第10章機(jī)械量電測法

第10章機(jī)械量電測法1本章內(nèi)容10.1轉(zhuǎn)速的電測法10.2振動(dòng)的電測法10.3力與荷重的電測法10.4力矩的電測法210.1轉(zhuǎn)速的電測法轉(zhuǎn)速的表示方式：1、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度：2、轉(zhuǎn)速：每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)n，3、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率f：每秒鐘轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)4、轉(zhuǎn)動(dòng)周期，，所以單位：弧度/秒（rad/s）單位：轉(zhuǎn)/分（r/min）單位：轉(zhuǎn)/秒模擬式計(jì)數(shù)式3一、測速發(fā)電機(jī)10.1.1模擬式電測法——把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓根據(jù)電磁感應(yīng)原理做成的專門測速的微型發(fā)電機(jī)，輸出電壓正比于輸入軸上的轉(zhuǎn)速，即：B為測速發(fā)電機(jī)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度；r為測速發(fā)電機(jī)繞組的平均半徑，l為繞組的總有效長度，ω為轉(zhuǎn)子的角速度；n為測速發(fā)電機(jī)的每分鐘轉(zhuǎn)速。4Me使鋁盤轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使游絲扭轉(zhuǎn)變形，游絲扭矩：二、磁性轉(zhuǎn)速表圖10-1-1磁性轉(zhuǎn)速表的結(jié)構(gòu)原理磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，鋁盤因相對運(yùn)動(dòng)形成渦流，該渦流產(chǎn)生的磁場與永久磁鐵的磁場相互作用使鋁盤產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩Me。Me與轉(zhuǎn)速n成正比：游絲帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)，平衡時(shí)：指針指示的轉(zhuǎn)角θ對應(yīng)于被測軸的轉(zhuǎn)速n5Me使鋁盤轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使游絲扭轉(zhuǎn)變形，游絲扭矩：二、磁性轉(zhuǎn)速表圖10-1-1磁性轉(zhuǎn)速表的結(jié)構(gòu)原理磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，鋁盤因相對運(yùn)動(dòng)形成渦流，該渦流產(chǎn)生的磁場與永久磁鐵的磁場相互作用使鋁盤產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩Me。Me與轉(zhuǎn)速n成正比：游絲帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)，平衡時(shí)：指針指示的轉(zhuǎn)角θ對應(yīng)于被測軸的轉(zhuǎn)速n6圖10-1-2離心式轉(zhuǎn)速表結(jié)構(gòu)原理----把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為位移離心力：彈簧力：平衡時(shí)：三、離心式轉(zhuǎn)速表7圖10-1-2離心式轉(zhuǎn)速表結(jié)構(gòu)原理----把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為位移離心力：彈簧力：平衡時(shí)：三、離心式轉(zhuǎn)速表8----將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖頻率10.1.2計(jì)數(shù)式電測法一、測頻計(jì)數(shù)式轉(zhuǎn)換公式：適于轉(zhuǎn)速快的場合9圖10-1-4磁電式轉(zhuǎn)速傳感器10.1.2計(jì)數(shù)式電測法1、磁電式----將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖頻率一、測頻計(jì)數(shù)式10圖10-1-4磁電式轉(zhuǎn)速傳感器10.1.2計(jì)數(shù)式電測法1、磁電式----將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖頻率一、測頻計(jì)數(shù)式11圖10-1-4磁電式轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)換公式脈沖頻率：n：每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)m：每轉(zhuǎn)一周傳感器發(fā)出脈沖數(shù)（即齒輪齒數(shù)）10.1.2計(jì)數(shù)式電測法1、磁電式----將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖頻率一、測頻計(jì)數(shù)式122、霍爾式10.1.2計(jì)數(shù)式電測法----將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖頻率一、測頻計(jì)數(shù)式圖10-1-7霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)盤圓周上安置m個(gè)永磁鐵氧體13圖10-1-7霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器2、霍爾式m個(gè)永磁鐵氧體霍爾元件霍爾元件粘貼在磁極的端面上10.1.2計(jì)數(shù)式電測法----將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖頻率一、測頻計(jì)數(shù)式轉(zhuǎn)盤圓周上安置m個(gè)永磁鐵氧體14圖10-1-8光電式轉(zhuǎn)速傳感器3、光電式10.1.2計(jì)數(shù)式電測法----將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖頻率一、測頻計(jì)數(shù)式黑白間隔數(shù)(a圖)或透光縫隙數(shù)(b圖）為m15圖10-1-8光電式轉(zhuǎn)速傳感器3、光電式10.1.2計(jì)數(shù)式電測法----將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖頻率一、測頻計(jì)數(shù)式黑白間隔數(shù)(a圖)或透光縫隙數(shù)(b圖）為m1610.1.2計(jì)數(shù)式電測法當(dāng)轉(zhuǎn)速很慢時(shí)，通常是測量轉(zhuǎn)動(dòng)周期來反映轉(zhuǎn)動(dòng)快慢，這種測量轉(zhuǎn)速的方法稱為測周法。二、測時(shí)（測周）計(jì)數(shù)式若圓周上設(shè)m個(gè)檢測電，每轉(zhuǎn)1/m周計(jì)入的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)為N，時(shí)鐘脈沖周期為T0，則轉(zhuǎn)動(dòng)周期為：T=mNT0適于轉(zhuǎn)速慢的場合1710.1.2計(jì)數(shù)式電測法三、測瞬時(shí)轉(zhuǎn)速通常采用測量每轉(zhuǎn)過一個(gè)指定的角度所需時(shí)間的方法來測量瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。瞬時(shí)角速度為：若計(jì)時(shí)脈沖頻率為f0，時(shí)間內(nèi)計(jì)入時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)為Ni，則：若將每轉(zhuǎn)一周均勻分為m個(gè)測點(diǎn)，每兩相鄰測點(diǎn)間距為，各段所用時(shí)間的計(jì)時(shí)脈沖數(shù)位Ni，則各測點(diǎn)的瞬時(shí)角速度為：1810.2振動(dòng)的電測法

物體的機(jī)械振動(dòng)是指物體在其平衡位置附近作來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)。用電測方法測量振動(dòng)的裝置稱為振動(dòng)傳感器（或測振傳感器）。對物體的機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行測量，通常是測量其振動(dòng)的頻率、振幅、速度、加速度等。1910.2振動(dòng)的電測法振動(dòng)傳感器分類：1、根據(jù)被測參數(shù)不同來分類：

振動(dòng)位移傳感器、振動(dòng)速度傳感器、振動(dòng)加速度傳感器。2、根據(jù)傳感器工作原理分類：應(yīng)變式、電容式、電感式、電渦流式、差動(dòng)變壓器式、磁電式、壓電式、光電式等。3、根據(jù)選定的運(yùn)動(dòng)參照點(diǎn)來分類：

相對振動(dòng)傳感器、絕對振動(dòng)傳感器。2010.2.1相對振動(dòng)傳感器與絕對振動(dòng)敏感器一、相對振動(dòng)傳感器相對振動(dòng)——物體相對于其平衡位置的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。1.相對振動(dòng)傳感器的特點(diǎn)內(nèi)部固定部分與運(yùn)動(dòng)參照點(diǎn)（平衡）位置相對靜止；內(nèi)部可動(dòng)部分與被測振動(dòng)體一起運(yùn)動(dòng)。2110.2.1相對振動(dòng)傳感器與絕對振動(dòng)敏感器一、相對振動(dòng)傳感器2.傳感器可動(dòng)部分與被測振動(dòng)體關(guān)聯(lián)方式圖10-2-1相對振動(dòng)傳感器的關(guān)聯(lián)方式(a)固接式（b)彈壓式2210.2.1相對振動(dòng)傳感器與絕對振動(dòng)敏感器一、相對振動(dòng)傳感器2.傳感器可動(dòng)部分與被測振動(dòng)體關(guān)聯(lián)方式圖10-2-1相對振動(dòng)傳感器的關(guān)聯(lián)方式(a)固接式（b)彈壓式23彈壓式相對振動(dòng)傳感器要求可動(dòng)部分對被測物體的壓力大于0（即保持接觸不分離）：FKmamFk為彈簧力；m為傳感器可動(dòng)部分及頂桿的質(zhì)量；am為被測物體的加速度幅值；k為彈簧的彈性系數(shù)；ΔL為彈簧的初壓縮量；ω為簡諧振動(dòng)角頻率；xm為簡諧振動(dòng)的振幅。傳感器可動(dòng)部分跟隨被測物體運(yùn)動(dòng)的條件為：2410.2.1相對振動(dòng)傳感器與絕對振動(dòng)敏感器二、絕對振動(dòng)敏感器絕對振動(dòng)——被測物體相對于大地或慣性空間的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。1.絕對振動(dòng)敏感器的特點(diǎn)內(nèi)部固定部分與被測振動(dòng)體一起運(yùn)動(dòng)。內(nèi)部可動(dòng)部分有一定質(zhì)量m，且通過彈簧R與固定部分相連接。內(nèi)部可動(dòng)部分與固定部分之間相對運(yùn)動(dòng)受阻尼力作用，阻尼系數(shù)為C，即絕對振動(dòng)敏感器內(nèi)部存在一個(gè)“m-k-c”系統(tǒng)。2510.2.1相對振動(dòng)傳感器與絕對振動(dòng)敏感器二、絕對振動(dòng)敏感器2.絕對振動(dòng)敏感器的工作原理圖10-2-2絕對振動(dòng)敏感器的工作原理x：絕對位移2610.2.1相對振動(dòng)傳感器與絕對振動(dòng)敏感器二、絕對振動(dòng)敏感器2.絕對振動(dòng)敏感器的工作原理圖10-2-2絕對振動(dòng)敏感器的工作原理yx：絕對位移2710.2.1相對振動(dòng)傳感器與絕對振動(dòng)敏感器二、絕對振動(dòng)敏感器2.絕對振動(dòng)敏感器的工作原理圖10-2-2絕對振動(dòng)敏感器的工作原理y如圖由質(zhì)量塊彈簧阻尼器構(gòu)成的系統(tǒng)簡稱為“m-k-c”系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上就是一種敏感器。它把被測物體的絕對運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為敏感器中可動(dòng)部分與固定部分的相對運(yùn)動(dòng)。被測物體振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊絕對位移為z:z=x+y（矢量相加）x：絕對位移28基于“m-k-c”系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)關(guān)系及受力分析，可列出其運(yùn)動(dòng)方程，對方程進(jìn)行分析推導(dǎo)，可得到質(zhì)量塊的相對運(yùn)動(dòng)位移y與被測物體絕對運(yùn)動(dòng)參數(shù)（位移、速度、加速度）之間的關(guān)系。（分析推導(dǎo)過程略，結(jié)果如下）yx：絕對位移圖10-2-2絕對振動(dòng)敏感器的工作原理3.絕對振動(dòng)敏感器的功能29ω是被測振動(dòng)角頻率，ω0是傳感器固有角頻率。3.絕對振動(dòng)敏感器的功能當(dāng)ω>>ω0時(shí)：當(dāng)ω≈ω0時(shí)：當(dāng)ω<<ω0時(shí)：相對振動(dòng)位移振幅被測體絕對振動(dòng)位移振幅相對振動(dòng)位移振幅被測體絕對振動(dòng)速度振幅相對振動(dòng)位移振幅被測體絕對振動(dòng)加速度振幅絕對振動(dòng)敏感器把被測物體的絕對振動(dòng)轉(zhuǎn)換成敏感器內(nèi)部可動(dòng)部分與固定部分的相對運(yùn)動(dòng)。3010.2.2絕對振動(dòng)電測法幾種設(shè)計(jì)制作慣性式振動(dòng)傳感器的思路和方法：一、位移傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)二、磁電式傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)三、渦流式傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)下面僅以第一種為例進(jìn)行介紹。3110.2.2絕對振動(dòng)電測法可動(dòng)部分與固定部分用彈簧片或彈性元件相連，并填充阻尼液體或氣體；可動(dòng)部分質(zhì)量加大或與質(zhì)量塊固定在一起；固定部分與被測振動(dòng)體相連。一、位移傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)型位移傳感器（電位器式、電感式、電容式、渦流式等）內(nèi)部都包括固定部分和可動(dòng)部分。對其做如下設(shè)計(jì)，即可制成位移型慣性式振動(dòng)傳感器。3210.2.2絕對振動(dòng)電測法一、位移傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)實(shí)例：

電容式加速度傳感器圖10-2-3電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖此電容式加速度傳感器實(shí)際上是變極距差動(dòng)電容式位移傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)構(gòu)成。變極距型電容傳感器差動(dòng)式3310.2.2絕對振動(dòng)電測法一、位移傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)實(shí)例：

電容式加速度傳感器圖10-2-3電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖此電容式加速度傳感器實(shí)際上是變極距差動(dòng)電容式位移傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)構(gòu)成。變極距型電容傳感器差動(dòng)式34差動(dòng)電容：因?yàn)槿籀?gt;>ω0：若ω<<ω0：測出電橋電路中輸出電壓幅值Um，即可確定振動(dòng)位移幅值Xm或振動(dòng)加速度幅值A(chǔ)m。圖10-2-3電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖3510.3力與荷重的電測法直接法----直接將力轉(zhuǎn)換為電信號，如壓電式傳感器(5.2節(jié))、振弦式傳感器、振梁式傳感器（7.4節(jié)）間接法----以彈性元件作為敏感器，將拉力或壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或位移，再用應(yīng)變傳感器或位移傳感器把應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換為電量。3610.3.1力敏感器一、實(shí)心軸和空心圓軸圖10-3-1實(shí)心圓柱狀彈性元件縱向線應(yīng)變：橫向線應(yīng)變：3710.3.1力敏感器一、實(shí)心軸和空心圓軸圖10-3-1實(shí)心圓柱狀彈性元件縱向線應(yīng)變：橫向線應(yīng)變：3810.3.1力敏感器二、懸臂梁1.等截面梁圖10-3-2（a)等截面梁自由端撓度：3910.3.1力敏感器二、懸臂梁2.變截面（等強(qiáng)度）梁圖10-3-2（b)變截面梁自由端撓度：4010.3.2力的間接電測法——將應(yīng)變片粘貼到力敏感器上一、應(yīng)變式力傳感器四應(yīng)變片接成電橋的輸出電壓：411.受力圓柱上沿軸向和周向粘貼應(yīng)變片圖10-3-3受壓圓柱上應(yīng)變片的粘貼10.3.2力的間接電測法一、應(yīng)變式力傳感器422.等強(qiáng)度梁上下兩表面粘貼應(yīng)變片圖10-3-4等強(qiáng)度梁上應(yīng)變片的粘貼10.3.2力的間接電測法一、應(yīng)變式力傳感器43二、位移式力傳感器1.電容式荷重傳感器圖10-3-5電容式稱重傳感器1-動(dòng)極