第4章 非电量基本参数的测试方法

2）差动变压器式传感器位移测量系统
由于电桥输出的电量是AM波，故在后继电路的处理中 要加解调装置。
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差动变压器式传感器位移测量系统框图
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4.2 位移和厚度的测量
4.2.1 位移的测量
4.计量光栅式位移的测量
1）光栅的定义：
是一种在某种基底上均匀地依次排列着透光条纹的光学 器件。用于位移测量的光栅称为计量光栅。
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4.5
4.5.2 光电式转速计
转速的测量
用光电法测转速也易于数字化，可采用透光式和反射 式光电传感器。
n
光电式 传感器 放大器 整形 闸门 计数器
源自文库
译码、 显示
时标脉冲
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4.5
4.5.2 光电式转速计
转速的测量
也可用于单片机进行计数、显示。
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4.5
转速的测量
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计量光栅式传感器位移测量系统框图
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辨向装置及辨向电路的工作原理
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4.3 速度和加速度的测量
4.3.1 线速度的测量
1. 激光多普勒效应法： 当光源或观察者相对于介质运动时，观察者所接 收到波的频率不同于波源的频率，这种现象称为光或 声的多普勒效应。 不论是波源运动，或是观察者运动，或是两者同 时运动，只要两者互相接近，接收到的频率就高于原 来波源的频率。两者互相远离，接收到的频率则低于 原来波源的频率。 由多普勒效应而引起的频率变化数值称为多普勒 频移值。 ■
定距△S 位移 光电传感器 放大、整形
时标脉冲
控制门
计数器
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4.3 速度和加速度的测量
4.3.1 线速度的测量
3. 定时测距法：
定距测量打击速度的原理
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4.3 速度和加速度的测量
4.3.2 加速度的测量
1.线加速度的测量
1）应变片法：
电阻应变片式加速度传感器广泛应用于振动测量领域，其 优点是低频特性好、价格低廉、输出灵敏度高及可测加速度较大 （1~50g或更大）。 采用悬臂梁为弹性元件，振动物体的位移为x，重块振动幅 度为 y，振动物体的振动频率为f，系统的固有频率为 f0。
1）应变片法： 悬臂梁系统的固有频率一般 在100HZ以下。视所测加速度的 量程而不同，国内外生产的电阻 应变计式加速度传感器，加速度 量程有1g，5g，50g，其固有频 率相应为50~400HZ，可测加速度 频率为30~200HZ。
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4.3 速度和加速度的测量
4.3.2 加速度的测量
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透射光栅示意图
示
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莫尔条纹的形成
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光栅位移与输出电压的关系
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4.2 位移和厚度的测量
4.2.1 位移的测量
4.计量光栅式位移的测量
3）光栅式位移测量系统： 莫尔条纹光通量经光电元件转换后，送入放大器、 整形后变为方波，再经微分电路转换成脉冲电路，再 由辩向电路和可逆计数器计数，则可在显示元件上实 时地，以数字形式显示出位移量的大小。位移量等于 脉冲数与栅距的乘积，当栅距为单位长度时，所显示 的脉冲数则直接表示出位移量的大小。
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4.3 速度和加速度的测量
4.3.1 线速度的测量
1.激光多普勒效应法： 测量原理：激光作为光源照射运动物体，由于多 普勒效应，被物体反射或散射的光的频率发生变化。 把频率发生变化的光与原光拍频（求频率差的绝对值） 比较，得到频率漂移fd，此信号经光电器件转换，即可 得到与物体运动速度成正比的电信号。
4.1.1 拉伸力/压缩力、剪切力的测量
1. 分析应力与应变的关系 1）拉伸力/压缩力 F EA 2）剪切力
Qa EW
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4.1 力和转矩的测量
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4.1 力和转矩的测量
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4.1 力和转矩的测量
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4.1 力和转矩的测量
4.1.1 拉伸力/压缩力、剪切力的测量
1.线加速度的测量
2）差动变压器法： 被测件以加速度 a 运动时，铁心的惯性力作用在 弹簧片上而产生弯曲变形，也即铁心相对于线圈有位 移，因此差动变压器有输出，其输出与铁心位移即加 速度 a 成正比。
位移 差动变压器 式加速度计 相敏检 波及滤 波器 显示 记录器
交流放大器
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4.3 速度和加速度的测量
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4.5
4.5.3 霍尔式转速计
转速的测量
2. 霍尔式转速测量 开关型霍尔传感器 将转速变换成电脉冲信 号，通过处理后送入计 数器计数，然后译码显 示转速值。
n 霍尔式 传感器 放大器 整形 闸门 计数器 译码、 显示
时标脉冲
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本章小结
1.重点掌握拉伸/压缩力、剪切力、转矩的测量布 片和接桥方法； 2. 理解线位移传感器的类型；掌握电容式和差动 变压器式测量线位移系统； 3. 掌握相关法测量速度的测量方法。 4. 掌握压电式测量加速度的测量方法。 5. 掌握光电式测量转速的原理与系统。
2. 正确的布片和接桥 1）拉伸力/压缩力； 2）剪切力。 4.1.2 转矩的测量 1. 分析应力与应变的关系
在实心圆轴情况下，外径为D。
M 1 0.2 ED 3 2. 正确的布片和接桥
1）半桥接法； 2）全桥接法。
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4.1 力和转矩的测量
4.1.3 应变片测量系统中的温度补偿
3）压电式加速度计法： （2）压电石英谐振式加速度计；
利用压电石英谐振器的力频特性来进行加速度的测量，可 以直接输出频率信号，不需进行模拟放大和A/D转换。
f 02 f k f 1 f 2 2k f 2K f kma Dn
压电石英谐振器加速度传感器的主要特点是结构简单，成 本低，可靠性好，适用于航空及工业自动化中的加速度检测。
4.5.3 测速发电机转速计
直流测速发电机的输出电压和转速有较好的线性关系，并且 直流的极性能反映转向，用在模拟式测速电路上很方便。
Ea Ce n
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4.5
4.5.3 霍尔式转速计
1.集成霍尔传感器
转速的测量
把霍尔元件、温度补偿电路、放大器及电源等做在一个芯片 上，然后封装起来就构成了集成霍尔传感器。集成霍尔传感器可分 为线性型和开关型两种。
“现代测试技术” 电子教案
第4章 非电量基本参数的测试方法
重点：拉伸/压缩力、剪切力、转矩的测量布片 和接桥方法；线位移传感器的类型和测量系统； 速度、加速度和转速的测量方法。 难点：拉伸/压缩力、剪切力、转矩的测量布片 和接桥方法。
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第4章 非电量基本参数的测试方法
4.1 力和转矩的测量
1.线加速度的测量
3）压电式加速度计法： （1）石英挠性伺服加速度计；
是一种反馈式传感器。加速度借助于质量体产生的力与线 圈产生的电磁力满足平衡。即
ma BLi
m i a ka BL
用于检测超低频微加速度（10-5g）和静态角的良好装置。
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4.3 速度和加速度的测量
1.线加速度的测量
测量两信号互相关函数取极大值的延迟时间τ 0，即可求得 s 物体的线速度为
v
0
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4.3 速度和加速度的测量
4.3.1 线速度的测量
3. 定时测距法：
通过测量被测件经过一已知距离所需的时间t，然后 计算出其速度。该方法的关键是如何给定已知距离和测出 被测件经过此给定距离所需的时间。 S v nt0 式中：n为时标脉冲数，t0为时标周期。
⑶电桥补偿法。 ①补偿板上贴补偿片； ②工作片同时当作补偿片。
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4.2 位移和厚度的测量
4.2.1 位移的测量
1. 常用传感器的类型及技术性能 2. 差动电容式位移的测量
1）电容位移传感器的优点：
① 结构简单，适应性强； ② 无阻力，惯性小； ③ 有较高的灵敏度。
2）差动电容式传感器位移测量系统
入射光 反射光 光电传感器 差动放大器 光电传感器 激光多普勒效应法测量线速度系统框图 滤波 电压表
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4.3 速度和加速度的测量
4.3.1 线速度的测量
2. 相关法：
相关法测量运动物体的线速度是基于相关原理，即当两 个平稳的随机信号 u1(t) 和 u2(t) 的波形完全一致时，其互 相关函数（见下式）获得极大值。 1 T u1 t u2 t 0 dt T 0
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4.5
转速的测量
旋转物体的转速一般采用间接的方法测量，即通 过各种各样的传感器将转速变换为其他物理量，如机 械量、电磁量、光学量等，然后再用模拟和数字两种 方法显示。
4.5.1 电磁式转速计
运动部件上若有凸起的铁 磁物，如齿轮，可在近旁安装 绕有线圈的磁铁。当齿轮的齿 经过磁极时，磁通变化，在线 圈上产生感应电动势，经过放 大整形送入脉冲计数器，在一 定时间间隔内累计脉冲数，便 可得到转速。
1 f0 2 Ebh3 6mL3
当f0 ＞＞f 时， y与x成正比；当f0＜＜ f 时， y 与a 成正比， ymax 而 amax f 02 。与应变计的应变有固定关系，因此用应变传感 器可测量振动物体的加速度。
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4.3 速度和加速度的测量
4.3.2 加速度的测量
1.线加速度的测量
4.1 力和转矩的测量
4.1.3 应变片测量系统中的温度补偿
2）温度的补偿方法
⑴单丝自补偿法； 即
Rz KR 1 2 t Rt 0
⑵双丝组合式补偿法；即
Raz Rbz 0
KRa 1 2a t R a t ( KRb 1 2b t R b t )
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4.3 速度和加速度的测量
1.线加速度的测量
3）压电式加速度计法： （3）压电石英振动加速度计；
当加速度计感受到振动信号时，其输出端产生一个与振动 加速度成正比的电荷量输出。它不能测量频率太低的被测量，更 不能测量静态量。
a 压电式 加速度计 前置 放大器 放大器 显示 记录器
压电石英振动加速度传感器的主要特点是体积小、重量轻、量程 大、频带宽、工作可靠、精度和灵敏度高，在振动测试领域得到 广泛的应用。
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4.3 速度和加速度的测量
1. 激光多普勒效应法： 反射面运动，光程缩短dL:
dL NO OM 2vdt cos
由此引起的频率偏移为
1 dL 2v cos fd dt
式中：θ为光线入射角；λ为光源波长。 若入射光线垂直于反射表面，则有
1 dL 2v cos 2v fd dt
4.2 位移和厚度的测量 4.3 速度和加速度的测量 4.4 振动的测量 4.5 转速的测量 4.6 噪声的测量 4.7 压力的测量 4.8 温度的测量 4.9 湿度的测量 4.10 流量的测量
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4.1 力和转矩的测量
力和转矩的测量以及由其产生的应力、应变测量在科 学实验和工程测量中应用非常多，在计量和商业上大量应 用的电子称重、称量衡器也是采用力测量方法。
由于电桥输出的电量是AM波，故在后继电路的处理中 要加解调装置。
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位移传感器一览表
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差动电容式传感器位移测量系统框图
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4.2 位移和厚度的测量
4.2.1 位移的测量
3.差动变压器式位移的测量
1）差动变压器式位移传感器的特点：
① 测量精度高，能测大位移； ② 不必用高频电源，提高抗干扰； ③ 比较笨重，有电磁吸力，线圈发热。
1）温度对测试系统的影响
⑴应变片本身材料的热温度系数α 不为零：
Rt Rt
⑵试件材料β1与应变片β2的线膨胀系数不同，导致应 变片附加拉伸或压缩的应变：
Rt KR 1 2 t
温度引起的总的电阻变化为：
Rz KR 1 2 t Rt
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式中：T 为有限平均时间，τ 0为延迟时间。
测量时在固定间距为s的两处安置两个特性相同的传感器， 如光电式传感器（或电容式传感器，或超声波发射和接收传感器 等），分别接收所在位置物体运动时的随机信号。当后一个传感 器接收的信号波形与前一个的相似时，信号则延迟了τ 0，由此
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4.3 速度和加速度的测量
2）光栅式位移传感器
又称光栅读数头，主要由标尺光栅、指示光栅、光路系 统和光电器件组成。 指示光栅后面出现的是莫尔条纹。在暗条纹处，光通量 最小；而亮条纹时，光通量最大。在最大和最小之间，光通 量是线性变化的。因此，光通量的变化应符合三角波变化规 律。但由于两光栅之间的距离、光源的宽度、光栅的衍射作用 等，光通量的变化近似遵从正弦波变化规律。