内蒙古工业大学 测试技术 第5章 运动参量测量08120.docVIP

第5章 运动参量测量 运动参量测量主要指位移、速度和加速度的测量。一个物体行经的路程就是位移。运动时单位时间内位移的增量就是速度。如果速度是变化的，则单位时间内速度的增量就是加速度。对于速度和加速度的测量来说，一般都假定是等速度和等加速度的，或假定在短时间内是等速或等加速的情况来测量它们的平均值。 5.1 位移的测量 位移测试包括线位移和角位移的测试。位移测试在工程中的应用十分广泛，这不仅因为在各种工程中经常需要精确第测量物体的位移或位置，而且还因为速度、加速度、力、压力、扭矩、温度、流量及物位等参数的许多测试方法，都是以位移测试作为基础的。 位移是向量，他表示物体上某一点在一定方向上的位置变动。因而对位移的度量，除了确定其大小之外，还应考虑其方向。一般情况下，应使测量方向与位移方向重合，这样才能真实地测量出位移的大小。如测量方向和位移方向不重合，则测量结果仅是该位移量在测量方向上的分量。 测量位移的方法很多，现已形成多种位移传感器，而且有向小型化、数字化、智能化方向发展的趋势。按所测位移量值大小来分，一般分为大位移测量和微小位移测量。表5-1列出了常用位移传感器及性能特点，通过该表可对位移传感器有一个总体的了解。 表5-1 位移传感器一览表 类型 测量范围 度 特点 滑线电阻式 线位移 1～300mm* ±0.1% 结构简单使用方便输出大性能稳定 角位移 0°～360° ±0.1% 分辨率较低输出信号的噪声大不宜用于频率较高时的动态测量 电阻应 变片式 直线式 ±250μm ±2% 结构牢固性能稳定动态特性好 摆角式 ±12° 电感式 变气隙型 ±0.2mm 　 结构简单、可靠仅用于小位移测量的场合 差动变压器型 0.08～300mm* ±3% 分辨力较好输出大但动态特性不是很好 涡电流型 0～5000μm ±3% 非接触式使用简便、灵敏度高、动态特性好 电容式 变面积型 10-3～100mm* ±0.005% 结构非常简单动特性好易受温度、湿度等因素影响 变间隙型 0.01～200μm ±0.1% 分辨率很好但线性范围很小其他特点同变面积型 霍尔元件型 ±1.5mm 0.50% 结构简单动特性好、温度稳定性差 感应同步器型 10-3mm～几米2.5μm/250mm 数字式结构简单接长方便适合大位移静、动态测量，用于自动检测和数控机床 计量 光栅 长光栅 10-3mm～几米 3μm/1m 数字式测量精度高适合大位移静、动态测量用于自动检测和数控机床 圆光栅 0°～360° ±0.5″ 角度编码器 接触式 0°～360° 10-6rad 分辨率好可靠性高 光电式 0°～360° 10-8rad *、长度、截面积与电阻之间的关系为。如果电阻丝直径与材质一定时，则电阻值随触头位置而变化。常用滑线电阻式位移传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等，如图5-1所示。 （a）直线位移型 （b）角位移型 （c）非线性型 图5-1 滑线电阻式传感器 图5-2 电阻分压电路 图5-1a为直线位移型，滑动触头与被测物体连接且同步移动，当物体移动距离x时，C点与A点之间电阻值，灵敏度k为单位长度内的电阻值。当骨架为截面一致、材质均匀的导线时，k为常数。图5-2b为角位移型，输出阻值，为被测物体转动角度，灵敏度为单位角度上对应的电阻值，一般为常数。 图5-2c为非线性型，当被测量与滑动触头位移之间具有某种函数关系时，通过它可以获得输出电阻与的线性关系。例如， ，将电位器骨架做成斜边斜率为的直角三角形，就能实现与的线性关系。 滑线电阻式位移传感器的后续电路，一般采用电阻分压电路，如图5-2所示。在直流激励电压作用下，这种传感器将位移变为输出电压的变化。当电刷移动距离后，传感器的输出电压可用下式计算： （5-1） 式中：-电位器的总电阻；-电位器的总长度；-后接电路的输入电阻。为减小后接电路的影响，应使。 5.1.2电容式位移传感器 电容器式位移传感器是将位移的变化转换成电容量的变化。间距为、相互覆盖面积为的两块金属极板充满介电常数为的介质所构成电容器，其电容量，当、或发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，极距变化型。极距变化型电容传感器结构图-3所示，其工作原理为：两