长江大学感测技术PPT第十章 机械量电测法

2020/1/301第十章机械量电测法电子信息学院杨友平2020/1/30210.1转速的电测法转速的表示方式：1、转动角速度2、转速——每分钟转动圈数n3、转动频率f——每秒钟转动圈数4、转动周期，，所以10.1.1模拟式电测法一、测速发电机——把转速转换成电压tnfT6016022nf02/60UBlvBlrBlrn二、磁性转速表图10－1-1把转速转换为转角铝盘转矩游丝扭矩——指针转角nKMeessKM2020/1/30310.1.1模拟式电测发图10-1-1磁性转速表的结构原理esknknk平衡时所以seMM2020/1/304图10-1-2离心式转速表结构原理三、离心式转速表图10－1-2把转速转换为位移离心力弹簧力平衡时2ccKFxKFss2scKKx2020/1/305图10-1-3频闪转速表原理图四、频闪转速表图10－1-3反光标志最亮且稳定不动时，闪光频率等于转动频率。2020/1/30610.1.2记数式电测法图10-1-4磁电式转速传感器一、转速传感器――将转速转换成脉冲频率1、转换公式脉冲频率n——每分钟转动圈数m——每转一周传感器发出脉冲数，60nmf2020/1/307图10-1-5磁阻式转速-脉冲转换电路2、实例：1°磁电式图10－1-4图10－1-52020/1/308图10-1-6电容式转速传感器测速度原理图2°电容式、电涡流式图10－1-62020/1/309图10-1-7霍尔式转速传感器3°霍尔式图10－1-72020/1/3010图10-1-8光电式转速传感器4°光电式：反射式图10－1-8（a）透射式图10－1-8（b）2020/1/3011图10-1-9多齿电容传感器2360mm5°圆栅式图10－1-92020/1/3012二、转速传感器测量电路1、测频计数式――适于转速快场合晶体振荡器输出的时钟频率fc,经分频器k分频后形成宽度为T=k/fc的门控信号，计数器从０开始对传感器脉冲计数，在T时间内，计数结果为60cckkmNTffnff2020/1/30132、测周计数式――适于转速慢场合转速传感器信号（周期为T/m）经整形和k分频后，形成门控信号，计数器从０开始对晶体振荡器输出的周期Tc稳定的时钟脉冲计数，计数结果为ckNTmT3、测瞬时角速度随转轴转动的转盘上均匀分布m个测点，即每相邻两个测点的间距均为Δθ=2π/m，只要测出转过各段Δθ所用时间Δti的计时脉冲数Ni，Δti=NiTc，即可求出每个测点的瞬时角速度：2ciifmN(i=1,2,…m)2020/1/301410.2振动的电测法10.2.1相对振动传感器与绝对振动敏感器一、相对振动传感器相对振动——物体相对于其平衡位置的往复运动。1、相对振动传感器的特点①内部固定部分与运动参照点（平衡）位置相对静止②内部可动部分与被测振动体一起运动2、传感器可动部分与被测振动体关联方式①固接式图10－2-1（a）②弹压式图10－2-1（b）0mKmaFFLKFKmmxa2mmxxKmL20222020/1/301510.2.1相对振动传感器与绝对震动传感器图10-2-1相对振动传感器的关联方式2220mmmLxxk0km2020/1/3016二、绝对振动敏感器绝对振动——被测物体相对于大地或惯性空间的往复运动。1、绝对振动敏感器的结构特点①内部固定部分与被测振动体一起运动②内部可动部分有一定质量m，且通过弹簧R与固定部分相连接③内部可动部分与固定部分之间相对运动受阻尼力作用，阻尼系数为C，即绝对振动敏感器内部存在一个“”系统2、绝对振动敏感器的运动分析ckm①运动关系图10－2-2（矢量相加）②受力分析：弹簧力阻尼力③运动方程④传输函数：3、绝对振动敏感器的功能――把被测物体的绝对振动转换成敏感器内部可动部分与固定部分的相对运动1°当时为位移敏感器2°当时为加速度敏感器3°当时为速度敏感器0mmxy0kmaaymmm//200mmmVDVcmy022020/1/3017图10-2-2绝对振动敏感器的工作原理22200222dydydxDydtdtdt0km022ccDmmk2020/1/301810.2.2绝对振动电测法图10-2-3电容式加速度传感器结构示意图00022mmYXEEUdd一、位移传感器配接绝对振动敏感器可动部分与固定部分用弹簧片或弹性元件相连，可动部分与质量块相连，固定部分与被测振动体相连。实例电容式加速度传感器。02121ddCCCCyd02121dyCCCC若，则，所以0mmxy02121dyCCCCm若，则所以020/mmaykmadaCCCCmm02021212020/1/3019二、磁电式传感器配接绝对振动敏感器图5－1－2(b)可动部分与固定部分用弹簧片或弹性元件相连，可动部分为活动线圈（质量m），固定部分为外壳和磁钢与被测振动体相连，线圈相对磁钢的运动产生感应电压。dtdyBledtdykRRReuddd0mfRBlD024)(220200222dtVdkudtduDudtud400)(121)()(kDjVjU所以当时，0mccdmmVRRRlBVkU0三、涡流式传感器配接绝对振动敏感器——涡流式加速度传感器紫铜环（质量块m）由弹簧片（k）悬挂在磁场中，感应线圈与外壳及磁钢为固定部分同被测振动体相连。2020/1/3020紫铜环感应电压感应电流紫铜环电流产生磁场线圈中感应电压线圈输出电压绝对振动敏感器运动方程对上式取二阶导数，并将及其一阶导数代入得：dtdyce1dtdyrcrei1ici22221dtydrccndtdnei220dtydkRRReudcddcdRRRrccnk21022200222dtxdydtdyDdtyd220dtydku2020/1/30212002202)()(sDssksAsU4002022200)(121)2()1()()(KDDKjAjU所以所以220200222dtadkudtduDdtud2020/1/302210.2.3振动加速度传感器实例――位移传感器配接“m=k-c”系统的实例图10-2-4电位器式加速度传感器一、电位器式加速度传感器图10-2-42020/1/3023图10-2-5差动变压器式加速度传感器二、差动变压器式加速度传感器图10-2-52020/1/3024图10-2-6电阻式加速度传感器的原理图三、电阻式加速度传感器图10-2-62020/1/3025图10-2-7霍尔式加速度传感器四、霍尔式加速度传感器图10-2-72020/1/3026图10-2-8压缩式压电加速度计结构图五、压电式加速度传感器1、压缩式图10-2-82020/1/3027图10-2-9剪切型压电式加速度计2、剪切型图10-2-92020/1/3028图10-2-10弯曲型压电式加速度计3、弯曲型图10-2-102020/1/3029图10-2-11差动式压电加速度传感器4、差动式图10-2-112020/1/3030图10-2-12压电加速度计的力学模型0332033440011()1()kmdkdmQA因为10.2.4压电式加速度电测系统分析一、压电式加速度传感器1、压电式传感器kyFkydFdQ3333kdyQ332、加速度敏感器——“”系统ckm4020)(1121DAy2020/1/3031二、压电式加速度电测系统1、接电压放大器20)(11nCGQURCn1CGmdCGmdAUnn330402330)(11)(112、接电荷放大器20)(111nFCQUFnnFCmdCmdAU330402330)(11)(11icaCCCCiaRRR//G——电压放大器增益2020/1/303210.3力与荷重的电测法10.3.1力敏感器图10-3-1实心圆柱状弹性元件lFAErFAE直接法――直接将力转换为电信号，如压电式传感器(5.2节)振弦式传感器、振梁式传感器（7.4节）间接法――以弹性元件作为敏感器，将拉力或压力转换为应变或位移，再用应变传感器或位移传感器把应变或位移转换为电量。一、实心轴和空心圆轴图10－3-1rKlKFrL2020/1/3033图10-3-2悬臂梁的结构FkFyFykF二、悬臂梁①等载面梁图10－3-2（a）②等强度梁图10－3-2（b）结论：力敏感型弹性元件上某一指定部位处的应变ε与外力F成正比力敏感型弹性元件的自由端或外力作用点相对于固定端的位移(挠度)y也与外力F成正比2020/1/303410.3.2力的间接电测法图10-3-3受压圆柱上应变片的粘贴0(1)2kUFUAE一、应变式力传感器——将应变片粘贴到力敏感器上四应变片接成电桥的输出电压)(4443322110RRRRRRRREU)(4432100KEKRRiii1、受力圆柱上沿轴向和周向粘贴应变片图10－3-32020/1/3035图10-3-4等强度梁上应变片的粘贴0206lUkUFEbh2、等强度梁上下两表面粘贴应变片图10－3-42020/1/3036图10-3-5电容式称重传感器1-动极板；2-定极板；3-绝缘材料；4-弹性体；5-极板支架二、位移式力传感器1、电容式荷重传感器吊环式图10－3-5(a)平台式图10－3-5(b)FKdd0kFCddCCx110002020/1/3037图10-3-6差动变压器式测力传感器2、差动变压器式图10－3－6差动变压器输出电压FK0FKNNEU1202020/1/303810.3.3荷重传感器与电子秤图10-3-7皮带电子秤原理1200()ttgWWtdtCEEdt荷重传感器――用于测量重力的力传感器。电子秤――主要由荷重传感器(压头)及显示仪表组成。1．电子台秤2．吊车秤3．料斗秤4．平台秤和轨道衡5．皮带秤图10-3-7Lwgtg/)()(11tgcE)()()(tVtgtw)(22tVcE2020/1/303910.4力矩的电测法10.4.1扭轴（扭矩敏感器）图10-4-1扭转轴上的应变3sin2TrG34545TrG42LTrG力矩的测量方法：扭轴法、平衡力法、电机参数法一、扭矩使扭轴产生的剪应变二、扭矩使扭轴的两端面产生错角――扭角2020/1/304010.4.2力矩的扭轴式电测法图10-4-2光电式扭矩传感器原理图一、应变法在扭转轴上选取适当的截面，在截面的圆周方向每隔90°布置一个应变片，其贴片方向仍沿与轴线成45°和135°的方向，并将它们接成全桥的形式，0345kUUkUTrG二、扭角法１、光电式转矩传感器图10－4-2光电电压与扭角成正比2020/1/3041图10-4-3磁电式相位差扭矩传感器原理图42rGTml2、磁电式相位差扭矩传感器图10－4-3mmlGrM242020/1/3042图10-4-4振弦式扭矩传感器3、振弦式扭矩传感器图10－4-4两个卡环的相对转角θ与扭矩T成正比，因而由卡环传给振弦的张力差也与扭矩成正比，因此两振弦传感器的固有频率差代表扭矩的变化。2020/1/3043图10-4-5磁桥式扭矩传感器（磁桥）原理图三、扭磁法1、磁桥式扭矩传感器(磁桥)图10-4-5