第6章位移及速度检测

《第6章位移及速度检测》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第6章位移及速度检测（95页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第6章 位移及速度检测,位移及速度是描述物体运动的量，可将其称为运动量。 运动量是最基本的量，运动量测量是最基本、最常见的测量，它是许多物理量，如力、压力、振动等测量的前提。 位移分线位移和角位移。 速度分线速度和角速度。,按位移结果分:将位移转化为模拟量；将位移转化为数字量； 按位移大小分:微小位移检测；小位移检测；大位移检测；,6.1 电感式传感器,电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，导致线圈电感量改变来实现测量的。 电感式传感器的工作基础：电磁感应定律,6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类,电感式传感器亦可称为自感式传感器或可变磁阻式传感器。 传感器由线圈、铁

2、芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。,6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类,工作原理：铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。,线圈中的电感为： 根据磁路欧姆定律： 合并两式可得：,6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类,上式中, Rm为磁路总磁阻。气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。 若忽略磁路磁损， 则磁路总磁阻为 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即,6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类,将以上各式联立，即

3、得到： 上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变或A0均可导致电感变化。 变磁阻式传感器可分为变气隙厚度(变间隙式)的传感器和变气隙截面积A0的传感器以及 同时改变和A0的电感传感器(螺管式)。,6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类,电感式传感器的分类：,6.1.2 电感式传感器的输出特性,当衔铁处于初始位置时，初始电感量为 当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0-， 则此时输出电感为,一、变气隙型电感传感器,6.1.2 电感式传感器的输出特性,当/01时，进行泰勒级数展开 可求得电感增量L和初始电感L0的相对增量L/L0的表达式，即,6.1.2 电感式传感器的输

4、出特性,同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动时，有： 对上列等式作线性处理，可得：,灵敏度为：,6.1.2 电感式传感器的输出特性,结论： 变气隙型自感式传感器的灵敏度较高； 非线性严重，自由行程小，制造装配困难。 适用于测量微小位移场合。,6.1.2 电感式传感器的输出特性,二、变截面型电感传感器 保持磁导率和气隙长度l固定不变，只改变气隙有效截面积S，即以S作为传感器的输入量，可以制成变截面型自感式传感器，常用于角位移的测量。其结构原理如上图所示。,6.1.2 电感式传感器的输出特性,变截面型自感式传感器其转换关系是线性的；同时，其灵敏度K为常数。 变面积式传感器在忽略气隙磁通边缘效应的

5、条件下，输出特性呈线性，因此可得到较大的线性范围。与变气隙式相比较，其灵敏度较低。,6.1.2 电感式传感器的输出特性,三、螺管式电感传感器 磁场分布不均匀，理论上分析较困难； 由实验可知输出为非线性关系,且灵敏度较低； 测量范围广； 结构简单，装配容易，且螺管可做得较长，故宜于测量较大的位移。,6.1.3 差动电感传感器原理,为了提高测量的灵敏度，减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。,6.1.3 差动电感传感器原理,当衔铁向上移动时，线圈总的电感变化量L 对上式进行线性处理，即忽略高次项得,6.1.3 差动电感传感器原理,灵敏度K为 从上列各式可以得到： 差动变间隙式自感

6、传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。 单线圈是忽略 以上高次项，差动式是忽 略 以上高次项，因此差动式自感式传感 器线性度得到明显改善。,6.1.3 差动电感传感器原理,与单边式相比，差动电感传感器有如下优点： 1.灵敏度提高一倍； 2.具有温度自补偿作用，抗外磁场干扰 能力强； 3.电磁吸力相互抵消，线性度高。,6.1.4 电感式位移计,一、轴向电感式位移计的结构 二、电感式位移计的测量电路,1导线2固定磁通3衔铁4线圈 5弹簧6防转销7钢球导轨8测杆 9密封套10可换测头,A、B两点的电位差即输出电压 1.衔铁处于中间位置时，输出电压为 2.衔铁向上移动时，输出电压为 3.衔铁向下移动时

7、，输出电压为,由上面两个式子可知，当测杆的铁心，由平衡位置上下移动相同的距离、产生相同电感增量时，电桥空载输出电压大小相等而符号相反，由此测得位移大小和方向。,6.1 电感式传感器,电感式传感器与其它传感器相比，具有以下特点： 结构简单，工作可靠，测量力小； 分辨率高，能测量0.1m甚至更小的机械位移，能感受0.1角秒的微小角位移； 重复性好，线性度高。在一定位移范围内，输出线性度可达0.1%，且比较稳定。 其主要缺点是存在零点残余电压，灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。,6.2 差动变压器位移计,把被测的非电量变化转换为线圈互感系数变化的传感器称为

8、互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。,6.2.1 差动变压器工作原理及特性,差动变压器结构如图所示。,当铁芯处于中间位置时，输出电压: 当铁芯向右移动时，则输出电压: 当铁芯向左移动时，则输出电压: 输出电压的方向反映了铁芯的运动方向，大小 反映了铁芯的位移大小。,6.2.1 差动变压器工作原理及特性,输出特性如图所示。,6.2.1 差动变压器工作原理及特性,当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零。我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作U，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理

9、论特性不完全一致。,零点残余电压的危害： 给测试结果带来误差； 使零位附近变得不灵敏。,6.2.1 差动变压器的工作原理及特性,减小零点残余的方法： 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。 选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。 采用补偿线路减小零点残余电动势在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。,6.2.2 差动变压器位移计,总行程： 100mm 线性度：0.15%,总行程： 2 7mm 测量力：0.91.2

10、N 示值变动性：0.5m,一、差动变压器位移计的结构,6.2.2 差动变压器位移计,1测头；2轴套； 3测杆；4活动铁心； 5线圈架；6导线； 7屏蔽筒；8圆片弹簧； 9弹簧；10防尘罩,二、差动变压器位移计的测量电路 1.大位移测量电路 电路如图所示。 只测位移大小时， 用图a、b电路； 大小、方向都测 时，用图c、d的 相敏检波电路。,6.2.2 差动变压器位移计,2.微小位移测量电路 DGS20C/A型测微仪的框图如示。,6.2.2 差动变压器位移计,6.3 电位器传感器,被测量的变化导致电位器阻值变化的敏感元件称为电位器传感器。 6.3.1 电位器传感器基本工作原理 电位计式电阻传感器

11、的结构如图，图(a)为直线式电位计，可测线位移；(b)为旋转式电位计，可测角位移。,6.3.2 电位器传感器输出特性,（RL20R，R 非线性误差小于1.5%）,6.3.3 电位器传感器结构,1.电阻丝：对电阻丝的要求是：电阻系数大，温度系数小，对铜的热电势应尽可能小，常用材料有：铜镍合金类、铜锰合金类、镍铬丝等。 2.骨架：对骨架材料要求形状稳定表面绝缘电阻高，有较好的散热能力。常用的有陶瓷、酚醛树脂和工程塑料等。 3.电刷：电刷与电阻丝材料应配合恰当、接触电势小，并有一定的接触压力。这能使噪声降低。,6.3.4 电位计式位移传感器,YHD型电位计式位移传感器的结构如图。,测量轴1与被测物体

12、接触，当有位移输入时，测量从轴便沿导轨5运动，同时带动电刷3移动。,6.5 光栅位移测试,光栅式位移传感器，也称计量光栅，主要用于长度和角度的精密测量。 6.5.1 光栅的基本结构 一、光栅：光栅是在透 明的玻璃上刻有大量平 行等宽等距的刻线构成 的，结构如图。 1.栅线：平行等距的刻线 2.光栅栅距(光栅节距或光栅常数)：d=a+b,6.5 光栅位移测试,二、光栅的分类 光栅按其用途分长光栅和圆光栅两类。计量光栅分类见图。,6.5.2 光栅传感器的工作原理,一、光栅传感器的组成 光栅传感器的组成如图所示。光栅传感器由光栅、光路、光电元件和转换电路等组成。指示光栅应置于主光栅的费涅耳第一焦面上

13、，其间的距离为：,W为栅距； 为波长,二、莫尔条纹 1.莫尔条纹：光栅式传感器的基本工作原理是利用光栅的莫尔条纹现象来进行测量的。莫尔条纹如图所示。,在刻线重合处，光从缝隙透过形成亮带；在刻线错开的地方，形成黑带。,6.5.2 光栅传感器的工作原理,2.莫尔条纹的特征 (1) 运动对应关系：莫尔条纹的移动量和移动方向与主光栅相对于指示光栅的位移量和方向有严格的对应关系。如图所示。,6.5.2 光栅传感器的工作原理,(2)减小误差：莫尔条纹对光栅的刻线误差有平均作用，能在很大程度上消除栅距局部误差和短周期误差影响。 (3)位移放大：莫尔条纹的间距随着光栅线纹交角而改变，其关系如下： 从上式可知，

14、越小，条纹间距B将变得越大，莫尔条纹有放大作用，其放大倍数为：,6.5.2 光栅传感器的工作原理,三、光栅的信号输出 主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹变化一个周期，莫尔条纹的变化近似为正弦波形，可看成是在一个直流分量上的叠加，即：,6.5.2 光栅传感器的工作原理,x主光栅与指示光栅间瞬时位移,6.6 码盘式传感器,码盘又称角数字编码器，是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的传感器。 码盘式传感器是以编码器为基础的，它是测量轴角位置和位移的方法之一。 优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用计算机处理。,6.6 码盘式传感器,

15、编码器的种类很多， 主要分为脉冲盘式（增量编码器）和码盘式编码器（绝对编码器），其关系如下所示：,编码器,脉冲盘式编码器(增量编码器),码盘式编码器(绝对编码器),接触式编码器,电磁式编码器,光电式编码器,6.6.1 增量式编码器,增量式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行加减(正向或反向旋转时)累计计数，一般还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。,6.6.1 增量式编码器,图中的信号A和B是相位差90度的方波。若A相超前于B相，对应工作轴正向旋转；若B相超前于A相，对应工作轴反向旋转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可形成代表正向角位移和反向角位移的脉冲序列。

16、 每当工作轴旋转一周，光电元件就产生一个Z相一转基准脉冲信号。,6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式),用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的传感器。 光电码盘式传感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、柱面镜和光敏元件组成。基本结构如图所示。,一、二进制码盘 如图所示是一个四 位二进制码盘，涂黑 部分输出为 0，空白 部分输出为 1。共 4 圈码道，从内到外依 次为C4、C3、C2、C1码 道。,6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式),6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式),如图所示的4位二进制码盘，最内圈码盘一半透光， 一半不透光，最外圈一共分成24=16个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。 例如零位a对应