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第六章 机械运动和动力参数测试 6.1 概述 机械系统的运动和动力参数反映了机械系统的工作性能。为了认识、改进和提高机械系统的工作性能，必须测试和分析机械系统的运动和动力参数。由于机械系统正向着高速、重载、高精度的方向发展，因此对机械零部件的运动、动力性能也提出了更高的要求。例如机械的运动、动力性能能否完成预定的功能要求，构件能否实现预定的运动轨迹或预定的运动规律，这些都需要通过实验来检验和分析。 6.1.1 机械运动参数的测量 机械系统构件的运动参数包括线位移、速度、加速度、角位移、角速度、转速、角加速度等，它们都是分析机械系统运动和承载能力必不可少的参数。通过对这些参数的测试，可以验证理论分析的正确性，评价设计方案的合理性，并对进一步改进机械系统提供依据。 1．机械位移测量 在工程技术领域里经常需要测量机械位移。机械位移包括线位移和角位移。位移是指构件上某一点在一定方向上的位置变动。位移是向量，包括大小和方向。测量时应使测量方向与位移方向一致，这样才能真实地测量出位移量的大小。 测量位移的方法很多，表6-1列出了机械位移测量常用方法及其主要性能。 表6-1 机械位移测量常用方法 类 型 测量范围 精确度 线性度 特 点 电阻式 滑线式 线位移 角位移 变阻器 线位移 角位移 1~300mm 0°~360° 1~1000mm 0~60周 0.1% 0.1% 0.5% 0.5% ±0.1% ±0.1% ±0.5% ±0.5% 分辨率较高，可用于静、动态测量，机械结构不牢固 分辨率低、电噪声大，机械结构牢固 应变片式 非粘贴式 粘贴式 半导体式 ±0.15%应变 ±0.3%应变 ±0.25%应变 0.1% 2%-3% 2%~3% ±0.1% 满刻度±20% 不牢固 牢固、需要温度补偿和高绝缘电阻 输出大、对温度敏感 电容式 变面积 变极距 10-3~100mm 10-3~10mm 0.005% 0.1% ±1% 易受温度、湿度变化的影响，测量范围小，线性范围也小，分辨率很高 电感式 自感变间隙式 螺管式 特大型 ±0.2mm 5~2mm 200~300mm 1% ±3% 0.15%~1% 限于微小位移测量 方便可靠、动态特性差 差动变压器 ±0.08~75mm ±0.5% ±0.5% 分辨率很高，有干扰磁场时需屏蔽 续表 电涡流式 0~100mm ±1~3% 3% 分辨率很高，受被测物体材质、形状、加工质量影响 同步机 360° ±0.1°~0.7° ±0.05 对温度、湿度不敏感，可在120r/min转速下工作 微动同步器 旋转变压器 ±10° ±60° ±0.05% ±0.1% 非% 1% 1% 结构简单、动态特性好，分辨率可达1μm，对温度敏感、量程大 激光 2m 分辨率0.2μm 光纤 0.5~5mm 1%~3% 0.5%~1% 体积小、灵敏度高，抗干扰；量程有限，制造工艺要求高 光电 ±1mm 高精度、高可靠、非接触测量，分辨率可达1μm；缺点是安装不便 表6-1中的电容式位移传感器、差动电感式位移传感器和电阻应变式位移传感器，一般用于小位移的测量（几微米~几毫米）。差动变压器式传感器用于中等位移的测量（几毫米~100毫米左右），这种传感器在工业测量中应用得最多。电位器式传感器适用于较大范围位移的测量，但精度不高。 2．速度的测量 速度量分为线速度、转速或角速度，其测量方法如下。 （1）线速度的测量 （a）测量位移s和时间t，然后通过求导得到速度 v=ds/dt （b）利用速度和某些物理量成比例的关系，通过该物理参数来获得速度值。例如对于由磁钢、线圈和衔铁组成的磁电式变换器，当衔铁在活动构件带动下运动时，衔铁和磁钢之间的间隙发生变化，利用线圈中感应电动势与磁隙的变化速度成正比的关系，通过测量感应电动势便可得到活动构件的运动速度。 （c）通过加速度或位移的测量，利用积分电路或微分电路求得对时间的积分或微分，由此得到运动速度。 （2）转速的测量 测量转速的方法很多，根据转速转换方式的不同，常用转速的测量方法如表6-2。 表6-2 常用转速测量方法 型 式 测量方法 适用范围 特点 备注 计数式 机械式 通过齿轮转动数字轮 中、低速 简单、价廉 与秒表并用，也可在机构中加入计时仪 光电式 利用来自被测旋转体上光线，使光电管产生脉冲 中、高速，最高可测25000r/min 无扭矩损失，简单 数字式转速计 电磁式 利用磁电转换器将转速变换成电脉冲 中、高速 数字式转速计 模拟式 机械式 利用离心力与转速平方成正比的关系 中、低速 简单 陀螺测速仪 发电机式 利用电机的直流或交流电压与转