1、第十二章 機(jī)械量檢測(cè)技術(shù),概述,機(jī)械運(yùn)動(dòng)是各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的基本形式，機(jī)械量是表征機(jī)械運(yùn)動(dòng)特性的參量，包括長(zhǎng)度、位移、速度、加速度、力、轉(zhuǎn)矩以及振動(dòng)與噪聲等等。 機(jī)械量的測(cè)量方法，按檢測(cè)原理分有機(jī)械式、光學(xué)式和電子電氣式等幾種。機(jī)械式方法應(yīng)用最早，且成本低廉；光學(xué)式方法十分精密；電測(cè)方法在工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最為廣泛。,12.1 位移檢測(cè) 12.2 速度檢測(cè) 12.3 加速度檢測(cè) 12.4 力和轉(zhuǎn)矩檢測(cè) 12.5 機(jī)械振動(dòng)測(cè)量 12.6 噪聲檢測(cè),12.1 位移檢測(cè),位移是向量，是指物體或其某一部分的位置相對(duì)參考點(diǎn)在一定方向上產(chǎn)生的位置變化量。 因此位移的度量除要確定其大小外，還要確定其方向。,12

2、.1.1 位移檢測(cè)方法,位移的檢測(cè)包括線位移和角位移的測(cè)量 位移測(cè)量包括了長(zhǎng)度、厚度、高度、距離、鍍層厚度、表面粗糙度、角度等 常用位移測(cè)量方法如下： （1）測(cè)量速度積分法 （2）回波法 （3）線位移和角位移轉(zhuǎn)換法 （4）物理參數(shù)法,（1）測(cè)量速度積分法 測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的速度或加速度，經(jīng)過積分或二次積分求得運(yùn)動(dòng)體的位移。 例如在慣性導(dǎo)航中，就是通過測(cè)量載體的加速度，經(jīng)過二次積分而求得載體的位移。,12.1.1 位移檢測(cè)方法,（2）回波法 從測(cè)量起始點(diǎn)到被測(cè)面是一種介質(zhì)，被測(cè)面以后是另一種介質(zhì)，利用介質(zhì)分界面對(duì)波的反射原理測(cè)位移。 例如激光測(cè)距儀、超聲波液位計(jì)都是利用分界面對(duì)激光、超聲波的反射測(cè)量位

3、移的。相關(guān)測(cè)距則是利用相關(guān)函數(shù)的時(shí)延性質(zhì)，將向某被測(cè)物發(fā)射信號(hào)與經(jīng)被測(cè)物反射的返回信號(hào)作相關(guān)處理，求得時(shí)延，從而推算出發(fā)射點(diǎn)與被測(cè)物之間的距離。,12.1.1 位移檢測(cè)方法,（3）線位移和角位移轉(zhuǎn)換法 被測(cè)量是線位移時(shí)，若測(cè)量角位移更方便，則可用間接測(cè)量方法，通過測(cè)角位移再換算成線位移。 同樣，被測(cè)量是角位移時(shí)，也可先測(cè)線位移再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 例如汽車的里程表，是通過測(cè)量車輪轉(zhuǎn)數(shù)再乘以周長(zhǎng)而得到汽車的里程的。,12.1.1 位移檢測(cè)方法,（4）物理參數(shù)法 利用各種位移檢測(cè)裝置，將被測(cè)位移的變化轉(zhuǎn)換成電、光、磁等物理量的變化來測(cè)量，這是應(yīng)用最廣泛的一種方法?？衫玫臋z測(cè)轉(zhuǎn)換原理很多，根據(jù)檢測(cè)裝置信號(hào)

4、輸出形式，有模擬和數(shù)字式兩大類。圖12-1所示為位移檢測(cè)裝置原理與類型。,12.1.1 位移檢測(cè)方法,要根據(jù)被測(cè)對(duì)象的具體情況和測(cè)量要求，充分利用被測(cè)對(duì)象所在場(chǎng)合和具備的條件來設(shè)計(jì)、選擇測(cè)量方法。,12.1.1 位移檢測(cè)方法,12.1.2 線位移檢測(cè),位移的傳感器種類繁多，可根據(jù)位移檢測(cè)范圍變化的大小選用。 下面介紹幾種線位移傳感器。,1.電位器式位移傳感器,測(cè)量原理,圖12-2(b)中，測(cè)量軸與內(nèi)部電位器電刷相連，當(dāng)其與被測(cè)物相接觸，有位移輸入時(shí)，測(cè)量軸便沿導(dǎo)軌移動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)電刷在滑線電阻上移動(dòng)，因電刷的位置變化會(huì)有電阻變化，由電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出，就可以判斷位移的大小。如要求同時(shí)測(cè)出位移的大

5、小和方向。可將圖中的精密無感電阻和滑線電阻組成橋式測(cè)量電路。,在A、C兩端接上激勵(lì)電壓Ui，則當(dāng)電刷在輸入位移驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)時(shí)，B、C兩端就會(huì)有電壓輸出Uo。設(shè)電位器為線性，長(zhǎng)度為l，總電阻為R，電刷位移為x，相應(yīng)電阻為Rx，負(fù)載電阻為RL，根據(jù)電路分壓原理，電路的輸出電壓為：,電位器式位移傳感器測(cè)量 原理與電路模型,若負(fù)載電阻為RL，則有：,1.電位器式位移傳感器,電位器式位移傳感器的優(yōu)缺點(diǎn),1.電位器式位移傳感器,優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 價(jià)格低廉, 性能穩(wěn)定, 對(duì)環(huán)境條件要求不高, 輸出信號(hào)大，便于維修。,電刷與電阻元件之間存在摩擦, 易磨損，易產(chǎn)生噪聲，分辨力有限, 精度不夠高, 要求輸入的

6、能量大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，僅適于測(cè)量變化較緩慢的量。, 光柵位移傳感器結(jié)構(gòu),光柵位移傳感器由光源、光路系統(tǒng)、光柵副(標(biāo)尺光柵+指示光柵)和光敏元件組成，其結(jié)構(gòu)如圖12-5所示。,當(dāng)被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，光源發(fā)出的光透過光柵縫隙形成的光脈沖被光敏元件接收并計(jì)數(shù), 即可實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量，被測(cè)物體位移=柵距脈沖數(shù)。,2.光柵式位移檢測(cè)裝置, 莫爾條紋,在用光柵測(cè)量位移時(shí)，由于刻線很密，柵距很小，而光敏元件有一定的機(jī)械尺寸，故很難分辨到底移動(dòng)了多少個(gè)柵距。實(shí)際測(cè)量是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)行的。,莫爾條紋的產(chǎn)生, 莫爾條紋的特點(diǎn),a. 放大作用,b. 誤差平均作用,c. 方向?qū)?yīng)與同步性,2.光柵式位移檢測(cè)裝置,光

7、柵位移測(cè)量原理,用光敏元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。光敏元件接收的光強(qiáng)變化近似于正弦波，其輸出電壓信號(hào)的幅值U為光柵位移量x的正弦函數(shù)，即：,U=U0+Umsin(2x/W),式中 U0輸出信號(hào)中的直流分量；Um輸出信號(hào)中正弦交流分量的幅值；x兩光柵間的相對(duì)位移,將該電壓信號(hào)放大、整形為方波，再由微分電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，經(jīng)過辨向電路后送可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，就可得出位移量的大小，位移量為脈沖數(shù)與柵距的乘積，測(cè)量分辨力為光柵柵距W。,2.光柵式位移檢測(cè)裝置,光柵位移傳感器特點(diǎn),2.光柵式位移檢測(cè)裝置,優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn),測(cè)量量程范圍大(可達(dá)數(shù)米)且同時(shí)具有高分辨力(可達(dá)0.01m)和高精

8、度；可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量；輸出數(shù)字量，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量和自動(dòng)控制；具有較強(qiáng)的抗干擾能力。,對(duì)使用環(huán)境要求較高，怕振動(dòng)，怕油污、灰塵等的污染；制造成本高。,直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu),直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖12-7所示,3.感應(yīng)同步器,直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu),圖12-8是直線感應(yīng)同步器繞組結(jié)構(gòu)示意圖。圖中上部為定尺繞組，下部為W型滑尺繞組。為了減小由于定尺和滑尺工作面不平行或氣隙不均勻帶來的誤差，各正弦和余弦繞組交替排列。,3.感應(yīng)同步器,(2) 直線感應(yīng)同步器工作原理,采用滑尺繞組勵(lì)磁，從定尺繞組取出感應(yīng)電勢(shì)的激勵(lì)方式。定尺繞組中感應(yīng)電勢(shì)的波形圖見圖12-9,正弦或余弦繞組在定尺上產(chǎn)

9、生的相應(yīng)感應(yīng)電勢(shì)分別為：,可見：定尺的感應(yīng)電勢(shì)取決于滑尺的相對(duì)位移x，故通過感應(yīng)電勢(shì)可測(cè)量位移。,3.感應(yīng)同步器,(3) 感應(yīng)同步器信號(hào)的檢測(cè),感應(yīng)同步器輸出信號(hào)的檢測(cè)方法：,鑒幅法,鑒相法,在滑尺的正、余弦繞組上施加頻率和相位相同、但幅值不同的正弦激勵(lì)電壓,鑒幅法介紹,利用函數(shù)電壓發(fā)生器使激勵(lì)電壓的幅值滿足,3.感應(yīng)同步器,感應(yīng)同步器的磁路系統(tǒng)可視為線性，可進(jìn)行線性疊加，可得定尺繞組輸出的總感應(yīng)電勢(shì)為,3.感應(yīng)同步器,式中kUmsin( )為感應(yīng)電勢(shì)的幅值，其值隨位移相位角(即位移x)而變化。若調(diào)整給定激勵(lì)電壓的相位角，使輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的幅值為0，則此時(shí)有 ( ) = 0。由于 = = 2

10、x/W，所以位移x = W/2，這就是鑒幅法測(cè)位移x的原理。,具有較高的精度與分辨力。 測(cè)量長(zhǎng)度范圍不受限制。 抗干擾能力強(qiáng)。 使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單。 工藝性好，成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。 輸出信號(hào)較弱，需要高放大倍數(shù)的前置放大器。,(4) 感應(yīng)同步器的特點(diǎn),3.感應(yīng)同步器,激光測(cè)距的原理：,利用激光器向目標(biāo)發(fā)射單次激光脈沖或脈沖串，光脈沖從目標(biāo)反射后被接收，通過測(cè)量激光脈沖在待測(cè)距離上往返傳播的時(shí)間，計(jì)算出待測(cè)距離。,換算公式為：,式中，L待測(cè)距離；c光速，t光波往返傳輸時(shí)間。,測(cè)量傳輸時(shí)間t，有脈沖式(直接測(cè)定時(shí)間)和相位式(間接測(cè)定時(shí)間)兩種方法。,4.激光距離檢測(cè), 脈沖式激光測(cè)距

11、,工作原理如圖12-10所示,激光脈沖到目標(biāo)的往返傳輸時(shí)間,測(cè)得t即可計(jì)算出被測(cè)距離,（2）相位式激光測(cè)距,用相位延遲測(cè)量的間接方法測(cè)定光在待測(cè)距離上往返傳播所需的時(shí)間，相位式激光測(cè)距方法的原理如圖12-11所示,激光脈沖往返傳輸時(shí)間為：,又,則待測(cè)距離L為：,式中，=c / f；N = /2，0N1。,（2）相位式激光測(cè)距,相位法測(cè)距就像用尺量距離，測(cè)尺長(zhǎng)度為/2，N為整尺長(zhǎng)，N為不足整尺的零數(shù)。但是，任何測(cè)量交變信號(hào)相位移的方法都不能確定出相位移的整周期數(shù)N，而只能測(cè)定其中不足2的 。所以，當(dāng)距離L大于測(cè)尺長(zhǎng)/2時(shí)，是無法測(cè)定距離的。如果測(cè)尺長(zhǎng)度/2大于待測(cè)距離L，N0，故：,測(cè)出相位差

12、就能夠測(cè)出距離。,如果被測(cè)距離較長(zhǎng)，則可選擇較低的調(diào)制頻率f，使相應(yīng)的測(cè)尺長(zhǎng)度大于待測(cè)距離，這樣就可保證距離測(cè)量的確定性。但是由于測(cè)相系統(tǒng)精度有限，過大的測(cè)尺長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致距離測(cè)量的誤差增大。,擴(kuò)展閱讀,KTC線性位移傳感器 （江門市安泰電子有限公司產(chǎn)品）,KTC拉桿系列傳感器用于對(duì)位移或者長(zhǎng)度進(jìn)行精確測(cè)量。量程長(zhǎng)達(dá)1250mm，線性度0.05%（型號(hào)大于350mm），重復(fù)精度0.01mm。典型應(yīng)用于注塑機(jī)、壓鑄機(jī)、橡膠機(jī)、鞋機(jī)、EVA注射機(jī)、木工機(jī)械、液壓機(jī)械等。,類 型： 位移傳感器 量 程： 075425mm 04501250mm 精 確 度： 0.05% 電 阻： 50% K 50%200

13、% K 供電電源： 10A 工作溫度： -60150 最大工作速度：10m/s 特 點(diǎn)： KTC是一般通用型，適合各類型設(shè)備的位置檢測(cè) 典型應(yīng)用： 注塑機(jī)、壓鑄機(jī)、橡膠機(jī)、鞋機(jī)、EVA注射機(jī)、木工機(jī)械、液壓機(jī)械等,技術(shù)指標(biāo),擴(kuò)展閱讀,12.1.3 角位移檢測(cè),許多測(cè)量線性位移的檢測(cè)裝置，只要在結(jié)構(gòu)上做適當(dāng)變動(dòng)，就可以用于角位移的測(cè)量。,圖12-12是一種測(cè)量角位移的旋轉(zhuǎn)電容傳感器；圖12-13中的(a)和(b)是兩種差動(dòng)旋轉(zhuǎn)電容傳感器；,圖12-14是一種變氣隙式電感角位移傳感器；圖12-15是一種測(cè)量角位移的旋轉(zhuǎn)電位器；圖12-16是圓感應(yīng)同步器。,12.1.3 角位移檢測(cè),幾種常用的角位移

14、傳感器,1. 旋轉(zhuǎn)變壓器 2微動(dòng)同步器式角位移傳感器 3. 數(shù)字式角編碼器,12.1.3 角位移檢測(cè),旋轉(zhuǎn)變壓器是一種基于電磁感應(yīng)原理工作的精密角度位置檢測(cè)裝置，又稱分解器，它將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換成與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)。,結(jié)構(gòu)類型,旋轉(zhuǎn)變壓器由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子繞組為變壓器的原邊，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的副邊。交流激磁電壓接到定子繞組上，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由轉(zhuǎn)子繞組輸出。圖12-17 為二極旋轉(zhuǎn)變壓器繞組結(jié)構(gòu)。,1.旋轉(zhuǎn)變壓器,工作原理,互感原理工作,設(shè)加在定子繞組的勵(lì)磁電壓為：U1=Umsint，由于旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上保證了定子和轉(zhuǎn)子間氣隙內(nèi)的磁通分布呈正(余)弦規(guī)律，所以轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為：

15、,式中，Um勵(lì)磁電壓幅值；k變壓比(即轉(zhuǎn)、定子繞組匝數(shù)比)； 勵(lì)磁電壓圓頻率；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。,1.旋轉(zhuǎn)變壓器,可見：轉(zhuǎn)子輸出電壓大小取決于定子和轉(zhuǎn)子兩繞組軸線的空間相互位置，兩者垂直時(shí)=0，U3為零；兩者平行時(shí)=90，U3最大。圖12-18為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。,1.旋轉(zhuǎn)變壓器,測(cè)量方式,鑒相式,轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電壓為：,可知感應(yīng)電壓的相位角就等于轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)角。因此只要檢測(cè)出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就知道了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。,1.旋轉(zhuǎn)變壓器,鑒幅式,轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電壓為：,1.旋轉(zhuǎn)變壓器,若已知?jiǎng)?lì)磁電壓的相位角 ，則只需測(cè)出轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓U的幅值kUmcos( -)，便可間接求出轉(zhuǎn)子與

16、定子的相對(duì)位置；若不斷調(diào)整勵(lì)磁電壓的相位角 ，使幅值U的幅值kUmcos( -)為0，跟蹤的變化，即可由求得角位移。,微動(dòng)同步器結(jié)構(gòu)原理如圖12-19,微動(dòng)同步器定子繞組的接線方式如圖12-20,由四極定子和兩極轉(zhuǎn)子組成。定子的每個(gè)極上有兩個(gè)繞組，將各極中的一個(gè)繞組串聯(lián)，組成初級(jí)勵(lì)磁回路；將各極中的另一個(gè)繞組串聯(lián)，組成次級(jí)感應(yīng)回路。,2.微動(dòng)同步式角位移傳感器,按圖5-25所示的繞組接線方式，次級(jí)繞組總感應(yīng)輸出電壓為：,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如圖5-24所示的對(duì)稱于定子的位置時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子之間的四個(gè)氣隙幾何形狀完全相同，各極的磁通相等，使I、III極上的感應(yīng)電壓與II、IV級(jí)上的感應(yīng)電壓相等，總輸出電壓為零

17、。 若轉(zhuǎn)子偏離零位一個(gè)角度，則四個(gè)氣隙不再相同，造成各極磁通的變化量不同，其中一對(duì)磁級(jí)的磁通量減小，另一對(duì)磁級(jí)的磁通量增加。這樣，次級(jí)就有一個(gè)正比于轉(zhuǎn)子角位移的電壓輸出。 微動(dòng)同步器的靈敏度大約為每度0.25V，測(cè)量范圍約540，線性度優(yōu)于0.1。,2.微動(dòng)同步式角位移傳感器,角編碼器在結(jié)構(gòu)上主要由可旋轉(zhuǎn)的碼盤和信號(hào)檢測(cè)裝置組成。,按碼盤刻度方法及信號(hào)輸出形式分類：,增量式,絕對(duì)式,混合式,增量式編碼器的輸出是一系列脈沖，用一個(gè)計(jì)數(shù)裝置對(duì)脈沖進(jìn)行加或減計(jì)數(shù)，再配合零位基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)角位移的測(cè)量。,絕對(duì)式編碼器的輸出是與轉(zhuǎn)角位置相對(duì)應(yīng)的、唯一的數(shù)字碼，如果需要測(cè)量角位移量，則只需將前后兩次位置的數(shù)字

18、碼相減就可以得到要求測(cè)量的角位移。,按碼盤信號(hào)的讀取方式分類,光電式,接觸式,電磁式,3.數(shù)字式角編碼器, 光電式絕對(duì)編碼器結(jié)構(gòu)與工作原理,光電式絕對(duì)編碼器的碼盤如圖12-21所示,在360范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為24=16個(gè)，在圓周內(nèi)的每一個(gè)角度方位對(duì)應(yīng)于不同的編碼 ，只要根據(jù)碼盤的起始和終止位置, 就可以確定角位移,3.數(shù)字式角編碼器,光電編碼結(jié)構(gòu)示意圖如圖12-22,絕對(duì)位置的二進(jìn)制編碼的產(chǎn)生,絕對(duì)編碼器的角度分辨率,如何保證高分辨率和測(cè)量精度,標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制編碼的碼盤的缺點(diǎn),3.數(shù)字式角編碼器,改進(jìn)方法：采用二進(jìn)制循環(huán)碼盤(格雷碼盤) ，它的相鄰數(shù)的編碼只有一位變化，因此就把誤差控制在最小單位內(nèi)

19、，避免了非單值性誤差。,3.數(shù)字式角編碼器,光電式絕對(duì)編碼器特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： 直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角或角位移轉(zhuǎn)換成唯一對(duì)應(yīng)的代碼，無需記憶，無需參考點(diǎn)，無需計(jì)數(shù)； 在電源切斷后位置信息也不會(huì)丟失，而且指示沒有累積誤差； 大大提高了編碼器的抗干擾能力和數(shù)據(jù)的可靠性； 無磨損，碼盤壽命長(zhǎng)，精度保持性好,缺點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，碼盤基片為玻璃，抗沖擊和振動(dòng)能力差； 隨著分辨率的提高信號(hào)引出線較多,3.數(shù)字式角編碼器,擴(kuò)展閱讀,HGD-256光電單圈絕對(duì)編碼器,HGD-256型光電式絕對(duì)編碼器是集光、機(jī)、電技術(shù)于一體的數(shù)字化傳感器，可以高精度測(cè)量轉(zhuǎn)角或直線位移。通過光電轉(zhuǎn)換，將輸出軸的角位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。

20、,1、信號(hào)輸出方式有： a.并行格雷碼輸出 b.485串行信號(hào)輸出 c.4-20mA電流輸出 d. SSI同步串行信號(hào)輸出 2、根據(jù)用戶要求可設(shè)定并控制測(cè)量范圍的上、下限 3、可以直接連接PLC或上位機(jī) 4、鋁合金外殼，特殊表面處理,特點(diǎn)：,12.1 位移檢測(cè) 12.2 速度檢測(cè) 12.3 加速度檢測(cè) 12.4 力和轉(zhuǎn)矩檢測(cè) 12.5 機(jī)械振動(dòng)測(cè)量 12.6 噪聲檢測(cè),速度 ：在單位時(shí)間內(nèi)的位移增量 ，矢量，有大小，也有方向,物體運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量分兩種：,線速度測(cè)量,旋轉(zhuǎn)速度的測(cè)量,12.2 速度檢測(cè),如彈丸的飛行速度、機(jī)構(gòu)振動(dòng)速度的測(cè)量，線速度的計(jì)量單位是米/秒(m/s)，工程上也用千米/小時(shí)

21、(km/h)表示,如電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)速度，常稱其為轉(zhuǎn)速測(cè)量，單位是轉(zhuǎn)/分(r/min)，而在被測(cè)轉(zhuǎn)速很小時(shí)，測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)物體轉(zhuǎn)過的角度，稱為角速度測(cè)量，單位是弧度/秒(rad/s),12.2.1 速度測(cè)量方法,1速度測(cè)量的分類,從物體運(yùn)動(dòng)的形式看，速度的測(cè)量可分為線速度測(cè)量和角速度的測(cè)量； 從速度的參考基準(zhǔn)來看，可分為絕對(duì)速度測(cè)量和相對(duì)速度測(cè)量； 從速度的數(shù)值特征來看，分為平均速度測(cè)量和瞬時(shí)速度測(cè)量； 從獲取物體運(yùn)動(dòng)速度的方式來看，又可分為直接速度測(cè)量和間接速度測(cè)量。,2速度的測(cè)量方法,12.2.1 速度測(cè)量方法,微、積分測(cè)速法 線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測(cè)速法 利用物理參數(shù)測(cè)速法(速度傳感器法)

22、時(shí)間、位移計(jì)算測(cè)速法,（1）微、積分測(cè)速法 對(duì)測(cè)得的物體運(yùn)動(dòng)的位移信號(hào)微分可以得到物體運(yùn)動(dòng)速度，或?qū)y(cè)得的物體運(yùn)動(dòng)的加速度信號(hào)作時(shí)間積分也可以得到速度。 例如在振動(dòng)測(cè)量時(shí)，應(yīng)用加速度計(jì)測(cè)得振動(dòng)體的振動(dòng)加速度信號(hào)，或應(yīng)用振幅計(jì)測(cè)得振動(dòng)體的位移信號(hào)，再經(jīng)過電路進(jìn)行積分或微分運(yùn)算而得到振動(dòng)速度。,12.2.1 速度測(cè)量方法,（2）線速度和角速度相互轉(zhuǎn)換測(cè)速法 線速度與角速度在同一運(yùn)動(dòng)體上是有固定關(guān)系的，在測(cè)量時(shí)可以采用互換的方法達(dá)到方便測(cè)量的目的。 例如測(cè)火車行駛速度時(shí)，直接測(cè)線速度不方便，可通過測(cè)量車輪的轉(zhuǎn)速，換算出火車的行駛速度,12.2.1 速度測(cè)量方法,（3）利用物理參數(shù)測(cè)速法(速度傳感器法

23、) 利用各種速度傳感器測(cè)量與速度大小有確定關(guān)系的各種物理量來間接測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)速度，將速度信號(hào)變換為電、光等易測(cè)信號(hào)。這是最常用的一種方法。 可利用物理效應(yīng)很多，如電磁感應(yīng)原理、多普勒效應(yīng)、流體力學(xué)、聲學(xué)定律等等。,12.2.1 速度測(cè)量方法,（4）時(shí)間、位移計(jì)算測(cè)速法 這種方法是根據(jù)速度的定義測(cè)量速度，即測(cè)量物體經(jīng)過的距離L和經(jīng)過該距離所需的時(shí)間t，來求得物體運(yùn)動(dòng)的平均速度。L越小，則求得的速度越接近運(yùn)動(dòng)物體的瞬時(shí)速度。 根據(jù)這種測(cè)量原理，在確定的距離內(nèi)利用各種數(shù)學(xué)方法和相應(yīng)器件可延伸出許多測(cè)速方法，如相關(guān)測(cè)速法、空間濾波器測(cè)速法等等。,12.2.1 速度測(cè)量方法,3.常用速度檢測(cè)裝置性能與

24、特點(diǎn),12.2.1 速度測(cè)量方法,12.2.2 線速度測(cè)量,霍爾效應(yīng)與霍爾元件,1,皮托管測(cè)速,2,空間濾波器測(cè)速,3,4,磁電感應(yīng)式測(cè)速,彈丸飛行速度測(cè)量,1. 磁電感應(yīng)式測(cè)速,原理：導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) ，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān),一種用于測(cè)量線速度的恒磁通動(dòng)圈式磁電感應(yīng)式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖如圖12-14，由永久磁鐵、線圈、彈簧、金屬骨架等組成。,E=NBLv,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與線圈相對(duì)磁鐵的運(yùn)動(dòng)速度v成正比，所以這種傳感器能直接測(cè)量速度,12.2.2 線速度測(cè)量,2. 皮托管測(cè)速,圖12-25為皮托管結(jié)構(gòu)和工作原理：,測(cè)量時(shí)，將皮托管對(duì)準(zhǔn)流體流動(dòng)

25、方向(如圖示)，就可同時(shí)測(cè)出流體總壓力和靜壓力，并由導(dǎo)出管分別導(dǎo)出至測(cè)壓裝置。,流體總壓力與靜壓力的差值與流體流速有關(guān)，因而可以通過用皮托管測(cè)出流體差壓的方法來測(cè)量流體流速。,12.2.2 線速度測(cè)量,12.2.2 線速度測(cè)量,設(shè)流體密度為，流速為v，測(cè)出的流體總壓力為Pz，靜壓力為Pj，則根據(jù)流體流動(dòng)的伯努利方程有：,由式可求出流速v：,所以用皮托管測(cè)出差壓P就可測(cè)出流體流速。,3. 空間濾波器測(cè)速,空間濾波技術(shù)是對(duì)物體的移動(dòng)進(jìn)行非接觸連續(xù)測(cè)量以探知其長(zhǎng)度、運(yùn)動(dòng)速度的有效手段之一?？臻g濾波器測(cè)速原理如圖12-26所示。,v=f / M,響應(yīng)速度很快，可以用來檢測(cè)傳送帶、鋼板、車輛等的運(yùn)動(dòng)速度

26、，檢測(cè)范圍為1.5250 km/h， 測(cè)量精度可達(dá)0.2%,12.2.2 線速度測(cè)量,4. 彈丸飛行速度測(cè)量,常用時(shí)間位移計(jì)算測(cè)速法，測(cè)量原理如圖12-27所示,v=L/t,12.2.2 線速度測(cè)量,產(chǎn)生測(cè)時(shí)脈沖信號(hào)的區(qū)截裝置 ：,接觸型,非接觸型,12.2.2 線速度測(cè)量,對(duì)于大口徑武器，則可以采用光電靶和天幕靶等區(qū)截裝置來測(cè)量彈丸速度。 如圖,12.2.2 線速度測(cè)量,轉(zhuǎn)速的檢測(cè)方法很多，按照輸出信號(hào)的特點(diǎn)可分為模擬式和數(shù)字式兩大類。,1. 模擬式轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表,直流測(cè)速發(fā)電機(jī),原理如圖12-33所示,12.2.3 轉(zhuǎn)速測(cè)量,定子產(chǎn)生恒定磁通0，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中即產(chǎn)生交變的電

27、勢(shì)，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)速成正比的直流電勢(shì)：,當(dāng)Ce、0、r及RL都不變時(shí)，輸出電壓U0與轉(zhuǎn)速n成線性關(guān)系。對(duì)于不同的負(fù)載電阻RL，輸出電壓不同，負(fù)載電阻越小，輸出電壓也越小。,輸出斜率大、線性好，但由于有電刷和換向器，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)不便，摩擦轉(zhuǎn)距大，有換向火花，輸出特性不穩(wěn)定。,直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的特點(diǎn),12.2.3 轉(zhuǎn)速測(cè)量,離心式轉(zhuǎn)速表,離心式轉(zhuǎn)速表由轉(zhuǎn)動(dòng)軸、重錘、彈簧、連桿、套筒以及轉(zhuǎn)速指示機(jī)構(gòu)等組成 ，其結(jié)構(gòu)與工作原理如圖12-34所示,測(cè)速原理,慣性較大，不適合測(cè)量快速變化的轉(zhuǎn)速，測(cè)量精度也受到多力面的限制，一般在1%2%。,特點(diǎn),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，可靠、耐用、不怕沖擊振動(dòng)，無

28、需電源就可工作，測(cè)量范圍較寬,12.2.3 轉(zhuǎn)速測(cè)量,頻閃式轉(zhuǎn)速表,頻閃式轉(zhuǎn)速表利用頻閃效應(yīng)原理來測(cè)量轉(zhuǎn)速 ，檢測(cè)的原理如圖12-35所示,測(cè)量方法,若已知被測(cè)轉(zhuǎn)速范圍是nn，則先將閃光頻率調(diào)到大于nn，然后從高頻逐漸下降，直到第一次出現(xiàn)標(biāo)記不動(dòng)時(shí)，此時(shí)就可以讀出被測(cè)實(shí)際轉(zhuǎn)速；,若無法估計(jì)被測(cè)轉(zhuǎn)速時(shí)，則調(diào)整閃光頻率，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的圓盤上連續(xù)出現(xiàn)兩次標(biāo)記停留現(xiàn)象時(shí)，分別讀出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值，然后按下式計(jì)算出真實(shí)被測(cè)轉(zhuǎn)速n：,12.2.3 轉(zhuǎn)速測(cè)量,2.數(shù)字式轉(zhuǎn)速檢測(cè)方法,在指定的時(shí)間T內(nèi)，對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器的輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。若在時(shí)間T(s)內(nèi)計(jì)數(shù)值為N，轉(zhuǎn)速傳感器每周產(chǎn)生的脈沖數(shù)為Z，則被測(cè)轉(zhuǎn)速n為：,測(cè)

29、量原理,測(cè)定傳感器脈沖信號(hào)頻率f 就可求出轉(zhuǎn)速n。,12.2.3 轉(zhuǎn)速測(cè)量,磁電感應(yīng)式,12.2.3 轉(zhuǎn)速測(cè)量,電容式, 霍爾式,12.2.3 轉(zhuǎn)速測(cè)量,光電式,12.2.3 轉(zhuǎn)速測(cè)量,5)計(jì)數(shù)方法,根據(jù)式(12-36 ) 測(cè)出的脈沖信號(hào)頻率求出待測(cè)轉(zhuǎn)速的方法稱為測(cè)頻法，比較適合于高轉(zhuǎn)速測(cè)量。測(cè)頻法有一個(gè)字計(jì)數(shù)誤差，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)會(huì)引起較大相對(duì)誤差，故在低轉(zhuǎn)速時(shí)，脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)方法應(yīng)改用測(cè)周期法。測(cè)周期法的原理見圖(12-40),轉(zhuǎn)速(r/min)為 ：,12.2.3 轉(zhuǎn)速測(cè)量,12.1 位移檢測(cè) 12.2 速度檢測(cè) 12.3 加速度檢測(cè) 12.4 力和轉(zhuǎn)矩檢測(cè) 12.5 機(jī)械振動(dòng)測(cè)量 12.6

30、 噪聲檢測(cè),加速度測(cè)量是基于測(cè)試儀器檢測(cè)質(zhì)量敏感加速度產(chǎn)生慣性力的測(cè)量，是一種全自主的慣性測(cè)量。 加速度的計(jì)量單位為m/s2(米/秒2) 。在工程應(yīng)用中常用重力加速度g=9.81m/s2作計(jì)量單位。,12.3 加速度檢測(cè),12.3.1 加速度測(cè)量原理,加速度測(cè)量的原理是基于對(duì)質(zhì)量塊感受加速度時(shí)所產(chǎn)生的慣性力的測(cè)量。測(cè)量時(shí)采用絕對(duì)法，把測(cè)量裝置安裝在運(yùn)動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量加速度的裝置基結(jié)構(gòu)如圖12-41,系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的微分方程：,有位移關(guān)系 x = y+z,若令 ；則有：,測(cè)出位移y，或者測(cè)出質(zhì)量塊作用在彈簧上的慣性力就可以測(cè)出被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的加速度。,12.3.2 位移式加速度傳感器,1. 霍爾加速

31、度傳感器,霍爾式加速度傳感器的測(cè)量原理與結(jié)構(gòu)如圖12-42 所示：,傳感器固定在被測(cè)對(duì)象上并與其一起作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊感受到加速度而產(chǎn)生與之成比例的慣性力，使懸臂梁發(fā)生彎曲變形，其自由端的霍爾元件H就產(chǎn)生與加速度成比例的位移，輸出與加速度成比例的霍爾電勢(shì)UH，從UH與加速度的關(guān)系曲線上可求得加速度。,2. 電位器式加速度傳感器,電位器式加速度傳感器的測(cè)量原理與結(jié)構(gòu)如圖12-43所示：,傳感器殼體與被測(cè)對(duì)象一起作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊相對(duì)殼體的有位移產(chǎn)生并帶動(dòng)電刷在滑動(dòng)電阻元件上移動(dòng)。電阻值的變化可以由相應(yīng)電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，從而可以測(cè)出加速度。,12.3.2 位移式加速度傳感器,12.3.3

32、 應(yīng)變式加速度傳感器,應(yīng)變式加速度傳感器的測(cè)量原理與結(jié)構(gòu)如圖12-44 ：,由敏感質(zhì)量塊感受加速度a而產(chǎn)生與之成正比的慣性力Fma，再通過彈性元件把慣性力轉(zhuǎn)變成應(yīng)變、應(yīng)力，或通過壓電元件把慣性力轉(zhuǎn)變成電荷量，從而間接測(cè)出加速度。,測(cè)量原理,12.3.4 微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì),微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)通常是指利用微電子加工手段加工制作并和微電子測(cè)量線路集成在一起的加速度計(jì)，這種加速度計(jì)常用硅材料制作，故又名硅微型加速度計(jì)。,硅微型加速度計(jì)型式分類： 按檢測(cè)質(zhì)量支承方式分有懸臂梁支承、簡(jiǎn)支梁支承、方波梁支承、折疊梁支承和撓性軸支承等； 按檢測(cè)信號(hào)拾取方式分，有電容檢測(cè)、電感檢測(cè)、隧道電流檢測(cè)和頻率檢測(cè)等,

33、幾種硅微加速度計(jì)的性能及特點(diǎn),一種叉指式硅微型加速度計(jì)的結(jié)構(gòu),一種叉指式微型加速度計(jì)產(chǎn)品,ADXL50,12.3.4 微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì),12.1 位移檢測(cè) 12.2 速度檢測(cè) 12.3 加速度檢測(cè) 12.4 力和轉(zhuǎn)矩檢測(cè) 12.5 機(jī)械振動(dòng)測(cè)量 12.6 噪聲檢測(cè),12.4 力和轉(zhuǎn)矩檢測(cè),力是最重要的物理量之一，轉(zhuǎn)矩是各種工作機(jī)械傳動(dòng)軸的基本載荷形式，各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)都是力和轉(zhuǎn)矩的傳遞過程。 力和轉(zhuǎn)矩的測(cè)量不僅僅在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造領(lǐng)域具有重要的意義，而且在科學(xué)研究、國(guó)防和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也有廣泛的應(yīng)用需求,12.4.1 力的檢測(cè),1,力的測(cè)量方法,2,測(cè)力計(jì),3,力的基本概念,12.4.1

34、力的檢測(cè),1.力的基本概念,力體現(xiàn)了物質(zhì)之間的相互作用，凡是能使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或物體所具有的動(dòng)量發(fā)生改變、或者使物體發(fā)生變形的作用都稱為力。 按照力產(chǎn)生原因的不同，可以把力分為重力、彈性力、慣性力、膨脹力、摩擦力、浮力、電磁力等等。按力對(duì)時(shí)間的變化性質(zhì)可分為靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力兩大類。 力在國(guó)際單位制(SI)中是導(dǎo)出量，在我國(guó)法定計(jì)量單位制和國(guó)際單位制中，規(guī)定力的單位為牛頓(N)，定義為：使1kg質(zhì)量的物體產(chǎn)生1 m/s2加速度的力，即1N=1kgm/s2 。,2.力的測(cè)量方法,1)力平衡法,力平衡式測(cè)量法是基于比較測(cè)量的原理，用一個(gè)已知力來平衡待測(cè)的未知力，從而得出待測(cè)力的值。平衡力可以是已知質(zhì)量

35、的重力、電磁力或氣動(dòng)力等。,(1)機(jī)械式力平衡裝置,圖12-47給出了兩種機(jī)械式力平衡裝置,1)力平衡法,圖12-47 (a)為梁式天平，將被測(cè)力Fi與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量(砝碼G)的重力進(jìn)行平衡，直接比較得出被測(cè)力Fi的大小。,圖12-47(b)為機(jī)械杠桿式力平衡裝置，測(cè)量時(shí)，調(diào)整砝碼的位置使之與被測(cè)力平衡。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，則有：,式中，a，b分別為被測(cè)力Fi和砝碼G的力臂；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?。這種測(cè)力計(jì)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，常用于材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力系統(tǒng)中。但這種方法是基于靜態(tài)重力力矩平衡，因此僅適用于作靜態(tài)測(cè)量。,(2)液壓和氣壓式測(cè)力系統(tǒng),1)力平衡法,圖12-48(a)給出了液壓活塞式測(cè)力系統(tǒng)的原理：,當(dāng)被測(cè)力F

36、i作用在活塞上時(shí)，引起油壓變化p，其值可由指示儀表讀出，也可采用壓力傳感器將讀數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這樣根據(jù)力平衡條件Fi=pS，S是活塞等效截面積，就可以通過測(cè)量油的壓力來測(cè)量力。,1)力平衡法,圖12-48 (b)是氣壓式測(cè)力系統(tǒng)原理；,當(dāng)被測(cè)力Fi加到膜片上時(shí)，膜片帶動(dòng)擋板向下移動(dòng)x，使噴嘴截面積減小，氣體壓力p0增高。壓力p0作用在膜片面積S上產(chǎn)生一個(gè)等效集中力Fp，F(xiàn)p力圖使膜片返回到初始位置。當(dāng)FiFp時(shí)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。此時(shí)，氣體壓力p0與被測(cè)力Fi的關(guān)系為：,可得：,近似推出：,即被測(cè)力Fi與p0成線性關(guān)系。,2.力的測(cè)量方法,2)測(cè)位移法,在力作用下，彈性元件產(chǎn)生變形，測(cè)位移法通

37、過測(cè)量未知力所引起的位移，從而間接地測(cè)得未知力值。,3)利用某些物理效應(yīng)測(cè)力,物體在力作用下會(huì)產(chǎn)生某些物理效應(yīng)，如應(yīng)變效應(yīng)，壓磁效應(yīng)，壓電效應(yīng)等，可以利用這些效應(yīng)間接檢測(cè)力值。各種類型的測(cè)力計(jì)就是基于這些效應(yīng)。,12.4.1 力的檢測(cè),3. 測(cè)力計(jì),測(cè)力計(jì)通常將力轉(zhuǎn)換為正比于作用力大小的電信號(hào)，使用十分方便，因而在工程領(lǐng)域及其他各種場(chǎng)合應(yīng)用最為廣泛。測(cè)力計(jì)種類繁多，依據(jù)不同的物理效應(yīng)和檢測(cè)原理可分為電阻應(yīng)變式、壓磁式、壓電式、振弦式等等。,1)應(yīng)變式測(cè)力計(jì),2)壓磁式測(cè)力計(jì),應(yīng)變式測(cè)力計(jì)的工作原理與應(yīng)變式壓力傳感器基本相同，它也是由彈性敏感元件和貼在其上的應(yīng)變片組成。應(yīng)變式測(cè)力計(jì)首先把被測(cè)力轉(zhuǎn)

38、變成彈性元件的應(yīng)變，再利用電阻應(yīng)變效應(yīng)測(cè)出應(yīng)變，從而間接地測(cè)出力的大小。彈性元件的結(jié)構(gòu)形式有柱形、筒形、環(huán)形、梁形、輪輻形、S形等。,圖12-49給出了常見的柱形、筒形、梁形彈性元件及應(yīng)變片的貼片方式。圖12-49(a)為柱形彈性元件；圖12-49 (b) 為筒形彈性元件；圖12-49 (c) 為梁形彈性元件。,1)應(yīng)變式測(cè)力計(jì),1)應(yīng)變式測(cè)力計(jì),當(dāng)被測(cè)力F沿柱體軸向作用在彈性體上時(shí)，其縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變分別為：,式中，E材料的彈性模量；S柱體的截面積；材料的泊松比。,(1)柱形應(yīng)變式測(cè)力計(jì),柱形彈性元件通常都做成圓柱形和方柱形，用于測(cè)量較大的力。最大量程可達(dá)10 MN。在載荷較小時(shí)(1100

39、kN)，為便于粘貼應(yīng)變片和減小由于載荷偏心或側(cè)向分力引起的彎曲影響，同時(shí)為了提高靈敏度，多采用空心柱體。四個(gè)應(yīng)變片粘貼的位置和方向應(yīng)保證其中兩片感受縱向應(yīng)變，另外兩片感受橫向應(yīng)變，如圖12-49 (a)所示。,1)應(yīng)變式測(cè)力計(jì),(2) 輪輻式測(cè)力計(jì),圖12-50是較常用的輪輻式切應(yīng)力測(cè)力計(jì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,把應(yīng)變片貼到與切應(yīng)力成45的位置上，使它感受的仍是拉伸和壓縮應(yīng)變，但該應(yīng)變不是由彎距產(chǎn)生的，而主要是由剪切力產(chǎn)生的，此即這類傳感器的基本工作原理。這類傳感器最突出的優(yōu)點(diǎn)是抗過載能力強(qiáng)，能承受幾倍于額定量程的過載。此外其抗偏心、抗側(cè)向力的能力也較強(qiáng)，精度在0.1之內(nèi)。,壓磁式測(cè)力計(jì)由壓磁元件、傳力機(jī)

40、構(gòu)組成，如圖12-51(a)所示,2)壓磁式測(cè)力計(jì),當(dāng)鐵磁材料在受到外力拉、壓作用而在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，其導(dǎo)磁率會(huì)隨應(yīng)力的大小和方向而變化：受拉力時(shí)，沿力作用方向的導(dǎo)磁率增大，而在垂直于作用力的方向上導(dǎo)磁率略有減??；受壓力作用時(shí)則導(dǎo)磁率的變化正好相反。這種物理現(xiàn)象就是鐵磁材料的壓磁效應(yīng)，可用于力的測(cè)量。,12.4.2 轉(zhuǎn)矩測(cè)量,1.轉(zhuǎn)矩的基本概念,1)轉(zhuǎn)矩的定義及單位,使機(jī)械元件轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩或力偶稱為轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)矩。機(jī)械元件在轉(zhuǎn)矩作用下都會(huì)產(chǎn)生一定程度的扭轉(zhuǎn)變形，故轉(zhuǎn)矩有時(shí)又稱為扭矩。 力矩是由一個(gè)不通過旋轉(zhuǎn)中心的力對(duì)物體形成的，而力偶是一對(duì)大小相等、方向相反的平行力對(duì)物體的作用。所以轉(zhuǎn)矩等于

41、力與力臂或力偶臂的乘積，在國(guó)際單位制(SI)中，轉(zhuǎn)矩的計(jì)量單位為牛頓米(Nm) ，工程技術(shù)中也曾用過公斤力米等作為轉(zhuǎn)矩的計(jì)量單位。,2)轉(zhuǎn)矩的類型,1.轉(zhuǎn)矩的基本概念,動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩,靜態(tài)轉(zhuǎn)矩,3)轉(zhuǎn)矩的測(cè)量方法,(1) 平衡力法及平衡力類轉(zhuǎn)矩測(cè)量裝置,(2) 能量轉(zhuǎn)換法,(3) 傳遞法,12.4.2 轉(zhuǎn)矩測(cè)量,2. 傳遞法轉(zhuǎn)矩測(cè)量,1,壓磁式轉(zhuǎn)矩測(cè)量,2,扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測(cè)量,3,應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測(cè)量,1)應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測(cè)量,轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)矩M的作用下，其橫截面上最大剪應(yīng)力max與軸截面系數(shù)W和轉(zhuǎn)矩M之間的關(guān)系為：,式中，D軸的外徑；d空心軸的內(nèi)徑。,max無法用應(yīng)變片來測(cè)量，但與轉(zhuǎn)軸中心線成45夾角方向上的正負(fù)主應(yīng)

42、力1和3的數(shù)值等于max，即：,根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，應(yīng)變?yōu)椋?式中，E材料的彈性模量；材料的泊松比。,這樣就可沿正負(fù)主應(yīng)力1和3的方向貼應(yīng)變片，測(cè)出應(yīng)變即可知其軸上所受的轉(zhuǎn)矩M。,1)應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測(cè)量,應(yīng)變片可以直接貼在需要測(cè)量轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)軸上，也可以貼在一根特制的軸上制成應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩檢測(cè)裝置，用于各種需要測(cè)量轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合。如圖12-52所示，在沿軸向45方向上分別粘貼有四個(gè)應(yīng)變片，感受軸的最大正、負(fù)應(yīng)變，將其組成全橋電路，則可輸出與轉(zhuǎn)矩M成正比的電壓信號(hào)。這種接法可以消除軸向力和彎曲力的干擾。,1)應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測(cè)量,2)壓磁式轉(zhuǎn)矩測(cè)量,在鐵芯線圈A中通以50 Hz的交流電，形成交變磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)軸未受轉(zhuǎn)矩作用時(shí)

43、，其各向磁阻相同，BB方向正好處于磁力線的等位中心線上，B上的繞組不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，其表面上出現(xiàn)各向異性磁阻特性，磁力線將重新分布，而不再對(duì)稱，因此在鐵芯B的線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。轉(zhuǎn)矩愈大，感應(yīng)電勢(shì)愈大，在一定范圍內(nèi)，感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)矩成線性關(guān)系，這樣就可通過測(cè)量感應(yīng)電勢(shì)e來測(cè)定軸上轉(zhuǎn)矩的大小。,3)扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測(cè)量,扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測(cè)量法是通過扭轉(zhuǎn)角來測(cè)量轉(zhuǎn)矩的。根據(jù)材料力學(xué)，在轉(zhuǎn)矩M作用下，轉(zhuǎn)軸上相距L的兩橫截面之間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角為：,式中，G軸的剪切彈性模量。,當(dāng)轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，其上兩截面間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)矩成比例，因此可以通過測(cè)量扭轉(zhuǎn)角來測(cè)量轉(zhuǎn)矩。根據(jù)這一原理，可以制成光電式

44、、相位差式、振弦式等各種轉(zhuǎn)矩檢測(cè)裝置。,光電式轉(zhuǎn)矩檢測(cè)裝置,相位差式轉(zhuǎn)矩檢測(cè)裝置,這是一種非接觸測(cè)量方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便可靠，且測(cè)量精度不受轉(zhuǎn)速變化的影響。,與光電式轉(zhuǎn)矩檢測(cè)裝置一樣，相位差式轉(zhuǎn)矩檢測(cè)裝置也是非接觸測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，對(duì)環(huán)境條件要求不高，精度一般可達(dá)0.2。,3)扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測(cè)量,擴(kuò)展閱讀,轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器（歐瑞特科技）,應(yīng)用范圍： ORT系列扭矩傳感器是一種測(cè)量各種扭矩、轉(zhuǎn)速及機(jī)械功率的精密測(cè)量?jī)x器。應(yīng)用范圍十分廣泛，主要用于： 1、電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等旋轉(zhuǎn)動(dòng)力設(shè)備輸出扭矩及功率的檢測(cè)； 2、風(fēng)機(jī)、水泵、齒輪箱、扭力板手的扭矩及功率的檢測(cè)； 3、鐵路機(jī)車、汽車、拖

45、拉機(jī)、飛機(jī)、船舶、礦山機(jī)械中的扭矩及功率的檢測(cè)； 4、可用于污水處理系統(tǒng)中的扭矩及功率的檢測(cè)； 5、可用于制造粘度計(jì)； 6、可用于過程工業(yè)和流程工業(yè)中。,1、信號(hào)輸出可任意選擇波形方波或脈沖波。 2、檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強(qiáng)。 3、不需反復(fù)調(diào)零即可；連續(xù)測(cè)量正反扭矩。 4、即可測(cè)量靜止扭矩，也可測(cè)量動(dòng)態(tài)扭矩。 5、體積小、重傳感器可脫離二次儀表獨(dú)立使用，只要按插座針號(hào)提供15V，-15V（200mA）的電源，即可輸出阻抗與扭矩成正比的等方波或脈沖波頻率信號(hào)。量輕、易于安裝。 6、測(cè)量范圍：5Nm10000Nm可選，非標(biāo)準(zhǔn)可定制。,產(chǎn)品特點(diǎn)：,擴(kuò)展閱讀,12.1 位移檢測(cè) 12.2 速度

46、檢測(cè) 12.3 加速度檢測(cè) 12.4 力和轉(zhuǎn)矩檢測(cè) 12.5 機(jī)械振動(dòng)測(cè)量 12.6 噪聲檢測(cè),12.5.1機(jī)械振動(dòng)測(cè)量概述,物體或物體的一部分沿直線或曲線在平衡位置附近所作的周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。,機(jī)械振動(dòng),振動(dòng)測(cè)試的目的,1.檢查機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)特性，以檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量；,2.測(cè)定機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，以便確定機(jī)器設(shè)備承受振動(dòng)和沖擊的能力，并為產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)；,3.分析振動(dòng)產(chǎn)生的原因，尋找振源，以便有效地采取減振和隔振措施；,4.對(duì)運(yùn)動(dòng)中的機(jī)器進(jìn)行故障監(jiān)控，以避免重大事故。,測(cè)量的兩種方式,12.5.2振動(dòng)的基本知識(shí),1.振動(dòng)信號(hào)分類,2. 振動(dòng)測(cè)試的基本參數(shù),振動(dòng)三要素,幅值,頻率,相

47、位,簡(jiǎn)諧振動(dòng),y(t)=Asin(t+),合理選擇測(cè)量參數(shù),12.5.2振動(dòng)的基本知識(shí),3.單自由度系統(tǒng)的受迫振動(dòng),12.5.2振動(dòng)的基本知識(shí),單自由度線性系統(tǒng)是最基本的振動(dòng)模型，它僅用一個(gè)位移坐標(biāo)（即一個(gè)自由度）來描述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，因此系統(tǒng)可由質(zhì)量塊、彈簧和阻尼器組成。,為正確理解和掌握振動(dòng)測(cè)試傳感器的工作原理，討論單自由度系統(tǒng)在兩種不同激勵(lì)下的響應(yīng)。,質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動(dòng),如圖12-56所示,質(zhì)量塊m的運(yùn)動(dòng)微分方程為：,頻率響應(yīng)H()為：,12.5.2振動(dòng)的基本知識(shí),幅頻特性A()和相頻特性 ()分別為：,通常把振動(dòng)幅頻特性曲線A()上幅值最大處的頻率r稱為位移共振頻率，可求得位移共振頻

48、率：,12.5.2振動(dòng)的基本知識(shí),由基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的受迫振動(dòng),慣性式拾振器的力學(xué)模型如圖12-57,質(zhì)量塊m的運(yùn)動(dòng)方程為：,令 y(t)=x(t)-z(t)，為質(zhì)量塊m 對(duì)基礎(chǔ)的相對(duì)位移，則,12.5.2振動(dòng)的基本知識(shí),系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù) H()、幅頻特性A()、相頻特性()分別為：,12.5.2振動(dòng)的基本知識(shí),基礎(chǔ)激振時(shí)質(zhì)量塊相對(duì)基礎(chǔ)位移的幅頻和相頻特性曲線如圖12-58,12.5.2振動(dòng)的基本知識(shí),4. 機(jī)械阻抗的概念,機(jī)械阻抗是在機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析中被廣泛應(yīng)用的一種理論分析與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析方法。,機(jī)械阻抗與機(jī)械導(dǎo)納的一般定義為：,（Z）=,(M) =,=,12.5.2振動(dòng)的基本知識(shí)

49、,12.5.3振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),1. 振動(dòng)測(cè)量方法,2. 電測(cè)法振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),電測(cè)法測(cè)振系統(tǒng)的一般組成框圖如圖12-59所示,12.5.3振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),3. 測(cè)振傳感器,測(cè)振傳感器的類型,12.5.3振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),拾振器按振動(dòng)測(cè)量方法的力學(xué)原理可分為慣性式(絕對(duì)式)和相對(duì)式拾振器；按照測(cè)量時(shí)拾振器是否和被測(cè)物體接觸可分為接觸式和非接觸式拾振器；按工作原理分，則有壓電式、磁電式、電動(dòng)式、電容式、電感式、電渦流式、電阻式和光電式等等。,選擇測(cè)振傳感器的原則,選擇測(cè)振傳感器類型時(shí)，主要需考慮被測(cè)量的參數(shù)(位移、速度或加速度)、測(cè)量的頻率范圍、量程及分辨率、使用環(huán)境和相移等問題，并結(jié)合各類測(cè)振傳感器的性能

50、特點(diǎn)綜合進(jìn)行選擇。,選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)量參數(shù),選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)振傳感器類型,12.5.3振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),4. 振動(dòng)的激勵(lì),激振就是使用激振器對(duì)試件施加某種預(yù)定要求的激振力，使試件受到按預(yù)定要求、可控的振動(dòng)，以便測(cè)定對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性參量，評(píng)定抗振能力，檢驗(yàn)產(chǎn)品性能、壽命情況以及進(jìn)行拾振器及測(cè)振系統(tǒng)的校準(zhǔn)。,激振方法,正弦激振,隨機(jī)激振,瞬態(tài)激振,激振器,電動(dòng)式,電磁式,電液式,12.5.3振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),常用的激振設(shè)備,5. 振動(dòng)分析儀器,測(cè)振儀,頻率分析儀,FFT分析儀,虛擬頻譜分析儀,12.5.3振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),12.5.4振動(dòng)參量的測(cè)量,1. 振幅的測(cè)量,峰值是從振動(dòng)波形的基線位置到波峰的距離，峰峰值是正峰

51、值到負(fù)峰值之間的距離。,有效值,平均絕對(duì)值,峰值、有效值和平均絕對(duì)值之間的關(guān)系為,2. 諧振動(dòng)頻率的測(cè)量,12.5.4振動(dòng)參量的測(cè)量,直接法,比較法,將拾振器的輸出信號(hào)送到各種頻率計(jì)或頻譜分析儀直接讀出被測(cè)諧振動(dòng)的頻率。在缺少直接測(cè)量頻率儀器的條件下，可用示波器通過比較測(cè)得頻率。,比較法有錄波比較法和李沙育圖形法。錄波比較法是將被測(cè)振動(dòng)信號(hào)和時(shí)標(biāo)信號(hào)一起送入示波器或記錄儀中同時(shí)顯示，根據(jù)它們?cè)诓ㄐ螆D上的周期或頻率比，算出振動(dòng)信號(hào)的周期或頻率。李沙育圖形法則是將被測(cè)信號(hào)和由信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)頻率正弦波信號(hào)分別送到雙軸示波器的y軸及x軸，根據(jù)熒光屏上呈現(xiàn)出的李沙育圖形來判斷被測(cè)信號(hào)的頻率。,3.

52、 相位角的測(cè)量,相位差角只有在頻率相同的振動(dòng)之間才有意義。測(cè)定同頻兩個(gè)振動(dòng)之間的相位差也常用直讀法和比較法。直讀法是利用各種相位計(jì)直接測(cè)定。比較法常用錄波比較法和李沙育圖形法兩種。錄波比較法利用記錄在同一坐標(biāo)紙上的被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)之間的時(shí)間差求出相位差：,12.5.4振動(dòng)參量的測(cè)量,4. 阻尼比測(cè)量,振動(dòng)波形圖法,曲線的數(shù)學(xué)方程式為,由任意相鄰兩振幅zi與zi+1的比值z(mì)i /zi+1=exp(T)即可求得為,式中,12.5.4振動(dòng)參量的測(cè)量,共振法,一個(gè)單自由度有阻尼線性振動(dòng)系統(tǒng)的位移、速度和加速度的幅頻特性的共振頻率fd、fV、和fa與系統(tǒng)無阻尼振動(dòng)固有頻率fn之間的關(guān)系分別如下：,可求

53、得：,或,12.5.4振動(dòng)參量的測(cè)量,半功率點(diǎn)法,一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的能量是與其振幅的平方成正比。系統(tǒng)強(qiáng)迫振動(dòng)的能量在共振點(diǎn)前后能量為共振時(shí)能量的1/2處的兩個(gè)頻率f1、f2稱為半功率點(diǎn)頻率，則此兩半功率點(diǎn)頻率之差值與系統(tǒng)的阻尼比之間有如下關(guān)系 ：,12.5.4振動(dòng)參量的測(cè)量,12.5.5振動(dòng)測(cè)試的應(yīng)用實(shí)例,振動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障診斷 查找振源及振源傳遞路徑識(shí)別 海嘯預(yù)警,12.1 位移檢測(cè) 12.2 速度檢測(cè) 12.3 加速度檢測(cè) 12.4 力和轉(zhuǎn)矩檢測(cè) 12.5 機(jī)械振動(dòng)測(cè)量 12.6 噪聲檢測(cè),12.6.1 聲音和噪聲,1.聲音,聲音的本質(zhì)是波動(dòng)。當(dāng)產(chǎn)生振動(dòng)的振源頻率在2020000Hz(赫茲)之間時(shí)

54、，人耳可以感覺，稱為可聽聲，簡(jiǎn)稱聲音。振源頻率低于20Hz或高于20000Hz時(shí)，人無法聽到。低于20Hz的波動(dòng)稱為次聲波，高于20000Hz的波動(dòng)稱為超聲波。,聲波在一秒時(shí)間內(nèi)傳播的距離叫聲速，記作c，單位為m/s。聲速與介質(zhì)密度、溫度、形狀等因素有關(guān)。 聲源在一秒鐘內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)叫頻率，記作f，單位為Hz。沿聲波傳播方向，振動(dòng)一個(gè)周期所傳播的距離，或在波形上相位相同的相鄰兩點(diǎn)間的距離稱為波長(zhǎng)，用表示，單位為m。 頻率、波長(zhǎng)和聲速三者的關(guān)系：c = f ,12.6.1 聲音和噪聲,2.噪聲,人們生活和工作所不需要、引起反感的、刺耳的聲音統(tǒng)稱為噪聲。從物理現(xiàn)象判斷，一切無規(guī)律的或隨機(jī)的聲信號(hào)叫噪

55、聲。噪聲是相對(duì)和諧悅耳、旋律優(yōu)美的音樂聲而言的。,3. 噪聲的來源,環(huán)境噪聲的來源有四種： 一是交通噪聲，二是工廠噪聲， 三是建筑施工噪聲，四是社會(huì)生活噪聲。,4. 噪聲的危害,12.6.2 噪聲的物理量度,在進(jìn)行噪聲測(cè)量時(shí)，常用聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí)表示其強(qiáng)弱，用頻率或頻譜表示其成分，也可以用人的主觀感覺進(jìn)行量度，如響度級(jí)等。,霍爾效應(yīng)與霍爾元件,1,聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級(jí),2,聲功率和聲功率級(jí),3,4,聲壓和聲壓級(jí),多聲源噪聲級(jí)合成,12.6.2 噪聲的物理量度,1. 聲壓和聲壓級(jí),聲壓是指某點(diǎn)上各瞬間的壓力與大氣壓力之差值，單位為N/m2，即帕(Pa)。,聲音的聲壓級(jí)LP表示待測(cè)聲壓P與基準(zhǔn)參考聲壓P0的比值關(guān)系，取為：,基準(zhǔn)聲壓P0的聲壓級(jí)為0dB，當(dāng)LP=120dB時(shí)，人耳會(huì)感 到不舒服，當(dāng)達(dá)到140dB