《机械参数测量》PPT课件.ppt

液压测试及计算机测控技术,周生浩 液压与气动技术研究所 Institute of Hydraulic Pneumatic Technology (IHPT),Hydraulic Testing and Computer Measurement & Control,2010.10.09,mousegame1,mousegame2,mousegame3,3 机械基本参数测量,机械基本参数,应变,直线位移,角位移,直线速度,转速,力,结构,原理,性能,标定方法,扭矩,振动和噪声,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻应变效应,当金属丝在外力作用下发生机械变形时其电阻值将发生变化,F l、A 、 R,长为l、 截面积为A、 电阻率为的金属或半导体丝, 电阻,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻应变效应,对于半径为r的圆导体，A=r2，A/A=2r/r 又由材料力学可知，在弹性范围内，,为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量； 为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5； 为压阻系数，与材质有关；为应力值；E为材料的弹性模量；,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻灵敏系数,材料的几何尺寸变化引起的 材料的电阻率随应变引起的（压阻效应）,金属材料：k0以前者为主，则k01+2=1.73.6 半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定,k050100,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变片的基本结构与种类,敏感栅 直径为0.025mm左右的合金电阻丝 丝绕式 基 底 绝缘 覆盖层 保护,位移、力、力矩、加速度、压力,弹性敏 感元件,应变,外力作用 被测对象表面产生微小机械变形 应变片敏感栅随同变形 电阻值发生相应变化,应变片,金属电阻丝应变片 基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变片的基本结构与种类,应变计,金属属性,半导体式,体形,薄膜型,丝式,箔式,纸基,胶基,体型 薄模型 扩散型 外延型 Pn结及其它形式,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,金属丝式应变片,金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角, 如右图所示。 弯曲部分作成圆弧（U）形是最早常用的一种形式, 制作简单但横向效应较大。 直角（H）形两端用较粗的镀银铜线焊接, 横向效应相对较小, 但制作工艺复杂, 将逐渐被横向效应小、 其他方面性能更优越的箔式应变计所代替。,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,箔式应变片,箔式应变计的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属薄栅（厚度一般在0.0030.01mm）。与丝式应变计相比有如下优点: (1) 工艺上能保证线栅的尺寸正确、 线条均匀, 大批量生产时, 阻值离散程度小。 (2) 可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型小基长（如基长为0.1 mm）的应变计。 (3) 敏感栅截面积为矩形, 表面积大, 散热好, 在相同截面情况下能通过较大电流。 (4) 厚度薄, 因此具有较好的可挠性, 它的扁平状箔栅有利于形变的传递。 (5) 蠕变小, 疲劳寿命高。(6) 横向效应小。 (7) 便于批量生产, 生产效率高。 下图为几种箔式应变计。 ,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,箔式应变片,几种箔式应变计,缺点： 电阻值的分散性大, 阻值调整困难,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,金属薄膜应变片,采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产 问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,半导体应变片,薄膜型半导体应变计是利用真空沉积技术将半导体材料沉积于绝缘体或蓝宝石基片上制成的。 扩散型半导体应变计是将P型杂质扩散到高阻的N型硅基片上, 形成一层极薄的敏感层制成的。 外延型半导体应变计是在多晶硅或蓝宝石基片上外延一层单晶硅制成的。,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,半导体应变片,(1)灵敏度高。 比金属应变计的灵敏度约大50100倍。 工作时, 可不必用放大器就可用电压表或示波器等简单仪器记录测量结果。 (2)体积小, 耗电省。 (3)由于具有正、 负两种符号的应力效应（即在拉伸时P型硅应变计的灵敏度系数为正值; 而N型硅应变计的灵敏度系数为负值。 (4)机械滞后小, 可测量静态应变、 低频应变等。,优点,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计,应变计是一种重要的敏感元件。首先, 它在实验应力分析中是测量应变和应力的主要传感元件; 其次, 某些其他类型的传感器, 如膜片式压力传感器、 加速度计、线位移传感器等, 也经常使用应变计作为机电转换元件或敏感元件, 广泛地应用于工程测量和科学实验中。,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计,应变计之所以成为重要的敏感元件, 主要由于具有如下优点: (1) 测量应变的灵敏度和精确度高。能测12微应变（110-6 mm/mm）的应变。 误差一般可小于1%。精度可达 0.015%FS（普通精度可达 0.05%FS）。 (2) 测量范围大。 从弹性变形一直可测至塑性变形。 变形范围从1%20%。 (3) 尺寸小（超小型应变计的敏感栅尺寸为 0.2mm2.5 mm）, 重量轻, 对试件工作状态和应力分布影响很小。既可用于静态测量, 又可用于动态测量, 且具有良好的动态响应（可测几十甚至上百赫的动态过程）。 (4) 能适应各种环境。可以在高温、超低压、高压、水下、 强磁场以及辐射等恶劣环境下使用。 (5) 价格低廉、 品种多样, 便于选择和大量使用。,应变计有如下缺点: 在大应变下具有较大的非线性, 半导体应变计的非线性更为明显; 输出信号较微弱, 故抗干扰能力较差。 应变式传感器的性能在很大程度上取决于应变计的性能。,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,（一）灵敏系数 （二）横向效应 （三）温度误差及其补偿,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的电阻值 R,应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值 电阻系列：60、120、200、350、500、1000 可以加大应变片承受电压， 电阻值大 输出信号大， 敏感栅尺寸也增大,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,1. 灵敏系数,“标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件材料 为泊松系数=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5的 产品来测定，取平均值及允许公差值。,电阻应变片的灵敏系数k 电阻丝的灵敏系数k0,粘结层传递变形失真 还存在有横向效应,原因：,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,2. 横向效应,敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成 直线段：沿轴向拉应变x，电阻 圆弧段：沿轴向压应度y 电阻,K (箔式应变片),l,y,x,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,2. 横向效应,应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,3. 温度误差及其补偿,试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化 。,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境 温度变化T 时，敏感栅材料电阻温度系数为 ， 则引起的电阻相对变化为,其中,3. 温度误差及其补偿,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化T 时，敏感栅材料电阻温度系数为 ，则引起的电阻相对变化为,其中,3. 温度误差及其补偿,可得由于温度变化而引起的总电阻变化为,相应的虚假应变输出为,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,3. 温度误差及其补偿,单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻,温度补偿,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,3. 温度误差及其补偿,应变片的自补偿法,a.粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。 b.选择式自补偿应变片 c. 双金属敏感栅自补偿应变片,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,3. 温度误差及其补偿,选择式自补偿应变片,优点：容易加工，成本低， 缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。,实现温度补偿的条件为,当被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料，使下式成立,可达到温度自补偿的目的,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,3. 温度误差及其补偿,双金属敏感栅自补偿应变片,组合自补偿法,敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成,选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足,通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达0.45m/的高精度,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变计的主要特性,3. 温度误差及其补偿,热敏电阻补偿,T KRt,Rt,U = Ui - URt,K,URt,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻应变片的测量电路,1 直流电桥 2 非线性误差及其补偿,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻应变片的测量电路,1. 直流电桥,直流电桥的工作原理,平衡条件 :,R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4,时电桥平衡,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻应变片的测量电路,1. 直流电桥,应变片工作时，其电阻变化R,当电桥后面接放大器时, 电桥输出端看成开路.电桥的输出式为：,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻应变片的测量电路,1. 直流电桥,采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。此时上式可写为,当Ri R ( i=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，则,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻应变片的测量电路,1. 直流电桥, Ri R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。 电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。,分析,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻应变片的测量电路,2.非线性误差及其补偿,单臂电桥，即R1桥臂变化R，理想的线性关系,实际输出电压,电桥的相对非线性误差为,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻应变片的测量电路,2.非线性误差及其补偿,减小非线性误差采用的措施,（1）采用半桥差动电桥,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻应变片的测量电路,2.非线性误差及其补偿,减小非线性误差采用的措施,（1）采用半桥差动电桥,R1R2R3R4=R，R1R2=R,严格的线性关系 电桥灵敏度比单臂时提高一倍 温度补偿作用,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,电阻应变片的测量电路,2.非线性误差及其补偿,减小非线性误差采用的措施,（2）采用全桥差动电桥,输出电压为：,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变式传感器,1. 应变式力传感器,柱式力传感器,（a）实心圆柱；（b）空心圆筒；,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变式传感器,1. 应变式力传感器,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变式传感器,2. 梁式力传感器,等截面梁,结构简单，易加工，灵敏度高 适合于测5000N以下的载荷, 等截面悬臂梁,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变式传感器,2. 梁式力传感器, 等强度悬臂梁,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变式传感器,2. 梁式力传感器, 双端固定梁,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变式传感器,3.薄壁圆环式力传感器,在外力作用下，各点的应力差别较大,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变式传感器,4.膜片式压力传感器,t,r,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变式传感器,5.筒式压力传感器,机床液压系统的压力（106107Pa）， 枪炮的膛内压力（108Pa）， 动态特性和灵敏度主要由材料的E值和尺寸决定,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变式传感器,6.组合式压力传感器,应变片不直接粘贴在压力感受元件上压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等,通常用于测量小压力。 其缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程。,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变式传感器,7. 容器内液体重量（液位）传感器,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变式传感器,7. 容器内液体重量（液位）传感器,式中 A1 、A2传感器的传输系数； g 重力加速度(m/s2)； 被测溶液的密度(Kg/m3)。,溶液重量,式中 Q容器内感压膜上面溶液的重量(N) ； D柱形容器的截面积(m2)。,3 机械基本参数测量,电阻应变片和应变测量,应变式传感器,8. 容器内液体重量（液位）传感器,在低频（1060Hz）振动测量中得到广泛的应用, 但不适用于频率较高的振动和冲击。,应变式加速度传感器结构示意图 1等强度梁 2质量块 3壳体 4电阻应变片,3 机械基本参数测量,位移测量,位移传感器分类,工作原理,1 电感型 2 电位计型 3 电容型 4 霍尔效应型,3 机械基本参数测量,位移测量,电感型位移传感器,属于变磁阻式传感器类型,结构原理,由线圈1、铁芯2和衔铁3三部分组成, 在铁芯和衔铁之间留有空气隙。被测物与衔铁相连, 当被测物移动时通过衔铁引起空气隙变化, 改变磁路的磁阻, 使线圈电感量变化。 电感量的变化通过测量电路转换为电压、电流或频率的变化, 从而实现对被测物位移的检测。,当线圈的匝数为N, 流过线圈的电流为I（A）, 磁路磁通为(Wb), 则电感量,式中, R1、R2和R分别为铁芯、衔铁和空气隙的磁阻。,3 机械基本参数测量,位移测量,电感型位移传感器,结构原理,式中,l1、l2和分别为磁通通过铁芯、衔铁和气隙的长度(m), S1、S2和S分别为铁芯、衔铁和气隙的横截面积(m2), 1、2和0分别为铁芯、衔铁和空气的导磁率(H/m)。 0=410-7 H/m。考虑到一般导磁体的导磁率远大于空气的导磁率(大数千倍乃至数万倍), 即有,得,线圈匝数确定之后, 只要气隙长度和气隙截面S二者之一发生变化, 传感器的电感量就会发生变化。 因此, 有变气隙长度和变气隙截面电感传感器之分, 前者常用来测量线位移, 后者常用于测量角位移。,3 机械基本参数测量,位移测量,电感型位移传感器,结构原理,将上式微分得到,测得L即可得知衔铁(即待测物)位移的大小。 L可通过电桥测得, 亦可将L作为振荡线圈的一部分, 通过振荡频率的改变测得L。,但是,只有在很微小时上式才成立，实际上L与是非线性关系。,L与相对变化量为,当忽略高次项时, L才与成比例关系。 当然, /0 越小, 高次项迅速减小, 非线性可得到改善。 然而, 这又会使传感器的量程变小。 所以, 对输出特性线性度的要求和对测量范围的要求是相互矛盾的, 一般对变气隙长度的传感器, 取/0=0.10.2。,3 机械基本参数测量,位移测量,差动式电感型位移传感器,两只完全相同电感式传感器合用一个活动衔铁便构成了差动式电感传感器, 如图(a)所示。 图(b)为其电路接线图。 传感器的两只电感线圈接成交流电桥的相邻的两臂, 另外两个桥臂由电阻组成。 还有一种螺管形结构的差动电感传感器, 工作原理与此相同。,(a) 结构原理图； (b) 电路接线图,3 机械基本参数测量,位移测量,差动式电感型位移传感器,在起始位置时, 衔铁处于中间位置, 两边的气隙相等, 两只线圈的电感量相等, 电桥处于平衡状态, 电桥的输出电压Usc=0。 当衔铁偏离中间位置向上或向下移动时, 两边气隙不等, 两只电感线圈的电感量一增一减, 电桥失去平衡。 电桥输出电压的幅值大小与衔铁移动量的大小成比例, 其相位则与衔铁移动方向有关。 假定向上移动时输出电压的相位为正, 而向下移动时相位将反向180为负。 因此, 如果测量出电压的大小和相位, 就能决定衔铁位移量的大小和方向。,结构原理,3 机械基本参数测量,位移测量,差动变压器式传感器,差动变压器式传感器, 简称差动变压器（Liner Variable Differential Transformer 简称LVDT）, 如下图所示。 它是一个有可动铁芯和两个次级线圈的变压器。 传感器的可动铁芯和待测物相连, 两个次级线圈接成差动形式, 可动铁芯的位移利用线圈的互感作用转换成感应电动势的变化, 从而得到待测位移。,差动变压器式传感器,3 机械基本参数测量,位移测量,差动变压器式传感器,差动变压器有多种结构形式。 图(a)的形结构, 衔铁为平板形, 灵敏度较高, 但测量范围较窄, 一般用于测量几微米到几百微米的机械位移。 图(b)是衔铁为圆柱形的螺管形差动变压器, 可测一毫米至上百毫米的位移。 此外还有衔铁旋转的用来测量转角的差动变压器, 通常可测到几角秒的微小角位移。,3 机械基本参数测量,位移测量,差动变压器式传感器,由于互感, 初级线圈的交流电在两个次级线圈分别产生感应电动势E21和E22。又因接成差动形式, 即两个感应电动势反向串联, 则输出电压,设两个次级线圈完全相同, 当铁芯处在中间位置时, 感应电动势E21=E22,此时 Usc=E21-E22=0,3 机械基本参数测量,位移测量,差动变压器式传感器,当铁芯向上移动时, 次级线圈2中穿过的磁通减少, 感应电动势E22也减少, 而次级线圈1中穿过的磁通增多, 感应电动势E21也增大, 则 Usc=E21-E220 反之, 当铁芯向下移动时, 则 Usc=E21-E220 可见, 输出电压的大小和符号反映了铁芯位移的大小和方向。,3 机械基本参数测量,位移测量,螺管形差动变压器,下面以如图 (b)所示的中间是初级线圈, 两边是对称的两个次级线圈为例(称为三段型螺线管差动变压器), 来讨论差动变压器的输出特性。 对符号规定为:b初级线圈的长度, N1初级线圈的匝数, m次级线圈的长度, N2每个次级线圈的匝数,L活动衔铁的长度, ri螺线管的内径, r0螺线管的外径, L21衔铁伸入次级线圈1的长度, L22衔铁伸入次级线圈2的长度。,3 机械基本参数测量,位移测量,螺管形差动变压器,输出电压,3 机械基本参数测量,位移测量,螺管形差动变压器,分析,差动变压器的灵敏度与激励频率成正比, 通常在中频(400 Hz10 kHz)应用, 其电压灵敏度可达0.15 V/mm。 由于灵敏度高, 在测量大位移时可不用放大器, 因此测量线路简单。 差动变压器的非线性决定于最后一项, 一般测9 mm的差动变压器, 线性范围约(56)mm。 活动衔铁的直径在允许的条件下尽可能粗些, 这样有效磁通较大。 在不影响线性度的情况下, 初级线圈的输入电压(电流)尽可能高些。,3 机械基本参数测量,位移测量,螺管形差动变压器,零点电压补偿,当铁芯处于线圈中心时, 次级线圈的输出电压应为零。 但是由于实际结构不完全对称,激磁电流与铁芯磁通的相位差不为零以及寄生电容的综合影响等, 使得输出电压不为零, 此值称为零点电压。 通常为几mV到几十mV, 它决定传感器的精度。 为了消除零点电压值, 通常在测量电路中采取补偿措施。,3 机械基本参数测量,位移测量,螺管形差动变压器,差动变压器输出的交流信号, 其波形是调幅波, 无法鉴别被测位移的方向。 为了观察衔铁的实际运动规律, 可采用差动相敏整流电路。 差动变压器除测量位移外, 还可以用来测量振动、加速度及压力。 差动变压器从供电方式可分为交流式和直流式两种。 直流式差动变压器是将直流电通过振荡器变为交流电, 并将电子电路与差动变压器封装在一起。 这种传感器, 供给稳定的直流电, 就能获得与位移成正比的直流电压输出。 下面列出这种传感器的一种系列的主要技术指标供参考。,直流式差动变压器,3 机械基本参数测量,位移测量,螺管形差动变压器,直流式差动变压器,量程: 5、10mm, 5 mm、250 mm 线性度: 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.5% 供电电压: 12 V15 V 输出方式: A. 标准电流型 010 mA或 010 mA B. 标准电压型 05 V 或 05 V 环境温度: 1065 结构型式: 回弹式、非回弹式,3 机械基本参数测量,位移测量,螺管形差动变压器,直流式差动变压器,直流式差动变压器,3 机械基本参数测量,位移测量,电位计型位移传感器,电位器是人们常用到的一种电子元件，它作为传感器可以将机械位移或其他能转换为位移的非电量转换为其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。所以它是一个机电传感元件。电位器的种类繁多，这里就工业传感器用的电位器予以介绍。,3 机械基本参数测量,位移测量,电位计型位移传感器,3 机械基本参数测量,位移测量,电位计型位移传感器,电位计输出电压,U 电源电压； x 位移； xmax 最大位移； Rp-电位计总电阻 Rm-输出端负载电阻,负载电阻无穷大，则,3 机械基本参数测量,位移测量,电位计型位移传感器,线绕电位器式传感器,非线绕电位器式传感器,光电电位器式传感器,金属膜电位器,合成膜电位器,导电塑料电位器,导电玻璃釉电位器,分类,3 机械基本参数测量,位移测量,电位计型位移传感器,1. 线绕电位器式传感器,特性,线性度和灵敏度综合考虑,线性度要求Rp Rm，但Rp小灵敏度降低,分辨能力取决于电阻元件结构,25mm骨架长绕有500匝电阻丝，则最小分辨率为0.05mm,电阻丝越细，在给定空间内越获得较大的电阻值和分辨率。但电阻丝太细，在使用过程中容易断开，影响传感器的寿命。,3 机械基本参数测量,位移测量,电位计型位移传感器,2.非线绕电位器式传感器,为了克服线绕电位器存在的缺点，人们在电阻的材料及制造工艺上下了很多工夫，发展了各种非线绕电位器。,1）合成膜电位器 合成膜电位器的电阻体是用具有某一电阻值的悬浮液喷涂在绝缘骨架上形成电阻膜而成的，这种电位器的优点是分辨率较高、阻范围很宽（1004.7M），耐磨性较好、工艺简单、成本低、输入输出信号的线性度较好等，其主要缺点是接触电阻大、功率不够大、容易吸潮、噪声较大等。,3 机械基本参数测量,位移测量,电位计型位移传感器,2.非线绕电位器式传感器,2）金属膜电位器 金属膜电位器由合金、金属或金属氧化物等材料通过真空溅射或电镀方法，沉积在瓷基体上一层薄膜制成。 金属膜电位器具有无限的分辨率，接触电阻很小，耐热性好，它的满负荷温度可达70。与线绕电位器相比，它的分布电容和分布电感很小，所以特别适合在高频条件下使用。它的噪声信号仅高于线绕电位器。金属膜电位器的缺点是耐磨性较差，阻值范围窄，一般在10100k之间。由于这些缺点限制了它的使用。,3 机械基本参数测量,位移测量,电位计型位移传感器,2.非线绕电位器式传感器,3）导电塑料电位器 导 电塑料电位器又称为有机实心电位器，这种电位器的电阻体是由塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成。导电塑料电位器的耐磨性好，使用寿命长，允许电刷接触压力 很大，因此它在振动、冲击等恶劣的环境下仍能可靠地工作。此外，它的分辨率较高，线性度较好，阻值范围大，能承受较大的功率。导电塑料电位器的缺点是阻值 易受温度和湿度的影响，故精度不易做得很高。,3 机械基本参数测量,位移测量,电位计型位移传感器,2.非线绕电位器式传感器,4）导电玻璃釉电位器 导 电玻璃釉电位器又称为金属陶瓷电位器，它是以合金、金属化合物或难溶化合物等为导电材料，以玻璃釉为粘合剂，经混合烧结在玻璃基体上制成的。导电玻璃釉电 位器的耐高温性好，耐磨性好，有较宽的阻值范围，电阻温度系数小且抗湿性强。导电玻璃釉电位器的缺点是接触电阻变化大，噪声大，不易保证测量的高精度。,3 机械基本参数测量,位移测量,电位计型位移传感器,3. 光电电位器式传感器,光电电位器是一种非接触式电位器，它用光束代替电刷。光电电位器主要是由电阻体、光电导层和导电电极组成。光电电位器的制作过程是先在基体上 沉积一层硫化镉或硒化镉的光电导层，然后在光电导层上再沉积一条电阻体和一条导电电极。在电阻体和导电电极之间留有一个窄的间隙。平时无光照时，电阻体和 导电电极之间由于光电导层电阻很大而呈现绝缘状态。当光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时，由于光电导层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照射部位和 导电电极导通，于是光电电位器的输出端就有电压输出，输出电压的大小与光束位移照射到的位置有关，从而实现了将光束位移转换为电压信号输出。,3 机械基本参数测量,位移测量,电位计型位移传感器,3. 光电电位器式传感器,光电电位器最大的优点是非接触型，不存在磨损问题，它不会对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩，从而提高了传感器的精度、寿命、可靠性及分辨 率。光电电位器的缺点是接触电阻大，线性度差。由于它的输出阻抗较高，需要配接高输入阻抗的放大器。尽管光电电位器有着不少的缺点，但由于它的优点是其它 电位器所无法比拟的，因此在许多重要场合仍得到应用。,3 机械基本参数测量,位移测量,电容型位移传感器,以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。电容传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感器和变面式电容传感器进行位移测量。,电容器有两个用介质（固体、液体或气体）或真空隔开的电导体构成。,电容,导体上的电荷,导体之间的电压差,3 机械基本参数测量,位移测量,电容型位移传感器,S 极板相对覆盖面积； d 极板间距离； r相对介电常数； 0真空介电常数（8.85pF/m）； 电容极板间介质的介电常数。,工作原理,1.变极距式电容传感器,初始电容,3 机械基本参数测量,位移测量,电容型位移传感器,工作原理,1.变极距式电容传感器,若极距缩小d,非线性关系,若d/d1时，则上式可简化为,最大位移应小于间距的1/10 差动式改善其非线性,3 机械基本参数测量,位移测量,电容型位移传感器,工作原理,2.变面式电容传感器,变面积式电容传感器结构示意图，它由两个电极构成，其中一个为固定极板，另一个为可动极板，两极板均成半圆形。,假定极板间的介质不变（即电介质常数不变），当两极板完全重叠时，其电容量为 Co=A/d 当动极板绕轴转动一个角时，两极板的对应面积要减小A，则传感器的电容量就要减小C。如果我们把这种电容量的变化通过谐振电路或其它回路方法检测出来，就实现了角位移转换为电量的电测变换。,3 机械基本参数测量,位移测量,电容型位移传感器,电容式位移传感器的位移测量范围在1um10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%。变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可达0.3um。,3 机械基本参数测量,位移测量,电容型位移传感器,变极距(）型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数( )型: （i）(l),3 机械基本参数测量,位移测量,霍尔效应型位移传感器,霍尔效应,在金属或半导体薄片的两端通过控制电流，并在薄片的垂直方向上施加磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势（霍尔电势），这种现象称为霍尔效应。,霍尔常数,3 机械基本参数测量,位移测量,霍尔效应型位移传感器,载流子受洛仑兹力,霍尔电场强度,平衡状态,电子运动平均速度,霍尔电势,3 机械基本参数测量,位移测量,霍尔效应型位移传感器,霍尔常数,霍尔常数大小取决于导体的载流子密度： 金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。霍尔电势与导体厚度d成反比：为了提高霍尔电势值， 霍尔元件制成薄片形状。,霍尔元件灵敏度（灵敏系数）,半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件。,3 机械基本参数测量,位移测量,霍尔效应型位移传感器,霍尔元件的结构和基本电路,霍尔元件,3 机械基本参数测量,位移测量,霍尔效应型位移传感器,位移量较小，适于测量微位移和机械振动,霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。,测量原理,3 机械基本参数测量,角位移测量,光电编码器,光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置 组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件 组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如下图所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。,根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。,3 机械基本参数测量,角位移测量,旋转变压器,旋转变压器又称分解器，是一种控制用的微电机，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号的一种间接测量装置。,其输出，是随转子转角作某种函数变化的电气信号，通常是正弦、余弦、线性等。,3 机械基本参数测量,角位移测量,旋转变压器,旋转变压器的优点： 无可 比拟的可靠性，非常好的抗恶劣环境条件的能力;可以运行在更高的转速下。（在输出12 bit的信号下，允许电动机的转速可达60,000rpm，而光学编码器，由于光电器件的频响一般在200kHz以下，在12 bit时，速度只能达到3,000rpm ）; 方便的绝对值信号数据输出。,3 机械基本参数测量,角位移测量,旋转变压器,旋转变压器的应用，近期发展很快。除了传 统的、要求可靠性高的军用、航空航天领域之外，在工业、交通以及民用领域也得到了广泛的应用。特别应该提出的是，这些年来，随着工业自动化水平的提高，随 着节能减排的要求越来越高，效率高、节能显著的永磁交流电动机的应用，越来越广泛。而永磁交流电动机的位置传感器，原来是以光学编码器居多，但这些年来， 却迅速地被旋转变压器代替。可以举几个明显的例子，在家电中，不论是冰箱、空调、还是洗衣机，目前都是向变频变速发展，采用的是正弦波控制的永磁交流电动 机。目前各国都在非常重视的电动汽车中，电动汽车中所用的位置、速度传感器都是旋转变压器。例如，驱动用电动机和发电机的位置传感、电动助力方向盘电机的 位置速度传感、燃气阀角度测量、真空室传送器角度位置测量等等，都是采用旋转变压器。在应用于塑压系统、纺织系统、冶金系统以及其他领域里，所应用的伺服 系统中关键部件伺服电动机上，也是用旋转变压器作为位置速度传感器。,应用,3 机械基本参数测量,角位移测量,旋转变压器,分类,有刷旋转变压器,无刷旋转变压器,磁阻式旋转变压器,环形变压器式无刷旋转变压器,多极旋转变压器,有刷结构的存在，使得旋转变压器的可靠性很难得到保证，应用越来越少很少,3 机械基本参数测量,直线速度测量,位移电压信号微分,任何位移传感器的输出电压都可以作为某种微分电路的输入，以得到正比于速度的电压信号。,电路实现了对输入电压的理想微分运算。,问题,1）系统不一定能保证稳定 2）放大器高频噪声被放大,3 机械基本参数测量,直线速度测量,直线速度传感器,这种直线速度传感器由于所能测量的距离比较短，因此常用来测量机器两个零件之间的相同振动速度。,动圈中的感应电动势为,B 磁通密度； l 线圈导线长度； vi 动圈相对于磁铁的运动速度；,3 机械基本参数测量,转速测量,离心力检测法,质量为m的重锤旋转时受到离心力作用而远离主轴，这将克服弹簧力向上拉动套筒，套筒的升降通过齿轮带动指针转动，可直接读出转速值。,工作原理,离心力为,误差较大大约为1%。,3 机械基本参数测量,转速测量,光电码盘转速检测法,光电码盘是由光学玻璃制成，在上面刻有许多同心码道，每个码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分。如上图所示。工作时，光投射在码盘上，码盘随运动物体一起旋转，透过亮区的光经过狭缝后由光敏元件接受，光敏元件的排列与码道一一对应，对于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”，当码盘旋转在不同位置时，光敏元件输出信号的组合反映出 一定规律的数字量，代表了码盘轴的角位移。,工作原理,测量系统结构,1. 绝对光电码盘,3 机械基本参数测量,转速测量,光电码盘转速检测法,可以检测绝对角度,特性,绝对光电码盘按其编码方式分为二进制、十进制和循环码三种方式,1. 绝对光电码盘,抗干扰能力强，停电也不影响,结构复杂、成本高,3 机械基本参数测量,转速测量,光电码盘转速检测法,2. 增量光电码盘,工作原理,3 机械基本参数测量,转速测量,光电码盘转速检测法,2. 增量光电码盘,特点,增量型编码器的特点是：非接触式的，无摩擦和磨损，体积小，重量轻，机构紧凑，安装方便，维护简单，驱动力矩小，其具有高精度，大量程测量，反应快，数字化输出特点； 增量式编码器非常适合测速度，可无限累加测量。但是存在零点累计误差，抗干扰较差，接收设备的停机需断电记忆，开机应找零或参考位等问题，这些问题如选用绝对型编码器可以解决。,3 机械基本参数测量,转速测量,测速发电机,输出电动势与转速成比例的微特电机。测速发电机的绕组和磁路经精确设计，其输出电动势E和转速n成线性关系，即E=Kn,K是常数。改变旋转方向时输出电 动势的极性即相应改变。在被测机构与测速发电机同轴联接时，只要检测出输出电动势，就能获得被测机构的转速，故又称速度传感器。 为保证电机性能可靠，测速发电机的输出电动势具有斜率高、特性成线性、无信号区小或剩余电压 小、正转和反转时输出电压不对称度小、对温度敏感低等特点。此外，直流测速发电机要求在一定转速下输出电压交流分量小，无线电干扰小；交流测速发电机要求 在工作转速变化范围内输出电压相位变化小。 测速发电机广泛用于各种速度或位置控制系统。在自动控制系统中作为检测速度的元件，以调节电动 机转速或通过反馈来提高系统稳定性和精度；在解算装置中可作为微分、积分元件，也可作为加速或延迟信号用或用来测量各种运动机械在摆动或转动以及直线运动时的速度。测速发电机分为直流和交流两种。,3 机械基本参数测量,转速测量,测速发电机,1. 交流型测速发电机,工作原理,杯形转子异步测速发电机,主要由内定子、外定子及在它们之间的气隙中转动的杯形转子所组成。励磁绕组、输出绕组嵌在定子上,彼此在空间相差90电角度。杯形转子是由非磁性材料制 成。当转子不转时，励磁后由杯形转子电流产生的磁场与输出绕组轴线垂直，输出绕组不感应电动势；当转子转动时，由杯形转子产生的磁场与输出绕组轴线重合， 在输出绕组中感应的电动势大小正比于杯形转子的转速，而频率和励磁电压频率相同，与转速无关。反转时输出电压相位也相反。杯形转子是传递信号的关键，其质 量好坏对性能起很大作用。由于它的技术性能比其他类型交流测速发电机优越，结构不很复杂，同时噪声低，无干扰且体积小，是目前应用最为广泛的一种交流测速发电机。,3 机械基本参数测量,转速测量,测速发电机,2. 直流型测速发电机,直流测速发电机有永磁式和电磁式两种。其结构与直流发电机相近。永磁式采用高性能永久磁钢励磁，受温度变化的影响较小,输出变化小，斜率高,线性误差小。这种电机在80 年代因新型永磁材料的出现而发展较快。电磁式采用他励式，不仅复杂且因励磁受电源、环境等因素的影响，输出电压变化较大，用得不多。,3 机械基本参数测量,力的测量,弹性式力传感器,电阻应变片式力传感器,压磁式力传感器,在外力作用下，铁磁性材料内部所产生的机械应力使得材料的磁导率发生变化，称为压磁效应,压电式力传感器,在外力作用下，某些晶体材料内部会产生极化现象，称为压电效应,3 机械基本参数测量,扭矩测量,相位差式扭矩传感器,传统扭矩传感器,3 机械基本参数测量,扭矩测量,相位差式扭矩传感器,为了检测旋转扭矩传统使用较多的是扭转角相位差式传感器，该方法是在弹性轴的两端安装着两组齿数、形状及 安装角度完全相同的齿轮，在齿轮的外侧各安装着一只接近(磁或光)传感器。当弹性轴旋转时，这两组传感器就可以测量出两组脉冲波，比较这两组脉冲波的前后 沿的相位差就可以计算出弹性轴所承受的扭矩量。该方法的优点：实现了转矩信号的非接触传递，检测信号为数字信号，精度高，长期稳定性好，可同时测量转速和扭矩；缺点：体积较大，不易安装，低转速时由于 脉冲波的前后沿较缓不易比较，因此低速性能不理想。（见下图）,3 机械基本参数测量,扭矩测量,应变式扭矩传感器,参考资料：扭矩传感器.pdf,应变测量电路,集流环,以前,现在,应变测量电路,放大器,V/F转换器,无线发射或接受,3 机械基本参数测量,振动测量,在现场或实验室对振动系统的实物或模型进行响应测量、动态特性参数测定以及载荷识别。其中响应测量包括位移、速度、加速度、应变、应力等；动态特性参数测定包括各阶模态频率、模态阻尼、系统频率响应或脉冲响应等；载荷识别或振动环境描述包括脉冲载荷或随机载荷、湍流谱、道路谱、海浪谱、地震谱等。 振动测量得到的大量原始数据必须经过各种处理，才能作为工程设计的计算依据。测试的原始记录是物理量的时间历程，通过直观分析可将数据分为瞬态的、周期的、随机的3种，然后在时域、频域和幅域中进行统计分析、相关分析和谱分析等，从而得到表征响应特征的各种信息。,振动测量的设备包括： 激振设备。分为激振器和振动台两类，目前已采用带振动控制仪的激振设备，它可按要求的波形或谱形激振。 测振设备。有测力、测运动和测阻抗等3种传感器。 分析设备。可以起抗干扰、去噪声、提取有用信号等作用。,3 机械基本参数测量,振动测量,在工程振动测试领域中，测试手段与方法多种多样，但是按各种参数的测量方法及测量过程的物理性质来分，可以分成三类。 1、机械式测量方法 将工程振动的参量转换成机械信号，再经机械系统放大后，进行测量、记录，常用的仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪，它能测量的频率较低，精度也较差。但在现场测试时较为简单方便。 2、光学式测量方法 将工程振动的参量转换为光学信号，经光学系统放大后显示和记录。如读数显微镜和激光测振仪等。 3、电测方法 将工程振动的参量转换成电信号，经电子线路放大后显示和记录。电测法的要点在于先将机械振动量转换为电量（电动势、电荷、及其它电量），然后再对电量进行测量，从而得到所要测量的机械量。这是目前应用得最广泛的测量方法。,3 机械基本参数测量,振动测量,上述三种测量方法的物理性质虽然各不相同，但是，组成的测量系统基本相同，它们都包含拾振、测量放大线路和显示记录三个环节。 1、拾振环节。把被测的机械振动量转换为机械的、光学的或电的信号，完成这项转换工作的器件叫传感器。 2、测量线路。测量线路的种类甚多，它们都是针对各种传感器的变换原理而设计的。比如，专配压电式传感器的测量线路有电压放大器、电荷放大器等；此外，还有积分线路、微分线路、滤波线路、归一化装置等等。 3、信号分析及显示、记录环节。从测量线路输出的电压信号，可按测量的要求输入给信号分析仪或输送给显示仪器（如电子电压表、示波器、相位计等）、记录设备（如光线示波器、磁带记录仪、XY 记录仪等）等。也可在必要时记录在磁带上，然后再输入到信号分析仪进行各种分析处理，从而得到最终结果。,3 机械基本参数测量,振动测量,振动传感器在测试技术中是关键部件之一，它的作用主要是将机械量接收下来，并转换为与之成比例的电量。由于它也是一种机电转换装置。所以我们有时也称它为换能器、拾振器等。 振 动传感器并不是直接将原始要测的机械量转变为电量，而是将原始要测的机械量做为振动传感器的输入量，然后由机械接收部分加以接收，形成另一个适合于变换的 机械量，最后由机电变换部分再将变换为电量。因此一个传感器的工作性能是由机械接收部分和机电变换部分的工作性能来决定的。,3 机械基本参数测量,振动测量,按机械接收原理分：相对式、惯性式； 按机电变换原理分：电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式、光电式； 按所测机械量分：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、应变传感器、扭振传感器、扭矩传感器。,分类,3 机械基本参数测量,振动测量,由 于机械运动是物质运动的最简单的形式，因此人们最先想到的是用机械方法测量振动，从而制造出了机械式测振仪（如盖格尔测振仪等）。传感器的机械接收原理就 是建立在此基础上的。相对式测振仪的工作接收原理是在测量时，把仪器固定在不动的支架上，使触杆与被测物体的振动方向一致，并借弹簧的弹性力与被测物体表 面相接触，当物体振动时，触杆就跟随它一起运动，并推动记录笔杆在移动的纸带上描绘出振动物体的位移随时间的变化曲线，根据这个记录曲线可以计算出位移的 大小及频率等参数。 由 此可知，相对式机械接收部分所测得的结果是被测物体相对于参考体的相对振动，只有当参考体绝对不动时，才能测得被测物体的绝对振动。这样，就发生一个问 题，当需要测的是绝对振动，但又找不到不动的参考点时，这类仪器就无用武之地。例如：在行驶的内燃机车上测试内燃机车的振动，在地震时测量地面及楼房的振 动，都不存在一个不动的参考点。在这种情况下，我们必须用另一种测量方式的测振仪进行测量，即利用惯性式测振仪。,1、相对式机械接收原理,3 机械基本参数测量,振动测量,惯性式机械测振仪测振时，是将测振仪