I2又產(chǎn)生新的交變磁場又產(chǎn)生新的交變磁場H2。根據(jù)愣次定律。根據(jù)愣次定律, , H2的作用將反抗原磁的作用將反抗原磁H1, ,導(dǎo)導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。由上可知致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。由上可知, , 線圈阻抗的變化完全取線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。而電渦流效應(yīng)既與被測體的電阻率決于被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)

10、。而電渦流效應(yīng)既與被測體的電阻率、磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率以及幾何形狀有關(guān)以及幾何形狀有關(guān), , 又與線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率又與線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率有關(guān)有關(guān), , 還與線圈與導(dǎo)體間的距離還與線圈與導(dǎo)體間的距離x x有關(guān)。因此有關(guān)。因此, , 傳感器線圈受電渦流影傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗響時(shí)的等效阻抗Z Z的函數(shù)關(guān)系式為的函數(shù)關(guān)系式為 Z= FZ= F（, , r, f, x, , r, f, x） 式中式中: r: r線圈與被測體的尺寸因子。線圈與被測體的尺寸因子。 如果保持上式中其它參數(shù)不變?nèi)绻３稚鲜街衅渌鼌?shù)不變, , 而只改變其中一個(gè)參而只改變其中一個(gè)參數(shù)數(shù), ,

11、傳感器線圈阻抗傳感器線圈阻抗Z Z就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。通過就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z Z的變化量的變化量, , 即可實(shí)現(xiàn)對(duì)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的測量。該參數(shù)的測量。電子信息工程教研室信息采集技術(shù)電渦流傳感器等效電路圖電渦流傳感器等效電路圖電渦流傳感器電渦流傳感器載流線圈載流線圈和和金屬導(dǎo)體金屬導(dǎo)體。電子信息工程教研室信息采集技術(shù)電子信息工程教研室信息采集技術(shù)（5 5）光柵式數(shù)字位移傳感器）光柵式數(shù)字位移傳感器 光柵是一種在基體上刻制有等間距均勻分布條紋的光學(xué)光柵是一種在基體上刻制有等間距均勻分布條紋的光學(xué)元件。用于位移測量

12、的光柵稱為計(jì)量光柵。元件。用于位移測量的光柵稱為計(jì)量光柵。下圖為透射光柵的示意圖。下圖為透射光柵的示意圖。 圖中圖中a a為刻線寬度為刻線寬度, b, b為縫隙寬度為縫隙寬度, a+b, a+b=W=W稱為光稱為光柵的柵距（也稱光柵常數(shù)）。通常柵的柵距（也稱光柵常數(shù)）。通常a=b=W/2, a=b=W/2, 也可刻成也可刻成 a:ba:b=1.1:0.9=1.1:0.9。 目前常用的光柵每毫米刻成目前常用的光柵每毫米刻成1010、2525、5050、100100、250250條線條。條線條。 電子信息工程教研室信息采集技術(shù)電子信息工程教研室信息采集技術(shù)光柵傳感器又稱光柵讀數(shù)頭光柵傳感器又稱光柵

13、讀數(shù)頭,主要由標(biāo)尺光柵、主要由標(biāo)尺光柵、指示光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和光電元件等組成。標(biāo)尺光柵的有效長度即為測量光路系統(tǒng)和光電元件等組成。標(biāo)尺光柵的有效長度即為測量范圍。范圍。指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多,但兩者刻有同樣的柵距但兩者刻有同樣的柵距,使用時(shí)兩光柵互相重疊使用時(shí)兩光柵互相重疊,兩者之間有微小的空隙兩者之間有微小的空隙,其中一片固其中一片固定定,另一片隨著被測物體移動(dòng)另一片隨著被測物體移動(dòng),即可實(shí)現(xiàn)位移測量。即可實(shí)現(xiàn)位移測量。電子信息工程教研室信息采集技術(shù)光柵測量原理光柵測量原理:當(dāng)指示光柵和標(biāo)尺光柵的線紋相交一個(gè)微小的夾當(dāng)指示光柵和標(biāo)尺光柵的線紋相交一個(gè)微小的夾

14、角時(shí)角時(shí),由于擋光效應(yīng)（對(duì)線紋密度由于擋光效應(yīng)（對(duì)線紋密度50條條/mm的光柵）或光的衍的光柵）或光的衍射作用（對(duì)線紋密度射作用（對(duì)線紋密度100條條/mm的光柵）的光柵）,在與光柵線紋大致在與光柵線紋大致垂直的方向上垂直的方向上,產(chǎn)生出亮暗相間的條紋產(chǎn)生出亮暗相間的條紋,這些條紋稱為這些條紋稱為“莫爾條莫爾條紋紋”。莫爾條紋測位移的特點(diǎn)莫爾條紋測位移的特點(diǎn):(1)位移的放大作用位移的放大作用當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距距W時(shí)時(shí),莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距B,莫爾條紋的間距莫爾條紋的間距B與兩光柵線與兩光柵線紋夾角紋夾角之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為:B=W/2sin（/2）W/

15、越小越小,B越大。例如越大。例如很小很小,則則1/較大較大,即莫爾條紋寬度是柵距的即莫爾條紋寬度是柵距的1/倍。這相當(dāng)于把倍。這相當(dāng)于把柵距放大了柵距放大了1/倍倍,提高了測量的靈敏度。提高了測量的靈敏度。電子信息工程教研室信息采集技術(shù)(2)誤差的平均效應(yīng)莫爾條紋由光柵的大量刻線形成誤差的平均效應(yīng)莫爾條紋由光柵的大量刻線形成,對(duì)線紋的對(duì)線紋的刻劃誤差有平均抵消作用刻劃誤差有平均抵消作用,能在很大程度上消除短周期誤差的影能在很大程度上消除短周期誤差的影響。響。若用光電元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化若用光電元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化,則將光信則將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),輸出的幅值

16、可用光柵位移量輸出的幅值可用光柵位移量x的正弦函數(shù)表示的正弦函數(shù)表示,如圖所示。如圖所示。以電壓輸出而言以電壓輸出而言:U=U0+Umsin(/2+2x/W)式中式中U-為光電元件輸出的電壓信號(hào)為光電元件輸出的電壓信號(hào);U0-為輸出信號(hào)中的平均直流分量為輸出信號(hào)中的平均直流分量;Um-為輸出信號(hào)中正弦交流分量的幅值。為輸出信號(hào)中正弦交流分量的幅值。電子信息工程教研室信息采集技術(shù)。電子信息工程教研室信息采集技術(shù)當(dāng)光柵位移一個(gè)柵距當(dāng)光柵位移一個(gè)柵距W,波形就變化一周波形就變化一周,這時(shí)相應(yīng)條紋移動(dòng)一這時(shí)相應(yīng)條紋移動(dòng)一個(gè)條紋寬度個(gè)條紋寬度B。因此只要記錄波形變化周數(shù)即條紋移動(dòng)數(shù)。因此只要記錄波形變化

17、周數(shù)即條紋移動(dòng)數(shù)n,就就可知道光柵的位移可知道光柵的位移x。x=nB將輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過放大、將輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過放大、整形變?yōu)榉讲ㄕ巫優(yōu)榉讲?經(jīng)微分電路經(jīng)微分電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào),再經(jīng)過辨向電路和可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)再經(jīng)過辨向電路和可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),則可以數(shù)則可以數(shù)字形式實(shí)時(shí)地顯示出位移量的大小。字形式實(shí)時(shí)地顯示出位移量的大小。電子信息工程教研室信息采集技術(shù)電子信息工程教研室信息采集技術(shù)4.1.3 4.1.3 相位差法檢測相位差法檢測 常用于常用于大位移量大位移量( (距離距離) )的測量中的測量中, ,相位差檢測的載體是光相位差檢測的載體是光波或電磁波。激光測距傳感器和超聲波測距傳感

18、器。波或電磁波。激光測距傳感器和超聲波測距傳感器。4.2 4.2 速度檢測速度檢測4.2.1 4.2.1 速度檢測方法速度檢測方法速度檢測：線速度和角速度（轉(zhuǎn)速和角速率）。速度檢測：線速度和角速度（轉(zhuǎn)速和角速率）。 線速度計(jì)量單位：線速度計(jì)量單位：m/sm/s 轉(zhuǎn)速計(jì)量單位：轉(zhuǎn)速計(jì)量單位：r/minr/min 角速率計(jì)量單位：角速率計(jì)量單位：/s(/s(度秒）；度秒）； /H/H（度小時(shí)（度小時(shí)4.2.2 4.2.2 常用速度傳感器常用速度傳感器4.3 4.3 加速度檢測（自學(xué)）加速度檢測（自學(xué)）4.4 4.4 慣性量測量（自學(xué)）慣性量測量（自學(xué)）電子信息工程教研室信息采集技術(shù)（6 6）光電式

19、編碼器）光電式編碼器 將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的模擬量（位移）模擬量（位移）轉(zhuǎn)換成以轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼數(shù)字代碼形式表形式表示的電信號(hào)示的電信號(hào), , 這類傳感器稱為編碼器。編碼器以其高精度、這類傳感器稱為編碼器。編碼器以其高精度、高分辨率和高可靠性被廣泛用于各種位移測量。高分辨率和高可靠性被廣泛用于各種位移測量。 編碼器的種類很多編碼器的種類很多: :按其按其結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式有形式有直線式直線式編碼器和編碼器和旋轉(zhuǎn)式旋轉(zhuǎn)式編碼器。由于許多直編碼器。由于許多直線位移是通過轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的線位移是通過轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的, , 因此旋轉(zhuǎn)式編碼器應(yīng)用更因此旋轉(zhuǎn)式編碼器應(yīng)用更為廣泛。旋轉(zhuǎn)式編碼器又分為為廣泛。旋轉(zhuǎn)式編碼器又分為增量式增量式編碼器和編碼器和絕對(duì)式絕對(duì)式編碼編碼器。器。增量式增量式編碼器：輸出信號(hào)與編碼器：輸出信號(hào)與轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角有關(guān)。有關(guān)。絕對(duì)式絕對(duì)式編碼器：輸出信號(hào)與編碼器：輸出信號(hào)與位置位置有關(guān)。有關(guān)。按其檢測按其檢測原理原理有有電磁式電磁式、接觸式、光電式接觸式、光電式等。等。 電子信息工程教研室信息采集技術(shù)特點(diǎn)特點(diǎn): :1 1、光電式編碼器具有非接觸測量和體積小的優(yōu)點(diǎn)；、光電式編碼器具有非接觸測量和體積小的優(yōu)點(diǎn)；2 2、分辨率高、分辨率高, , 它作為精密位移傳感器在