机械量测量课件.ppt

1、第第6 6章章 机械量测量机械量测量6.1 机械量的测量范围和所用的传感器6.2 位移测量仪表 6.3 厚度测量仪表 6.4 转速测量仪表 6.5 力学量测量仪表 机械量的测量范围包括：尺寸（常、宽、高），位移（直线位移、角位移），速度（直线速度、角速度、转速）、力学量（力、力矩、加速度、振动）等。机械量不仅是运动控制系统的重要参数，也是许多非电量传感器及变送器的中间参数。机械量的测量广泛地应用非电量的电测法，典型的传感器有电阻、电容、电感以及磁电、压电、压磁、光电、霍尔元件等，此外还有超声波、放射线等。此外，还有CCD（电荷耦合器件）图像传感器、光纤传感器以及基于MENS（微电子机械系统）技

2、术的传感器。6.1 机械量的测量范围和所用的传感器1.电容式位移传感器电容传感器有三种形式：极距变化型、面积变化型、介电常数变化型。6.2位移测量仪表 1.电容式位移传感器极距变化型6.2位移测量仪表 1.电容式位移传感器面积变化型6.2位移测量仪表 1.电容式位移传感器介电常数变化型6.2位移测量仪表 1.电容式位移传感器特点及应用特点：分辨力极高（电容值10-7，相对值100%200%，位移0.01m）动极板质量小，惯性小，动态响应好；非接触，自身发热和功耗小；结构简单，不含有机材料或磁性材料、对环境适应性强应用：微信息检测-测微仪；静态测量-金属零件计数 高频信号检测-振动，转速；6.2

3、位移测量仪表 2.电感式位移传感器电感式传感器有两种形式：自感式和互感式。电感式位移传感器是把被测工件的微小位移变化转变成电感L的变化来实现非电量电测的一种装置。6.2位移测量仪表 3.光栅传感器光栅传感器是新型的高精度、大位移、数字式位移传感器。在长度和角度测量中应用的光栅，常称为计量光栅。计量光栅根据光栅走向分为透射光栅和反射光栅两种；根据刻线型式又可分为黑白光栅和相位光栅两种；根据形状和用途分为长光栅和圆光栅两种。6.2位移测量仪表 长光栅长光栅-直线位移；圆光栅直线位移；圆光栅-角位移角位移 构成：构成：1.主光栅主光栅-标尺光栅，定光栅；标尺光栅，定光栅；长度长度-测量范围；刻线密度

4、测量范围；刻线密度-测量精度测量精度(10、25、50、100、125线线/mm)2.指示光栅指示光栅-动光栅；动光栅；3.光路系统光路系统(1)莫尔条纹（莫尔条纹（Moire）条纹宽度：条纹宽度：WWB)2/sin(2W-栅距，栅距，a-线宽，线宽，b-缝宽缝宽W=a+b，a=b=W/2 特例：当特例：当 =0,w1=w2 B=光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹 当当 =0,w1w2 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动莫尔条纹特性：莫尔条纹特性：方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直与光栅移动方向垂直同步性：

5、光栅移动一个栅距同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距一方向对应莫尔条纹移动一个间距一方向对应放大性：夹角放大性：夹角很小很小 BW 光学放大光学放大 提高灵敏度提高灵敏度可调性：夹角可调性：夹角 条纹间距条纹间距B 灵活灵活准确性：大量刻线准确性：大量刻线 误差平均效应误差平均效应 克服个别克服个别/局部误差局部误差 提高精度提高精度(2)光栅传感器分类与结构原理光栅传感器分类与结构原理 按运动形式分：按运动形式分：直线型直线型-主光栅为直尺形主光栅为直尺形直线移动直线移动 旋转型旋转型-主光栅为圆盘形主光栅为圆盘形旋转运动旋转运动按光学形式分：按光学形式分：透射式透射式-光源与光电

6、元件在两侧光源与光电元件在两侧透射光透射光 反射式反射式-光源与光电元件同一侧光源与光电元件同一侧反射光反射光(3)光栅传感器特点光栅传感器特点 精度高：测长精度高：测长(0.2+210-6L)m，测角测角0.1量程大：透射式量程大：透射式-光栅尺长（米），反射式光栅尺长（米），反射式-几十米几十米响应快：可用于动态测量响应快：可用于动态测量增量式：增量码测量增量式：增量码测量 计数计数 断电断电数据消失数据消失要求高：对环境要求高要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、移动温度、湿度、灰尘、振动、移动精度精度成本高：电路复杂成本高：电路复杂 4.CCD图像传感器它分为线阵CCD和面阵CC

7、D两种，前者用于尺寸和位移的测量，后者用于平面图形、文字的传递。目前面阵CCD已作为固态摄像器用于可视电话和闭路电视的监控等。6.2位移测量仪表 5.光纤位移传感器6.2位移测量仪表 1.涡流式测厚仪高频反射式侧厚仪这种传感器的结构很简单，主要由一个固定在框架上的扁平线圈组成。线圈可以粘贴在框架的端部，也可以绕在框架端部的槽内。下图为某种型号的高频反射式电涡流传感器。6.3厚度测量仪表 1.涡流式测厚仪低频透射式测厚仪这种传感器的结构很简单，主要由一个固定在框架上的扁平线圈组成。线圈可以粘贴在框架的端部，也可以绕在框架端部的槽内。图6-4为某种型号的低频透射式电涡流传感器。6.3厚度测量仪表

8、2.射线式测厚仪射线式测厚仪是利用各种射线对金属或其它材料板材厚度以及镀层厚度的非接触式测量仪器。通常应用的射线有射线、射线和 X射线。透射式测厚仪反射式测厚仪6.3厚度测量仪表 1.离心力法其工作原理基于与回转轴偏置的重锤在回转时产生的离心力Q与回转轴的角速度的平方成正比，即式中，m为重锤的质量；r为重锤至被测轴的垂直距离。下图是其测量原理图。6.4转速测量仪表 离心式转速表原理图离心式转速表原理图当转动轴以的角速度转动时，重锤产生离心力Q，转速越大离心力越大，压迫弹簧使它缩短，因而弹簧被压缩的位移与转速成正比。测出弹簧位移就得知转速。离心式转速表是机械式的，惯性较大，测量精度受到一定限制，

9、但体积小且携带方便，不需要能源，因此应用比较广泛。2.光电码盘转速检测法6.4转速测量仪表 光学码盘式传感器光学码盘式传感器-用光电方法将被测角位移转化成数字电信号用光电方法将被测角位移转化成数字电信号 特点：高精度、高分辨力、可靠性好特点：高精度、高分辨力、可靠性好 1-光源；光源；2-柱面镜；柱面镜；3-码盘；码盘；4-狭缝；狭缝；5-元件元件 原理：平行光源原理：平行光源码盘码盘 光电元件光电元件电信号输出电信号输出 码盘：光学玻璃，透光码盘：光学玻璃，透光/不透光（同心码道）不透光（同心码道）照相腐蚀照相腐蚀 要求：分度准确（工艺）、要求：分度准确（工艺）、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质

10、）阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）光源：光源：LED 光学系统光学系统 平行光平行光 投影精确投影精确 光电元件：硅光电池，光电晶体管光电元件：硅光电池，光电晶体管 码道：位数码道：位数每个码道对应一个光电元件每个码道对应一个光电元件分辨率分辨率 角度分辨率：角度分辨率：=360/2n n-码道数（位数）码道数（位数）光电元件输出：光电元件输出：亮区亮区-“1”;暗区暗区-“0”1-20/21位位信号组合信号组合-编码数字量编码数字量 -转角大小转角大小 绝对测量绝对测量-固定的数字码固定的数字码 （不需要基准）（不需要基准）编码码制：编码码制：直观，易于后续电路和计算机处理。直观，易于后续电路

11、和计算机处理。多位码同时动作多位码同时动作同步误差同步误差错码错码格雷码（循环码）格雷码（循环码）有权码有权码对称性，无权码对称性，无权码二进制码二进制码相邻两数只有一位不同相邻两数只有一位不同每次只有一位变化每次只有一位变化转换转换 十进制码十进制码8个码道、个码道、2位位内内4圈圈-高位；高位；外外4圈圈-低位低位编码数：编码数：102个个分辨力：分辨力：360/102 =3.6 编码：二编码：二十进制十进制十进制十进制 09二进制二进制 00001010容量小，有权码容量小，有权码较少使用较少使用角度位置十进制码二进制码格雷码0.022.545.067.590.0112.5135.015

12、7.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKLMNOp0123456789101112131415000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111100000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位位光电编码器码制光电编码器码制 特点与应用特点与应用 特点：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，特点：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，直接数字量输出，绝对码输出，直接数字量输出，绝对码输出，测量范围小（测量范围小（360），速度不高（最高几千转），速度不高（最高几千转/分）分）应用：小范围绝对位置测量应用：小范围绝对位置测量-角度、直线位置角度、直线位置 小范围位移、速度检测小范围位移、速度检测例：例：1-光源；光源；2非球面聚光镜；非球面聚光镜；3 码盘；码盘；4狭缝；狭缝；5-光电元件光电元件振动与加速度的测量差动变压器法电涡流法应变片法压电效应法微机械加速度传感器6.5力学量测量仪表 加速度传感器加速度传感器