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1、机械量测量讲义本讲稿第一页，共五十七页8 8 机械量测量机械量测量主要内容主要内容模拟式位移检测模拟式位移检测电容式位移检测电容式位移检测、电感式位移检测电感式位移检测*、差动变压器式位移检测差动变压器式位移检测*、光纤位移检测、光纤位移检测*光学数字式位移检测光学数字式位移检测光栅标尺、莫尔条纹标尺光栅标尺、莫尔条纹标尺转速检测转速检测转速检测转速检测离心力检测法、光电码盘转速检测法离心力检测法、光电码盘转速检测法力的检测方法力的检测方法金属应变元件、半导体应变元件、压电元件、金属应变元件、半导体应变元件、压电元件、压敏导电橡胶压敏导电橡胶加速度与振动检测加速度与振动检测加速度与振动检测加速
2、度与振动检测加速度检测原理、动电型振动检测方法、加速度检测原理、动电型振动检测方法、微机械加速度传感元件微机械加速度传感元件本讲稿第二页，共五十七页一、电容式位移检测方法一、电容式位移检测方法8.1 8.1 模拟式位移检测模拟式位移检测Analog displacement detecting原理原理：平行板电容器的电容值为平行板电容器的电容值为：分类分类：使用时保持三个参数中的两：使用时保持三个参数中的两个不变而改变另一个参数使电容量发个不变而改变另一个参数使电容量发生变化，故其可分成三类：生变化，故其可分成三类：变极距式变极距式d、变面积式变面积式ab和和变介电常数式变介电常数式。本讲稿第
3、三页，共五十七页变极距式变极距式灵敏度：灵敏度：d d0 0（起始间隙起始间隙,但受击穿电压限制不但受击穿电压限制不能太小）越小，能太小）越小，k k越大，同时非线性增越大，同时非线性增大。大。为了提高敏度，减小非线性，常采用差动为了提高敏度，减小非线性，常采用差动结构检测位移。结构检测位移。这种这种对称结构对称结构可以减少因极板间的静电引力、环境温度变化和可以减少因极板间的静电引力、环境温度变化和电源变化所引起的误差。电源变化所引起的误差。本讲稿第四页，共五十七页变面积式变面积式灵敏度：灵敏度：灵敏度：灵敏度：增大极板边长增大极板边长b b，减小间隙减小间隙d d都可以提高敏都可以提高敏度。
4、度。电容耦合型位移传感器电容耦合型位移传感器 利用利用ICIC制造技术可以制作超小型电容式位移传感器。图制造技术可以制作超小型电容式位移传感器。图8-28-2为电为电容耦合型位移传感器结构图。容耦合型位移传感器结构图。本讲稿第五页，共五十七页本讲稿第六页，共五十七页二、电感式位移检测方法二、电感式位移检测方法分类分类分类分类:根据转换原理分为根据转换原理分为自感式自感式和和互感式互感式；按结构形式；按结构形式分为分为变间隙式变间隙式、变面积式变面积式和和螺管式螺管式。自感式自感式组成：线圈、铁芯和衔铁组成：线圈、铁芯和衔铁本讲稿第七页，共五十七页互感式互感式差动变压器式差动变压器式原理原理原理
5、原理：如图，一次线圈和二级线圈的互感随铁芯的位置的变化：如图，一次线圈和二级线圈的互感随铁芯的位置的变化而变化，输出电压相应的变化。而变化，输出电压相应的变化。组成组成组成组成：一次线圈、上下对称的两个二级线圈、铁芯组成：一次线圈、上下对称的两个二级线圈、铁芯组成本讲稿第八页，共五十七页三、光纤位移检测方法光纤位移检测方法组成组成：光纤、光源和光敏元件。：光纤、光源和光敏元件。优点优点：可在高温、易燃、易爆环境中使用；与被测对象不接：可在高温、易燃、易爆环境中使用；与被测对象不接触，有利于提高测量精度；可远距离测量等。触，有利于提高测量精度；可远距离测量等。简单光纤位移传感器简单光纤位移传感器
6、 发送光纤和接受光纤的端面相对，发送光纤和接受光纤的端面相对，间隔为间隔为1 12 2m m。接受光纤接收到的接受光纤接收到的光强随两光纤径向相对位置的不同光强随两光纤径向相对位置的不同而不同。而不同。反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器 光线照射到被测物体，经其反射后导入光敏元件。光强度随光线照射到被测物体，经其反射后导入光敏元件。光强度随物体的位移变化而变化。物体的位移变化而变化。本讲稿第九页，共五十七页 光源的光经发送光缆的端面处呈圆锥状扩散，照射到物体表面；被光源的光经发送光缆的端面处呈圆锥状扩散，照射到物体表面；被测物体反射光的一部分经接受光缆传到光敏元件，照射光圆锥和发射测物体
7、反射光的一部分经接受光缆传到光敏元件，照射光圆锥和发射光圆锥相重叠部分的光强将被检测出。光强随物体的位移的变化而变光圆锥相重叠部分的光强将被检测出。光强随物体的位移的变化而变化。化。本讲稿第十页，共五十七页 数字式位移检测是利用栅格编码器将长度或角度的变化直数字式位移检测是利用栅格编码器将长度或角度的变化直接转换成脉冲个数或二进制符号的方法。包括接转换成脉冲个数或二进制符号的方法。包括光栅标尺、容栅标光栅标尺、容栅标尺和磁栅标尺尺和磁栅标尺等多种方式等多种方式。8.2 8.2 光学数字式位移检测光学数字式位移检测 Optical digital displacement detecting一、
8、光栅标尺一、光栅标尺一、光栅标尺一、光栅标尺 在基体上刻制有等间距均匀分布黑白在基体上刻制有等间距均匀分布黑白条纹的光学元件，指示光栅短于主光栅。条纹的光学元件，指示光栅短于主光栅。光源发出的光经光栅缝隙透过，由光电光源发出的光经光栅缝隙透过，由光电元件（光电池、光敏三极管）检测透射元件（光电池、光敏三极管）检测透射光强，可通过计数测位移，可由相位判光强，可通过计数测位移，可由相位判断移动方向。断移动方向。两排光栅相位相差两排光栅相位相差1/41/4周期，周期，通过通过S S1 1、S S2 2输出信号的相位关输出信号的相位关系，可以判断系，可以判断G1G1的移动方向。的移动方向。本讲稿第十一
9、页，共五十七页 当两光栅栅线不平行，相差微小角度当两光栅栅线不平行，相差微小角度时，在与栅线近似成直角的方向时，在与栅线近似成直角的方向上有粗条纹产生，称为莫尔条纹。上有粗条纹产生，称为莫尔条纹。如图：刻线重合处，光从缝隙透过形成亮带，黑带是因两光栅的如图：刻线重合处，光从缝隙透过形成亮带，黑带是因两光栅的线纹彼此错开，挡光而形成。莫尔条纹的方向几乎与刻线垂直。莫线纹彼此错开，挡光而形成。莫尔条纹的方向几乎与刻线垂直。莫尔条纹间距尔条纹间距W W与栅格间距与栅格间距P P之间的关系近似为：之间的关系近似为：W=P/W=P/二、莫尔条纹标尺二、莫尔条纹标尺二、莫尔条纹标尺二、莫尔条纹标尺本讲稿第
10、十二页，共五十七页&容栅传感器是基于容栅传感器是基于变面积变面积工作原理的电容传感器，它工作原理的电容传感器，它的的电极排列如同栅状电极排列如同栅状。与其他大位移传感器，如光。与其他大位移传感器，如光栅、磁栅等相比，虽然精度稍差，但体积小、造价栅、磁栅等相比，虽然精度稍差，但体积小、造价低、耗电省，广泛应用于电子数显卡尺、千分尺、低、耗电省，广泛应用于电子数显卡尺、千分尺、高度仪、坐标仪等几百毫米以下行程的测量中高度仪、坐标仪等几百毫米以下行程的测量中。&容栅传感器可分为三类：直线型容栅、圆容栅和圆筒容栅传感器可分为三类：直线型容栅、圆容栅和圆筒形容栅。其中，直线型和圆筒形容栅传感器用于直线形
11、容栅。其中，直线型和圆筒形容栅传感器用于直线位移的测量，圆形容栅传感器用于角位移的测量。位移的测量，圆形容栅传感器用于角位移的测量。三、容栅标尺三、容栅标尺三、容栅标尺三、容栅标尺本讲稿第十三页，共五十七页各种容栅测量装置各种容栅测量装置本讲稿第十四页，共五十七页各种容栅卡尺（续）各种容栅卡尺（续）本讲稿第十五页，共五十七页各种容栅数显卡尺（续）各种容栅数显卡尺（续）外卡尺外卡尺汽车专用卡尺汽车专用卡尺本讲稿第十六页，共五十七页各种容栅数显卡尺（续）各种容栅数显卡尺（续）内卡尺内卡尺本讲稿第十七页，共五十七页容栅数显卡尺的结构容栅数显卡尺的结构本讲稿第十八页，共五十七页容栅数显测高仪容栅数显测
12、高仪1.测力调节测力调节2.测头导轨测头导轨3.测头测头4.坐坐垫垫5.液晶屏显示液晶屏显示6.触摸开关触摸开关7.RS-232 输出输出8.打印机打印机9.驱动开关驱动开关10.气泵开关气泵开关11.电源线电源线 本讲稿第十九页，共五十七页四、磁栅标尺四、磁栅标尺&组成组成：磁栅传感器主要由磁尺（磁栅）、磁头和信号磁栅传感器主要由磁尺（磁栅）、磁头和信号处理电路组成。处理电路组成。&工作原理工作原理：磁栅上录有等间距的磁信号，它是利用磁磁栅上录有等间距的磁信号，它是利用磁带录音的原理将等节距的周期变化的电信号带录音的原理将等节距的周期变化的电信号(正弦波正弦波或矩形波或矩形波)用录磁的方法记
13、录在磁性尺子或圆盘上而用录磁的方法记录在磁性尺子或圆盘上而制成的。制成的。装有磁栅传感器的仪器或装置工作时，磁装有磁栅传感器的仪器或装置工作时，磁头相对于磁栅有一定的相对位置，在这个过程中，磁头相对于磁栅有一定的相对位置，在这个过程中，磁头把磁栅上的磁信号读出来，这样就把被测位置或位头把磁栅上的磁信号读出来，这样就把被测位置或位移转换成电信号。移转换成电信号。&特点特点：磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易于安装，测：磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易于安装，测量范围宽可超过十几米，抗干扰能力强。量范围宽可超过十几米，抗干扰能力强。本讲稿第二十页，共五十七页磁栅的外形及结构磁栅的外形及结构磁尺磁尺静
14、态磁头静态磁头去信号处理电路去信号处理电路固定孔固定孔本讲稿第二十一页，共五十七页1.1.磁栅磁栅（一）磁栅的结构（一）磁栅的结构磁栅结构如图所示，磁栅基体磁栅结构如图所示，磁栅基体1 1是用不导磁材料做成是用不导磁材料做成的，上面镀一层均匀的磁性薄膜的，上面镀一层均匀的磁性薄膜2 2，经过录磁，其磁，经过录磁，其磁信号排列情况如图中所示，信号排列情况如图中所示，要求录磁信号幅度均匀要求录磁信号幅度均匀，幅幅度变化应小于度变化应小于1010，节距均匀节距均匀。目前长磁栅常用的磁。目前长磁栅常用的磁信号节距一般为信号节距一般为0.05mm0.05mm和和0.02mm0.02mm两种，圆磁栅的角节
15、两种，圆磁栅的角节距一般为几分至几十分。距一般为几分至几十分。磁栅基体：非导磁材料做成，具有良好的加工性能和电镀磁栅基体：非导磁材料做成，具有良好的加工性能和电镀性能，其线膨胀系数与被测体接近。常用钢制作，用镀铜性能，其线膨胀系数与被测体接近。常用钢制作，用镀铜的方法解决隔磁问题。的方法解决隔磁问题。磁性薄膜：剩余磁感应强度要大，矫顽力要高，性能稳定，磁性薄膜：剩余磁感应强度要大，矫顽力要高，性能稳定，电镀均匀。电镀均匀。本讲稿第二十二页，共五十七页（二）磁栅的类型（二）磁栅的类型u磁栅可分为磁栅可分为长磁栅长磁栅和和圆磁栅圆磁栅。长磁栅主要用于。长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角位
16、移测量。直线位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。1)1)长磁栅：分为尺型、带型和同轴型。长磁栅：分为尺型、带型和同轴型。尺型：用于精度要求较高情况下。尺型：用于精度要求较高情况下。带型：用于量程较大或安装面不好安排时。带型：用于量程较大或安装面不好安排时。同轴型：用于结构紧凑的场合或小型测量装置中。同轴型：用于结构紧凑的场合或小型测量装置中。2)2)圆磁栅：圆磁栅：1.1.磁栅磁栅本讲稿第二十三页，共五十七页几种常见磁栅的结构几种常见磁栅的结构 本讲稿第二十四页，共五十七页n磁栅上的磁信号由读取磁头读出，按读取信号的方式的不磁栅上的磁信号由读取磁头读出，按读取信号的方式的不同，磁头可分为动态磁
17、头与静态磁头两种。同，磁头可分为动态磁头与静态磁头两种。（一）（一）动态磁头动态磁头u为非调制式磁头，又称速度响应式磁头，为非调制式磁头，又称速度响应式磁头，只有一组线圈只有一组线圈。读出原理读出原理读出原理读出原理：2.2.磁头磁头 当磁头与磁栅之间以一定的速度当磁头与磁栅之间以一定的速度相对移动时，磁头线圈中输出感应相对移动时，磁头线圈中输出感应电动势，其大小与磁头与磁栅之间电动势，其大小与磁头与磁栅之间的相对运动速度有关。相对静止时的相对运动速度有关。相对静止时就没有信号输出，故不适合用于工就没有信号输出，故不适合用于工件尺寸测量。件尺寸测量。本讲稿第二十五页，共五十七页（二）静态磁头（
18、二）静态磁头为调制式磁头，又称磁通响应式磁头，为调制式磁头，又称磁通响应式磁头，有励磁线圈和有励磁线圈和感应线圈（输出线圈感应线圈（输出线圈/绕组）。绕组）。它与动态磁头的根本它与动态磁头的根本不同之处在于，在不同之处在于，在磁头与磁栅之间没有相对运动的磁头与磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输出情况下也有信号输出。读出原理读出原理读出原理读出原理：铁心的磁阻很大，磁栅上的信号铁心的磁阻很大，磁栅上的信号磁通不能通过磁头，因而输出绕组磁通不能通过磁头，因而输出绕组无感应电势输出。只有当激励磁信无感应电势输出。只有当激励磁信号两次过零时，铁心不饱和，磁栅号两次过零时，铁心不饱和，磁栅上的信号磁
19、通才能通过输出绕组的上的信号磁通才能通过输出绕组的铁心而产生感应电势。铁心而产生感应电势。1 1磁头；磁头；2 2磁栅；磁栅；3 3输出波形输出波形2.2.磁头磁头本讲稿第二十六页，共五十七页（二）静态磁头（二）静态磁头2.2.磁头磁头 静态磁头的磁栅是利用它的静态磁头的磁栅是利用它的漏磁通漏磁通变化来变化来产生感应电产生感应电动势动势的。静态磁头输出信号的频率为励磁电源频率的两倍，的。静态磁头输出信号的频率为励磁电源频率的两倍，其幅值则与磁栅与磁头之间的相对位移成正弦（或余弦）其幅值则与磁栅与磁头之间的相对位移成正弦（或余弦）关系。关系。本讲稿第二十七页，共五十七页静态磁头与磁尺相对运动时的
20、输出波形演示：静态磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示：本讲稿第二十八页，共五十七页n根据磁栅和磁头相对移动读出磁栅上的信号的不同，所采用根据磁栅和磁头相对移动读出磁栅上的信号的不同，所采用的信号处理方式也不同。的信号处理方式也不同。n动态磁头动态磁头:只有一组绕组，其输出信号为正弦波，信号只有一组绕组，其输出信号为正弦波，信号的处理方法也比较简单，只要将输出信号放大整形，的处理方法也比较简单，只要将输出信号放大整形，然后由计数器记录脉冲数然后由计数器记录脉冲数n n，就可以测量出位移量的大，就可以测量出位移量的大小。但这种方法测量精度较低，而且不能判别移动方向。小。但这种方法测量精度较低，而且
21、不能判别移动方向。3.3.信号处理方式信号处理方式 n静态磁头静态磁头:一般用两个磁头，两个磁头间距为一般用两个磁头，两个磁头间距为n n W W/4/4，其，其中中n n为正整数，为正整数，W W为磁信号节距，也就是两个磁头布置成为磁信号节距，也就是两个磁头布置成相位差相位差9090关系。其信号处理方式可分为鉴幅方式和鉴关系。其信号处理方式可分为鉴幅方式和鉴相方式两种。相方式两种。本讲稿第二十九页，共五十七页（一）（一）鉴幅方式鉴幅方式 若两磁头的激励磁绕组加上同相的正弦激励磁信号，若两磁头的激励磁绕组加上同相的正弦激励磁信号，则两磁头的输出信号为：则两磁头的输出信号为：经滤除高频载波后，得
22、到与位移量经滤除高频载波后，得到与位移量x x成比例的信号为：成比例的信号为：本讲稿第三十页，共五十七页 若若两两磁磁头头的的激激励励磁磁绕绕组组上上施施加加相相位位差差为为/4/4的的正正弦弦激激励励信信号，或将输出信号移相号，或将输出信号移相/2/2，则两磁头输出信号变为：，则两磁头输出信号变为：将两个磁头的输出相减后，总输出电压为：将两个磁头的输出相减后，总输出电压为：结论结论：输出信号的幅值不变，但相位与磁头、磁栅相：输出信号的幅值不变，但相位与磁头、磁栅相对位移量对位移量有关，可用鉴相电路测量出来。有关，可用鉴相电路测量出来。（二）（二）鉴相方式鉴相方式本讲稿第三十一页，共五十七页n
23、磁栅传感器的优缺点及使用范围与感应同步器相似，磁栅传感器的优缺点及使用范围与感应同步器相似，其精度略低于感应同步器。其精度略低于感应同步器。n磁栅传感器的特点磁栅传感器的特点：录制方便，成本低廉。当发现所录磁栅不合适时可录制方便，成本低廉。当发现所录磁栅不合适时可抹去重录；抹去重录；使用方便，可在仪器或机床上安装后再录制磁栅，因而使用方便，可在仪器或机床上安装后再录制磁栅，因而可避免安装误差；可避免安装误差；可方便地录制任意节距的磁栅。例如检查蜗杆时希望可方便地录制任意节距的磁栅。例如检查蜗杆时希望基准量中含有基准量中含有因子，可在节距中考虑。因子，可在节距中考虑。4.4.磁栅传感器的特点与误
24、差分析磁栅传感器的特点与误差分析本讲稿第三十二页，共五十七页n磁栅传感器的误差也包括零位误差与细分误差两项：磁栅传感器的误差也包括零位误差与细分误差两项：u影响零位误差的主要因素有影响零位误差的主要因素有：磁栅的节距误差；磁栅的节距误差；磁栅的安装与变形误差；磁栅的安装与变形误差；磁栅剩磁变磁栅剩磁变化所引起的零位漂移；化所引起的零位漂移；外界电磁场干扰等。外界电磁场干扰等。u影响细分误差的主要因素有影响细分误差的主要因素有：由于磁膜不均匀或录磁过程不完善造成磁栅上信号幅度不由于磁膜不均匀或录磁过程不完善造成磁栅上信号幅度不相等；相等；两个磁头间距偏离两个磁头间距偏离1/41/4节距较远；节距
25、较远；两个磁头参两个磁头参数不对称引起的误差；数不对称引起的误差；磁场高次谐波分量和感应电动势磁场高次谐波分量和感应电动势高次谐波分量的影响。高次谐波分量的影响。4.4.磁栅传感器的特点与误差分析磁栅传感器的特点与误差分析本讲稿第三十三页，共五十七页鉴相型磁栅数显表的原理框图鉴相型磁栅数显表的原理框图 磁尺与磁头接触，使用寿命磁尺与磁头接触，使用寿命不如光栅，数年后易退磁。不如光栅，数年后易退磁。设置两个磁头的设置两个磁头的意义何在？意义何在？本讲稿第三十四页，共五十七页磁栅测量系统磁栅测量系统压板压板磁头磁头磁尺磁尺本讲稿第三十五页，共五十七页磁栅在磨床测长系统中的应用磁栅在磨床测长系统中的
26、应用磁尺磁尺磁头安装在何处？磁头安装在何处？本讲稿第三十六页，共五十七页8.3 8.3 转速检测转速检测Rotate speed detecting一、离心力检测法一、离心力检测法一、离心力检测法一、离心力检测法工作过程工作过程：重锤受到离心力作用重锤受到离心力作用克克服弹簧力向上拉动套筒服弹簧力向上拉动套筒套套筒的上下移动带动齿轮转动筒的上下移动带动齿轮转动带动指针偏转带动指针偏转直接读出直接读出读数读数。一般应使主轴沿垂直方向一般应使主轴沿垂直方向立起来使用，精确度立起来使用，精确度11。本讲稿第三十七页，共五十七页二、光电码盘转速检测方法二、光电码盘转速检测方法二、光电码盘转速检测方法二
27、、光电码盘转速检测方法原理原理：光电码盘和透射型光电耦合器结合，对转速计数光电码盘和透射型光电耦合器结合，对转速计数，输出信号是对应于码盘窗口明暗的脉冲序列。，输出信号是对应于码盘窗口明暗的脉冲序列。光电耦合器光电耦合器：分透射型和反射型两种，见图：分透射型和反射型两种，见图8 81313。由发光二极管和光。由发光二极管和光敏晶体管（二极管或三极管）组成。敏晶体管（二极管或三极管）组成。发光二极管：是用半导体发光二极管：是用半导体P-NP-N结把电能转换为光能的一种结把电能转换为光能的一种器件。颜色是由半导体材料决定的器件。颜色是由半导体材料决定的光敏晶体管：是一种利用受光照时载流子增加的半导
28、体光光敏晶体管：是一种利用受光照时载流子增加的半导体光电元件。由于三极管的放大作用，其灵敏度比光敏二极管电元件。由于三极管的放大作用，其灵敏度比光敏二极管高。高。本讲稿第三十八页，共五十七页光电码盘光电码盘：透明玻璃上按一定的规律涂上黑白条码。分为：透明玻璃上按一定的规律涂上黑白条码。分为绝对光码盘和增量光码盘。绝对光码盘和增量光码盘。绝对光码盘：把旋转轴的旋转角度用二进制编码输出。可检测绝绝对光码盘：把旋转轴的旋转角度用二进制编码输出。可检测绝对角度，断电恢复后可准确检测位置信息。对角度，断电恢复后可准确检测位置信息。本讲稿第三十九页，共五十七页增量光码盘：随旋转轴的旋转角度输出一列连续脉冲
29、波，累计增量光码盘：随旋转轴的旋转角度输出一列连续脉冲波，累计脉冲的个数可测量转角。使用一个时只能检测转速，而不能检测脉冲的个数可测量转角。使用一个时只能检测转速，而不能检测转轴的绝对转角和转向，改进的三个可以检测转角和转向。转轴的绝对转角和转向，改进的三个可以检测转角和转向。S2(n)S1(n)Z(1)增量编码器的码盘增量编码器的码盘编码盘一般只需三条码道：编码盘一般只需三条码道：a.a.增量码道增量码道S S1 1：扇区数：扇区数n n决决定编码器分辨力。定编码器分辨力。b.b.辨向码道辨向码道S S2 2c.c.基准码道基准码道Z Z本讲稿第四十页，共五十七页8.4 8.4 力的检测方法
30、力的检测方法Force detecting meathods 弹性体受力的作用时将发生弹性变形，检测弹性体变形可求弹性体受力的作用时将发生弹性变形，检测弹性体变形可求得力的大小。力矩是通过测量弹性体的扭转变形而求得的。因此，得力的大小。力矩是通过测量弹性体的扭转变形而求得的。因此，位移测量的检测方式是检测力和力矩的基础位移测量的检测方式是检测力和力矩的基础。这里要介绍几种检测。这里要介绍几种检测弹性变形的传感元件。弹性变形的传感元件。常用的检测弹性元件变形的传感器常用的检测弹性元件变形的传感器:v金属应变元件金属应变元件v半导体应变元件半导体应变元件v压电元件压电元件v压敏导电橡胶压敏导电橡胶
31、本讲稿第四十一页，共五十七页v原理原理：金属电阻丝的电阻：金属电阻丝的电阻R R取决于金属材料的电阻率取决于金属材料的电阻率、长度长度l l和截面积和截面积S S，有如下关系：有如下关系：一、金属应变元件一、金属应变元件(metal strain gauge)(metal strain gauge)在拉伸力作用下，金属丝被拉长，因此截面积缩小，导致电阻在拉伸力作用下，金属丝被拉长，因此截面积缩小，导致电阻变化。其电阻的变化量相对于初始值可以表示为：变化。其电阻的变化量相对于初始值可以表示为：拉伸拉伸l l与截面直径与截面直径D D之间的关系为：之间的关系为：式中式中为材料的泊松比。为材料的泊松
32、比。本讲稿第四十二页，共五十七页v应变灵敏度应变灵敏度K K：表示单位应变的阻值变化表示单位应变的阻值变化 金属电阻丝由于弹性形变的电阻率变化很小，可以忽金属电阻丝由于弹性形变的电阻率变化很小，可以忽略；它的泊松比大约为略；它的泊松比大约为0.30.3。因此。因此K K大约为大约为2 2左右。左右。本讲稿第四十三页，共五十七页 如图，一种是把金属丝贴在塑料薄膜基片上，在电阻丝上外加覆盖层；如图，一种是把金属丝贴在塑料薄膜基片上，在电阻丝上外加覆盖层；一种是在基板上加工箔片式薄膜电阻（采用光刻技术，均匀，阻值一致性一种是在基板上加工箔片式薄膜电阻（采用光刻技术，均匀，阻值一致性好，传递应变性能好
33、，常用）。其粘贴方式随测量目的的不同而不同。图好，传递应变性能好，常用）。其粘贴方式随测量目的的不同而不同。图818是压力和扭矩的粘贴方式。是压力和扭矩的粘贴方式。v电阻应变片的结构及粘贴方式如图电阻应变片的结构及粘贴方式如图817、818所示所示:两个应变片分别两个应变片分别承受拉伸力和压承受拉伸力和压缩力，一般使用缩力，一般使用两组，接入测量两组，接入测量电桥，可提高灵电桥，可提高灵敏度和稳定性。敏度和稳定性。检测扭矩时与轴检测扭矩时与轴线成线成4545角的各角的各点上受力最大。点上受力最大。本讲稿第四十四页，共五十七页v工作原理工作原理：基于：基于半导体的压阻效应半导体的压阻效应单晶半导
34、体材料在沿某一轴向受外单晶半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率发生很大变化。力作用时，其电阻率发生很大变化。v特点特点：单位应变的电阻率变化（即灵敏度）很大，电阻率变化与应变量单位应变的电阻率变化（即灵敏度）很大，电阻率变化与应变量的关系如下：的关系如下：二、半导体应变片二、半导体应变片(semiconductor strain gauge)(semiconductor strain gauge)E E为材料的弹性模数，表示应变与作用力的关系；为材料的弹性模数，表示应变与作用力的关系；称为称为半导体应变片的压阻系数。半导体应变片的压阻系数。体积小，一般用于测压力。体积小，一般用于测压力
35、。稳定性差，需温度补偿电路，大应变时，非线性。稳定性差，需温度补偿电路，大应变时，非线性。金属应变片受压缩力时阻值变小；而半导体应变片可能增大（金属应变片受压缩力时阻值变小；而半导体应变片可能增大（N N型型阻值随压力的变化率为负，阻值随压力的变化率为负，P P型为正，因为决定半导体阻值的电子和型为正，因为决定半导体阻值的电子和空穴的数量及移动量在力的作用下可正可负）空穴的数量及移动量在力的作用下可正可负）本讲稿第四十五页，共五十七页v定义：某些物质如石英、陶瓷等在受外力作用时不仅几何尺寸发生变定义：某些物质如石英、陶瓷等在受外力作用时不仅几何尺寸发生变化而且内部分子极化，使材料表面带电荷的现
36、象。化而且内部分子极化，使材料表面带电荷的现象。v特点特点：表面电荷很快被材料内部的自由电荷或环境中的杂散电荷中和：表面电荷很快被材料内部的自由电荷或环境中的杂散电荷中和掉，呈电中性。故不能测恒压力，可响应动态压力，还可用于加速度掉，呈电中性。故不能测恒压力，可响应动态压力，还可用于加速度与振动的测试。环境温度的变化和压电材料本身的时效，都会引起压与振动的测试。环境温度的变化和压电材料本身的时效，都会引起压电常数的变化，导致传感器灵敏度的变化，故需经常校准。电常数的变化，导致传感器灵敏度的变化，故需经常校准。v逆压电效应逆压电效应：将压电材料置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，：将压电材料置于
37、电场中，其几何尺寸也会发生变化，即机械变形。因此可对其施加交流电做振动源，如高频振动台和即机械变形。因此可对其施加交流电做振动源，如高频振动台和扬声器等。扬声器等。三、压电效应三、压电效应(piezoelectricitypiezoelectricity)本讲稿第四十六页，共五十七页四、压敏导电橡胶四、压敏导电橡胶 在橡胶材料里掺入炭粉，当在橡胶材料里掺入炭粉，当炭粉浓度达到某一极限以上炭粉浓度达到某一极限以上时，炭粉的颗粒部分发生接时，炭粉的颗粒部分发生接触，会呈现一定的电阻率。触，会呈现一定的电阻率。当其变形时，阻抗值将随变当其变形时，阻抗值将随变形的强弱而变化，给其配上形的强弱而变化，给
38、其配上X X、Y Y两个地址电极，并集成上两个地址电极，并集成上FETFET（场效应晶体管）或二极场效应晶体管）或二极管等开关元件，就可获取作管等开关元件，就可获取作用力的二维分布。用作触摸用力的二维分布。用作触摸式面板的开关阵列。式面板的开关阵列。本讲稿第四十七页，共五十七页 能够检测位移和速度的检测原理都可以用于加速度与振动检测。以能够检测位移和速度的检测原理都可以用于加速度与振动检测。以弹簧质量系惯性检测法弹簧质量系惯性检测法为基础，为基础，类型类型包括应变片转换法、压电转换包括应变片转换法、压电转换法、动电转换法、涡电流非接触法、可变电容法、差动变压器法等。法、动电转换法、涡电流非接触
39、法、可变电容法、差动变压器法等。8.5 8.5 加速度与振动测量加速度与振动测量Acceleration and viberaton detecting 由牛顿方程可知，加速度和力是通过质量联系在一起的。由牛顿方程可知，加速度和力是通过质量联系在一起的。如图如图8-218-21所示，可以将弹簧质量系统作为传感器来感受振所示，可以将弹簧质量系统作为传感器来感受振动，将传感器固定在被测件上。动，将传感器固定在被测件上。一、加速度检测原理一、加速度检测原理本讲稿第四十八页，共五十七页 设检测系统外壳与质量设检测系统外壳与质量m m之间的相对位移为之间的相对位移为y y，支点位移为支点位移为z=Asi
40、ntz=Asint，那么质量那么质量m m的绝对位移的绝对位移x x为：为：质量质量m m的受力方程（不考虑的受力方程（不考虑重力），即运动方程：重力），即运动方程：k k为弹簧系数；为弹簧系数；r r为阻尼系数。为阻尼系数。振动系统的运动方程式为：振动系统的运动方程式为：本讲稿第四十九页，共五十七页 此式说明支点位移为此式说明支点位移为 的质量的质量m m的振动系统等价于支的振动系统等价于支点静止，受外力为点静止，受外力为mA2sint mA2sint 的加速度系统。的加速度系统。振动系统运动方程的解为：振动系统运动方程的解为：其中：其中：0 0为弹簧质量系统的固有角振动频率，为弹簧质量系统
41、的固有角振动频率，为支点的角振动频率。为支点的角振动频率。由由可求支点的位移变化、速度及加速度。可求支点的位移变化、速度及加速度。本讲稿第五十页，共五十七页(1)(1)支点位移检测：支点位移检测：因此：因此：可见，当固有角振动频率可见，当固有角振动频率0 0 比支点的角频率比支点的角频率小时，即小时，即0 的的情况情况。代入解中，得：。代入解中，得：即要使即要使y y0 0=A=A，见下式：，见下式：相对位移相对位移y y的振幅与支点位移的振幅的振幅与支点位移的振幅A A大小相等、方向相大小相等、方向相反，这种振动检测称为反，这种振动检测称为位移检测位移检测（vibrometer）。通常。通常
42、要求要求大质量和低弹性的弹簧（大质量和低弹性的弹簧（0，），），此时绝对位此时绝对位移移x x等于零，即检测时质量基本静止不动。等于零，即检测时质量基本静止不动。本讲稿第五十一页，共五十七页 相对位移相对位移y y的幅值与支点加速度的幅值与支点加速度AA2 2的振幅成比例变化，这种振动的振幅成比例变化，这种振动检测称为检测称为加速度检测加速度检测（accelerometer）。）。通常通常要求小质量和大弹要求小质量和大弹性的弹簧性的弹簧。(2)(2)支点加速度检测：支点加速度检测：即要使即要使y y0 0与与AA2 2成正比，见下式：成正比，见下式：可见，当固有角振动频率可见，当固有角振动频率
43、0 0 比支点的角频率比支点的角频率大，即大，即0。代入解中，得：。代入解中，得：本讲稿第五十二页，共五十七页(3)(3)支点速度检测：支点速度检测：相对位移相对位移y y的幅值与支点速度的振幅的幅值与支点速度的振幅AA成比例变化，这种振动检成比例变化，这种振动检测可以称为测可以称为速度检测速度检测（speedometer/dromometer）。）。在共振状态下使用，在共振状态下使用，很难实用化很难实用化。即要使即要使y y0 0与与AA成正比，见下式：成正比，见下式：可见，当固有角振动频率可见，当固有角振动频率0 0 与支点的角频率与支点的角频率基本相同的情况下，基本相同的情况下，即即=0
44、。代入解中，得：。代入解中，得：本讲稿第五十三页，共五十七页二、动电型振动检测方法二、动电型振动检测方法二、动电型振动检测方法二、动电型振动检测方法原理原理：导体切割磁力线时，会产：导体切割磁力线时，会产生电势差。设磁场的磁感应强度生电势差。设磁场的磁感应强度为为B B，l l为导体的长度，为导体的长度，为振为振动速度，导体两端则产生电势差：动速度，导体两端则产生电势差：利用这一原理检测振动速度，称利用这一原理检测振动速度，称为为动电型振动检测。动电型振动检测。加上积分电加上积分电路可以检测振动位移。路可以检测振动位移。本讲稿第五十四页，共五十七页 由悬臂梁、质量块和基座由悬臂梁、质量块和基座
45、组成。基座固定在振动体上，组成。基座固定在振动体上，悬臂梁相当于惯性系统中的悬臂梁相当于惯性系统中的“弹簧弹簧”，工作时，梁的应，工作时，梁的应变与质量相对于基座的位移变与质量相对于基座的位移成正比，且与振动体的加速成正比，且与振动体的加速度成正比，应变片把应变变度成正比，应变片把应变变为电阻的变化，再通过电桥为电阻的变化，再通过电桥转为电压输出，可测得振动转为电压输出，可测得振动加速度和振动频率。加速度和振动频率。应变片悬臂梁检测加速度应变片悬臂梁检测加速度：本讲稿第五十五页，共五十七页三、微机械加速度传感元件三、微机械加速度传感元件 微机械加工技术使小型加速度传感器得到了很大的发展。例如缓冲微机械加工技术使小型加速度传感器得到了很大的发展。例如缓冲汽车撞击伤害力的空气包里，就装有扩散硅压阻膜片的加速度传感器。汽车撞击伤害力的空气包里，就装有扩散硅压阻膜片的加速度传感器。本讲稿第五十六页，共五十七页作业：作业：P143P143：8-38-3、8-48-4本讲稿第五十七页，共五十七页