【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 檢測(cè)出莫爾條紋移動(dòng)的條紋數(shù)和方向，測(cè)出光 柵移動(dòng)的距離和方向，實(shí)現(xiàn)位移的檢測(cè)。 (6) 測(cè)長(zhǎng)精度可達(dá) ～ 3μm，分辨率達(dá) . ?透射式光路（柵）； ?反射式光路（柵） 動(dòng)光柵相對(duì)于靜光柵轉(zhuǎn)動(dòng)，將轉(zhuǎn)動(dòng)的角度量變換成莫爾條紋信號(hào)，通過光電轉(zhuǎn)換元件，將莫爾條紋的變化轉(zhuǎn)換成近似于正弦波形的電信號(hào)。 用于角度測(cè)量，精度可達(dá) ，分辨力可達(dá) ，甚至更高。 感應(yīng)同步器 利用電磁感應(yīng)原理，將線位移和角位移轉(zhuǎn)換成電 信號(hào)的一種裝置。根據(jù)用途，可將感應(yīng)同步器分為 直線式 和 旋轉(zhuǎn)式 兩種，分別用于 測(cè)量： 線位移 和 角位移 。 直線線感應(yīng)同步器由定尺繞組和滑尺繞組（兩組，相差 900）組成，兩者平面平行相對(duì)，間距為 ~。 當(dāng)滑 尺 的兩 組繞組用交流電激勵(lì)時(shí)，由于電磁感應(yīng)，在定尺的繞組中會(huì)產(chǎn)生與激勵(lì) 電壓同頻率 的 交變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E。當(dāng)滑尺相對(duì)定尺移動(dòng)時(shí)，改變了通過定尺繞組的磁通，從而改變了定尺繞組中輸出 的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E。 E 的變化反映了定、滑尺間的相對(duì)位移，實(shí)現(xiàn)了位移至電量的 變換 。 旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的轉(zhuǎn)子、定子繞組可看成由直線式感應(yīng)同步器的滑尺、定尺繞組圍成輻射狀而形成，因此可測(cè)角位移。 21 根據(jù)對(duì)滑尺的正、余弦繞組供給勵(lì)磁電壓方式的不同 ，又分為 鑒相 和 鑒幅型測(cè)試系統(tǒng)。 鑒相： 定尺輸出電壓的相位 x? 與相對(duì)移動(dòng)位移 x 成比例； 鑒幅： 定尺輸出電壓的幅值 A 相對(duì)移動(dòng)位移 x 成比例； ①精度較高，對(duì)環(huán)境要求低，可測(cè)大位移； ②工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)； ③對(duì)局部誤差有平均化 作用。 激光式位移傳感器 （考綱沒有要求） 由激光器、光學(xué)元件、光電轉(zhuǎn)換元件組成激光測(cè)試系統(tǒng)，將被測(cè)位移量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。 精度高，測(cè)量范圍大、測(cè)試時(shí)間短、非接觸、易數(shù)字化、效率高。 3. 激光干涉測(cè)長(zhǎng)技術(shù)用途 ①精密長(zhǎng)度測(cè)量（磁尺、感應(yīng)同步器、光柵檢定）； ②精密機(jī)床位移檢測(cè)與校正； ③集成電路制作中的精密定位。 ①單頻激光干涉?zhèn)鞲衅鳎? ②雙頻激光干涉?zhèn)鞲衅鳌? 第三章 力、扭矩和壓力傳感器 測(cè)力傳感器 分類方式和種類 測(cè)量力的傳感器多為 電氣式 ，根據(jù) 轉(zhuǎn)換方式 分為 參量型 和 發(fā)電型 。 參量型測(cè)力傳感器 ： 電阻應(yīng)變式 、 電容式 、 電感式等； 發(fā)電型測(cè)力傳感器 ： 壓電式 、 壓磁式。 電阻式應(yīng)變測(cè)力傳感器 22 工作原理 1） 電阻應(yīng)變效應(yīng) ：金屬導(dǎo)體受到外力作用時(shí)發(fā)生機(jī)械變化，產(chǎn)生應(yīng)變，從而引起電阻阻值變化的現(xiàn)象。 2） 壓阻效應(yīng) ：固體受到應(yīng)力作用力時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的想象。 3) 工作原理 ：基于電阻應(yīng)變效應(yīng)和壓阻效應(yīng)。 將力作用 在彈性元件上，彈性元件在力作用下產(chǎn)生應(yīng)變，貼在彈性元件上應(yīng)變片 也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，其 電阻變化 。 然后利用電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)換成電壓或電流的變化 。 (再 送入測(cè)量放大電路測(cè)量 ， 最后利用標(biāo)稱的電壓（電流）和力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)出力的大小或經(jīng)換算得到被測(cè)力。 ) 有柱型、薄壁環(huán)型和梁型 1）柱型彈性元件 圓柱形、圓筒形、方柱形 受力后的 應(yīng)變 值 FSE?? E—— 材料的彈性模量 Pa； S—— 彈性元件的橫截面積 m2； 2) 薄壁環(huán)型彈性元件 圓環(huán)受拉之后， 承受的彎矩 0 (0 .3 1 8 0 .5 c o s )M F R ??? R0—— 環(huán)的平均半徑 m， φ—— 斷面的坐標(biāo)角， M—— 坐標(biāo)角 φ斷面處的彎矩 N178。 m 3）梁型彈性元件 懸臂梁式、兩端固定梁式 應(yīng)變值分別是 ： ?=6Fl/Ebh2， ?=3Fl/4Ebh2 l、 b、 h 分別是 長(zhǎng)度、寬度、厚度 m。 是非電 量電測(cè)中一種常見的轉(zhuǎn)換元件。由于應(yīng)變片使用簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，體積小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，被廣泛應(yīng)用。 分 金屬電阻應(yīng)變片 （金屬絲、金屬箔）、 半導(dǎo)體應(yīng)變片 。 1) 工作原理 LR S?? 23 dR dL dS dR L S ??? ? ? (1 2 ) LdR ER ? ? ? ?? ? ? 對(duì)金屬應(yīng)變片： (1 2 )dR KR ? ? ?? ? ? 12K ??? —— 金屬應(yīng)變片靈敏度系數(shù)（ ~，比較?。? 對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變片： LdR EKR ? ? ??? LKE?? —— 半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度系數(shù)（比金屬應(yīng)變片的大 50~70 倍） 2) 應(yīng)變片 的結(jié)構(gòu) (1) 由敏感柵、底基、絕緣保護(hù)片組成（圖 35） (a)敏感柵的作用 : 感受機(jī)械試件的應(yīng)變變化； (b)底基的作用：將試件的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳給敏感柵； (c)敏感柵的種類：金屬絲、金屬箔、半導(dǎo)體。 (2)對(duì) 金屬絲的要求 (a)具有較高的電阻系數(shù)（單位長(zhǎng)度的電阻要大）； (b)具有盡可能大的電阻應(yīng)變靈敏度系數(shù)； (c)具有較小的溫度系數(shù)； (d)具有較高的彈性極限，以便得到較寬的 應(yīng)變測(cè)量范圍； (e)良好的加工性和焊接性； (f)對(duì)銅的熱電動(dòng)勢(shì)要小。 (3) 對(duì)底基的要求 (考綱上不做要求 )： (a) 應(yīng)具有較低的彈性模量，較高的絕緣電阻，良好的抗?jié)窨篃嵝阅堋? (b) 厚度 20～ 50μm之間， （ 常用底基 ：紙基、膠基、玻璃纖維布基）。 紙基 制作簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，比較柔軟，易于粘貼，應(yīng)變極限大，但耐潮濕性和耐熱性差。 膠基 比紙基更柔軟，且具有較好的絕緣性，較高的彈性，耐熱和耐潮濕性都較好，使用溫度達(dá) 100℃～ 300℃ 。用酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、 聚酯等固化后制成。 玻璃纖維布基： 制作的底基能耐 400℃～ 500℃ 的高溫，用于中溫和高溫情況下。 （ 4） 箔式電阻應(yīng)變片 (考綱上不做要求 )： 敏感柵是用（ 3~5） um厚的金屬箔粘于膠基上，用光刻技術(shù)加工成需要的形狀。 敏感柵制成 圓角形 柵，也可成 直角形 柵。 24 優(yōu)點(diǎn) ： （ 1）金屬箔很薄，因而所感受的應(yīng)力狀態(tài)與試件表面的應(yīng)力狀態(tài)更接近； （ 2）箔式敏感柵面積大，散熱條件好，允許通過較大的電流，靈敏度較高，輸出信號(hào)功率比較大，為絲式電阻應(yīng)變片的 100~400 倍； （ 3）箔式敏感柵的尺寸可以 做的很準(zhǔn)確，基長(zhǎng)可以很短，并能制成任意形狀，從而可擴(kuò)大使用范圍； （ 4）便于成批生產(chǎn)。 缺點(diǎn) ： 生產(chǎn)工序復(fù)雜，引線的焊點(diǎn)采用錫焊，不適于在高溫環(huán)境中測(cè)量，另外價(jià)格比較高。 3） 半導(dǎo)體應(yīng)變片 (1) 工作原理是基于壓阻效應(yīng) 。 (2） 特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) ： 靈敏度系數(shù)大，適用于需要大信號(hào)輸出的場(chǎng)合； 半導(dǎo)體應(yīng)變片橫向效應(yīng)小，其橫向靈敏度幾乎為零；機(jī)械滯后小，可制成小型和超小型片子。 缺點(diǎn)： 應(yīng)變靈敏系數(shù)的離散性大，機(jī)械強(qiáng)度低，非線性誤差大，溫度系數(shù)大。 應(yīng)根據(jù)測(cè)量目的、對(duì)載荷分布的估計(jì)以及在復(fù)合載荷下測(cè)量應(yīng)變時(shí)應(yīng)能消除相互影響等情況而定。 電橋 ：有 單臂、雙臂、四臂工作方式（平衡條件 Uo=0， R1R3=R2R4） 工作方式 單臂 雙臂 四臂 應(yīng)變片所在位置 R1 R1， R2 R1， R2， R3， R4 輸出電壓 Uo 1/4UiKε 1/2UiKε UiKε 圖 37 圖 38 圓筒形彈性元件、應(yīng)變片。 壓電式力傳感器 是基于壓電元 件的 壓電效應(yīng) 而工作的。壓電效應(yīng)有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。 （ 1） 正壓電效應(yīng) :當(dāng)某些 材料 沿一定方向受外力 F 作用而變形時(shí)，在其相應(yīng)的兩個(gè)相對(duì)表面產(chǎn)生極性相反的電荷 Q，當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種物理現(xiàn)象稱之 正壓電效應(yīng) 。電荷的極性取決于變形的形式。 25 Q KF? K—— 壓電常數(shù)，與材料有關(guān)。 （ 2） 逆壓電效應(yīng) 是當(dāng)某些晶體的極化方向施加外電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)外電場(chǎng)撤去后，變形也隨之消失，這種物理現(xiàn)象稱之。 （ 3）壓電效應(yīng)的方向 縱向和剪切向 及 材料 壓電晶體 :具有壓電效應(yīng)的晶體， 常用的壓電材料 ：石英、鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鋁系壓電陶瓷（ PZT）以及新型高分子材料（ 聚偏二氟乙烯 PVDF）等。 壓電元件在傳感器中的 連接方式 ：?jiǎn)纹?、兩片串?lián)式、兩片并聯(lián)式、剪貼式、扭轉(zhuǎn)式。 兩片串聯(lián)式：輸出電壓大， 兩片并聯(lián)式：輸出電荷量大， 傳感器的 等效電路 和前置放大器 1）等效電路 等效為 電荷 為 Q的電容器（電荷源） 或內(nèi)阻為為 aC 的電壓源。 電容量 a SC ???； 壓電元件兩 端電壓 i aQU C? 2)前置放大器 (1) 壓電元件的輸出很微弱，電容 aC 很小導(dǎo)致容抗 (阻抗 )很大。 (2) 需采用前置放大器放大壓電元件輸出的微弱信號(hào)，并把高阻抗變換為低阻抗輸出 (目的是減少負(fù)載效應(yīng) )。 壓電式傳感器的前置放大器的 輸入阻抗應(yīng)盡可能的高 。 (3) 前置放大器有 ： 電壓放大 器 、 電荷放大器 兩種形式。 電壓放大器 ：輸出電壓與壓電元件的輸出電壓成正比，但電纜 電容對(duì)輸出有影響。 電荷放大器 ：輸出電壓與壓電元件的輸出電荷成正比，電纜電容的影響很小，可忽略不計(jì)，但價(jià)格貴、電路復(fù)雜。 （ 1）類型和結(jié)構(gòu) 26 是利用壓電晶體的 縱向 和 剪切 向壓電效應(yīng)。（分：?jiǎn)畏至亢投喾至浚? (2)壓電式力傳感器的 選用原則 ： ?量程和頻帶的選擇 : 估計(jì)被測(cè)力的大小和頻率范圍，選用量程和頻帶合適的傳感器。 ?電荷放大器的選擇 : 測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)力 (低頻 )信號(hào)，要求電荷放大器輸入阻抗高于 1012Ω，低頻響應(yīng)為 。 ?電纜選擇 : 選用受振動(dòng)、壓力變化等影響所產(chǎn)生噪音小的低噪音電纜； 壓磁式力傳感器 在機(jī)械力作用下，鐵磁材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力變化，使磁導(dǎo)率發(fā)生變化，磁阻相應(yīng)也發(fā)生的現(xiàn)象 ，稱為 壓磁效應(yīng) 。 外力是拉力時(shí)，在作用力方向鐵磁材料磁導(dǎo)率提高，垂直作用力方向磁導(dǎo)率降低；作用力為壓力時(shí)，則反之。 常用鐵 (壓 )磁材料 ： 硅鋼片 、 坡莫合金 。制成的彈性體稱鐵磁體或壓磁元件。 理 (1) 壓磁元件一般由相互垂直的一次側(cè)繞組、二次側(cè)繞組組成（圖 313）。 (2) 在一次側(cè)繞組通過交變勵(lì)磁電流時(shí)，鐵心 中產(chǎn)生磁場(chǎng) 。壓磁元件不受力時(shí)， 磁力線呈軸對(duì)稱分布，磁力線不與二次側(cè)繞組交鏈，故二次側(cè)繞組不會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。 (3)當(dāng)壓磁元件受力時(shí)，由于壓磁效應(yīng)，磁力線分布呈橢圓，磁力線與二次側(cè)繞組交鏈，故就會(huì)在二次側(cè)繞組中感應(yīng)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。外力越大，磁力線交鏈越多，二次側(cè)繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)愈大。 (4) 經(jīng)測(cè)量電路將電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。 主要是由 壓磁元件 、 彈性機(jī)架 、 基座 和 傳力鋼球 等組成。 扭矩傳感器 轉(zhuǎn)矩： 使物體轉(zhuǎn)動(dòng) 或扭轉(zhuǎn)變形 的力偶或力矩 ，又稱 扭矩（扭轉(zhuǎn)力矩） 。 單位 是牛頓 ﹒ 米 (Nm)。 電阻應(yīng)變式扭矩傳感器 27 (1) 將電阻應(yīng)變片直接貼在需要測(cè)量扭矩的軸類零件上 。 (2) 當(dāng)軸類零件受扭矩作用時(shí)，在其表面產(chǎn)生切應(yīng)變， 粘貼在其上的應(yīng)變片就會(huì) 產(chǎn)生應(yīng)變，從而測(cè)出該扭矩。 (3)應(yīng)變片也可 貼在一根特制彈性傳動(dòng)軸上，制成一個(gè)應(yīng)變式扭矩傳感器。 13 1 T KTEW ???? ?? ? ? ? 2. 集流環(huán)的用途和種類 1) 用途 : 將轉(zhuǎn)動(dòng)中軸體上的電信號(hào)與固定測(cè)量電路裝置相聯(lián)系。 2） 種類 ： 按工作原理分類： 電刷 滑環(huán)式、水銀式、感應(yīng)式 、無線式 。 (1)電刷 滑環(huán)式 ： 結(jié)構(gòu) ： 由 套筒，絕緣環(huán)，滑