《第6章位移、速度及加速度检测-王威立》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第6章位移、速度及加速度检测-王威立（62页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第6章 位移、速度及加速度检测,电感式传感器 差动变压器位移计 电位器传感器 电容式位移传感器 感应同步器 光栅位移测试 码盘式传感器 激光式传感器,磁电感应式速度传感器 测速发电机及电磁脉冲式转速计 光电式转速计 加速度传感器,6.1 电感式传感器,6.1.1 电感式传感器的原理及分类 电感式传感器又称自感式传感器或变磁阻式传感器，原理如图示。 线圈的电感值按下式计算： 其中：,6.1 电感式传感器,，忽略Rc，则有,测量原理？,6.1 电感式传感器,电感式传感器分为三种类型,螺线管式,变气隙型 变截面型,6.1 电感式传感器,6.1.2 输出特性 变气隙式和变截面式自感传感器的输出的特性如
2、图示。其灵敏度分别为,时近似为线性！,6.1 电感式传感器,6.1.3 差动电感传感器原理 差动变气隙式电感传感器结构及测量（交流）电桥（调幅电路） 如图示。,1-铁芯 2-线圈 3-衔铁,6.1 电感式传感器,6.1 电感式传感器,下面的铁心和线圈去掉,6.1 电感式传感器,与单线圈变气隙式电感传感器相比，差动变气隙式电感传感器的优点： 灵敏度提高一倍。 电磁吸力相互抵消。 温度自补偿。 抗外磁场干扰能力较强。,6.2 差动变压器位移计,6.2.1 差动变压器原理、特性及测量电路 差动变压器结构与原理,一般：N1=5001500匝，N2/N1=13； 。,6.2 差动变压器位移计,铁芯在平衡
3、位置， 铁芯右移， 铁芯左移，,6.2 差动变压器位移计,输出特性,零点残余电压？产生？危害？补偿？,在平衡点附近，存在测量死区！线性变差！,U2,U2,6.2 差动变压器位移计,6.2.2 差动变压器位移计,6.3 电位器传感器,6.3.1 电位器传感器原理 电位器式电阻传感器的结构如图示，图(a)为直线式电位器，可测线位移；(b)为旋转式电位器，可测角位移。,6.3 电位器传感器,6.3.2 电位器传感器输出特性,RL,6.3 电位器传感器,6.3.3 电位器传感器结构 电阻丝：电阻系数大，温度系数小，对铜的热电势应尽可能小。常用的有铜镍合金类、铜锰合金类、镍铬丝等。 骨架：不易变形，表面
4、绝缘电阻高，散热好。常用的有陶瓷、酚醛树脂、工程塑料等。 电刷：与电阻丝接触电势小，并有一定的接触力。,6.3 电位器传感器,6.3.4 电位器式位移传感器（p.229） YHD型电位器式位移传感器结构如图示,6.4 电容式位移传感器,6.4.1 单电极电容式位移 传感器及其应用 单电极电容式位移传感器的结构和原理如图示,电容传感器可精确测量微位移。电容式测微仪（测微位移和振动幅度）：在最大量程为(1005)m时，最小检测量为0.01m。,6.4 电容式位移传感器,应用举例,6.4 电容式位移传感器,6.4.2 变面积差动式电容位移传感器及应用 变极筒面积的差动式电容位移传感器结构如图示。,6
5、.4 电容式位移传感器,精密大位移测量用变面积电容式传感器原理图,6.4 电容式位移传感器,测量电路如图示，输出信号可以近似地写成,6.5 光栅位移测试,光栅式位移传感器，也称计量光栅，主要用于线位移和角位移的精密测量。 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，结构如图示。W 称为光栅栅距或光栅常数。 常用计量光栅W=0.0040.005mm，相当于(25020)线对/mm。,黑白型长光栅,W,6.5 光栅位移测试,二、光栅的分类 光栅按其用途分类如图示。,6.5 光栅位移测试,6.5.2 光栅传感器原理 光栅传感器由光栅、光路、光电元件和转
6、换电路等组成。 一、光栅传感器的组成 光栅传感器的组成如图示。指示光栅应置于主光栅的费涅耳第一焦面上，其间的距离为：,6.5 光栅位移测试,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。莫尔条纹如图示。,6.5 光栅位移测试,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。光栅移动一个栅距，莫尔条纹移过一条，光栅反向移动，莫尔条纹也向相反方向移动。见下图。,6.5 光栅位移测试,6.5 光栅位移测试,(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
7、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，关系为： 从上式可知，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： 例如：W=0.02mm，=0.1，则 B=11.46mm，k=573（很大！）。,6.5 光栅位移测试,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，可看成是一个直流分量与一个交流分量的叠加，即： 辨向？ 细分？,辨向环节框图,6.6 码盘式传感器,码盘式传感器是以编码器为基础的，它是测量轴角位置和角位移的方法之一。国内已有16位绝对编码器和每转大于10000脉冲数输出的小型增
8、量编码器。 6.6.1 光电码盘式传感器原理,光电码盘式传感器是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转换部件。工作原理如图示。,2-柱面镜，4-狭缝，5-光电元件,6.6 码盘式传感器,6.6.2 光电码盘 光电码盘一般用照相腐蚀法制作。已有径向线宽为6.710-8rad的码盘，其精度高达10-8。 一、二进制码盘 四位二进制码盘如图示，涂黑部分输出为0，空白部分输出为1。,6.6 码盘式传感器,二进制码盘的特点： n位二进制码盘能分辨的角度为： 位数n越多，能分辨的角度越小， 测量精度越高。n=20=1。 二进码为有权码，编码CnCn-1C1 对应于零位算 起的转角为:
9、错码？ （光电元件转换不同步或码道制作不精确） （p.243） 措施？（用循环码代替二进制码或双读数头法） （p.243-244）,6.6 码盘式传感器,二、循环码码盘 循环码的特点是相邻两个数码间只有一位不同。码盘的制作和安装不准，引起的误差最多也只是最低的一位数。 四位循环码盘如图示。表6.6.1是十进制数、二进制数及四位循环码的对照表。 循环码是变权代码，测量时需转换成二进制码（有权代码，每一位代表一固定十进制数）。,6.6 码盘式传感器,R表示循环码，C 表示二进制码。 二进制码循环码的规则： 循环码二进制码的规则：,6.6 码盘式传感器,二进制码循环码的转换电路如图示,二进制码串行循
10、环码,二进制码并行循环码,6.6 码盘式传感器,循环码二进制码的转换电路如图示,串行循环码二进制码,并行循环码二进制码,6.6 码盘式传感器,6.6.3 光电码盘的应用 光电码盘测角仪原理图：,1-光源，2-大孔径非球面聚光镜，3-码盘，4-狭缝，5-光电元件,6.7 激光式传感器,6.7.1 激光的特性和稳频方法 一、激光的特性 方向性强 单色性好 亮度高 相干性好 二、激光器 按激光器的工作物质可分为以下几类： 固体激光器：如红宝石激光器、钕玻璃激光器等。 气体激光器：如氦氖激光器、二氧化碳激光器、一氧化碳激光器等。,6.7 激光式传感器, 液体激光器：分为无机液体激光器和有机液体激光器等
11、。常用的是前者，波长在一定范围连续可调！ 半导体激光器：出现较晚，较成熟的是砷化镓激光器。 三、激光的稳频方法 较常用的稳频方法是兰姆下陷稳频法。 6.7.2 激光干涉传感器测长原理 激光干涉传感器测长原理实质是光的干涉原理，常用的是迈克尔逊双光束干涉系统（示意图见p.255）。 测长的基本公式：,（n为空气折射率）,6.8 磁电感应式速度传感器,磁电感应式传感器也称为感应式传感器或电动式传感器，是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电动势的原理工作的。只能用于动态测量，工作频率为101000Hz。 6.8.1 磁电感应式传感器原理与测量电路 一、磁电感应式传感器原理 根据电磁感应定律，线圈中的
12、感应电势为,6.8 磁电感应式速度传感器,磁电感应式传感器结构如图示,6.8 磁电感应式速度传感器,线圈在磁场中作直线运动，感应电势为： 线圈在磁场中转动，感应电势为： 可见，磁电传感器可用于测定线速度和角速度。,6.8 磁电感应式速度传感器,二、磁电感应式传感器测量电路 位移、速度和加速度测量电路如图示,6.8 磁电感应式速度传感器,6.8.2 磁电感应式传感器的灵敏度K 直线运动的磁电感应式传感器，其灵敏度为： 旋转运动的磁电感应式传感器，其灵敏度为：,6.8 磁电感应式速度传感器,6.8.3 磁电式速度传感器 一、相对速度传感器 国产CD-2型磁电式相对速度传感器的结构示意图,6.8 磁
13、电感应式速度传感器,二 、绝对速度传感器 国产CD-1型磁电式绝对速度传感器的结构示意图,6.9 光电式转速计,6.9.1 工作原理 光电式转速计是光电管或光敏晶体管的应用实例之一。由光电管构成的转速计分反射型和直射型两种。,6.9 光电式转速计,6.9.2 基本测量电路,6.10 加速度传感器,6.10 加速度传感器,压电效应 某些电介质物体在某方向受压力或拉力作用产生形变时，表面会产生电荷。外力撤消后，又回到不带电状态。这种现象称为压电效应。具有压电效应的物体称为压电材料，如天然的石英晶体，人造的压电陶瓷等。 一、石英晶体的压电效应 下图为天然结构的石英晶体外形和石英晶体切片。,6.10
14、加速度传感器,石英晶体,6.10 加速度传感器,当切片在沿X轴的方向上受到压力Fx作用时，晶体切片将产生厚度变形，并在与X轴垂直的平面上产生电荷Qx，它的大小为：,6.10 加速度传感器,电荷的极性见图,6.10 加速度传感器,压电材料 一、压电晶体 1.石英晶体 2.水溶性压电晶体 3.铌酸锂晶体 二、压电陶瓷 1.钛酸钡压电陶瓷 2.锆钛酸铅系压电陶瓷 3.铌酸盐系压电陶瓷 4.铌镁酸铅压电陶瓷 三、压电半导体,6.10 加速度传感器,电荷放大器 电荷放大器是有反馈电容的高增益运算放大器，它的输入信号是压电传感器产生的电荷。当略去泄露电阻，且放大器输入电阻趋于无穷大时，它的等效电路如图所示。,6.10 加速度传感器,电压放大器 压电传感器接到电压放大器的等效电路。,6.10 加速度传感器,6.10.1 压电式加速度传感器 目前压电式加速度传感器主要有压缩式、剪切式和复合式三种。 1、压缩式压电加速度传感器,6.10 加速度传感器,2、剪切式压电加速度传感器,6.10 加速度传感器,3、复合式压电加速度传感器,6.10 加速度传感器,6.10.2 电阻应变式加速度传感器,6.10 加速度传感器,6.10.3 力平衡式加速度传感器,
