1、天津職業技術師范大學天津職業技術師范大學自動化與電氣工程學院2第三章第三章 導言導言 在工業生產、科學研究等各個領域中，力學量在工業生產、科學研究等各個領域中，力學量和運動量是經常需要測量的重要參數。本章介紹和運動量是經常需要測量的重要參數。本章介紹壓力、力、位移、速度的測量方法、測量中所用壓力、力、位移、速度的測量方法、測量中所用的儀器設備及所用典型傳感器的基本原理及結構。的儀器設備及所用典型傳感器的基本原理及結構。3第三章第三章 力學量檢測技術力學量檢測技術3.1 3.1 壓力測量壓力測量3.4 3.4 速度速度測量測量3.3 3.3 位移位移測量測量3.2 3.2 力測量力測量自動化與電

2、氣工程學院自動化與電氣工程學院v3.1.1 3.1.1 壓力的基本概念壓力的基本概念定義：定義：壓力是垂直而均勻地作用在單位面積上的力，即物理壓力是垂直而均勻地作用在單位面積上的力，即物理學中常稱的壓強。學中常稱的壓強。工程上，習慣把壓強稱為壓力工程上，習慣把壓強稱為壓力，表示為：，表示為：3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量SFp p壓力；壓力；F垂直作用力；垂直作用力；S受力面積受力面積單位單位：國際單位國際單位牛頓牛頓/ /米米2 2，用符號，用符號N/m2，也稱，也稱Pa。常用。常用KPa，MPa，也有工程大氣壓、物理大氣壓、巴、毫米水柱、也有工程大氣壓、物理大氣壓、巴、毫米水柱、毫米

3、汞柱等表示方法。毫米汞柱等表示方法。4自動化與電氣工程學院自動化與電氣工程學院由于參照點不同，在工程上壓力有幾種不同表示方法：由于參照點不同，在工程上壓力有幾種不同表示方法：v 絕對壓力絕對壓力：以絕對壓力零位為參考點的壓力稱為絕對壓力，用符號：以絕對壓力零位為參考點的壓力稱為絕對壓力，用符號Pi表示。表示。v 大氣壓力大氣壓力：由地球表面空氣質量所形成的壓力，稱為大氣壓力。它隨：由地球表面空氣質量所形成的壓力，稱為大氣壓力。它隨地理緯度、海拔高度及氣象條件而變化，用符號地理緯度、海拔高度及氣象條件而變化，用符號P0表示。表示。v 表壓力表壓力：絕對壓力與當地大氣壓之差稱為表壓力，用符號：絕對

4、壓力與當地大氣壓之差稱為表壓力，用符號Pg表示。通表示。通常壓力測量儀表總是處于大氣之中，其測得的壓力值均是表壓力。常壓力測量儀表總是處于大氣之中，其測得的壓力值均是表壓力。v 真空度真空度( (負壓負壓) )：絕對壓力小于大氣壓力時，表壓力為負值：絕對壓力小于大氣壓力時，表壓力為負值( (負壓力負壓力) )，其絕對值稱為真空度，用符號其絕對值稱為真空度，用符號Pv表示，表示，Pv=|=|Pg| |。v 差壓差壓( (壓差壓差) )：任意兩個壓力：任意兩個壓力P1、P2之差稱為差壓之差稱為差壓P，P=P1 - P2。3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量5自動化與電氣工程學院自動化與電氣工程學院

5、3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量6自動化與電氣工程學院自動化與電氣工程學院壓力檢測的基本方法：壓力檢測的基本方法：v 重力平衡方法：重力平衡方法：利用一定高度的工作液體產生的重力或砝利用一定高度的工作液體產生的重力或砝碼的重量與被測壓力相平衡。碼的重量與被測壓力相平衡。v 彈性力平衡方法：彈性力平衡方法：利用彈性元件受壓力作用發生彈性變形利用彈性元件受壓力作用發生彈性變形而產生的彈性力與被測壓力相平衡。而產生的彈性力與被測壓力相平衡。v 機械力平衡方法：機械力平衡方法：將被測壓力經變換元件轉換成一個集中將被測壓力經變換元件轉換成一個集中力，用外力與之平衡。力，用外力與之平衡。v 物性測量方

6、法：物性測量方法：利用敏感元件將被測壓力直接轉換為各種利用敏感元件將被測壓力直接轉換為各種電量。電量。3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量7自動化與電氣工程學院自動化與電氣工程學院v3.1.2 3.1.2 常用壓力檢測儀表常用壓力檢測儀表 液柱式壓力計液柱式壓力計 彈性壓力計彈性壓力計 力平衡式壓力計力平衡式壓力計 壓力傳感器壓力傳感器 3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量v1 1、液柱式壓力計、液柱式壓力計 基本原理：基本原理：流體靜力學原理流體靜力學原理 一般是采用充有水或水銀等液體的玻璃一般是采用充有水或水銀等液體的玻璃U U形管、單管或形管、單管或斜管進行壓力測量的。斜管進行壓力測量的

7、。3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量9v U U形管壓力計形管壓力計3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量10 在在U U形管兩端接入不同壓力形管兩端接入不同壓力p1和和p2時，時，根據根據流體靜力平衡原理流體靜力平衡原理可知，可知，U U形管兩邊管形管兩邊管內液柱差內液柱差h與被測壓力與被測壓力p1和和p2的關系為的關系為: : 可見可見U U形管內的液柱差形管內的液柱差h h與被測差壓或壓力成正比，因此與被測差壓或壓力成正比，因此被測壓差或壓力可以用工作液高度被測壓差或壓力可以用工作液高度h h的大小來表示的大小來表示3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量11自動化與電氣工程學院自動化與電氣

8、工程學院v 單管壓力計單管壓力計 U U形管壓力計中的形管壓力計中的h需要需要兩次讀數兩次讀數，讀數誤差較，讀數誤差較大。為了減小讀數誤差，可以將大。為了減小讀數誤差，可以將U U型管的一端換成型管的一端換成一個大直徑的容器，即形成單管壓力計。一個大直徑的容器，即形成單管壓力計。3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量12由于由于Dd，故，故d2/ /D2可以忽略不計可以忽略不計 ghghp1)1 ()(2212121Ddghhhgghppp被測壓差或壓力可用被測壓差或壓力可用管內工作液面上升高度管內工作液面上升高度h來表示來表示3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量13自動化與電氣工程學院自動化與

9、電氣工程學院v 斜管壓力計斜管壓力計 用用U U形管或單管壓力計來測量微小的壓力時，因為液柱高形管或單管壓力計來測量微小的壓力時，因為液柱高度變化很小，讀數困難，為了提高靈敏度，減小誤差，可將度變化很小，讀數困難，為了提高靈敏度，減小誤差，可將單管壓力計的玻璃管制成斜管。單管壓力計的玻璃管制成斜管。3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量14singLghp由于由于LhLh，所以斜管壓力計比單管壓力計，所以斜管壓力計比單管壓力計更靈敏，可以提高測量精度更靈敏，可以提高測量精度 L斜管內液柱的長度；斜管內液柱的長度；斜管傾斜角斜管傾斜角 3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量15v2 2、彈性壓力計、

10、彈性壓力計 基本原理：基本原理：當被測壓力作用于彈性元件時，彈性元件便當被測壓力作用于彈性元件時，彈性元件便產生相應的彈性變形產生相應的彈性變形( (即機械位移即機械位移) )。根據變形量的大小，可。根據變形量的大小，可以測得被測壓力的數值。以測得被測壓力的數值。3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量16彈性壓力計組成框圖彈性壓力計組成框圖 v（1 1）彈性元件）彈性元件 常用的有彈簧管、波紋管、薄膜等。同樣壓力下，不同常用的有彈簧管、波紋管、薄膜等。同樣壓力下，不同結構、不同材料的彈性元件產生結構、不同材料的彈性元件產生不同不同的彈性變形。的彈性變形。 波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測量；波

11、紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測量；單圈和多圈彈簧管可用于高中低壓或真空度測量。單圈和多圈彈簧管可用于高中低壓或真空度測量。3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量17自動化與電氣工程學院自動化與電氣工程學院v 波紋管波紋管 是一種表面有許多同心環狀波紋的薄壁圓筒。開口端焊是一種表面有許多同心環狀波紋的薄壁圓筒。開口端焊接于固定基座上接于固定基座上, ,并將流體通入管內，在流體壓力作用下，并將流體通入管內，在流體壓力作用下，密封的自由端會產生一定的位移。在彈性范圍內，自由端的密封的自由端會產生一定的位移。在彈性范圍內，自由端的位移與作用壓力成線性關系。位移與作用壓力成線性關系。3.1 3.1 壓力

12、的測量壓力的測量18自動化與電氣工程學院自動化與電氣工程學院v波登管波登管 是橫截面為空心橢圓形或扁圓形的金屬管。當管的固定是橫截面為空心橢圓形或扁圓形的金屬管。當管的固定端通入有一定壓力的流體時，管內外的壓力差端通入有一定壓力的流體時，管內外的壓力差( (管外一般為大管外一般為大氣壓力氣壓力) )迫使管截面趨于圓形，這種變形導致波登管封閉的自迫使管截面趨于圓形，這種變形導致波登管封閉的自由端產生線位移或角位移。由端產生線位移或角位移。3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量19v（2 2）彈簧管壓力計）彈簧管壓力計 彈簧管式壓力計是工業生彈簧管式壓力計是工業生產上應用很廣泛的一種直讀式產上應用很

13、廣泛的一種直讀式測壓儀表，以單圈彈簧管結構測壓儀表，以單圈彈簧管結構應用最多。其一般結構如右圖應用最多。其一般結構如右圖所示。所示。 被測壓力被測壓力彈簧管位移彈簧管位移通過拉桿使扇形齒輪偏轉通過拉桿使扇形齒輪偏轉嚙嚙合的中心齒輪轉動合的中心齒輪轉動指針同時指針同時偏轉偏轉指示出被測壓力。指示出被測壓力。3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量20彈簧管壓力計結構彈簧管壓力計結構1-1-彈簧管；彈簧管；2-2-連桿；連桿；3-3-扇形齒輪；扇形齒輪；4-4-底底座；座；5-5-中心齒輪；中心齒輪；6-6-游絲；游絲；7-7-表盤；表盤；8-8-指針；指針；9-9-接頭；接頭；10-10-橫斷面；橫

14、斷面；11-11-靈敏度靈敏度調整槽調整槽調放大比、量程調放大比、量程調隙調隙直接調零直接調零v3 3、力平衡式壓力計、力平衡式壓力計 采用采用反饋力平衡反饋力平衡的原理，反饋力的平衡方式可以是彈性的原理，反饋力的平衡方式可以是彈性力平衡或電磁力平衡等。力平衡或電磁力平衡等。3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量21v4 4、壓力傳感器、壓力傳感器 定義定義：能夠測量壓力并提供遠傳電信號的裝置，可以直：能夠測量壓力并提供遠傳電信號的裝置，可以直接將被測壓力變換成各種形式的電信號。接將被測壓力變換成各種形式的電信號。 應變式應變式 壓阻式壓阻式 電容式電容式 壓電式壓電式 振頻式振頻式 光電式光電

15、式 光線式光線式 超聲式等超聲式等3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量22由于能夠和由于能夠和CPUCPU等共同構成一個數字采等共同構成一個數字采集控制系統，因此滿足自動化系統集集控制系統，因此滿足自動化系統集中檢測與控制的要求，在工業生產中中檢測與控制的要求，在工業生產中得到廣泛應用。得到廣泛應用。 v（1 1）應變式壓力傳感器）應變式壓力傳感器 基本原理基本原理：通過測量各種彈性元件：通過測量各種彈性元件應變應變來間接測量壓力來間接測量壓力 應變元件的應變元件的工作原理工作原理是基于導體和半導體的是基于導體和半導體的“應變效應應變效應”，即當導體和半導體材料發生機械變形時，其電阻值將發生，

16、即當導體和半導體材料發生機械變形時，其電阻值將發生變化。變化。 測量方式測量方式：在彈性元件受壓變形的同時應變片亦發生應：在彈性元件受壓變形的同時應變片亦發生應變，電阻值將有相應的改變。粘貼式應變壓力計可采用變，電阻值將有相應的改變。粘貼式應變壓力計可采用1 1、2 2或或4 4個特性相同的應變元件，粘貼在彈性元件的適當位置，個特性相同的應變元件，粘貼在彈性元件的適當位置，并分別接入電橋的橋臂，則電橋輸出信號可以反映被測壓力并分別接入電橋的橋臂，則電橋輸出信號可以反映被測壓力的大小。的大小。3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量23自動化與電氣工程學院自動化與電氣工程學院 應變式壓力傳感器所用彈

17、性元件可根據被測介質和測量范圍應變式壓力傳感器所用彈性元件可根據被測介質和測量范圍的不同而采用各種型式，常見有圓膜片、彈性梁、應變筒等。的不同而采用各種型式，常見有圓膜片、彈性梁、應變筒等。3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量243.1 3.1 壓力的測量壓力的測量25v（2 2）壓阻式壓力傳感器）壓阻式壓力傳感器 基本原理基本原理：壓阻效應壓阻效應-固體受力后電阻率發生變化。固體受力后電阻率發生變化。 測量方式測量方式：利用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定：利用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定晶向制成晶向制成擴散壓敏電阻擴散壓敏電阻，當硅膜片受壓時，膜片的變形將使，當硅膜片受壓時，膜片的

18、變形將使擴散電阻的阻值發生變化。硅平膜片上的擴散電阻通常構成擴散電阻的阻值發生變化。硅平膜片上的擴散電阻通常構成橋式測量電路，相對的橋臂電阻是對稱布置的，電阻變化時橋式測量電路，相對的橋臂電阻是對稱布置的，電阻變化時，電橋輸出電壓與膜片所受壓力成對應關系。，電橋輸出電壓與膜片所受壓力成對應關系。3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量26 右圖為一種壓阻式壓力傳感右圖為一種壓阻式壓力傳感器的結構示意圖，硅平膜片在圓器的結構示意圖，硅平膜片在圓形硅杯的底部，其兩邊有兩個壓形硅杯的底部，其兩邊有兩個壓力腔，分別輸入被測差壓或被測力腔，分別輸入被測差壓或被測壓力與參考壓力。髙壓腔接被測壓力與參考壓力。髙

19、壓腔接被測壓力，低壓腔與大氣連通或接參壓力，低壓腔與大氣連通或接參考壓力。當壓力差使膜片變形，考壓力。當壓力差使膜片變形，膜片上的兩對電阻阻值發變化，膜片上的兩對電阻阻值發變化，使電橋輸出相應于壓力變化的信使電橋輸出相應于壓力變化的信號。號。 3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量27壓阻式壓力傳感器 被測壓力參考壓力自動化與電氣工程學院自動化與電氣工程學院3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量28 壓阻式壓力傳感器的特點是靈敏度高，頻率響應高；壓阻式壓力傳感器的特點是靈敏度高，頻率響應高； 測量范圍寬，可測低至測量范圍寬，可測低至10Pa的微壓到高至的微壓到高至60Mpa的高壓；的高壓； 精度高

20、，工作可靠，其精度可達精度高，工作可靠，其精度可達0.20.02； 易于微小型化，易于微小型化，v（3 3）壓電式壓力傳感器）壓電式壓力傳感器 基本原理基本原理：壓電效應壓電效應某些電介質沿著某一個方向受力某些電介質沿著某一個方向受力而發生機械變形而發生機械變形( (壓縮或伸長壓縮或伸長) )時，內部將發生極化現象，而時，內部將發生極化現象，而在其某些表面上會產生電荷。當外力去掉后，它又會重新回在其某些表面上會產生電荷。當外力去掉后，它又會重新回到不帶電的狀態。到不帶電的狀態。 測量方式測量方式：壓電元件受到壓力作用時產生的電荷量與作：壓電元件受到壓力作用時產生的電荷量與作用力之間存在一定關系

21、，通過測量電荷量即可獲得被測壓力用力之間存在一定關系，通過測量電荷量即可獲得被測壓力大小。大小。3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量29壓電元件夾于兩個彈性膜片之壓電元件夾于兩個彈性膜片之間，間，壓電元件的一個側面與膜壓電元件的一個側面與膜片接觸并接地，另一側面通過片接觸并接地，另一側面通過引線將電荷量引出引線將電荷量引出。被測壓力。被測壓力均勻作用在膜片上，使壓電元均勻作用在膜片上，使壓電元件受力而產生電荷。電荷量一件受力而產生電荷。電荷量一般用電荷放大器或電壓放大器般用電荷放大器或電壓放大器放大，轉換為電壓或電流輸出放大，轉換為電壓或電流輸出，輸出信號大小與被測壓力值，輸出信號大小與被測壓

22、力值相對應。相對應。3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量30壓電式壓力傳感器結構示意圖3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量31測量精度較高；頻率響應高。但測量精度較高；頻率響應高。但由于壓電元件存在電荷由于壓電元件存在電荷泄漏，故不適宜測量緩慢變化的壓力和靜態壓力。泄漏，故不適宜測量緩慢變化的壓力和靜態壓力。 自動化與電氣工程學院自動化與電氣工程學院v（4 4）電容式壓力傳感器）電容式壓力傳感器 基本原理基本原理：變電容測量原理。：變電容測量原理。 測量方式測量方式：將由被測壓力引起的彈性元件的位移變形轉：將由被測壓力引起的彈性元件的位移變形轉變為電容的變化，用測量電容的方法測出電容量，便可知

23、道變為電容的變化，用測量電容的方法測出電容量，便可知道被測壓力的大小。被測壓力的大小。 根據平行板電容器的電容量表達式：根據平行板電容器的電容量表達式：3.1 3.1 壓力的測量壓力的測量32可知，電容量的變化與被測參數的大小成比例。可知，電容量的變化與被測參數的大小成比例。 dAC33第三章第三章 力學量檢測技術力學量檢測技術3.1 3.1 壓力測量壓力測量3.4 3.4 速度速度測量測量3.3 3.3 位移位移測量測量3.2 3.2 力測量力測量自動化與電氣工程學院自動化與電氣工程學院v3.2.1 3.2.1 力的基本概念力的基本概念力的單位力的單位：牛頓（：牛頓（N N），），1 1N=

24、1kgN=1kgm/sm/s2 2 力的分類力的分類：重力、彈性力、慣性力、膨脹力、摩擦力、浮力重力、彈性力、慣性力、膨脹力、摩擦力、浮力和電磁力等。和電磁力等。3.2 3.2 力的測量力的測量34自動化與電氣工程學院自動化與電氣工程學院v3.2.2 3.2.2 力的測量方法力的測量方法 力的本質是物體之間的相互作用，不能直接得到其值的力的本質是物體之間的相互作用，不能直接得到其值的大小，必須通過大小，必須通過其它物理量其它物理量來表示力的大小。來表示力的大小。 動力效應：動力效應：力施加于某一物體后，將使物體的運動狀態力施加于某一物體后，將使物體的運動狀態或動量改變，使物體產生加速度；或動量

25、改變，使物體產生加速度； 靜力效應：靜力效應：力施加于某一物體后，可以使物體產生應力力施加于某一物體后，可以使物體產生應力，發生變形。，發生變形。 因此，可以利用這些變化來實現對力的檢測。因此，可以利用這些變化來實現對力的檢測。 力的測量方法可歸納為力的測量方法可歸納為力平衡法力平衡法，測位移法測位移法和利用某些和利用某些物理效應測力物理效應測力等。等。3.2 3.2 力的測量力的測量35自動化與電氣工程學院自動化與電氣工程學院v1 1、力平衡法、力平衡法 力平衡式測量法是基于比較測量的原理，用一力平衡式測量法是基于比較測量的原理，用一個已知力來平衡待測的未知力，從而得出待測力的個已知力來平衡

26、待測的未知力，從而得出待測力的值。平衡力可以是值。平衡力可以是已知質量的重力已知質量的重力、電磁力電磁力或或氣動氣動力力等。等。 3.2 3.2 力的測量力的測量36（1）機械式力平衡裝置）機械式力平衡裝置（2）磁電式力平衡裝置）磁電式力平衡裝置自動化與電氣工程學院自動化與電氣工程學院v（1 1）機械式力平衡裝置（秤）機械式力平衡裝置（秤） 基本原理基本原理：物體處于靜態平衡時，繞某一軸線：物體處于靜態平衡時，繞某一軸線的順時針方向力矩等于逆時針方向的力矩。的順時針方向力矩等于逆時針方向的力矩。3.2 3.2 力的測量力的測量37僅適合做靜態測量僅適合做靜態測量自動化與電氣工程學院自動化與電氣

27、工程學院v（2 2）磁電式力平衡裝置磁電式力平衡裝置 它由光源、光電式零位檢測器、放大器和一個力矩線圈它由光源、光電式零位檢測器、放大器和一個力矩線圈組成一個伺服式測力系統。組成一個伺服式測力系統。3.2 3.2 力的測量力的測量38使用方便，受環境使用方便，受環境條件影響較小，體積條件影響較小，體積小、響應快。輸出的小、響應快。輸出的電信號易于記錄且便電信號易于記錄且便于遠距離測量和于遠距離測量和控制。控制。自動化與電氣工程學院自動化與電氣工程學院v2 2、測位移法、測位移法 基本原理：基本原理：在力作用下，彈性元件產生變形，測位移在力作用下，彈性元件產生變形，測位移法通過測量未知力所引起的

28、位移，從而間接地測得未知力。法通過測量未知力所引起的位移，從而間接地測得未知力。 3.2 3.2 力的測量力的測量39（1）電容式測力裝置）電容式測力裝置（2）差動變壓器式測力裝置）差動變壓器式測力裝置自動化與電氣工程學院自動化與電氣工程學院v（1 1）電容式測力裝置）電容式測力裝置 扁環形彈性元件內腔上下平面上扁環形彈性元件內腔上下平面上分別固連電容傳感器的兩個極板。在分別固連電容傳感器的兩個極板。在力作用下，彈性元件受力變形，使極力作用下，彈性元件受力變形，使極板間距改變，導致傳感器電容量變化板間距改變，導致傳感器電容量變化。用測量電路將此電容量變化轉換成。用測量電路將此電容量變化轉換成電

29、信號，即可得到被測力值。電信號，即可得到被測力值。3.2 3.2 力的測量力的測量40這種測力裝置可用于這種測力裝置可用于大型電子吊秤大型電子吊秤 電容傳感器和彈性元件組成的電容傳感器和彈性元件組成的測力裝置測力裝置自動化與電氣工程學院自動化與電氣工程學院v（2 2）差動變壓器式測力裝置）差動變壓器式測力裝置3.2 3.2 力的測量力的測量41 彈性元件受力產彈性元件受力產生位移，帶動差動變生位移，帶動差動變壓器的鐵芯運動，使壓器的鐵芯運動，使兩線圈互感發生變化兩線圈互感發生變化，最后使差動變壓器，最后使差動變壓器的輸出電壓產生和彈的輸出電壓產生和彈性元件受力大小成比性元件受力大小成比例的變化

30、。例的變化。 差動變壓器與彈簧組差動變壓器與彈簧組合構成的測力裝置合構成的測力裝置 差動變壓器與筒形彈性差動變壓器與筒形彈性元件構成的測力裝置元件構成的測力裝置 自動化與電氣工程學院自動化與電氣工程學院v3.2.3 3.2.3 測力傳感器測力傳感器 測力傳感器通常將力轉換為正比于作用力大小的電信號測力傳感器通常將力轉換為正比于作用力大小的電信號，使用十分方便，因而在工程領域及其他各種場合應用最為，使用十分方便，因而在工程領域及其他各種場合應用最為廣泛。測力傳感器種類繁多，依據不同的物理效應和檢測原廣泛。測力傳感器種類繁多，依據不同的物理效應和檢測原理可分為理可分為電阻應變式電阻應變式、壓磁式壓

31、磁式、壓電式壓電式等等。等等。3.2 3.2 力的測量力的測量4243第三章第三章 力學量檢測技術力學量檢測技術3.1 3.1 壓力測量壓力測量3.4 3.4 速度速度測量測量3.3 3.3 位移位移測量測量3.2 3.2 力測量力測量v常用測量的方法：常用測量的方法： 積分法：積分法：速度積分、加速度二次積分速度積分、加速度二次積分 回波法：回波法：超聲波、激光等往返時間超聲波、激光等往返時間 轉換法：轉換法：線位移、角位移相互轉換線位移、角位移相互轉換 位移傳感器：位移傳感器：轉換為電量等轉換為電量等3.3 3.3 位移測量位移測量工業上常采用位移傳感器測量的方法工業上常采用位移傳感器測量

32、的方法44常用位移傳感器測量方法常用位移傳感器測量方法 根據傳感器的變換原理，常用的位移測量傳感根據傳感器的變換原理，常用的位移測量傳感器類型有：器類型有：電阻應變式電阻應變式、電感式電感式、電容式電容式、霍爾元霍爾元件件、感應同步器感應同步器、光柵光柵、磁柵磁柵和和角度編碼器角度編碼器等位移等位移計以及計以及電動千分表電動千分表等。等。453.3 3.3 位移測量位移測量46v 1 1、差動變壓器式位移測量方法、差動變壓器式位移測量方法- -活動銜鐵；活動銜鐵；- -導磁外殼；導磁外殼；- -骨架；骨架； - -匝數為匝數為W W1 1初級繞組；初級繞組；- -匝數為匝數為W W2a2a的次

33、級繞組；的次級繞組；- -匝數為匝數為W W2b2b的次級繞組。的次級繞組。在傳感器的是量程內，在傳感器的是量程內，銜動移越大，差動輸出銜動移越大，差動輸出電動勢就越大。電動勢就越大。 3.3 3.3 位移測量位移測量3.3 3.3 位移測量位移測量47電阻應變式位移傳感器電阻應變式位移傳感器v 2 2、電阻應變式位移測量方法、電阻應變式位移測量方法 當被測物體產生位移時，當被測物體產生位移時，懸臂梁隨之產生于位移相等的懸臂梁隨之產生于位移相等的撓度，因而應變片產生相應的撓度，因而應變片產生相應的應變。應變。在小撓度情況下，撓度在小撓度情況下，撓度與應變情況成正比與應變情況成正比。將應變片。將

34、應變片接入橋路，輸出與位移成正比接入橋路，輸出與位移成正比的電壓信號。的電壓信號。 自動化與電氣工程學院自動化與電氣工程學院v3 3、電渦流式位移測量方法、電渦流式位移測量方法3.3 3.3 位移測量位移測量48 高頻（數高頻（數MHz以上）激勵電流以上）激勵電流 I 施加施加于鄰近金屬板一側的線圈，由線圈產生的于鄰近金屬板一側的線圈，由線圈產生的高頻電磁場作用于金屬板的表面。在金屬高頻電磁場作用于金屬板的表面。在金屬板表面薄層內產生渦流板表面薄層內產生渦流Is，渦流，渦流Is又產生又產生反向的磁場，反作用于線圈上，由此引起反向的磁場，反作用于線圈上，由此引起線圈自感線圈自感L或線圈阻抗或線圈

35、阻抗ZL的變化。的變化。 ZL的變的變化程度取決于線圈至金屬板之間的距離化程度取決于線圈至金屬板之間的距離d、金屬板的電阻率金屬板的電阻率p、磁導率、磁導率u以及激勵電流以及激勵電流i的幅值與角頻率的幅值與角頻率w等。等。 當被測位移量發生變化時，使線圈與當被測位移量發生變化時，使線圈與金屬板的距離發生變化，從而導致線圈阻金屬板的距離發生變化，從而導致線圈阻抗抗 ZL的變化，通過測量電路轉化為電壓的變化，通過測量電路轉化為電壓輸出。輸出。高頻渦流傳感器用于測高頻渦流傳感器用于測定位移量定位移量Is自動化與電氣工程學院自動化與電氣工程學院 在兩光柵沿刻線的垂直方向作相對在兩光柵沿刻線的垂直方向作

36、相對移動時，莫爾條紋在刻線方向移動移動時，莫爾條紋在刻線方向移動, ,即莫即莫爾條紋本身產生一次明暗的光強變化。兩爾條紋本身產生一次明暗的光強變化。兩光柵相對移動一個柵距光柵相對移動一個柵距W，莫爾條紋也同，莫爾條紋也同步移動一個間距步移動一個間距BH，固定點上的光強則，固定點上的光強則變化一周。變化一周。當光柵尺與指示光柵發生連續當光柵尺與指示光柵發生連續的相對移動時，莫爾條紋的光強會產生近的相對移動時，莫爾條紋的光強會產生近似正弦波的周期性變化似正弦波的周期性變化。 莫爾條紋的間距莫爾條紋的間距BH與兩光柵線紋夾與兩光柵線紋夾角角之間的關系為：之間的關系為：3.3 3.3 位移測量位移測量49v4 4、光柵式位移測量方法、光柵式位移測量