第6章机械量检测与仪表

刘玉长第六章机械量检测与仪表机械量包括速度(线速度、转速)与加速度，位移(线位移、角位移)，力(重力或质量力)与力矩，振动等参数，这些参数不仅是运动控制等系统中的重要参数，也是动力机械性能的重要技术参数，同时也是其他参数，如温度、压力、流量等检测的前提。机械量测量仪表一般由传感器、测量电路、显示(或记录)器和电源组成。刘玉长第六章机械量检测与仪表第一节转速、转矩与功率测量第二节位移与厚度测量第三节振动与加速度检测第四节力与电子称量仪表刘玉长第一节转速、转矩与功率测量一、转速测量转速是指在单位时间内转轴的旋转次数，工程上采用1秒钟(sec)或1分钟(min)内转数的多少为转速测量单位，即转/秒(r/s)或转/分(r/m)，也可用角速度表示转速。测量方法：接触测量和非接触测量两大类(按工作方式分)；离心式、感应式、光电式与闪光式等（按原理分）。表6-1为常用速度传感器的性能及其特点。刘玉长类型原理测量范围精度特点线速度磁电式(10~500)Hz≤10%灵敏度高，性能稳定，移动范围±(1~15)mm，尺寸、质量较大空间滤波器(1.5~200)km/h±0.2%无需两套特性完全相同的传感器转速交流测速发电机(400~4000)rpm1%满量程示值范围在小范围内可通过调整预扭弹簧转角来调节直流测速发电机1400rpm1.5%有电刷压降形成死角区，电刷及整流子磨损影响转速表精度离心式转速表(30~24000)rpm±1%结构简单，价格便宜，不受电磁场干扰；精度较低频闪式转速表0~1.5×105rpm1%体积小，量程宽，使用简便，精度高，是非接触测量光电式反射式转速表(30~4800)rpm±1脉冲/s非接触测量，须被测轴径大于3mm直射式转速表1000rpm在被测轴上装有测速圆盘激光式测频式转速仪几万至几十万rpm±1脉冲/s适合高转速测量，低转速测量误差大测周式转速仪1000rpm适合低转速测量转速测量汽车发动机转速表(70~9999)rpm0.1%n±1rpm(n≤4000rpm)0.2%n±1rpm(n4000rpm)利用汽车发动机点火时线圈高压放电感应出脉冲信号，实现对发动机不剖体测量表6-1为常用速度传感器的性能及其特点刘玉长(一)磁电式速度表磁电式速度传感器利用电磁感应原理将速度转化为电信号。恒定磁通式(动圈式)和变磁通式(磁阻式)两种类型。动圈式(恒定磁通)速度传感器(a)直线运动；(b)旋转运动1-线圈；2-运动部分；3-永久磁铁刘玉长1、动圈式测量原理当线圈在磁场中运动时，所产生感应电势为sinddsinNBLveNtNBS直线运动旋转运动(1)当传感器结构一定时，B、S、N、L均为常数时，感应电势与线圈对磁场的相对运动速度v(或ω)成正比，因此可用来直接测定线速度和角速度。(2)由于速度与位移或加速度之间有内在联系，磁电传感器除可测量速度外，还可以用来测量位移和加速度。刘玉长2、磁阻式(变磁通)电磁感应转速表原理：当齿轮随转轴旋转时，由于齿轮的凹凸引起磁阻变化，线圈2中感应出交变电压，其频率f为齿轮齿数n与转速ω的乘积f=nω，则转速ω=nf。(a)开路式(b)闭路式磁阻式转速传感器1-永久磁铁；2-感应线圈；3-软铁；4-齿轮；5-转轴；6-内齿轮；7-外齿轮刘玉长(二)光电式转速表1、透射式光电转速表被测轴7一起转动的测量盘3、不动的读数盘4，光源1、透镜2和5以及由光敏元件6组成的光电测量系统。转速n计算公式为：n=60(N／M)，r/m式中N—脉冲频率；M—每转脉冲数(等于圆周上所开缝隙数)。刘玉长2、反射式光电转速表采用简单光学系统配合将反射光投到光敏元件上，就可以输出相应的电脉冲，以求出被测轴转速。(1)在转轴上不便于安装测量转盘时，可以在测量转轴上贴反射镜的方法。(2)为了提高分辨率，可以在转轴圆周方向等距地贴多块反射镜。当有光线入射时，在转轴每旋转一周就有多次(等于所贴反射镜数)光的反射。n透镜半透膜透镜光敏元件刘玉长(三)霍尔式转速表原理：在测量齿轮转动时，切割永久磁铁产生的磁力线，使磁通量在霍尔片的感应面上发生变化，在霍尔片上被感应出霍尔电动势，此电动势随转速作交替变化，形成电脉冲信号。霍尔片测速齿轮特点：体积小、结构简单、起动力矩小、可靠性高、频率特性好、可进行连续测量特点。适用于固定式安装，不宜在强磁场环境中使用。刘玉长二、转矩测量转矩测量仪表主要用于直接测量电动机、发动机和其他旋转机械的转矩。一般情况下，转矩的测量是基于机器转轴在承受转矩时产生扭应力或扭转角位移的原理。因此，这类仪表按工作原理可分为扭应力式(包括电阻应变式、磁弹性式等)和扭转角位移式(包括相位差式、振弦式等)两类。刘玉长(一)电阻应变式转矩检测仪表原理：当扭转轴受转矩影响而产生扭转变形时，各应变片的阻值随之发生变化，电桥输出的不平衡电压与转矩成比例。特点：结构简单，制造方便；但由于使用导电滑环、电刷或旋转变压器等给应变片供电和信号输出，故不适于高速旋转体和扭轴振动较大的场合使用。电阻应变片转矩传感器贴片方式刘玉长(二)光电式转矩检测仪表(圆光栅法)如图所示，这里所用的光栅不是产生横向条纹的圆形光栅，而是光闸光栅(主光栅与指示光栅栅线间夹角θ=0，此时莫尔条纹随着主光栅运动而明暗交替变化形成的光栅)，在轴上相距一定距离处固定两个具有黑白条纹的圆盘形透射光栅。刘玉长检测原理当轴不承受扭矩时，两片光栅的明暗条纹完全错开，遮挡住光路，因此，放置于光栅另一侧的光敏元件无光照射，输出信号为零。当有扭矩作用于被测轴上时，安装光栅处的两个截面产生相对转角，两片光栅的暗条纹逐渐重合，部分光线透过两光栅照射到光敏元件上，光敏元件产生电信号。扭转角越大，照射到光敏元件上的光越多，因而输出的电信号也越大。刘玉长(三)相位差式转矩检测仪表原理：当齿轮的齿顶对准永久磁铁的磁极时，磁路的气隙减小，磁阻减小，磁通量增大；当转轮转过半个齿距时，齿谷对准磁极，磁路气隙增大，磁通减小，变化的磁通在感应线圈中产生了感应电势。无扭矩作用时，被测轴上安装转轮的两个截面间无相对角位移，两个脉冲发生器产生的脉冲前沿是同步的；如果有扭矩作用，两个齿形转轮有了相对转角，两个脉冲发生器不再同步，便产生了相位差。因而可通过测量相位差来测量扭矩。刘玉长三、功率测量功率的测量可以通过是功率测量和转矩间接测量两类方法进行：电功率测量是先测出电动机输入功率，再利损耗分析计算电动机的输出功率，即为动力机械的轴输出功率；转矩间接测量是根据轴功率与转矩和转速的乘积成正比的关系，分别测出转矩和转速，由公式求得功率P：,kW9550TnP目前，动力机械的功率测量基本上都是通过转矩间接测量。刘玉长第二节位移与厚度测量一、位移测量仪表位移是最基本的机械量之一，分为线位移与角位移。线位移是指物体沿某一直线运动的距离，角位移是指物体绕某一点转动的角度，一般称角位移的测量为角度测量。刘玉长位移检测方法根据位移检测范围的不同，可分为微小位移检测、小位移检测和大位移检测三种。根据传感器转换结果，可分为模拟式和数字式两类。模拟式传感器将位移转换为模拟信号，如自感式位移传感器、差动变压器、涡流传感器、电容式传感器、电阻式传感器、霍尔传感器等；数字传感器是将位移转换为数字信号，如光栅、磁栅、光电码盘与感应同步器等。刘玉长(一)电容式位移检测仪表电容式位移传感器有改变电极工作面积和变极间距两种方式，其中变极间距式测量范围较小；变面积式测量的位移较大，转角也大。电容式位移传感器结构简单、可靠、灵敏度高、动态特性好，但由于连接导线的寄生电容干扰不易消除，故测量准确度不高。刘玉长(二)涡流位移传感器基于电涡流效应原理。电涡流:当通过金属体的磁通发生变化时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流。涡流效应:电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。分类：高频反射式(几兆赫到几百兆赫)与低频透射式(几百到一两千赫)。刘玉长1、高频反射式涡流传感器结构高频反射式涡流传感器结构原理如下图所示。高频检测线圈绕制在聚四氟乙烯框架的开槽中，形成一个扁平线圈，线圈用高强度漆包线绕制。反射式涡流传感器1-线圈；2-骨架；3-引线刘玉长2、高频反射式涡流传感器原理当线圈中通以高频电流i1，产生交变磁场H1，在高频磁场作用下，金属板内产生涡流i2，涡流产生二次磁场H2，反过来削弱传感器的磁场H1，使原线圈的阻抗ZC发生变化：ZC=F(ρ,μ,f,x)当金属导体的电阻率ρ、磁导率μ和励磁频率f保持不变时，ZC只与传感器与被测导体间的距离x有关，即ZC=F(x)刘玉长(三)数字式位移传感器数字式位移传感器将被测位移转换为数码信号输出的测量元件，又称为编码器。两种类型：(1)绝对编码器：它对应每一位移量都能产生唯一的数字编码，因此在指示某一的位移时，编码器不必要存贮原先的位移。编码的分辨力决定于编码器输出数字的位数。如电刷编码器、磁性编码器和光学编码器。(2)增量编码器：在测量物体位移时，能发生电流或电压的跃变。输出信号的每次跃变所对应的位移增量决定于编码器的分辨力。为了测量位移，必须利用存贮器计数跃变的次数。常用的有感应同步器、磁栅和光栅。刘玉长二、厚度测量厚度测量是位移测量的一种特殊形式，因此很多位移传感器都可用来检测厚度，按测量原理可分为接触式测量和非接触式测量两大类。常用的有电感式、高频涡流式、微波式、射线式和超声波式等。以下介绍超声波式测厚仪。刘玉长超声波式测厚仪当超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两分界面上会产生反射。超声波换能器向被测件表面发出的脉冲，并接收被测件底面的反射脉冲，从发出脉冲到接收到脉冲的时间间隔T与材料的厚度d成正比。即被测件的厚度可用下式求出:2vTd式中v为超声波在被测件中的传播速度。探头(换能器)被测件脉冲d刘玉长第三节振动与加速度检测一、振动测量仪表振动是一个物质系统的重复、周期运动，其特性是指振动的位移(振幅)、速度、加速度、频率以及应力等参数。描述振动特征的主要参量为频率、振幅和相位，因此振动测量最基本的目的就是测量这三个参量。刘玉长振动检测内容与传感器(1)当研究振动对机械加工精度的影响时，要测量位移幅值的大小，振动位移测量的传感器有：电涡流式传感器、电感式传感器、电容式传感器；(2)当研究振动引起声辐射大小时，则需要测量振动的速度，振动速度测量传感器有：相对式电动传感器、惯性式电动传感器；(3)当需要考虑机械损伤时，主要测量加速度，振动加速度传感器有：压电式力传感器、阻抗头、电阻应变式传感器、电阻应变式传感器。刘玉长常用测振传感器(a)差动变压器式;(b)电涡流式;(c)应变片式刘玉长二、加速度测量仪表加速度是物体运动速度的变化率，不能直接测量，一般多采用所谓的质量-弹簧系统。即利用测量质量块随被测物体作加速运动时所表现出的惯性力来确定其加速度。最简单的加速度计由外壳、质量块、力敏元件和限制质量块与外壳之间相对运动的弹簧(也称限动弹簧)构成，如图所示。刘玉长(一)压电式加速度计如图所示，在基座与质量块中间压着压电片，用弹簧片将质量块和压电片压紧在基座上，改变外壳的拧紧程度，可以调整弹簧片对质量块压电片-基座间的预紧力。当传感器固紧在待测基体上时，由于振动作用，质量块将给压电片以周期的作用力，经压电变换后，在压电陶瓷片上产生电荷，该电荷由引出电极输出送入测量仪表，从而得到加速度。刘玉长(二)应变片加速度计应变片加速度计是利用半导体或金属应变片作为它的力敏元件。在这种传感器中，质量块支撑在弹性体上，弹性体上贴有应变片，如图所示。测量时，在质量块的惯性力的作用下，弹性体产生形变，应变片把应变转换为电阻值的变化，最后通过测量电路输出正比于加速度的电信号。应变片加速度计原理1—弹性体；2—质量块；3—应变片；4—截面积；5—底座刘玉长(三)扩散硅压阻膜片的加速度传感器它的顶部和底部的玻璃板之间夹着硅基片，硅基片上按一定晶向制成4个扩散压敏电阻，硅基片下部切割成中部厚边缘薄的杯状膜