第七章机械量的测量

第七章机械量测量机械量测量•机械量测量主要包括位移（线位移及角位移）测量•速度（转速）及加速度测量、•机械振动测量、•力和力矩的测量。•有关力的测量内容已作了介绍。位移测量（电涡流）1转速测量（霍尔方式）2主要内容位移测量（电涡流）1转速测量（霍尔方式）2主要内容1.1概述•线位移量为质点在直线方向位置的变化量，而角位移量则是角度方向位置的变化量。•位移的测量是通过位移传感器将被测位移量的变化转换成电量。•目前测量位移的传感器品种繁多，有接触式或非接触式两大类。•测量方法多样，如电感、变压器、电涡流、电容、电位器等。1.1概述常用线位移传感器•变阻式：滑线、变阻器•电阻应变式：•电感式：差动变压器、螺管式、电涡流式•电容式：变面积、变间隙•霍尔元件•感应同步器•长光栅•长磁栅1.1概述常用角位移传感器•滑线变阻式，变阻器，应变计式•差动变压器式•自整角机，旋转变压器，微动同步器•电容式，圆感应同步器•圆光栅，圆磁栅•角度编码器：接触式、光电式1.2电涡流传感器电涡流•电涡流消耗一部分能量，在交流电气设备中是一种有害的现象。•工程中电涡流的热效应用作高频加热器。•电涡流产生的磁场线圈阻抗变化效应，用作厚度和位移的检测元件。•电涡流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗变化而进行测量的。电涡流作用原理电涡流例子•如图，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以正弦交变电流时，线圈周围就产生一个正弦交变磁场。•置于该磁场中的金属导体内就产生电涡流。•后者将产生一个与原磁场方向相反的新磁场，抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。电涡流作用原理阻抗发生变化的原理•若把被测金属导体形象地看作一个短路线圈，则电涡流的相互作用可以用变压器等效电路来表示。•可列出电路方程组为012222IMjILjIR121111UIMjILjIR电涡流作用的等效电路阻抗发生变化的原理•原边线圈的等效电阻为•线圈的等效电感为22222221RLRMRR22222221LRMLLL被测位移变化，引起互感系数变化、线圈阻抗Z变化，也引起线圈电感L和品质因素Q变化。涡流传感器的转换电路可以选用Z、L、Q中的任一参数并将其转换为电量进行测量。涡流检测的发展史1824年加贝发现了铜板对摆动着的磁铁有阻尼现象，提出了涡流存在的实验。几年以后发现在非均匀强磁场中运动的铜盘中有电流存在。1831年法拉弟发现了电磁感应现象，并在实验的基础上提出了电磁感应定律。1861年麦克斯韦将法拉弟的概念用完整的数学方程式表示出来，建立了系统严密的电磁场理论。1873年提出了位移电流：变化的电场激发涡旋磁场。涡流检测的发展史涡流检测的发展史1879年休斯首先将涡流检测应用于实际——判断不同的金属和合金。1926年涡流测厚仪问世1831年德国的福斯特博士在理论和实践上完善涡流检测技术一百多年里，电磁理论及其试验不断完善，电子元器件不断更新换代，大大推进了涡流检测技术的发展。涡流检测的发展史•福斯特在基础试验和理论推导的基础上发表了大量有关涡流检测的论文，并创办了福斯特研究所。-----早在50年代。•他的涡流检测技术与设备推动了全世界涡流检测技术的发展。•美国、前苏联、法国、英国、日本也先后做了大量的开发性工作，发表了大量论文，•并都能生产高水平的涡流检测设备。涡流检测的发展史•我国开展涡流检测的研究工作始于60年代、并先后研制成功了一系列检测系统。•在我国的航空航天、冶金、机械、电力、化工、核能等领域中正在发挥着愈来愈重要的作用。初期的YY-11型管材探伤仪后来YY-17、TC-2000、ED-251、NE-30现在用途极为广泛的EEC-96数字涡流检测设备。涡流阻抗检测法•涡流检测的信号来自于线圈的阻抗或次级线圈的感应电压的变化。但因为影响阻抗和电压的因素很多。•在发展过程中曾提出过多种消干扰的方法，但直到阻抗分析法的引进才使涡流检测技术由重大的突破。•直到目前为止，阻抗检测法依然是涡流检测中应用最广的方法。高频反射式电涡流传感器的结构如图所示，主要由一个安置在框架上的扁平线圈构成。•线圈外径大、线性范围就大，但灵敏度低；反之，线圈外径小，灵敏度高，但线性范围就小。•为了小型化，也可在线圈内加磁心，提高线圈的品质因数值高频反射式的结构高频反射式电涡流传感器结构1-线圈2-框架3-框架衬套4-支座5-电缆6-插头高频反射式•电涡流传感器是利用线圈与被测导体之间的电磁耦合进行工作的，因而被测导体材料的物理性质、尺寸与形状都关系到传感器的特性。一般来说，1.被测导体的电导率越高，灵敏度也越高；而磁导率对灵敏度的影响则相反。2.被测体的大小也会影响到灵敏度，若被测体为平面，在电涡流环的直径等于线圈直径处的电涡流密度最大；在电涡流直径为线圈直径的1.8倍处，电涡流密度已衰减为最大值的5%。为了充分利用电涡流效应，被测体环的半径不应小于线圈外半径的1.8倍。高频反射式•德国米铱测试技术公司开发生产的multiNCDT100非接触电涡流位移传感器。•适用于测量铝材料（非铁磁体被测体），或者钢ST37（铁磁材料）•量程：0～0.5mm和0～15mm。其线性度小于±0.5%，动态分辨率为0.5μm，静态分辨率可达0.05μm，工作极限频率为10kHz（-3dB）高频反射式电涡流传感器低频透射式•在上述高频反射式电涡流传感器中，为了使金属导体内电涡流所产生的磁场“反射”效果好，必须提高激励电流的频率，减小贯穿深度。•反之，若将激励电流频率减低，涡流的贯穿深度将加深。采用低频激励的电涡流传感器有较大的贯穿深度，适合于测量金属材料的厚度。低频透射涡流测厚原理低频透射式•在L1和L2间放置金属材料M后，L1产生的磁力线必然透过M，并在其中产生电涡流。•涡流损耗了部分磁场能量，使到达L2的磁力线减少，引起e下降。M的厚度越大，涡流越大，涡流引起的损耗也越大，e就越小。•由此，e的大小反映了材料厚度δ的变化。低频透射涡流测厚原理低频透射式•输出电势E与厚度δ及贯穿深度t的关系为•贯穿深度t与√（ρ/f）成正比，ρ为被测材料电阻率，f为励磁频率。•材料固定，t与f相关。频率较低时，线性较好、测量范围t较大，测厚板应选较低的频率•频率较高时，线性差，测薄板应选较高的频率。teE除了测位移和厚度外的重大应用：涡流探伤DWS系列电涡流测功器•利用励磁线圈的定子，与转子相对运动时，产生涡流。在电磁作用下，实现制动功能。•此时，吸收功率发热，需要水内冷却热平衡。•它适用于对发动机及各种动力机有效功率，转矩测定和性能试验，并可对齿轮箱、油泵、油嘴、调速器等内燃机附件作负荷下的磨损试验和性能测定试验。•当控制仪供给一直流电流于测功器制动器上的励磁线圈时，通过励磁体、涡流环、空气隙和感应子形成一闭合磁通回路•感应子旋转时，该磁场也随之旋转，并且在涡流环上产生涡电流。•涡流产生对转子制动的力矩，该力矩使测功器的外壳转动。•测力机构部件主要有制动臂、活节螺栓、拉压力传感器等组成。•测功器产生的制动力臂与制动臂上拉压力传感器的反向力矩相平衡，由显示仪器显示制动力矩的大小。DWS系列电涡流测功器DWS系列电涡流测功器•该电流与产生它的磁场相互作用形成与原动机反向的制动力矩，使架于摆动轴承上的电枢体摆动，•通过力臂将力矩传给拉压传感器一拉力，测量出力矩大小。•原动机的功率全部被测功器吸收转变为电涡流，并转化为热能，由冷却水带走。•励磁加载，负荷响应敏捷•标准砝码，静态标定•功率曲线优良电涡流测功器的基本工作原理是：位移测量（电涡流）1转速测量（霍尔方式）2主要内容2.1概述•磁电式•转子陀螺•交流测速发电机、直流测速发电机•离心式转速表、频闪式转速表•光电式：反射式转速表、直射式转速表•激光式：测频法转速仪、测周法转速仪•霍尔元件—成熟的方式、现成的产品2.2光电式传感器•光电传感器根据受光照或无光照的条件作出电信号“有”、“无”输出的反应，将被测量转换成通与断的开关信号。•右图电机的转轴上涂黑白两种颜色。•轴每转一周，反射光投射到光电元件上的强弱发生一次改变，故光电元件可产生一脉冲信号。2.2光电式传感器•当电机轴上固装一齿数为z的调制盘（或电机轴上黑白相间涂色），频率计的计数频率为，则有zfn60据上式，可测得转轴转速。若齿数z为60，则n=f，单位是(r/min)2.3霍尔元件•1霍尔效应--霍尔效应于1879年德国人霍尔(Hall)发现•2材料与基本参数•3霍尔元件的特性•4霍尔元件的应用技术•5霍尔元件的应用电路2.3.1霍尔效应•霍尔效应产生的原因:•洛伦兹力FL=evB的作用,使电子沿Z方向运动,并积累形成霍尔电场;霍尔电场又反过来阻碍电子的继续积累.•当FE=eEH=-FL•EH霍尔电场的电场强度•此时达到了动态平衡，FL+FE=0，形成了稳定的霍尔电势：eEH=evB•EH=vB霍尔效应原理2.3.1霍尔效应•EH=vB•在A与B两点间建立的电势差即霍尔电压，•可以推算（物理学公式）HHUEbvBb1716HHHIBUIBRkIBnedd2.3.2霍尔元件的材料和基本参数•霍尔元件的输出与灵敏度KH有关，KH越大，VH越大。而霍尔灵敏度又取决于元件的材料性质RH和尺寸。霍尔系数RH=–材料的电阻率和电子迁移率大，RH就大，输出的VH也就大。•在选用霍尔元件的材料时，为提高霍尔灵敏度，1）要求材料的RH尽可能地大，2）厚度d小。–厚度d越小，KH越大，VH也越大．通常霍尔元件的厚度都比较小，但d太小，会使元件的输入输出电阻增大．2.3.2霍尔元件的材料和基本参数•霍尔元件常采用的半导体材料有N型锗(Ge)、锑化铟(InSb)、砷化铟InAs)、砷化镓(GaAs)、受磷砷化铟(InAsP)、N型硅(Si)等。–锑化铟元件的输出较大，受温度的影响也较大（-0.2%/℃）–铟和锗元件输出虽然不如锑化铟大，但温度系数小，线性度也好–砷化镓元件的温度特性（-0.06%/℃）和输出线性好，但价格贵。2.3.2霍尔元件的材料和基本参数霍尔元件a)外形b）结构c）符号d）基本电路2.3.2霍尔元件的材料和基本参数•霍尔元件的结构与其制造工艺有关。–体形霍尔元件是将半导体单晶材料定向研磨抛光，然后用蒸发合金法或其他方法制作欧姆接触电极，最后焊上引线并封装．–膜式霍尔元件是在一块极薄(0.2mm)的基片上用蒸发或外延的方法制成半导体薄膜，然后再制作欧姆接触电极，焊上引线，并加以封装．注：霍尔元件的几何尺寸及电极的位置和大小等均直接影响它输出的霍尔电势，制作时有很严格的要求．2.3.2霍尔元件的材料和基本参数12345寄生电势输入、输出电阻灵敏度输出功率温度系数霍尔元件的基本参数——输入、输出电阻，灵敏度，寄生电势，温度系数，输出功率。2.3.2霍尔元件的材料和基本参数①输入电阻RIN和输出电阻ROUTRIN为控制电流极间电阻，单位为欧姆；ROUT为输出霍尔电势极间电阻，单位为欧姆。②灵敏度：灵敏度包括霍尔灵敏度KH和磁灵敏度SB，其中，KH又称乘积灵敏度，它是指霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度作用下，输出极开路时的霍尔电压：VH=KHIHB由此式，可以测定KH的值。•SB是指在额定控制电流和单位磁感应强度作用下，输出极开路时的霍尔电压：VH=SBB2.3.2霍尔元件的材料和基本参数③寄生电势Vo：指控制电流为交流，在不加磁场时，霍尔电势极间产生的直流电势。④温度系数：霍尔电势温度系数和内阻温度系数–霍尔电势温度系数：在一定的磁感应强度和规定控制电流下，温度每变化1℃时，霍尔电压值变化的百分率；（0.04%/℃）–内阻温度系数：温度每变化1℃时霍尔材料的变化率。（0.5%/℃）•锑化铟元件HZ-1,2,3等型号,在80℃时温度系数由正变负。•锑化铟元件控制电流采用恒压供应，霍尔元件的温度特性可以提高。•对于正温度系数的元件，利用负载电阻Rfz，使Rfz/Rsc=/,，可以实现温度补偿2.3.3霍尔元件的特性