激光式測(cè)速法和力學(xué)量的測(cè)量

采用激光測(cè)速是因?yàn)榧す馐蔷哂懈吡炼?、低發(fā)散角的單色相干光源。采用激光測(cè)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(dòng)對(duì)激光測(cè)速?zèng)]有影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作可靠。

2) 因?yàn)榧す獾母吡炼?，使非接觸測(cè)量的工作距離可達(dá)10m左右。

1.激光測(cè)量轉(zhuǎn)速的原理

如圖6-25所示，在被測(cè)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(dòng)。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(cè)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(cè)物體端面上沒有定向反射 材料的區(qū)域時(shí)，激光束產(chǎn)生漫反射，激 光傳感器不會(huì)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(shí)，一部分激光束沿原路返回，經(jīng)8反射后一部分激光束 會(huì)聚在檢測(cè)器2上。因此，被測(cè)物體每轉(zhuǎn)一周，定向反射材料7被激光照射一次，檢測(cè)器2 就收到一個(gè)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(cè)量速度（多普勒測(cè)速法）

多普勒效應(yīng)指出：當(dāng)單色光束人射到運(yùn)動(dòng)體 上某點(diǎn)時(shí)，光波在該點(diǎn)（散射中心）被運(yùn)動(dòng)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(dòng)體運(yùn)動(dòng)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?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(duì)運(yùn)動(dòng)。

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(gè)頻率滿足關(guān)系式：

式中，[是光源的運(yùn)動(dòng)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(dòng)體的速度信息，如果能測(cè)出多普勒頻移，就可以知道運(yùn)動(dòng)速度。

力學(xué)量的測(cè)量

用于測(cè)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(hào)，送到二次儀表顯示出來。

3. 電子平臺(tái)秤和軌道秤

電子平臺(tái)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(dòng)地對(duì)各節(jié)貨車進(jìn)行稱重的大型設(shè)備，主要用于車站貨場(chǎng)、碼頭 倉庫以及進(jìn)料場(chǎng)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(dòng)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(shí)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(chǎng)等。

電子皮帶枰測(cè)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(gè)專門用作自 動(dòng)稱量的框架，.這一段的長(zhǎng)度L稱為有效稱量段。設(shè)某一瞬時(shí)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(cè)橋路及放大器輸出的 電壓信號(hào)&與4%成正比。設(shè)有效長(zhǎng)度L的單位長(zhǎng)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(dòng)速度為;（0，則傳送帶的瞬時(shí)輸 送量為

由此可見，要想測(cè)量傳送帶的瞬時(shí)輸送量，不僅要測(cè)出g(t)，而且還必須測(cè)出傳送帶 的傳送速度〃（〖）。一般要通過傳送帶摩擦滾輪帶動(dòng)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(hào)/,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(hào) E2, E2 = C2v(t)。

將E1、E2相乘后再進(jìn)行積分，即可得出0~t時(shí)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(dòng)的測(cè)量

凡是能夠用于測(cè)量位移和速度的檢測(cè)原理都可以用于加速度與振動(dòng)的測(cè)量。用電測(cè)方法 測(cè)量振動(dòng)的裝置稱為振動(dòng)傳感器（或測(cè)振傳感器）。振動(dòng)測(cè)量的種類較多，根據(jù)被測(cè)振動(dòng)參 數(shù)來分，有振動(dòng)位移傳感器、振動(dòng)速度傳感器和振動(dòng)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(dòng)變壓器式、電感式、磁電式和光 電式等；根據(jù)選定的運(yùn)動(dòng)參照點(diǎn)來分，有相對(duì)振動(dòng)傳感器和振動(dòng)傳感器。

1.測(cè)振傳感器的分類

在圖6-28所示的測(cè)振系統(tǒng)力學(xué)模型中，有一個(gè)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(cè)振系統(tǒng)統(tǒng)稱為慣性式測(cè)振系統(tǒng)。慣性式測(cè)振系統(tǒng)必須緊

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

2.典型的測(cè)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(duì)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(duì) 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(duì)速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)試件之間的相對(duì)速度。 殼體6固定在一個(gè)試件上，頂桿1頂住另一個(gè)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(gè)試件之間的相對(duì)振動(dòng)速度通過頂桿使線圈在磁場(chǎng)氣隙中運(yùn)動(dòng)，線圈因 切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e，其大小與 線圈運(yùn)動(dòng)的速度〃成正比。如果頂桿運(yùn)動(dòng)符 合跟隨條件，則線圈的運(yùn)動(dòng)速度就是被測(cè)物 體的相對(duì)振動(dòng)速度，因而輸出電壓與被測(cè)物 體的相對(duì)振動(dòng)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(cè)振系統(tǒng)的質(zhì)量塊在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。彈 簧片1徑向剛度很大，軸向剛度很小，使慣性式測(cè)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(cè)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(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁阻尼力使振動(dòng)系統(tǒng)具有適當(dāng)?shù)?阻尼，以減小共振對(duì)測(cè)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(dòng)和沖擊。

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當(dāng)速度傳感器承受沿其軸向的振動(dòng)時(shí)，包括線 圈在內(nèi)的質(zhì)量塊與殼體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(dòng) 勢(shì)6 (其大小與相對(duì)速度成正比）。當(dāng)(臨界頻率）時(shí)，相對(duì)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(cè)量低頻振動(dòng)（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(cè)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(zhǎng)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(duì)壓 電元件施加預(yù)應(yīng)力。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高，但對(duì)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(duì)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(shí)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(dòng)級(jí)的測(cè)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(gè)組成部分，殼體 的諧振會(huì)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(dòng)頻率，體積和質(zhì)量都很小，特別適合于測(cè)量高頻振動(dòng)。

(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(duì)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(duì)硅片進(jìn)行化學(xué)腐蝕，使其成為一個(gè)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(gè)極小而牢固、具有兆 級(jí)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(dòng)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(cè)直流，諧振頻率為1200kHz，可測(cè)zui大沖擊加速度為 19.6xl05 m/s2,但其價(jià)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(cè)量 持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的振動(dòng)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(cè)量垂直方向上的直線加速度時(shí)，> 傳感器殼體固定在被測(cè)振動(dòng)體上，振動(dòng)體的 振動(dòng)使殼體相對(duì)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)，因而與殼體固 定在一起的兩固定極板1、5也相對(duì)質(zhì)量塊運(yùn) 動(dòng)，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(gè)增大，一個(gè)減小，它們的差值正比于被測(cè)加速度。這種加速度傳感器的測(cè)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(cè)量。