传感器与检测技术第8章机械量检测技术

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1、第8章 机械量检测技术,本章提要,本章介绍机械量中常见的位移、速度（转速）与厚度的检测技术。 重点阐述了接触式、非接触式位移检测的方法和常用位移传感器的性能与选用； 速度（转速）的检测方法，传感器的性能与选用； 厚度检测中常用的高频反射式与低频透射式测厚的检测原理。,8.1 位移检测技术,位移是指物体或其某一部分的位置对参考点产生的偏移量。 位移可以是直线位移或角位移。 长度检测：直线位移检测。 角度检测：角位移检测。 根据位移检测范围变化的大小，可分为微小位移检测、小位移检测和大位移检测三种。,8.1.1 常见位移的检测方法,1. 积分法 检测运动物体的速度或加速度，经过积分或二次积分求得运

2、动物体的位移。,2. 相关测距法 利用相关函数的时延性质，向某被测物发射信号，将发射信号与经被测物反射的返回信号作相关处理，求得时延，若发射信号的速度已知，则可求得发射点与被测物之间的距离。,3. 回波法 从测量起始点到被测面是一种介质，被测面以后是另一种介质，利用介质分界面对波的反射原理测位移。,4. 线位移和角位移相互转换 被测量是线位移时，若检测角位移更方便，则可用间接测量方法，通过测角位移再换算成线位移。 同样，被测是角位移时，也可先测线位移再进行转换。,5. 位移传感器法 通过位移传感器，将被测位移量的变化转换成电量（电压、电流、阻抗等）、流量、磁通量等的变化，间接测位移。,8.1.

3、2 常用的位移传感器,小位移通常采用应变式、电感式、差动变压器式、电容式、霍尔式等传感器，测量精度可以达到0.51.0%，其中电感式和差动变压器式传感器的测量范围要大一些，有些可达100mm。 小位移传感器主要用于测量微小位移，从微米级到毫米级，如进行蠕变测量、振幅测量等。 大位移的测量则常采用感应同步器、计量光栅、磁栅、编码器等传感器，这些传感器具有较易实现数字化、测量精度高、抗干扰性能强、避免了人为的读数误差、方便可靠等特点。,8.1.3 接触式位移检测技术,1. 电容式传感器在位移检测中的应用,（a）振动（b）垂直位移（c）弹性位移（d）厚度检测（e）曲度检测（f）中心度检测 图8-1

4、电容式位移传感器应用示意图,在位移检测中，主要利用变极距型电容式传感器的原理来实现位移的检测。,（a）结构 （b）外形 图8-2 单电极电容位移传感器 1电极；2绝缘衬套；3壳体；4弹簧卡圈；5电极座；6盘形电容；7螺母,图8-3 振荡位移和回转精度的测量 （a）振动测量；（b）轴的回转精度测量,图8-3（a）是振动位移测量，可测0.05m的位移。 图8-3（b）是转轴回转精度的测量，利用正交方向安放的两个电容位移传感器，可测出转轴的轴心动态偏摆情况。 适合于测量高频振动的微小位移。,2. 电感式传感器在位移检测中的应用,在位移检测中，电感式传感器是把被测位移转换为自感系数L的变化。然后将L接

5、入一定的转换电路，位移变化便可变成电信号。 下面以轴向电感式位移计为例说明其结构及应用。 1）轴向电感式位移计的结构。轴向电感式位移计的结构和外形如图8-4所示。,轴向电感式位移计,（a）结构 （b）外形 图8-4 电感式位移计结构,1引线；2固定磁筒；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测端,. 变压器式交流电桥,电桥的两臂Z1和Z2是电感位移计两个线圈的阻抗。电桥的另外两个桥臂为电源变压器次级线圈的两个半绕组，半绕组的电压为U/2。电桥对角A、B两点的电位差为电桥的输出电压U0。 假设阻抗Z1上端点处的电位为零，则A、B两点的电位分别为,B两点的电位差即输

6、出电压,由上式可知： 当测杆的铁心或衔铁处于中间位置时，两线圈的电感相等。如果两线圈绕制得对称，则阻抗也相等。因Z1Z2Z0，则输出电压 当测杆的铁心向上移动时，上线圈的阻抗增加，下线圈的阻抗减小，即Z1Z0Z，Z2Z0Z，则输出电压 当测杆的铁心向下移动时，上线圈的阻抗减小，下线圈的阻抗增大，即Z1Z0Z，Z2Z0Z，则输出电压,衔铁上下移动相同距离时, 输出电压的大小相等, 但方向相反, 由于 U0是交流电压, 输出指示无法判断位移方向, 必须配合相敏检波电路来解决。,3. 差动变压器在位移检测中的应用,把被测位移量转换为传感器线圈的互感系数M的变化（1）差动变压器位移计的结构,图8-6

7、差动变压器位移计 1测头；2轴套；3测杆；4活动铁芯；5线圈架； 6导线；7屏蔽筒；8圆片弹簧；9恢复弹簧；10防尘罩,（2）差动变压器位移计的测量电路,差动变压器位移计的测量电路按输出电压信号及被测值的大小可分为大位移测量电路和小位移测量电路两种。 1）大位移测量电路。 大位移测量电路如图8-7所示。当只要求测量位移的大小，不要求分辨位移的方向，且测量精度要求不高的情况下，通常采用整流电路整流后送入直流电压表显示位移的大小，如图8-7（a）、（b）所示。当既要求测量位移的大小，又要求分辨位移的方向，且希望消除零点电压的影响，测量精度较高时，通常采用相敏检波电路，如图8-7（c）、（d）所示。

8、通过其中的可调电位器，可在测量前将电路预调平衡，以消除零点电压。通过相敏检波电路可分辨位移信号方向，数值仍由电压表指示。,图8-7 差动变压器位移计的测量电路,相敏检波,它由四个特性相同的二极管D1 D4沿同一方向串联成一个桥式电路，各桥臂上通过附加电阻将电桥预调平衡。 四个端点分别接在变压器T1和T2的次级线圈上，变压器T1的输入信号为调幅波Xm(t) ，T2的输入信号为载波 y(t)， Uf(t)为输出。 要求T2的次级输出远大于T1的次级输出。,2）微小位移测量电路,对于微小位移，由于输出电压很小，故应采用放大电路测微小位移。 如图8-8为DGS-20C/A型测微仪的框图，该测微仪由稳压

9、电源、振荡器和指示仪表组成。 位移计和测量电桥将位移转换成电压信号，电压信号经调制后送放大器放大，然后送相敏检波器检波，获得原始位移信号，最后送指示电表或记录器显示或记录。 此位移计的测量范围一般为几毫米，工作可靠。缺点是动态性能差，只能用于静态测量。,图8-8 DGS-20C/A型测微仪的方框图,8.1.4 非接触式位移检测技术,一 光栅式传感器在位移检测中的应用 1.光栅简介 （1）基本概念 光栅是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等宽而又等间距的线条（透射式）或在不透明具有强反射能力的基体上均匀地划出间距、宽度相等的条纹（反射式）。 栅线：光栅上的刻线 b为栅线的宽度（不透光），a为栅线间

10、宽（透光）， a+b=W称为光栅的栅距（也称光栅常数）。 通常a=b=W/2。 目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、 100、250条线条。,黑白型长光栅如图8-9所示。,图8-9 黑白型长光栅,（2）光栅的分类 1.按工作原理分： 物理光栅：利用光的衍射现象， 主要用于光谱分析和光波长等量的测量。 计量光栅：利用莫尔条纹现象， 测量长度和角度等物理量。 长光栅（光栅尺）：刻画在玻璃尺上的光栅， 用于测量直线位移 圆光栅（光栅盘）：刻画在玻璃盘上的光栅， 用于测量角度和角位移。,长光栅根据栅线型式不同分： 黑白光栅（幅值光栅）：只对入射光波的振幅或光强进行调制的光栅； 闪耀光栅（相位光栅

11、）：对入射光波的相位进行调制。 根据光线的走向分： 透射光栅：将栅线刻制在透明的玻璃上； 反射光栅：栅线刻在具有强反射能力的金属上。 圆光栅根据栅线刻划的方向分： 径向光栅：其栅线的延长线全部通过圆心； 切向光栅：其全部栅线与一个同心小圆相切。,透射式光路,1-光源 2-准直透镜 3-主光栅 4-指示光栅 5-光电元件,此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。 特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。,有效波的波长,反射式光路,1反射主光栅 2-指示光栅 3-场镜 4-反射镜 5-聚光镜 6-光源 7-物镜 8-光电电池。,该光路适用于黑白反射光栅。,（3）基本工作原理 1.光栅传感器的组

12、成 光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。,（2）光栅传感器的结构和原理,光栅传感器是新型的高精度、大位移、数字式位移传感器，其主要由主光栅、指示光栅和光路系统组成，其结构原理和外形如图8-10（a）、（b）所示。,（a）光栅传感器的结构,（b）外形,2、工作原理,把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如图所示。,（c）莫尔条纹 图8-10 光栅传感器的结构与原理 1光源；2透镜；3指示光栅；4主光栅；5光敏元件,(1) 位移的放大作用 当

13、主光栅沿垂直于栅线的X方向每移动一个光栅栅距W时， 莫尔条纹也跟着沿栅线移动一个条纹宽度BH。 如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。 莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角之间的关系为 （2） 莫尔条纹移动方向 (3) 误差的平均效应,莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点,辨向原理,单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移。 如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。,图8-11 光栅输出原理图 （a）几

14、何干涉原理；（b）理想光栅亮度变化；（c）光栅输出实际电压波形,（3）光栅信号的输出,电压小的相应于暗条纹，电压大的相应于明条纹，光栅输出实际电压的波形看成是一个直流分量上叠加了一个交流分量。 式中， x为主光栅与指示光栅间瞬时位移； U0为直流电压分量； Um为交流电压分量幅值； U为输出电压。,图8-12 光栅输出示意图,图8-13 辨向电路示意图,（a）正向移动 （b）反向移动 图8-14 辨向电路时序图,细分技术,提高分辨力方法： 在选择合适的光栅栅距的前提下，以对栅距进行测微，电子学中称“细分”，来得到所需的最小读数值。 细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干

15、个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。,2. 编码器在位移检测中的应用,编码器是将位移量转换成数字代码形式输出的传感器. 按其结构形式分： 直线式编码器（编码尺）：用于直线位移的测量 旋转式编码器（编码盘）：用于角位移的测量 旋转式编码器有绝对式码盘和增量式码盘两种。 按编码器的检测原理，可以分为电磁式、接触式、光电式等形式。,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。 编码器分类：,（1）光电编码器结构,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元件等组成，其基本结构和外形如图8-15所示。,（a）结构 （b）外

16、形 图8-15 光电码盘式传感器 1光源；2柱镜面；3码盘；4狭缝；5光电元件,（2）绝对式光电编码器,绝对式码盘一般由光学玻璃制成，上面刻有许多同心码道，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，如图8-16所示。编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、十进制码、循环码等。,（a）二进制码码盘 （b）循环码码盘 图8-16 绝对式码盘,表 四位二进制码与循环码对照表,（3）增量式光电编码器,增量式码盘一般只有三个码道，不能直接产生几位编码输出，如图8-17所示。 它是一个被划分成若干交替透明和不透明扇形区的圆盘，最外圈的码道是用来产生计数脉冲的增量码道，内圈码道与外圈码道的扇形区数目相同，但错