第四章运动量检测技术

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1、信息采集技术,第4章 运动量检测技术 运动量包括位移、转角（角位移）、尺寸、转速、力、重量、 扭矩、振动、速度和加速度等。 是非电量传感器的中间参数, 例如前面提到的弹性变形法测压力等都要经过运动量的转换。 位移是机械量中最基本的参数, 也是运动量检测的重点, 其 它运动量参数如力、力矩、速度、加速度和振动等, 都是以 位移测量作为基础的。 4.1位移检测 4.1.1位移检测方法 线位移和角位移检测。 （1）积分法、（2）相关测距法、（3）回波法 （4）线位移和角位移相互转换、（5）位移传感器,电子信息工程系,信息采集技术,4.1.2常用的位移传感器 （1）电感式位移传感器: 利用传感器线圈的

2、电感变化来检测非电量的机电转换装置。 特点： a.结构简单、工作可靠、寿命长、精度高（分辨力达0.1um）。 b.缺点：线性范围小、不适于高频动态测量场合。 根据传感器线圈的接线方式分为：自感式和互感式。 根据传感器线圈的结构分为：变气隙型、变面积型 螺管型。,电子信息工程系,信息采集技术,变气隙型、变面积型,螺管型,电子信息工程系,信息采集技术,螺管型,电感传感器外形,电子信息工程系,信息采集技术,（2）电容式位移传感器: 特点： a.结构简单，能在恶劣环境下工作，可用无机材料（玻璃、石英、陶瓷）作绝缘支架，上面渡以金属作为极板，能承受相当大的温度变化及辐射，以及强烈振动，并可以在各向同性的

3、电介质液中使用。 b.分辨力高（纳米级），动态特性好，电容传感器需要的作用能量极小。因而有较高的固有频率，同时能在几兆赫的频率下工作，从而保证有良好的动态响应能力。 c.小功率、高阻抗，本身发热量小。 d.本身损耗小，零点稳定；由于本身发热引起的 零漂，可以认为不存在。 e.变极距型广范用于微位移测量系统中。,电子信息工程系,信息采集技术,（3）感应同步器位移传感器: 是应用电磁感应原理把位移量转换成为数字量的位移传感器。 感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随相对位置不同而变 化的原理, 将直线位移或角位移转换成电信号的。 感应同步器有直线式和旋转式两种, 直线式（长）感应同步器由定尺和滑尺

4、组成。 旋转式（圆）感应同步器由转子和定子组成。,电子信息工程系,信息采集技术,直线式（长）感应同步器,旋转式（圆）感应同步器,电子信息工程系,信息采集技术,特点： a.测量精度高，工作可靠。 b.抗干扰能力强，寿命长。 c.使用便利。 d.尤其适用于生产现场在线检测。,电子信息工程系,信息采集技术,（4）电涡流式传感器 根据法拉第电磁感应原理, 块状金属导体置于变化的磁 场中或在磁场中作切割磁力线运动时, 导体内将产生呈涡旋 状的感应电流,此电流叫电涡流,以上现象称为电涡流效应。 根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。 特点: A、能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行

5、非接触式连续测量。 B、具有体积小,灵敏度高,抗干扰能力强，频率 响应宽。 C、不受油污等介质影响，应用极其广泛。 D、有变间隙、变面积、螺管型。,电子信息工程系,信息采集技术,电涡流传感器 工作原理图,电子信息工程系,信息采集技术,根据法拉第定律, 当传感器线圈通以正弦交变电流I1时, 线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1,使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流 I2, I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律, H2的作用将反抗原磁H1,导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上可知, 线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效应既与被测体的电阻率、磁导率以及几何形状有关, 又

6、与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关, 还与线圈与导体间的距离x有关。因此, 传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为 Z= F（, , r, f, x） 式中: r线圈与被测体的尺寸因子。 如果保持上式中其它参数不变, 而只改变其中一个参 数, 传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过 与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量, 即可实现对 该参数的测量。,电子信息工程系,信息采集技术,电涡流传感器等效电路图,电涡流传感器载流线圈和金属导体。,电子信息工程系,信息采集技术,电子信息工程系,信息采集技术,（5）光栅式数字位移传感器 光栅是一种在基体上刻制有等间距均匀分布条纹

7、的光学元件。用于位移测量的光栅称为计量光栅。 下图为透射光栅的示意图。 图中a为刻线宽度, b为缝隙宽度, a+b=W称为光 栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b=W/2, 也可刻成 a:b=1.1:0.9。 目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、 100、250条线条。 ,电子信息工程系,信息采集技术,电子信息工程系,信息采集技术,光栅传感器又称光栅读数头, 主要由标尺光栅、 指示光栅、 光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。 指示光栅比标尺光栅短得多, 但两者刻有同样的栅距, 使用时两光栅互相重叠, 两者之间有微小的空隙, 其中一片固定, 另一片随着被测物体移动,

8、即可实现位移测量。,电子信息工程系,信息采集技术,光栅测量原理: 当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时, 由于挡光效应（对线纹密度50条/mm的光栅）或光的衍射作用（对线纹密度100条/mm的光栅）, 在与光栅线纹大致垂直的方向上, 产生出亮暗相间的条纹, 这些条纹称为“莫尔条纹” 。 莫尔条纹测位移的特点: (1)位移的放大作用 当光栅移动一个栅距W时, 莫尔条纹移动一个间距B, 莫尔条纹的间距B与两光栅线纹夹角之间的关系为: B =W/2sin（/2）W/ 越小, B越大。例如很小, 则1/较大, 即莫尔条纹宽度是栅距的1/倍。这相当于把 栅距放大了1/倍, 提高了测量的灵敏度。

9、,电子信息工程系,信息采集技术,(2)误差的平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成, 对线纹的刻划误差有平均抵消作用, 能在很大程度上消除短周期误差的影响。 若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化, 则将光信号转换为电信号, 输出的幅值可用光栅位移量x的正弦函数表示, 如图所示。 以电压输出而言: U=U0+Umsin(/2+2x/W) 式中U-为光电元件输出的电压信号; U0-为输出信号中的平均直流分量; Um-为输出信号中正弦交流分量的幅值。 ,电子信息工程系,信息采集技术,。,电子信息工程系,信息采集技术,当光栅位移一个栅距W, 波形就变化一周, 这时相应条纹移动一个条纹宽度B。因此只

10、要记录波形变化周数即条纹移动数n, 就可知道光栅的位移x。 x=n B 将输出的电压信号经过放大、 整形变为方波, 经微分电路转换成脉冲信号, 再经过辨向电路和可逆计数器计数, 则可以数字形式实时地显示出位移量的大小。,电子信息工程系,信息采集技术,电子信息工程系,电子信息工程系,信息采集技术,4.1.3 相位差法检测 常用于大位移量(距离)的测量中,相位差检测的载体是光 波或电磁波。激光测距传感器和超声波测距传感器。 4.2 速度检测 4.2.1 速度检测方法 速度检测：线速度和角速度（转速和角速率）。 线速度计量单位：m/s 转速计量单位：r/min 角速率计量单位：/s(度秒）； /H（

11、度小时 4.2.2 常用速度传感器 4.3 加速度检测（自学） 4.4 惯性量测量（自学）,信息采集技术,（6）光电式编码器 将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表 示的电信号, 这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、 高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移测量。 编码器的种类很多: 按其结构形式有直线式编码器和旋转式编码器。由于许多直 线位移是通过转轴的运动产生的, 因此旋转式编码器应用更 为广泛。旋转式编码器又分为增量式编码器和绝对式编码 器。 增量式编码器：输出信号与转角有关。 绝对式编码器：输出信号与位置有关。 按其检测原理有电磁式、接触式、光电式等。,电子信息工程系,信息采

12、集技术,特点: 1、光电式编码器具有非接触测量和体积小的优点； 2、分辨率高, 它作为精密位移传感器在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。 结构： 光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、 狭缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏（光电） 元件等组成。,电子信息工程系,信息采集技术,基本结构如图所示。码盘由光学玻璃 制成, 其上刻有许多同心码道, 每位 码道上都有按一定规律排列的透光和 不透光部分,即亮区和暗区。码盘构 造如图所示,它是一个6位二进制码盘。 当光源将光投射在码盘上时, 转动码 盘, 通过亮区的光线经狭缝后, 由光 敏元件所接收。光敏元件的排列与码 道一一对应, 对应于亮区和暗区的光 敏元件输出的信号, 前者为“1”, 后 者为“0”。当码盘旋至不同位置时, 光 敏元件输出信号的组合, 反映出按一 定规律编码的数字量, 代表了码盘轴 的角位移大小。 ,电子信息工程系,信息采集技术,电子信息工程系,