第12章 机械量检测技术（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学·2023）

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 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τ，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。 电位器式位移传感器 1 光栅式位移检测装置 2 感应同步器 3 激光距离检测 4 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。 ⑴ 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 ⑵ 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。 ①莫尔条纹的产生 ② 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 ⑶光栅位移测量原理