自动检测与控制第6章机械量检测与仪表.ppt

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1、刘玉长刘玉长第六章 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 本资料由大学生客栈网（）整理本资料由大学生客栈网（）整理机械量包括速度机械量包括速度(线速度、转速线速度、转速)与加速度，位移与加速度，位移(线位移、角线位移、角位移位移)，力，力(重力或质量力重力或质量力)与力矩，振动等参数，这些参数不与力矩，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、流量等检要技术参数，同时也是其他参数，如温度、压

2、力、流量等检测的前提。测的前提。机械量测量仪表一般由传感器、测量电路、显示机械量测量仪表一般由传感器、测量电路、显示(或记录或记录)器和电源组成。器和电源组成。刘玉长刘玉长第一节 转速、转矩与功率测量一、转速测量刘玉长刘玉长(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。恒定磁通式电信号。恒定磁通式(动圈式动圈式)和变磁通式和变磁通式(磁阻式磁阻式)两种两种类型。类型。动圈式动圈式(恒定磁通恒定磁通)速度传感器速度传感器(a)直线运动直线运动 (b)旋转运动旋转运动1-线圈；线圈；2-运动部分；运动部分；3-永久磁铁永久磁铁刘

3、玉长刘玉长磁阻式(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，线圈起磁阻变化，线圈2 2中感应出交变电压，其频率中感应出交变电压，其频率f f为齿为齿轮齿数轮齿数n n与转速与转速的乘积的乘积f f=nn，则转速，则转速=n n f f。(a)开路式开路式 (b)闭路式闭路式磁阻式转速传感器磁阻式转速传感器1-永久磁铁；永久磁铁；2-感应线圈；感应线圈；3-软铁；软铁；4-齿轮；齿轮；5-转轴；转轴；6-内齿轮；内齿轮；7-外齿轮外齿轮刘玉长刘玉长(二)光电式转速表1 1、透射式光电转速表、透射式光电转速表 被测轴被测

4、轴7一起转动的测量一起转动的测量盘盘3、不动的读数盘、不动的读数盘4，光源，光源1、透镜透镜2和和5以及由光敏元件以及由光敏元件6组组成的光电测量系统。转速成的光电测量系统。转速n计计算公式为：算公式为：n=60(NM)式中，式中，N 脉冲频率；脉冲频率；M 每转脉冲数每转脉冲数(等于圆周上所开缝隙数等于圆周上所开缝隙数)。刘玉长刘玉长2、反射式光电转速表、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。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

5、上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。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反射镜。当有光线入射时，在转轴每旋转一周就有多次(等等于所贴反射镜数于所贴反射镜数)光的反射。光的反射。n透镜透镜半透膜半透膜透镜透镜光敏元件光敏元件刘玉长刘玉长(三)霍尔式转速表原理：原理：在测量齿轮转动时，切割永久磁铁产生的磁力在测量齿轮转动时，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

6、出霍尔电动势，此电动势随转速作交替变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。化，形成电脉冲信号。霍霍尔尔片片测测速速齿齿轮轮特点：特点：体积小、结构简体积小、结构简单、起动力矩小、可靠单、起动力矩小、可靠性高、频率特性好、可性高、频率特性好、可进行连续测量特点。适进行连续测量特点。适用于固定式安装，不宜用于固定式安装，不宜在强磁场环境中使用。在强磁场环境中使用。刘玉长刘玉长(一)电阻应变式转矩检测仪表 原理原理：当扭转轴受转矩影响而产生扭转变形时，各应变片：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。的阻值随之发生

7、变化，电桥输出的不平衡电压与转矩成比例。电阻应变片转矩传感器贴片方式电阻应变片转矩传感器贴片方式 二、转矩测量 转矩测量仪表主要用于直接测量电动机、发动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。机和其他旋转机械的转矩。刘玉长刘玉长(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，如图所示，这里所用的光栅不是产生横向条纹的圆形光栅，而是光闸光栅而是光闸光栅(主光栅与指示光栅栅线间夹角主光栅与指示光栅栅线间夹角=0，此时莫尔条，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，在轴上

8、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。一定距离处固定两个具有黑白条纹的圆盘形透射光栅。当轴不承受扭矩时，两片光栅当轴不承受扭矩时，两片光栅的明暗条纹完全错开，遮挡住光路，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

9、越大，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，因而照射到光敏元件上的光越多，因而输出的电信号也越大。输出的电信号也越大。三、功率测量三、功率测量（见电工学）（见电工学）刘玉长刘玉长(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。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

10、除，故测量准确度不高。于连接导线的寄生电容干扰不易消除，故测量准确度不高。第二节 位移与厚度测量一、位移测量仪表刘玉长刘玉长(二)涡流位移传感器基于电涡流效应原理。基于电涡流效应原理。反射式涡流传感器反射式涡流传感器1-线圈；线圈；2-骨架；骨架；3-引线引线2、高频反射式涡流传感器结构、高频反射式涡流传感器结构1、高频反射式涡流传感器原理、高频反射式涡流传感器原理刘玉长刘玉长(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：元件，又称为编码器。两种类型：(1)绝对编码器绝对编码器：它对应每

11、一位移量都能产生唯一的数字编：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。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、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。磁性编码器和光学编码器。(2)增量编码器增量编码器：在测量物体位移时，能发生电流或电压的：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。常分

12、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。用的有感应同步器、磁栅和光栅。刘玉长刘玉长二、厚度测量刘玉长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冲到接收到脉冲的时间间隔T与材料的厚度与材料的厚度d成正比。成正比。即被测件的厚度可用下式求出即被测件的厚度可用下式求出:式中，式中，v为超声波

13、在被测件中为超声波在被测件中的传播速度。的传播速度。探头探头(换能器换能器)被测件被测件脉冲脉冲d二、厚度测量刘玉长刘玉长第三节 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的位移(振幅振幅)、速度、加速度、频率以及应力等参数。描述振、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。的目的就是测量这三个参量。(a)差动变压器式差动变压器式 (b)电涡流式电涡流式 (c)应变片

14、式应变片式刘玉长刘玉长二、加速度测量仪表 加速度是物体运动速度的加速度是物体运动速度的变化率，不能直接测量，一般变化率，不能直接测量，一般多采用所谓的质量多采用所谓的质量-弹簧系统。弹簧系统。即利用测量质量块随被测物体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作加速运动时所表现出的惯性力来确定其加速度。力来确定其加速度。最简单的加速度计由外壳、最简单的加速度计由外壳、质量块、力敏元件和限制质量质量块、力敏元件和限制质量块与外壳之间相对运动的弹簧块与外壳之间相对运动的弹簧(也称限动弹簧也称限动弹簧)构成，如图所构成，如图所示。示。刘玉长刘玉长(一)压电式加速度计 如图所示，在基座与质量

15、块中间压着压电片，用弹簧片将如图所示，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。出电极输出送入测量仪表，从而得到加速度。刘玉长刘玉长

16、(二)应变片加速度计 应变片加速度计是利用半应变片加速度计是利用半导体或金属应变片作为它的力导体或金属应变片作为它的力敏元件。在这种传感器中，质敏元件。在这种传感器中，质量块支撑在弹性体上，弹性体量块支撑在弹性体上，弹性体上贴有应变片，如图所示。上贴有应变片，如图所示。测量时，在质量块的惯性测量时，在质量块的惯性力的作用下，弹性体产生形变，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变化，最后通过测量电路输出正比于加速度的电信号。正比于加速度的电信号。应变片加速度计原理应变片加速度计原理1弹性体；弹性体；2质量块；质量块；3应变片；

17、应变片；4截面积；截面积；5底座底座刘玉长刘玉长(三)扩散硅压阻膜片的加速度传感器 它的顶部和底部的玻它的顶部和底部的玻璃板之间夹着硅基片，硅璃板之间夹着硅基片，硅基片上按一定晶向制成基片上按一定晶向制成4个个扩散压敏电阻，硅基片下扩散压敏电阻，硅基片下部切割成中部厚边缘薄的部切割成中部厚边缘薄的杯状膜片。中部厚膜相当杯状膜片。中部厚膜相当于一个重块，在加速度的于一个重块，在加速度的作用下，产生的惯性力使作用下，产生的惯性力使膜片变形。膜片的变形由膜片变形。膜片的变形由压敏电阻变化检测出来，压敏电阻变化检测出来，进而测出加速度。进而测出加速度。扩散硅压阻膜片的加扩散硅压阻膜片的加速度传感器速度

18、传感器 1-引线接点；引线接点；2-缝隙；缝隙；3-扩散硅压敏电阻；扩散硅压敏电阻；4-顶帽；顶帽；5-硅基片；硅基片；6悬梁；悬梁；7-质量块；质量块；8-底座；底座；9-缝隙缝隙刘玉长刘玉长第四节 力与电子称量仪表一、皮带电子秤 皮带电子秤是用来检测固体散料输送量的，利用它可实现自皮带电子秤是用来检测固体散料输送量的，利用它可实现自动称料、装料或配料。动称料、装料或配料。根据皮带速度的不同，皮带电子秤有两种工作模式，一是根据皮带速度的不同，皮带电子秤有两种工作模式，一是定定速传送速传送，二是，二是变速传送变速传送。变速电子皮带秤原理系统图刘玉长刘玉长二、吊车秤与料斗秤(a)吊钩安装方式吊钩安装方式 (b)固定安装方式固定安装方式1-传感器；传感器；2-防扭转臂；防扭转臂；3-限位螺母；限位螺母；4-信号电缆信号电缆电子料斗秤电子料斗秤 1-传感器；传感器；2-防振垫；防振垫；3-限位杆；限位杆；4-料斗料斗刘玉长刘玉长吊钩秤 便携式便携式刘玉长刘玉长汽车衡称重系统