激光式测速法和力学量的测量

采用激光测速是因为激光是具有高亮度、低发散角的单色相干光源。采用激光测量转速 具有如下的优点：

1) 工作环境的杂光或振动对激光测速没有影响，抗干扰能力强，工作可靠。

2) 因为激光的高亮度，使非接触测量的工作距离可达10m左右。

1.激光测量转速的原理

如图6-25所示，在被测物体6的端 面上贴一块定向反射材料7，它随物体 一起转动。激光器1发出的光束经过半 [ 透半反射镜8后，分成两路，一路透过 8前行，经过透镜4、5聚焦在被测旋转 物体6的端面上，另一路经过8反射后 成为与光轴垂直并向上的光束。当激光 束照射在被测物体端面上没有定向反射 材料的区域时，激光束产生漫反射，激 光传感器不会接收到任何信息；相反，当激光束照射在定向反射材料7上时，一部分激光束沿原路返回，经8反射后一部分激光束 会聚在检测器2上。因此，被测物体每转一周，定向反射材料7被激光照射一次，检测器2 就收到一个激光脉冲，再经过后续处理，就可以获得转速值。

2. 采用激光测量速度（多普勒测速法）

多普勒效应指出：当单色光束人射到运动体 上某点时，光波在该点（散射中心）被运动体散 射，散射光频率和入射光频率相比较，产生了正 比于运动体运动速度的频率偏移，这种偏移即被 称为多普勒频移。或者换句话说，因为观察者观 察到的是散射后的光线，所以原光线和观察者有相对运动。

如图6-26所示，观察者接收到的频率和光源发出的频率不同，即发生了频移， 两个频率满足关系式：

式中，[是光源的运动速度；元是光源与观察者连线方向上的单位矢量；/是观察者接收到的 频率；/Q是光源的频率；巧是[在元上的分量；c是光速。从式（6-15)可以看出，多普勒频移不仅与人射光本身的频率有关，而且带有运动体的速度信息，如果能测出多普勒频移，就可以知道运动速度。

力学量的测量

用于测量重力的力传感器称为荷重传感器，它是各类电子枰中能把荷重转换为电量输出 的装置，在电子枰中俗称为“压头”。电子秤主要由荷重传感器及显示仪表组成。显示仪表 有模拟显示和数字显示两种，随着计算机技术的发展，目前已经研制出各种带微型计算机控 制的电子秤。电子秤的种类很多，常见的有以下几种。

1. 电子吊车秤

电子吊车秤将荷重传感器直接安装在吊车的吊钩或行车的小车上，在吊运过程中，可直 接称量出物体的重量，并通过传输线送到显示仪表显示出来。这种秤广泛应用于工厂、仓库 及港口等，是应用较多的一种电子秤。

2. 电子料斗枰

电子料斗秤是冶金、化工生产中用来配料的称重装置。当物料从料仓注人料斗后，荷重 传感器将料斗的重量转换为电信号，送到二次仪表显示出来。

3. 电子平台秤和轨道秤

电子平台秤主要用于载重汽车、卡车等重量的称量。轨道秤（轨道衡）是列车在一定 速度行进状态下，能连续自动地对各节货车进行称重的大型设备，主要用于车站货场、码头 仓库以及进料场等。

4. 电子皮带秤

电子皮带秤是在皮带传送装置中安装的自动称量装置，它不但能称出某一瞬间传送带所 输送的物料的重量，而且可以称出某段时间内输送物料重量的总和，广泛应用于矿山、矿 井、码头及料场等。

电子皮带枰测量系统，如图6-27所示。在传送带中间的适当部位，有一个专门用作自 动称量的框架，.这一段的长度L称为有效称量段。设某一瞬时f在有效称量段上的物料重量 为厶％，经称量框架传给力敏传感器，使传感器产生应变，应变检测桥路及放大器输出的 电压信号&与4%成正比。设有效长度L的单位长度上的料重为容（0，则

显然与成正比，即尽=Clg(f)。设传送带的移动速度为;（0，则传送带的瞬时输 送量为

由此可见，要想测量传送带的瞬时输送量，不仅要测出g(t)，而且还必须测出传送带 的传送速度〃（〖）。一般要通过传送带摩擦滚轮带动速度变换器，把滚轮的转速（正比于传 送带传送速度）转换成频率信号/,再经过频率电压转换电路转换成与vU)成正比的电信 号 E2, E2 = C2v(t)。

将E1、E2相乘后再进行积分，即可得出0~t时间内输送物料的总重量

式中，C是比例系数，c=1/c1c2。

加速度与振动的测量

凡是能够用于测量位移和速度的检测原理都可以用于加速度与振动的测量。用电测方法 测量振动的装置称为振动传感器（或测振传感器）。振动测量的种类较多，根据被测振动参 数来分，有振动位移传感器、振动速度传感器和振动加速度传感器；根据所采用传感器的工 作原理来分，有应变式、压电式、电涡流式、电容式、差动变压器式、电感式、磁电式和光 电式等；根据选定的运动参照点来分，有相对振动传感器和振动传感器。

1.测振传感器的分类

在图6-28所示的测振系统力学模型中，有一个质量块爪、弹簧尺和阻尼器c (包括弹 件体的内耗及弹性滞后），这样的测振系统统称为惯性式测振系统。惯性式测振系统必须紧

固在被测振动体A上。当测振系统自身的固有振动频率 远小于被测振动体A的振动频率F，即FO≤5F时，质量块相对于壳体的振幅2将 与振动体A的振幅-成正比，这样的测振传感器称为振幅计， 如差动变压器式测振仪等；当Fo≈F，且阻尼c很大时，质量块的振幅z将与振动体A的振动速度成正比，这样的测振传感器称为速度计，如磁电式速度传感器等；当FO≥5F时，质量块与振动体A—起振动，质量块与振动体A所感受到的 振动加速度基本一致，这样的测振传感器称为加速度计，如 压电式振动加速度传感器等。

2.典型的测振传感器

(1)磁电式速度传感器磁电式速度传感器是利用电磁感应原理将传感器与壳体的相对速度转换成电压输出。磁电式速度传感器可分为磁电式相对 速度传感器和磁电式速度传感器两种类型。

图6-29所示为磁电式相对速度传感器的结构图，它用于测量两个试件之间的相对速度。 壳体6固定在一个试件上，顶杆1顶住另一个试件，磁铁3与壳体构成磁回路，线圈4置于回 路的缝隙中，两个试件之间的相对振动速度通过顶杆使线圈在磁场气隙中运动，线圈因 切割磁力线而产生感应电动势e，其大小与 线圈运动的速度〃成正比。如果顶杆运动符 合跟随条件，则线圈的运动速度就是被测物 体的相对振动速度，因而输出电压与被测物 体的相对振动速度成正比关系。

图6-30所示为磁电式速度传感器 的结构图。磁铁4与壳体2形成磁回路， 装在芯轴6上的线圈5和阻尼环3组成惯 性式测振系统的质量块在磁场中运动。弹 簧片1径向刚度很大，轴向刚度很小，使惯性式测振系统既可得到可靠的惯性支承，又可保证有很低的轴向固有频率。铜制的阻尼环 3—方面可增加惯性式测振系统质量块的质量、降低固有频率，另一方面又利用闭合铜环在磁场中运动产生的磁阻尼力使振动系统具有适当的 阻尼，以减小共振对测量度的影响，并能扩大 速度传感器的工作频率范围，有助于衰减干扰引起 的自由振动和冲击。

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当速度传感器承受沿其轴向的振动时，包括线 圈在内的质量块与壳体发生相对运动，线圈在壳体 与磁铁之间的气隙中切割磁力线，产生磁感应电动 势6 (其大小与相对速度成正比）。当(临界频率）时，相对速度可以看成是壳体的速度，因此输出电压也就与壳体的速度成正比。

当阻尼比，用这类传感器来测量低频振动（1.7W0<W< 6W),就只能保证幅值度，无法保证相位度。因此，在低频范围内速度传感 器的相频特性很差，在涉及相位测量的情况下要特别注意。

(2)压电式加速度传感器压电元件根据接受压力和变形方式可分为厚度变形、长度 变形、体积变形和厚度剪切变形四种。相应的传感器也有几种，zui常见的是基于厚度变形的 压缩式和基于剪切变形的剪切式两种。图6-31所示为四种典型的压电式加速度传感器。

图6-31中为外圆配合压缩式，国产的822型与YD型均为这种结构，通过硬弹簧对压 电元件施加预应力。这种传感器结构简单、灵敏度高，但对环境比较敏感。图6-31b中为中 心压缩式或单端压缩式（SEC)，它具有高的灵敏度和高的共振频率，克服了对环境敏感的 缺点，外壳仅起保护作用，与质量块、压电元件不直接接触，也可以将弹簧4改为螺母，将 预应力加在压电元件2上，压电元件同时充当弹簧，但底座仍受安装表面的影响。ENDEV- CO公司生产的ISOBASE型加速度计，采用特殊的结构，将外壳与底座尽量分离开，从而把 底座耦合的影响减小到zui小，因而更适合于低振动级的测量，也较适合用于安装表面上有应力的地方，或温度不稳定的地方。图6-31是倒装配合中心压缩式结构。由于中心柱离开底 座，所以可以避免底座变形引起的误差，但由于壳体是质量弹簧系统的一个组成部分，壳体 的谐振会使传感器的谐振频率有所下降。图6-31d畢剪切式传感器，它的底座向上延伸，如 同一根圆柱，管式压电元件（极化方向平行于轴线）套在这根圆柱上，压电元件外圈再套 上惯性质量环。压电元件受剪切变形。这种结构的传感器径向灵敏度大，横向灵敏度小，而 且能有效减小底座应变的影响，它受噪声和温度等环境因素的影响也比较小，具有很高的固 有振动频率，体积和质量都很小，特别适合于测量高频振动。

(3)压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器的工作原理是基于半导体材料的压阻 效应。压阻式加速度传感器有两种形式：一种是将半导体应变片成对地安装在悬臂梁上组 成，如图6-32所示；另一种是用扩散原理对硅片进行化学腐蚀，使其成为一个具有质量块、 弹簧和四臂电桥的整体。这是一种硅片微机械加工技术，它能产生一个极小而牢固、具有兆 级共振频率、线性范围在104x9.8m/s2以上的单体结构，如图6-33所示。‘如美国END- EVCC公司生产的7270A—200K型微运动机构压阻式冲击加速度计，电压灵敏度为10~5 mV/ (9.8 m/s2),下限频率可测直流，谐振频率为1200kHz，可测zui大冲击加速度为 19.6xl05 m/s2,但其价格昂贵。

图6-32所示为悬臂梁压阻式加速度传感器的典型结构。在悬臂梁的上下两侧分别粘贴 两片半导体应变片，构成电桥电路。灵敏度的温度补偿用热敏电阻，为了扩大使用范围，克 服半导体应变片温度稳定性差的缺点，在电路构成上做了特殊的处理，在-18~66t的温度

范围内，灵敏度变化小于5%。这种传感器的zui大特点是低频响应可以到直流，适用于测量 持续时间长的振动或冲击，体积小，质量轻（<30g)，谐振频率在2.5 ~70kHz范围内，电 压灵敏度在0. 1〜20.0mV/(9. 8mA2)之间。

(4)电容式加速度传感器图6-34所示 为电容式加速度传感器的结构示意图。质量 块4由两根簧片3支承，置于充满空气的壳 体2内。当测量垂直方向上的直线加速度时，> 传感器壳体固定在被测振动体上，振动体的 振动使壳体相对质量块运动，因而与壳体固 定在一起的两固定极板1、5也相对质量块运 动，致使固定极板5与质量块的A面（磨平 抛光）组成的电容Cu的值以及下固定极板与质量块的B面（磨平抛光）组成的电容 匕2的值随之改变，一个增大，一个减小，它们的差值正比于被测加速度。这种加速度传感器的测量度较高，频率响应范围宽，量程 大，可用于较高加速度值的测量。