《传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 魏学业 第13章 运动量检测技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 魏学业 第13章 运动量检测技术（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第13章 运动量检测技术,运动量是描述物体运动的量，是以自然界中两个基本量长度和时间为基础的，包括位移、速度和加速度，运动量测量是许多物理量测量的基础。 运动量检测在工业、交通、国防领域等应用较多。例如，汽车、火车、飞机等交通工具需要实时地测量自身的速度与加速度，发动机等则需要测量输出轴的转速，桥梁、大型设备等需要测量其振动，气象部门需要对大自然的风速进行测量等。 位移与长度的单位都是m，速度是物体运动时单位时间内位移的增量，如果物体运动的速度是变化的，则单位时间内速度的增量就是加速度。同样在工程中还经常用到角位移、角速度的测量，角速度是运动物体在单位时间内的角位移。,13.1 位移检测,一、
2、位移检测方法 位移检测的方法可以分为两类，第一种是与其他运动量相互转换法，如积分法、线位移和角位移相互转换的方法；另一种是通过直接测量法，如回波法与位移传感器法。位移检测的方法多种多样，常用的有以下几种。 1积分法 2相关测量法 3回波法 4线位移和角位移相互转换 5位移传感器法 总之，位移是与物体在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方法所涉及的范围是相当广泛的。微小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅和霍尔等传感技术来测量。,二、常用的位移传感器,在很多情况下，位移可以通过位移传感器直接测得。根据传感器的变换原理，常用的
3、位移测量传感器类型有电阻式、电感式、电容式、霍尔元件、光栅和角度编码器等位移计及电动千分表等。,三、相位差法,相位差法属回波法，常用于大位移量（距离）的测量，相位差的载体是光波或电磁波。由光的波动性可知，光波是横波，它在空间传播，其振动方程为,光波经调制后的波形,相位差法测位移所需要的光波是利用一种遵循正弦规律的信号通过某种方式（如采用调制器），把连续光波强度转变为发光强度（或称波的振幅大小）连续变化的调制光波。利用这种强度变化的调制光波，就能达到测量位移的目的。波在传播过程中所产生的相位移 与传播的路程 有密切的关系。在这里，用 表示相位移，则根据波动方程，有关系式：,的发射与接收过程,相位
4、差法测距仪结构框图,光源：这是测距仪发射载波光束必不可少的器件。 调制器：在外加信号（调制信号）的作用下，对载波进行调制，从而发射出调制光波。能产生调制信号的装置在电子电路中称为高频振荡器，在测距中称为主机振荡器。 反射器：它是测距仪精密测距不可缺少的独立部件，具有最大限度反射光波的作用。 接收装置：在测距仪中能够把反射器反射回来的调制光波接收下来，并且及时转换为具有返回光信号特征的电信号测距信号em。 测相装置：该装置用于测定光波经 的相位变化量。由于高频振荡器不仅给调制器提供调制信号，同时又给测相装置提供参考信号er。测相装置又有来自接收装置的测距信号em，在测相装置中比较er、em两信号
5、的相位差，从而获得光经 的相位移 。,13.2 速度检测,一、速度检测方法 速度测量分为线速度测量和角速度测量。线速度的计量单位通常用m/s（米/秒）来表示，角速度测量分为转速测量和角速率测量。转速的计量单位常用r/min（转/分）来表示，而角速率的计量单位则常用/s（度/秒）或/h（度/小时）来表示。 1时间、位移计算测速法 2线速度和角速度相互转换测速法 3速度传感器法 4微积分法,二、常用的速度测量传感器,三、光纤陀螺,光纤陀螺作为一种新型陀螺仪，其工作原理是基于萨格奈克（Sagnac）效应。Sagnac效应是光沿着相对惯性空间旋转的闭合光路传播的一般相对性效应。,萨格奈克（Sagnac
6、）效应图,假定环行光路中介质的折射率为1，环路相对惯性空间无旋转时，即 0时，如图13-4（a）所示，两束沿相反方向传输的光在绕行一周后所经历的光程相等，都等于环行光路的周长，即,13.3 加速度检测,一、加速度检测方法 加速度检测是基于测试仪器检测质量敏感加速度产生惯性力的测量，是一种全自主的惯性测量。加速度检测广泛应用于航天、航空和航海的惯性导航系统及运载武器的制导系统中，在振动试验、地震检测、爆破工程、地基测量、地矿勘测等领域也有广泛的应用。 目前主要是通过加速度传感器（俗称加速度计），并配以适当的检测电路测量加速度。 加速度计由检测质量（也称敏感质量）、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体
7、组成。检测质量受支承的约束只能沿一条轴线移动，这个轴常称为输入轴或敏感轴。,二、微机电加速度计,微机电系统加速度计通常是指利用微电子加工手段加工制作，并和微电子测量线路集成在一起的加速度计，这种加速度计常用硅材料制作，故又名硅微型加速度计。 任何加速度传感器都概括为以下3个部分。 质量：被加速时，产生一个惯性力。 弹性构件：使力做某种功。 检拾器：检拾敏感力所做的功。 硅微机械加速度传感器结构中，弹性构件通常是很薄小的硅悬臂梁或挠性轴。敏感力所做功的检拾器，通常有压阻检测、电容检测和隧道电流检测等方式。,1硅微型加速度计的类型 硅微型加速度计的型式多种多样。按检测质量支承方式分有悬臂梁支承、简
8、支梁支承、方波梁支承、折叠梁支承和挠性轴支承等；按检测信号拾取方式分，有电阻检测、隧道电流检测、热对流检测、电容检测和谐振频率检测等。 （1）压阻式加速度计 （2）隧道电流型加速度计 （3）微型热对流加速度计 （4）微电容式加速度计 （5）谐振式加速度计,2叉指式硅微加速度计 叉指式硅微型加速度计（Finger-shaped Micro-electromechanical Silicon Accelerometer，FMSA)，最初是由美国AD公司和德国SIEMENS公司联合研制的。,叉指式硅微加速度计,叉指式硅微加速度计的控制系统框图如图13-6所示。,图13-6 FMSA控制系统框图,3硅
9、微谐振加速度计,（1）硅微谐振加速度计的工作原理 硅微谐振式加速度计工作机理与传统的振梁式加速度计类似，利用了振梁的力频特性，通过频率变化量的测量获取载体的加速度。,硅微谐振式加速度计工作原理,（2）性能指标 标度因数。标度因数是加速度计的输出量与输入加速度的比值。 零偏。没有加速度输入时，所输出的加速度信号称为零偏，主要包括零偏稳定性、零偏重复性及零偏温度灵敏度等各个指标。 阈值。阈值是指加速度计能敏感到的最小输入加速度。 分辨率。分辨率指在规定的输入加速度作用下能敏感的最小输入加速度增量。 稳定性。 量程。 带宽。 启动时间。,三、应用例子,ADXL50是AD公司开发的一个加速度计产品，主
10、要用于汽车上的安全气囊。,ADXL50测试线路,13.4 惯性测量,一、惯性测量原理 一个典型的微惯性测量组合系统如图13-9所示，该组合系统包括微惯性敏感器组合装置、变换电路的组合及微数字信号处理系统3部分。微惯性敏感器组合装置由3只真空封装的硅微型陀螺仪和3只密封的微硅加速度计及前放组合而成。其中，微陀螺仪和微加速度计分别安装在边长3.8cm的正六面体基座的3个互相正交的平面内。每个惯性敏感器件的输入轴方向需要经过仔细排列，以保证彼此正交。必要时，组合装置中还包含温度敏感装置和预热装置，以实现温控。变换电路组合具有处理来自敏感装置前放的弱小模拟信号，并能将其转换成数字信号的功能，该电路组合
11、并将信号激励电路、驱动电路和温控电路等集成在一块，形成专用芯片。,MIMU系统框图,二、典型应用,图13-10所示为国产JDT-III型陀螺测斜仪井下仪器外形示意图，该种陀螺测斜仪的主要结构包括井下仪器和地面测量仪。地面测量仪包括信号处理和显示部分，井下仪器由定心脚、保护管、活动部分和固定框架组成。测斜时，井下仪器借助两个定心脚支撑在不同直径的测斜井或浆结管内，使仪器轴线与测斜井轴线严格一致。活动部分是整个仪器的心脏，是完成测斜任务的关键性部件，其中装有偏心活动框架和定向陀螺等敏感元件，定向陀螺是一个二自由度陀螺。由于陀螺具有定轴性，采用定向陀螺后，就使测斜仪具有了很强的抵抗干扰的方向稳定性。当在地面上启动陀螺后，记下陀螺仪轴的原始方位角，然后再放入井下测量，并且必须保证在整个测量过程中，原始方位角保持不变，测斜井偏离铅垂线的角度则是由按复摆原理制成的偏心活动框架来测定。,陀螺测斜仪井下仪器,偏心活动框架的原理结构如图13-11所示。,图13-11 偏心活动框架,
