激光式測速法和力學(xué)量的測量

采用激光測速是因?yàn)榧す馐蔷哂懈吡炼取⒌桶l(fā)散角的單色相干光源。采用激光測量轉(zhuǎn)速 具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

1) 工作環(huán)境的雜光或振動對激光測速沒有影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作可靠。

2) 因?yàn)榧す獾母吡炼龋狗墙佑|測量的工作距離可達(dá)10m左右。

1.激光測量轉(zhuǎn)速的原理

如圖6-25所示，在被測物體6的端 面上貼一塊定向反射材料7，它隨物體 一起轉(zhuǎn)動。激光器1發(fā)出的光束經(jīng)過半 [ 透半反射鏡8后，分成兩路，一路透過 8前行，經(jīng)過透鏡4、5聚焦在被測旋轉(zhuǎn) 物體6的端面上，另一路經(jīng)過8反射后 成為與光軸垂直并向上的光束。當(dāng)激光 束照射在被測物體端面上沒有定向反射 材料的區(qū)域時，激光束產(chǎn)生漫反射，激 光傳感器不會接收到任何信息；相反，當(dāng)激光束照射在定向反射材料7上時，一部分激光束沿原路返回，經(jīng)8反射后一部分激光束 會聚在檢測器2上。因此，被測物體每轉(zhuǎn)一周，定向反射材料7被激光照射一次，檢測器2 就收到一個激光脈沖，再經(jīng)過后續(xù)處理，就可以獲得轉(zhuǎn)速值。

2. 采用激光測量速度（多普勒測速法）

多普勒效應(yīng)指出：當(dāng)單色光束人射到運(yùn)動體 上某點(diǎn)時，光波在該點(diǎn)（散射中心）被運(yùn)動體散 射，散射光頻率和入射光頻率相比較，產(chǎn)生了正 比于運(yùn)動體運(yùn)動速度的頻率偏移，這種偏移即被 稱為多普勒頻移。或者換句話說，因?yàn)橛^察者觀 察到的是散射后的光線，所以原光線和觀察者有相對運(yùn)動。

如圖6-26所示，觀察者接收到的頻率和光源發(fā)出的頻率不同，即發(fā)生了頻移， 兩個頻率滿足關(guān)系式：

式中，[是光源的運(yùn)動速度；元是光源與觀察者連線方向上的單位矢量；/是觀察者接收到的 頻率；/Q是光源的頻率；巧是[在元上的分量；c是光速。從式（6-15)可以看出，多普勒頻移不僅與人射光本身的頻率有關(guān)，而且?guī)в羞\(yùn)動體的速度信息，如果能測出多普勒頻移，就可以知道運(yùn)動速度。

力學(xué)量的測量

用于測量重力的力傳感器稱為荷重傳感器，它是各類電子枰中能把荷重轉(zhuǎn)換為電量輸出 的裝置，在電子枰中俗稱為“壓頭”。電子秤主要由荷重傳感器及顯示儀表組成。顯示儀表 有模擬顯示和數(shù)字顯示兩種，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)研制出各種帶微型計(jì)算機(jī)控 制的電子秤。電子秤的種類很多，常見的有以下幾種。

1. 電子吊車秤

電子吊車秤將荷重傳感器直接安裝在吊車的吊鉤或行車的小車上，在吊運(yùn)過程中，可直 接稱量出物體的重量，并通過傳輸線送到顯示儀表顯示出來。這種秤廣泛應(yīng)用于工廠、倉庫 及港口等，是應(yīng)用較多的一種電子秤。

2. 電子料斗枰

電子料斗秤是冶金、化工生產(chǎn)中用來配料的稱重裝置。當(dāng)物料從料倉注人料斗后，荷重 傳感器將料斗的重量轉(zhuǎn)換為電信號，送到二次儀表顯示出來。

3. 電子平臺秤和軌道秤

電子平臺秤主要用于載重汽車、卡車等重量的稱量。軌道秤（軌道衡）是列車在一定 速度行進(jìn)狀態(tài)下，能連續(xù)自動地對各節(jié)貨車進(jìn)行稱重的大型設(shè)備，主要用于車站貨場、碼頭 倉庫以及進(jìn)料場等。

4. 電子皮帶秤

電子皮帶秤是在皮帶傳送裝置中安裝的自動稱量裝置，它不但能稱出某一瞬間傳送帶所 輸送的物料的重量，而且可以稱出某段時間內(nèi)輸送物料重量的總和，廣泛應(yīng)用于礦山、礦 井、碼頭及料場等。

電子皮帶枰測量系統(tǒng)，如圖6-27所示。在傳送帶中間的適當(dāng)部位，有一個專門用作自 動稱量的框架，.這一段的長度L稱為有效稱量段。設(shè)某一瞬時f在有效稱量段上的物料重量 為厶％，經(jīng)稱量框架傳給力敏傳感器，使傳感器產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變檢測橋路及放大器輸出的 電壓信號&與4%成正比。設(shè)有效長度L的單位長度上的料重為容（0，則

顯然與成正比，即盡=Clg(f)。設(shè)傳送帶的移動速度為;（0，則傳送帶的瞬時輸 送量為

由此可見，要想測量傳送帶的瞬時輸送量，不僅要測出g(t)，而且還必須測出傳送帶 的傳送速度〃（〖）。一般要通過傳送帶摩擦滾輪帶動速度變換器，把滾輪的轉(zhuǎn)速（正比于傳 送帶傳送速度）轉(zhuǎn)換成頻率信號/,再經(jīng)過頻率電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成與vU)成正比的電信 號 E2, E2 = C2v(t)。

將E1、E2相乘后再進(jìn)行積分，即可得出0~t時間內(nèi)輸送物料的總重量

式中，C是比例系數(shù)，c=1/c1c2。

加速度與振動的測量

凡是能夠用于測量位移和速度的檢測原理都可以用于加速度與振動的測量。用電測方法 測量振動的裝置稱為振動傳感器（或測振傳感器）。振動測量的種類較多，根據(jù)被測振動參 數(shù)來分，有振動位移傳感器、振動速度傳感器和振動加速度傳感器；根據(jù)所采用傳感器的工 作原理來分，有應(yīng)變式、壓電式、電渦流式、電容式、差動變壓器式、電感式、磁電式和光 電式等；根據(jù)選定的運(yùn)動參照點(diǎn)來分，有相對振動傳感器和振動傳感器。

1.測振傳感器的分類

在圖6-28所示的測振系統(tǒng)力學(xué)模型中，有一個質(zhì)量塊爪、彈簧尺和阻尼器c (包括彈 件體的內(nèi)耗及彈性滯后），這樣的測振系統(tǒng)統(tǒng)稱為慣性式測振系統(tǒng)。慣性式測振系統(tǒng)必須緊

固在被測振動體A上。當(dāng)測振系統(tǒng)自身的固有振動頻率 遠(yuǎn)小于被測振動體A的振動頻率F，即FO≤5F時，質(zhì)量塊相對于殼體的振幅2將 與振動體A的振幅-成正比，這樣的測振傳感器稱為振幅計(jì)， 如差動變壓器式測振儀等；當(dāng)Fo≈F，且阻尼c很大時，質(zhì)量塊的振幅z將與振動體A的振動速度成正比，這樣的測振傳感器稱為速度計(jì)，如磁電式速度傳感器等；當(dāng)FO≥5F時，質(zhì)量塊與振動體A—起振動，質(zhì)量塊與振動體A所感受到的 振動加速度基本一致，這樣的測振傳感器稱為加速度計(jì)，如 壓電式振動加速度傳感器等。

2.典型的測振傳感器

(1)磁電式速度傳感器磁電式速度傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將傳感器與殼體的相對速度轉(zhuǎn)換成電壓輸出。磁電式速度傳感器可分為磁電式相對 速度傳感器和磁電式速度傳感器兩種類型。

圖6-29所示為磁電式相對速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它用于測量兩個試件之間的相對速度。 殼體6固定在一個試件上，頂桿1頂住另一個試件，磁鐵3與殼體構(gòu)成磁回路，線圈4置于回 路的縫隙中，兩個試件之間的相對振動速度通過頂桿使線圈在磁場氣隙中運(yùn)動，線圈因 切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e，其大小與 線圈運(yùn)動的速度〃成正比。如果頂桿運(yùn)動符 合跟隨條件，則線圈的運(yùn)動速度就是被測物 體的相對振動速度，因而輸出電壓與被測物 體的相對振動速度成正比關(guān)系。

圖6-30所示為磁電式速度傳感器 的結(jié)構(gòu)圖。磁鐵4與殼體2形成磁回路， 裝在芯軸6上的線圈5和阻尼環(huán)3組成慣 性式測振系統(tǒng)的質(zhì)量塊在磁場中運(yùn)動。彈 簧片1徑向剛度很大，軸向剛度很小，使慣性式測振系統(tǒng)既可得到可靠的慣性支承，又可保證有很低的軸向固有頻率。銅制的阻尼環(huán) 3—方面可增加慣性式測振系統(tǒng)質(zhì)量塊的質(zhì)量、降低固有頻率，另一方面又利用閉合銅環(huán)在磁場中運(yùn)動產(chǎn)生的磁阻尼力使振動系統(tǒng)具有適當(dāng)?shù)?阻尼，以減小共振對測量度的影響，并能擴(kuò)大 速度傳感器的工作頻率范圍，有助于衰減干擾引起 的自由振動和沖擊。

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當(dāng)速度傳感器承受沿其軸向的振動時，包括線 圈在內(nèi)的質(zhì)量塊與殼體發(fā)生相對運(yùn)動，線圈在殼體 與磁鐵之間的氣隙中切割磁力線，產(chǎn)生磁感應(yīng)電動 勢6 (其大小與相對速度成正比）。當(dāng)(臨界頻率）時，相對速度可以看成是殼體的速度，因此輸出電壓也就與殼體的速度成正比。

當(dāng)阻尼比，用這類傳感器來測量低頻振動（1.7W0<W< 6W),就只能保證幅值度，無法保證相位度。因此，在低頻范圍內(nèi)速度傳感 器的相頻特性很差，在涉及相位測量的情況下要特別注意。

(2)壓電式加速度傳感器壓電元件根據(jù)接受壓力和變形方式可分為厚度變形、長度 變形、體積變形和厚度剪切變形四種。相應(yīng)的傳感器也有幾種，zui常見的是基于厚度變形的 壓縮式和基于剪切變形的剪切式兩種。圖6-31所示為四種典型的壓電式加速度傳感器。

圖6-31中為外圓配合壓縮式，國產(chǎn)的822型與YD型均為這種結(jié)構(gòu)，通過硬彈簧對壓 電元件施加預(yù)應(yīng)力。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高，但對環(huán)境比較敏感。圖6-31b中為中 心壓縮式或單端壓縮式（SEC)，它具有高的靈敏度和高的共振頻率，克服了對環(huán)境敏感的 缺點(diǎn)，外殼僅起保護(hù)作用，與質(zhì)量塊、壓電元件不直接接觸，也可以將彈簧4改為螺母，將 預(yù)應(yīng)力加在壓電元件2上，壓電元件同時充當(dāng)彈簧，但底座仍受安裝表面的影響。ENDEV- CO公司生產(chǎn)的ISOBASE型加速度計(jì)，采用特殊的結(jié)構(gòu)，將外殼與底座盡量分離開，從而把 底座耦合的影響減小到zui小，因而更適合于低振動級的測量，也較適合用于安裝表面上有應(yīng)力的地方，或溫度不穩(wěn)定的地方。圖6-31是倒裝配合中心壓縮式結(jié)構(gòu)。由于中心柱離開底 座，所以可以避免底座變形引起的誤差，但由于殼體是質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的一個組成部分，殼體 的諧振會使傳感器的諧振頻率有所下降。圖6-31d畢剪切式傳感器，它的底座向上延伸，如 同一根圓柱，管式壓電元件（極化方向平行于軸線）套在這根圓柱上，壓電元件外圈再套 上慣性質(zhì)量環(huán)。壓電元件受剪切變形。這種結(jié)構(gòu)的傳感器徑向靈敏度大，橫向靈敏度小，而 且能有效減小底座應(yīng)變的影響，它受噪聲和溫度等環(huán)境因素的影響也比較小，具有很高的固 有振動頻率，體積和質(zhì)量都很小，特別適合于測量高頻振動。

(3)壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻 效應(yīng)。壓阻式加速度傳感器有兩種形式：一種是將半導(dǎo)體應(yīng)變片成對地安裝在懸臂梁上組 成，如圖6-32所示；另一種是用擴(kuò)散原理對硅片進(jìn)行化學(xué)腐蝕，使其成為一個具有質(zhì)量塊、 彈簧和四臂電橋的整體。這是一種硅片微機(jī)械加工技術(shù)，它能產(chǎn)生一個極小而牢固、具有兆 級共振頻率、線性范圍在104x9.8m/s2以上的單體結(jié)構(gòu)，如圖6-33所示。‘如美國END- EVCC公司生產(chǎn)的7270A—200K型微運(yùn)動機(jī)構(gòu)壓阻式?jīng)_擊加速度計(jì)，電壓靈敏度為10~5 mV/ (9.8 m/s2),下限頻率可測直流，諧振頻率為1200kHz，可測zui大沖擊加速度為 19.6xl05 m/s2,但其價格昂貴。

圖6-32所示為懸臂梁壓阻式加速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)。在懸臂梁的上下兩側(cè)分別粘貼 兩片半導(dǎo)體應(yīng)變片，構(gòu)成電橋電路。靈敏度的溫度補(bǔ)償用熱敏電阻，為了擴(kuò)大使用范圍，克 服半導(dǎo)體應(yīng)變片溫度穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，在電路構(gòu)成上做了特殊的處理，在-18~66t的溫度

范圍內(nèi)，靈敏度變化小于5%。這種傳感器的zui大特點(diǎn)是低頻響應(yīng)可以到直流，適用于測量 持續(xù)時間長的振動或沖擊，體積小，質(zhì)量輕（<30g)，諧振頻率在2.5 ~70kHz范圍內(nèi)，電 壓靈敏度在0. 1?20.0mV/(9. 8mA2)之間。

(4)電容式加速度傳感器圖6-34所示 為電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。質(zhì)量 塊4由兩根簧片3支承，置于充滿空氣的殼 體2內(nèi)。當(dāng)測量垂直方向上的直線加速度時，> 傳感器殼體固定在被測振動體上，振動體的 振動使殼體相對質(zhì)量塊運(yùn)動，因而與殼體固 定在一起的兩固定極板1、5也相對質(zhì)量塊運(yùn) 動，致使固定極板5與質(zhì)量塊的A面（磨平 拋光）組成的電容Cu的值以及下固定極板與質(zhì)量塊的B面（磨平拋光）組成的電容 匕2的值隨之改變，一個增大，一個減小，它們的差值正比于被測加速度。這種加速度傳感器的測量度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程 大，可用于較高加速度值的測量。