第6章机械量检测与仪表

测速齿轮 霍尔片
(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。
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
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
(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) 。
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
刘玉长ZC =F( x)
(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。
d
dt
NBLv sin
NBS
sin
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
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：
P Tn 9550
, kW
目前，动力机械的功率测量基本上都是 刘通玉过长转矩间接测量。
d vT 2
式中v为超声波在被测件
中的传播速度。
被测件
探头 (换能器)
d
脉冲
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。
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。
刘玉长 电阻应变片转矩传感器贴片方式
(二)光电式转矩检测仪表(圆光栅法)
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。
刘玉长
反射式涡流传感器
1-线圈；2-骨架；3-引线
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：
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。
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。
(30~24000)rpm 0~1.5×105 rpm
结构简单，价格便宜，不受电磁场干
±1%
扰；精度较低
体积小，量程宽，使用简便，精度高
1%
，是非接触测量
光电 反射式转速表 式 直射式转速表
(30~4800)rpm 1000 rpm
±1脉冲/s
非接触测量，须被测轴径大于3mm 在被测轴上装有测速圆盘
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。
激光 测频式转速仪 几万至几十万 rpm
式 测周式转速仪
1000 rpm
±1脉冲/s
适合高转速测量，低转速测量误差大 适合低转速测量
转速 测量
汽车发动机转速表
(70~9999) rpm
0.1%n±1 rpm (n≤4000rpm) 0.2%n±1 rpm (n>4000rpm)
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
(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
半透膜
n
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Hale Waihona Puke Baidu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:
透镜
透镜
光敏元件
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
刘次玉(等长于所贴反射镜数)光的反射。
灵敏度高，性能稳定，移动范围 ±(1~15)mm，尺寸、质量较大
无需两套特性完全相同的传感器
交流测速发电机
(400 ~4000)rpm
<1%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
1400 rpm
1.5%
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
转速
离心式转速表 频闪式转速表
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
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 = nf。
刘玉长
(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、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
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
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。
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。
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
表6-1为常用速度传感器的性能及其特点
类型
原理
测量范围
精度
特点
线
磁电式
速
度
空间滤波器
(10~500)Hz (1.5 ~200)km/h
≤10% ±0.2%
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。
刘玉长
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
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
e
N