《运动参量的测量》word版

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1、第章运动参量的测量本章所述运动参量的测量是指描述物体运功状态的三个基本参量，即位移、速度、加速度的测量。在研究机器零部件的运动规律、力能关系及工艺参数等情况时，都要涉及到运动参量的测量。此外，其他物理量如力参量，物位，温度，流量等的测量，也是不同程度的以运动参量的测量为基础的。因而运动参量的测量广泛应用于工艺参数的自动检测、控制和生产设备的自动化方面。第一节位移的测量位移测量是线位移和角位移测量的统称。位移测量在工程中应用很广泛，这不仅在工程中经常要求精确地测量零部件的位移和位置，而且力、压力、扭矩、速度、加速的、流量等许多参数的测量，也是以位移测量为基础的。位

2、移是向量，出了确定其大小之外，还应确定其方向。一般情况下，应使测量方向与位移方向重合，这样才能真实的测量出位移的大小。测量位移时，应当根据不同的测量对象，选择恰当的测量点、测量方向和测量系统。位移测量系统由位移传感器、相应的测量放大电路和终端显示装置组成。针对位移测量的场合，可采用不通用途的位移传感器。表（）中列出了较常见的位移传感器的主要特点和使用性能。由于在不同的场合下对位移测量的精度要求不同，位移参量本身的量值特征、频率特征的不同，自然地形成了多种多样的位移传感器及其相应的测量电路或系统。以下将按照传感器类型的不同介绍几种常见的测量方法。一、光图象位移传感

3、器图6-1所示的位移传感器是用来跟踪垂直于视线的平面内的运动目标的。通常在运动物体上固定一个由黑白两区组成的目标，其黑白分界线与运动方向垂直。目标1由透镜2聚焦在析象管3的光阴极4上而成象5。光阴极的后表面依据其前表面上的目标象的照度，成比例发射电子。析象管的电子光学系统的电场(未画出)使其在析象管中加速，并聚焦在具有，一个中心小孔7的圆盘6上。这个“电子象”只有一小部分通过小孔而到达电子倍增器8,并使电子倍增器产生与该小部分强度成比例的输出电流。当电子象的白区进人电子倍增器时，将产生最大输出；反之，黑区进人电子倍增器时，将产生最小的输出;当分界线处于小孔之内时

4、，将产生与小孔内黑白比例相当的输出。设小孔内电子象的黑白各半，即目标分界线位于小孔中央时的输出为。在其他任何情况卜，若从电子倍增器的输出减去，可得到跟踪信号，它将与分界线对中心位置的偏移量成比，其正号或负号表示孔中白区较大或黑区较大。析象管有一个偏转线圈9,可控制电子象的位置。当跟踪信号经放大后送人该线圈，并能在黑区过大时，驱动电子象朝加大白区的方向运动。从而构成一个反馈系统，以保持分界线永远处于小孔中央，同时放大器的输出也与被测目标的位移成正比。如果要求系统有较高的精确度和跟踪速度时，则要求回路有足够大的增益。这种伺服系统中。没有机械运动元件，其滞迟甚小，因而

5、既易于满足上述要求，又不损害系统的稳定性。若需测量物体平面运动的两互相垂直方向的位移，则需对该系统进行一些改进。这类系统满刻度位移在0.05mm到几米之间(取决于目标的距离和所用的光学系统)，线性误差低于1%，单向跟踪工作频率可超过100，近程的分辨力可达百分之几微米。二、应变片式位移传感器它的测定原理是利用一弹性元件把位移量转换成应变量，而后用应变片、应变仪等测量记录。用以测量位移的弹性元件和应变片等组件，称应变片式位移传感器。它的种类也有多种，其区别点就在于弹性元件的结构形式。常用的弹性元件有悬臂梁、圆环和半圆环等。如图7-2所示的悬臂梁弹性元件，若在其自由

6、端有δ的位移作用，则梁表面会产生弯曲应变ε，其值与δ成正比。通过如图的贴片测出应变ε，就可测得位移量δ。位移δ与应变ε间的关系，随梁的结构形式不同而异。图6-2应变片式位移传感器对于等断面梁，贴片处的应变ε与位移或挠度δ间的关系为或式中l,h—梁的长度、厚度;x—从自由端到贴片处距离。若按图6-2所示的方法贴片和接桥，则位移δ与应变仪读数ε的关系为（6-1）对于等强度梁，则有（6-2）这种测量方法一般只用于小位移δ<250μm的情况下。其主要特点是结构牢固，性能稳定、可靠，有较高的测量精度和良好的线性关系，与之配用的测量电路和仪器也较为成熟。悬臂梁一般用弹簧钢或

7、磷铜片制成。梁的尺寸应该按所测的位移来选择。给定ε(一般取500~1000με)，根据所测位移量δ，就可由式(6-1)或式(6-2)选择合适的l与h。为了尽量减小对被测对象的影响，设计弹性梁时，应根据具体情况将变形梁的刚度限制在一定的程度。图6-3圆环式弹性元件及其贴片和接桥图6-3所示的圆环或半圆环弹性元件，当它在被测位移δ的作用时，会产生弯曲应力和应变，其应变值与位移成正比。圆环的贴片和接桥如图6-3a,b所示。半圆环的贴片、接桥如图6-3c,d所示。由于这种方法直接测量的位移量较小，为了扩大其量程，可通过一些装置将小位移进行变换。图6-4所示就是用一斜面将

8、小位移变换成大位移的装置