激光式測速法和力學量的測量

采用激光測速是因為激光是具有高亮度、低發散角的單色相干光源。采用激光測量轉速 具有如下的優點：

1) 工作環境的雜光或振動對激光測速沒有影響，抗干擾能力強，工作可靠。

2) 因為激光的高亮度，使非接觸測量的工作距離可達10m左右。

1.激光測量轉速的原理

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 一起轉動。激光器1發出的光束經過半 [ 透半反射鏡8后，分成兩路，一路透過 8前行，經過透鏡4、5聚焦在被測旋轉 物體6的端面上，另一路經過8反射后 成為與光軸垂直并向上的光束。當激光 束照射在被測物體端面上沒有定向反射 材料的區域時，激光束產生漫反射，激 光傳感器不會接收到任何信息；相反，當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，再經過后續處理，就可以獲得轉速值。

2. 采用激光測量速度（多普勒測速法）

多普勒效應指出：當單色光束人射到運動體 上某點時，光波在該點（散射中心）被運動體散 射，散射光頻率和入射光頻率相比較，產生了正 比于運動體運動速度的頻率偏移，這種偏移即被 稱為多普勒頻移?；蛘邠Q句話說，因為觀察者觀 察到的是散射后的光線，所以原光線和觀察者有相對運動。

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

式中，[是光源的運動速度；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，而且帶有運動體的速度信息，如果能測出多普勒頻移，就可以知道運動速度。

力學量的測量

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 有模擬顯示和數字顯示兩種，隨著計算機技術的發展，目前已經研制出各種帶微型計算機控 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。這種秤廣泛應用于工廠、倉庫 及港口等，是應用較多的一種電子秤。

2. 電子料斗枰

電子料斗秤是冶金、化工生產中用來配料的稱重裝置。當物料從料倉注人料斗后，荷重 傳感器將料斗的重量轉換為電信號，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 速度行進狀態下，能連續自動地對各節貨車進行稱重的大型設備，主要用于車站貨場、碼頭 倉庫以及進料場等。

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輸送物料重量的總和，廣泛應用于礦山、礦 井、碼頭及料場等。

電子皮帶枰測量系統，如圖6-27所示。在傳送帶中間的適當部位，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。設某一瞬時f在有效稱量段上的物料重量 為厶％，經稱量框架傳給力敏傳感器，使傳感器產生應變，應變檢測橋路及放大器輸出的 電壓信號&與4%成正比。設有效長度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，把滾輪的轉速（正比于傳 送帶傳送速度）轉換成頻率信號/,再經過頻率電壓轉換電路轉換成與vU)成正比的電信 號 E2, E2 = C2v(t)。

將E1、E2相乘后再進行積分，即可得出0~t時間內輸送物料的總重量

式中，C是比例系數，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，根據被測振動參 數來分，有振動位移傳感器、振動速度傳感器和振動加速度傳感器；根據所采用傳感器的工 作原理來分，有應變式、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；根據選定的運動參照點來分，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所示的測振系統力學模型中，有一個質量塊爪、彈簧尺和阻尼器c (包括彈 件體的內耗及彈性滯后），這樣的測振系統統稱為慣性式測振系統。慣性式測振系統必須緊

固在被測振動體A上。當測振系統自身的固有振動頻率 遠小于被測振動體A的振動頻率F，即FO≤5F時，質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， 如差動變壓器式測振儀等；當Fo≈F，且阻尼c很大時，質量塊的振幅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，如磁電式速度傳感器等；當FO≥5F時，質量塊與振動體A—起振動，質量塊與振動體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，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原理將傳感器與殼體的相對速度轉換成電壓輸出。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構圖，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動，線圈因 切割磁力線而產生感應電動勢e，其大小與 線圈運動的速度〃成正比。如果頂桿運動符 合跟隨條件，則線圈的運動速度就是被測物 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系。

圖6-30所示為磁電式速度傳感器 的結構圖。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3組成慣 性式測振系統的質量塊在磁場中運動。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 3—方面可增加慣性式測振系統質量塊的質量、降低固有頻率，另一方面又利用閉合銅環在磁場中運動產生的磁阻尼力使振動系統具有適當的 阻尼，以減小共振對測量度的影響，并能擴大 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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當速度傳感器承受沿其軸向的振動時，包括線 圈在內的質量塊與殼體發生相對運動，線圈在殼體 與磁鐵之間的氣隙中切割磁力線，產生磁感應電動 勢6 (其大小與相對速度成正比）。當(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，國產的822型與YD型均為這種結構，通過硬彈簧對壓 電元件施加預應力。這種傳感器結構簡單、靈敏度高，但對環境比較敏感。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，克服了對環境敏感的 缺點，外殼僅起保護作用，與質量塊、壓電元件不直接接觸，也可以將彈簧4改為螺母，將 預應力加在壓電元件2上，壓電元件同時充當彈簧，但底座仍受安裝表面的影響。ENDEV- CO公司生產的ISOBASE型加速度計，采用特殊的結構，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力的地方，或溫度不穩定的地方。圖6-31是倒裝配合中心壓縮式結構。由于中心柱離開底 座，所以可以避免底座變形引起的誤差，但由于殼體是質量彈簧系統的一個組成部分，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 上慣性質量環。壓電元件受剪切變形。這種結構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變的影響，它受噪聲和溫度等環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體材料的壓阻 效應。壓阻式加速度傳感器有兩種形式：一種是將半導體應變片成對地安裝在懸臂梁上組 成，如圖6-32所示；另一種是用擴散原理對硅片進行化學腐蝕，使其成為一個具有質量塊、 彈簧和四臂電橋的整體。這是一種硅片微機械加工技術，它能產生一個極小而牢固、具有兆 級共振頻率、線性范圍在104x9.8m/s2以上的單體結構，如圖6-33所示。‘如美國END- EVCC公司生產的7270A—200K型微運動機構壓阻式沖擊加速度計，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構。在懸臂梁的上下兩側分別粘貼 兩片半導體應變片，構成電橋電路。靈敏度的溫度補償用熱敏電阻，為了擴大使用范圍，克 服半導體應變片溫度穩定性差的缺點，在電路構成上做了特殊的處理，在-18~66t的溫度

范圍內，靈敏度變化小于5%。這種傳感器的zui大特點是低頻響應可以到直流，適用于測量 持續時間長的振動或沖擊，體積小，質量輕（<30g)，諧振頻率在2.5 ~70kHz范圍內，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構示意圖。質量 塊4由兩根簧片3支承，置于充滿空氣的殼 體2內。當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 振動使殼體相對質量塊運動，因而與殼體固 定在一起的兩固定極板1、5也相對質量塊運 動，致使固定極板5與質量塊的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，頻率響應范圍寬，量程 大，可用于較高加速度值的測量。