运动量检测技术

运动量检测技术第四小组杨天帅、彭君豫、何东、游蕊菱前言•运动量是描述物体运动的量，是以自然界中两个基本量——长度和时间为基础的，包括位移、速度和加速度，运动量测量是许多物理量测量的基础。•运动量检测在工业、交通、国防领域等应用较多。例如，汽车、火车、飞机等交通工具需要实时地测量自身的速度与加速度，发动机等则需要测量输出轴的转速，桥梁、大型设备等需要测量其振动，气象部门需要对大自然的风速进行测量等。•位移与长度的单位都是m。速度是物体运动时单位时间内位移的增量，如果物体运动的速度是变化的，则单位时间内速度的增量就是加速度。01位移检测方法02速度检测方法03转速检测方法04加速度检测方法目录1.线位移和角位移检测。（1）积分法、（2）相关测距法、（3）回波法（4）线位移和角位移相互转换、（5）位移传感器01位移检测方法2常用的位移传感器（1）电感式位移传感器:利用传感器线圈的电感变化来检测非电量的机电转换装置。特点：a.结构简单、工作可靠、寿命长、精度高（分辨力达0.1um）。b.缺点：线性范围小、不适于高频动态测量场合。根据传感器线圈的接线方式分为：自感式和互感式。根据传感器线圈的结构分为：变气隙型、变面积型螺管型。变气隙型、变面积型线圈衔铁螺管型电感传感器外形（2）电容式位移传感器:特点：a.结构简单，能在恶劣环境下工作，可用无机材料（玻璃、石英、陶瓷）作绝缘支架，上面渡以金属作为极板，能承受相当大的温度变化及辐射，以及强烈振动，并可以在各向同性的电介质液中使用。b.分辨力高（纳米级），动态特性好，电容传感器需要的作用能量极小。因而有较高的固有频率，同时能在几兆赫的频率下工作，从而保证有良好的动态响应能力。c.小功率、高阻抗，本身发热量小。d.本身损耗小，零点稳定；由于本身发热引起的零漂，可以认为不存在。e.变极距型广范用于微位移测量系统中。（3）感应同步器位移传感器:是应用电磁感应原理把位移量转换成为数字量的位移传感器。感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随相对位置不同而变化的原理,将直线位移或角位移转换成电信号的。感应同步器有直线式和旋转式两种,直线式（长）感应同步器由定尺和滑尺组成。旋转式（圆）感应同步器由转子和定子组成。特点：a.测量精度高，工作可靠。b.抗干扰能力强，寿命长。c.使用便利。d.尤其适用于生产现场在线检测。直线式（长）感应同步器旋转式（圆）感应同步器（4）电涡流式传感器根据法拉第电磁感应原理,块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时,导体内将产生呈涡旋状的感应电流,此电流叫电涡流,以上现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。特点:A、能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量。B、具有体积小,灵敏度高,抗干扰能力强，频率响应宽。C、不受油污等介质影响，应用极其广泛。D、有变间隙、变面积、螺管型。电涡流传感器工作原理图根据法拉第定律,当传感器线圈通以正弦交变电流I1时,线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1,使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2,I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律,H2的作用将反抗原磁H1,导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上可知,线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效应既与被测体的电阻率ρ、磁导率μ以及几何形状有关,又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关,还与线圈与导体间的距离x有关。因此,传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为Z=F（ρ,μ,r,f,x）式中:r——如果保持上式中其它参数不变,而只改变其中一个参数,传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量,即可实现对该参数的测量。电涡流传感器等效电路图电涡流传感器－－－载流线圈金属导体。（5光栅是一种在基体上刻制有等间距均匀分布条纹的光学元件。用于位移测量的光栅称为计量光栅。下图为透射光栅的示意图。图中a为刻线宽度,b为缝隙宽度,a+b=W称为光栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b=W/2,也可刻成a:b=1.1:0.9。目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条线条。光栅传感器又称光栅读数头,主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多,但两者刻有同样的栅距,使用时两光栅互相重叠,两者之间有微小的空隙,其中一片固定,另一片随着被测物体移动,即可实现位移测量。光栅测量原理:当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时,由于挡光效应（对线纹密度≤50条/mm的光栅）或光的衍射作用（对线纹密度≥100条/mm的光栅）,在与光栅线纹大致垂直的方向上,产生出亮暗相间的条纹,这些条纹称为“莫尔条纹”。莫尔条纹测位移的特点:(1)位移的放大作用当光栅移动一个栅距W时,莫尔条纹移动一个间距B,莫尔条纹的间距B与两光栅线纹夹角θ之间的关系为:B=W/2sin（θ/2）≈W/θθ越小,B越大。例如θ很小,则1/θ较大,即莫尔条纹宽度是栅距的1/θ倍。这相当于把栅距放大了1/θ倍,提高了测量的灵敏度。02速度检测方法一、速度检测方法速度测量分为线速度测量和角速度测量。线速度的计量单位通常用m/s（米/秒）来表示，角速度测量分为转速测量和角速率测量。转速的计量单位常用r/min（转/分）来表示，而角速率的计量单位则常用°/s（度/秒）或°/h（度/小时）来表示。•1．时间、位移计算测速法•2．线速度和角速度相互转换测速法•3．速度传感器法•4．微积分法二、常用的速度测量传感器03转速检测方法03加速度检测方法一、加速度检测方法加速度检测是基于测试仪器检测质量敏感加速度产生惯性力的测量，是一种全自主的惯性测量。加速度检测广泛应用于航天、航空和航海的惯性导航系统及运载武器的制导系统中，在振动试验、地震检测、爆破工程、地基测量、地矿勘测等领域也有广泛的应用。目前主要是通过加速度传感器（俗称加速度计），并配以适当的检测电路测量加速度。加速度计由检测质量（也称敏感质量）、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。检测质量受支承的约束只能沿一条轴线移动，这个轴常称为输入轴或敏感轴。二、微机电加速度计微机电系统加速度计通常是指利用微电子加工手段加工制作，并和微电子测量线路集成在一起的加速度计，这种加速度计常用硅材料制作，故又名硅微型加速度计。•任何加速度传感器都概括为以下3个部分。•①质量：被加速时，产生一个惯性力。•②弹性构件：使力做某种功。•③检拾器：检拾敏感力所做的功。硅微机械加速度传感器结构中，弹性构件通常是很薄小的硅悬臂梁或挠性轴。敏感力所做功的检拾器，通常有压阻检测、电容检测和隧道电流检测等方式。1．硅微型加速度计的类型硅微型加速度计的型式多种多样。按检测质量支承方式分有悬臂梁支承、简支梁支承、方波梁支承、折叠梁支承和挠性轴支承等；按检测信号拾取方式分，有电阻检测、隧道电流检测、热对流检测、电容检测和谐振频率检测等。（1）压阻式加速度计（2）隧道电流型加速度计（3）微型热对流加速度计（4）微电容式加速度计（5）谐振式加速度计2．叉指式硅微加速度计叉指式硅微型加速度计（Finger-shapedMicro-electromechanicalSiliconAccelerometer，FMSA)，最初是由美国AD公司和德国SIEMENS公司联合研制的。叉指式硅微加速度计THANKS2016.5.3