第4章力与运动学量传感器及应用。
4.1 测力与称重。
力学量包括:力、力矩、应力、质量和称重等。位移传感器与变换力的弹性敏感元件组合可以测量力。
4.1.1 测力传感器及其应用。
型压电式单向力传感器。
如图4-1所示是yds-781型压电式单向力传感器的结构,它主要用于变化频率中等的动态力的测量,如车床动态切削力的测试。
该传感器的测力范围为0~5000 n,非线性误差小于1%,电荷灵敏度为3.8~4.4μc/n,固有频率约为数十千赫。
2.金属加工切削力的测量。
如图4-2所示,压电传感器位于车刀前部的下方来测量刀具切削力。
如图4-3所示,用应变式传感器测量拉刀的切削力。
3.压电引信。
4.1.2 扭矩测量。
扭矩是各种机械传动轴的基本载荷形式,扭矩的测量对传动轴载荷的确定、传动系统各工作零件的强度设计及电机容量的选择,都有重要意义。
1.测量原理。
扭矩是一种力矩,它是改变物体转动状态的原因。扭矩传感器要使用弹性元件(扭矩轴),把扭矩转换为角位移,再由角位移转换成电信号输出。
2.扭矩传感器。
1)应变片式扭矩传感器沿扭转轴中心线45°方向粘贴四个电阻应变片并组成桥式电路。由于应变片随扭转轴旋转,为了给电桥输入电压和取出检测信号,在扭转轴上安装有集电环和电刷。它是一种接触式测量,结构复杂。
2)振弦式转矩传感器振弦式转矩传感器的结构如图4-7所示。
3)磁致伸缩式扭矩传感器磁致伸缩式扭矩传感器的转换原理是磁致伸缩效应。采用铁磁材料制作的扭转轴在受到扭矩作用时,扭转轴中产生方向性应力,扭转轴表面的磁场分布会变得不对称,从而出现磁的各向异性。
如图4-8所示是磁致伸缩式扭矩传感器工作原理图。
磁致伸缩式扭矩传感器被广泛应用于大型动力机械的扭矩测量。
4) 磁电式扭矩传感器。
磁电式扭矩传感器是根据磁电转换和相位差原理制成的,它可以将转矩力学量转换成有一定相位差的电信号。
如图4-9所示为磁电式传感器的工作原理图。当扭矩作用在扭转轴上,两个磁电传感器输出的感应电压u1和u2存在与扭转轴的扭转角成正比的相位差,它与转矩测量仪表配套,可直接测量各种动力机械的转矩。
这种方法,也可以用光电式、霍尔式、电感式、电容式等传感器构成。
4.1.3 电子皮带秤。
电子皮带秤是一种能连续称量散状颗粒物料重量的装置,在建材水泥、煤矿、冶金化工和粮仓、码头得到了普遍的应用。
电子皮带秤的工作原理如图4-10所示,主要由称重桥架与称重传感器、测速传感器、称重仪表等组成。只要将测力传感器输出并经放大的信号电压u1和测速传感器经f/v转换电路输出的电压信号u2经乘法器相乘,便可得知皮带在单位时间内的输送量。将此值经积分器积分,即可得到0~t段时间内的物料总重量,该重量可直接在显示器上显示出来。
4.1.4 电子计价秤。
4.2 运动学量传感器及应用
运动学量包括:速度、角速度、加速度、角加速度、振动、频率和时间等。
4.2.1 振动的测量。
1.振动及其分类。
振动是指物体围绕平衡位置做往复运动。
2.振动测量的内容
振动测量的内容包括振动频率、振动振幅、振动速度和加速度。
3.振动传感器的类型。
非接触式传感器:如电感式(包括电涡流式)、电容式、霍尔式、光电式等。如图4-17所,将传感器置于试件的最大振幅处,可以测量振幅。
接触式传感器:如磁电式、电感式、压电式等。接触式振动传感器必须由质量块、弹簧和阻尼元件组成机械二阶系统,如图4-18所示。图中,c为阻尼比。
4.2.2 加速度传感器。
所有的加速度传感器都需要经过一个惯性系统——质量—弹簧系统,即机械二阶系统,将加速度变成位移x或力f,所不同的是转换原理、结构形式和响应特性。根据不同的转换原理,常见的加速度传感器有应变式、电感式、电容式、磁电式、压电式等几种。
1.应变式加速度传感器。
应变式加速度传感器结构原理如图4-19所示,广泛应用于飞机、轮船、机车、桥梁等振动加速度的测量。它不适用于频率较高的振动和冲击场合,一般适用频率为10~60hz。
2.电容式加速度传感器。
近年来,利用表面微加工技术制造电容式加速度传感器发展迅速。它的核心部分只有φ3mm左右,与测量转换电路封装在一起,有8脚帽型to-5金属封装,也有16脚dip封装,形同普通的集成电路。
1)表面微加工的电容式加速度传感器
2)adxl50电容式集成加速度传感器如图4-22所示是adxl50电容式集成加速度传感器的电路框图。
3.电感式加速度传感器。
如图4-23所示为差动变压器式加速度传感器的原理结构示意图。
4.磁电式加速度传感器。
由磁电式速度传感器配用微分电路,可获取加速度信号。如图4-24所示为动圈式振动加速度传感器的结构示意图。
5.压电式加速度传感器。
如图4-25a所示是一种压缩式压电加速计的结构原理图。其优点是固有频率高。
另一种结构形式如图5-25b所示,它利用压电元件的切变效应,横向灵敏度很小。
压电式加速度传感器在安装压电片时必须加一定的预应力,一方面保证在交变力作用下,压电片始终受到压力;另一方面使两压电片间接触良好,避免在受力的最初阶段接触电阻随压力变化而产生的非线性误差。但预应力太大,将影响灵敏度。
6.刀具磨损振动监测法 (阅读)
4.2.3 多普勒效应测量线速度。
1.多普勒效应
当声源、光源及微波等波源与观测者之间有相对运动时观测到的频率与静止情况下不相同,这种现象称为多普勒效应。利用多普勒效应可实现声、光(电磁波)→频率的转换,广泛用于速度检测、人体探测、甚至天体结构研究等。
当位置固定的发射器发出一个固定频率的电磁波作用于一个运动的物体时,反射回来的电磁波的频率同样会发生变化,这种变化的频率称为频移,也叫多普勒频率。多普勒频率为fd=fr-f0=±2v/λ0
2.多普勒雷达测速
用多普勒雷达测运动物体线速度的方法,已广泛用于检测车辆的行驶速度。
3)激光多普勒测速原理。
4.2.4 转速测量方法。
在控制系统中,常用的转速测量方法大致有两类,一种是用直流测速发电机,另一种是用非接触式开关类传感器将转数变换成脉冲数。设每转产生的脉冲数为z,测得脉冲的频率为f,则转速为。
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大部分接近传感器都可以很容易地实现转速的测量。在被测转轴上装一个转盘,转盘上安装能使传感器敏感的标志,标志接近传感器时便输出脉冲。如用霍尔传感器测转速,可在转盘上粘上磁钢或隔磁叶片;用光电传感器测转速,可在转盘上粘平面镜反光条或刻蚀透光狭缝;用电感传感器测转速,可将金属转盘边沿作上齿轮或键槽。
计量作业第2章 第4章
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