位移速度加速度测量

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1、第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 学习要求1. 1. 了解常用的位移、速度、加速度测量方法及了解常用的位移、速度、加速度测量方法及其分类；其分类；2. 2. 熟悉常用的位移、速度、加速度测量用传感熟悉常用的位移、速度、加速度测量用传感器原理；器原理；3. 3. 掌握位移、速度、加速度测量系统的组建方掌握位移、速度、加速度测量系统的组建方法及相关注意事项；法及相关注意事项；4. 4. 了解位移、速度、加速度测量系统的标定方了解位移、速度、加速度测量系统的标定方法。法。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 u位移是一种常见的运

2、动量，是线位移和角位移的总称。u位移是向量。14.1 14.1 位移测量位移测量9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 按位移测量原理来分有：机械式位移测量法如浮子式油量表、水箱液位计等都是利用浮子来感受液面的位移，达到指示油量的大小和水位的高低。特点：机械惯性大，动态特性较差，不能远距离传送。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 电气式位移测量法位移量通过位移传感器转换为电量，再经相应的测试电路处理后，传递到显示或记录装置。特点：动态范围大，接触式测量时，传感器对被测对象有一定影响。火炮自动机位移测量仪火炮自动

3、机位移测量仪9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 光电式位移测量法 将机械位移量通过光电式位移传感器转换为电量再进行测量的方法。 特点：应用于需进行非接触测量的场合，对被测对象无不良影响，具有较高的频响精度。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 位移传感器信号调理电路记录仪器u电感式位移测量系统u电容式位移测量系统u光电式位移测量系统位移测量系统组成9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 测量原理测量原理:电感式位移测量系统是变磁阻类测量装置。电感线圈中输入的是交流电流，

4、当被测位移量引起铁芯与衔铁之间的磁阻变化时，线圈中的自感系数L或互感系数M产生变化。电感式位移测量系统电感式位移测量系统9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 电感式传感器的几个特点：结构简单，工作中没有活动电接触点，因而，比电位器工作可靠，寿命长。灵敏度高，分辨率高，能测出甚至更小的机械位移变化，能感受小至的微小角度变化。传感器的输出信号强。电压灵敏度高，有利于信号的传输与放大。重复性好，线性度优良，在一定位移范围内，输出特性的线性度好，并且比较稳定。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 。 自感式传感器（电感

5、式）互感式传感器（差动变压器式）变磁阻式传感器变压器式传感器涡流式传感器电感式传感器可分为两大类：根据工作原理亦可分为：9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 1单磁路自感式电感传感器1) 工作原理 由由衔铁、铁芯和线圈衔铁、铁芯和线圈三部三部分组成，衔铁和铁芯之间有空分组成，衔铁和铁芯之间有空隙，传感器的运动部分与衔铁隙，传感器的运动部分与衔铁相连，当传感器测量物理量时，相连，当传感器测量物理量时，衔铁运动部分产生位移，导致衔铁运动部分产生位移，导致气隙厚度气隙厚度变化，从而使线圈变化，从而使线圈的电感值发生变化。的电感值发生变化。变磁阻式电感传感器变

6、磁阻式电感传感器9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 当线圈中有电流通过时，线圈中就会产生磁通，若电流随时间变化，则磁通亦随时间变化，有：线圈的自感系数： 在线圈中，磁通与电流I的关系：常数磁通磁通磁通磁通线圈匝数线圈匝数线圈匝数线圈匝数9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 即：磁链磁链 线圈中电感线圈中电感L L等于单位电流所产生的磁链，磁通等于单位电流所产生的磁链，磁通取决于磁取决于磁路中磁阻路中磁阻R RM M及磁动势及磁动势W WI I，即，即，代入L中 线圈电感值计算线圈电感值计算 ：式中式中 W W

7、线圈的匝数；线圈的匝数； Rm Rm磁路的总磁阻。磁路的总磁阻。总磁阻总磁阻总磁阻总磁阻9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 若气隙厚度若气隙厚度较小，可认为空气隙磁场是均匀的，忽略磁路较小，可认为空气隙磁场是均匀的，忽略磁路铁损，则总磁阻为磁路中铁芯，空气隙和衔铁的磁阻之和，铁损，则总磁阻为磁路中铁芯，空气隙和衔铁的磁阻之和， 式中 磁通通过铁芯的长度；磁通通过铁芯的长度； 铁芯横截面积；铁芯横截面积； 铁芯在磁感应值为时的磁导率；铁芯在磁感应值为时的磁导率； 衔铁横截面积；衔铁横截面积； 衔铁在磁感应值为时的磁导率；衔铁在磁感应值为时的磁导率；磁导

8、率磁导率磁导率磁导率导磁率导磁率导磁率导磁率H/mH/m9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 空气隙长度；空气隙长度； 空气隙横截面积；空气隙横截面积； 空气的磁导率空气的磁导率 ； 有：有： 因为铁芯和衔铁为导磁性材料，其磁阻与空气隙磁阻相比因为铁芯和衔铁为导磁性材料，其磁阻与空气隙磁阻相比很小，计算时可忽略不计，很小，计算时可忽略不计， 有：有：线圈匝数线圈匝数W W确定后，只要空气隙长度确定后，只要空气隙长度和空气隙截面二者之一和空气隙截面二者之一发生变化，传感器的电感量都会发生变化发生变化，传感器的电感量都会发生变化。9/7/2024第第141

9、4章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 变气隙厚度变气隙厚度的电感式传感器的电感式传感器变气隙面积变气隙面积S S的电感式传感器的电感式传感器变磁导率变磁导率的电感式传感器的电感式传感器变磁阻式传感器的类型：变磁阻式传感器的类型：可变导磁面积型可变导磁面积型9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 假设初始气隙为假设初始气隙为0 0，则初始电感为，则初始电感为 当当 ，电感量为：，电感量为：L L与与的关系为双曲线的关系为双曲线2）特性分析9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 电感的变化量电感的变化量

10、LL为为 有：有： 当当 1 1时，可将上式展开成级数时，可将上式展开成级数 9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 当电感变化量为电感变化量为 有有 可见，不若考虑包括可见，不若考虑包括2 2次项以上的高次项，则次项以上的高次项，则 与与 成比例关系，因此，高次项的存在是造成非线性的成比例关系，因此，高次项的存在是造成非线性的主要原因。但当空气隙相对变化主要原因。但当空气隙相对变化 越小时，高次项将迅速越小时，高次项将迅速减小，非线性可以得到改善。然而，这导致传感器的测量范减小，非线性可以得到改善。然而，这导致传感器的测量范围（即衔铁的允许工作位移）变

11、小围（即衔铁的允许工作位移）变小. . 一般对于变气隙式电感传感器，取一般对于变气隙式电感传感器，取 。 9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 由两只完全对称的单磁路自感电感传感器合用一个活动衔铁由两只完全对称的单磁路自感电感传感器合用一个活动衔铁组成。组成。其结构特点是上下两个导磁体的几何尺寸完全相同，材料相其结构特点是上下两个导磁体的几何尺寸完全相同，材料相同，上下两只线圈的电气参数也完全一致。同，上下两只线圈的电气参数也完全一致。 （b）螺管型）螺管型（a） E型型2 2自感式差动电感传感器自感式差动电感传感器1）结构特点9/7/2024第第14

12、14章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 上图为差动电感传感器电桥接线图。传感器的两只电上图为差动电感传感器电桥接线图。传感器的两只电感线圈接成交流电桥的相邻两臂，另外两个桥臂由电感线圈接成交流电桥的相邻两臂，另外两个桥臂由电阻组成。阻组成。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 在起始位置时，衔铁处于中间位置，两边的空在起始位置时，衔铁处于中间位置，两边的空隙相等，因此，两只电感线圈的电感量在理论上相隙相等，因此，两只电感线圈的电感量在理论上相等，电桥的输出电压等，电桥的输出电压 ，电桥处于平衡状态。，电桥处于平衡状态。 当衔铁偏离中间位

13、置向上或向下移动时，造成两边当衔铁偏离中间位置向上或向下移动时，造成两边气隙不一样，使两只电感线圈的电感量一增一减，气隙不一样，使两只电感线圈的电感量一增一减，电桥就不平衡。电桥输出电压的幅值大小与衔铁移电桥就不平衡。电桥输出电压的幅值大小与衔铁移动量的大小成比例，其相位则反相动量的大小成比例，其相位则反相180180。因此，如。因此，如果测量出输出电压的大小和相位，就能确定位移量果测量出输出电压的大小和相位，就能确定位移量的大小和方向。的大小和方向。 2）工作原理）工作原理9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 3）E E型差动电感传感器接入电桥后的输

14、出特性型差动电感传感器接入电桥后的输出特性 输出特性是指电桥输出电压与传感器衔铁位移量输出特性是指电桥输出电压与传感器衔铁位移量之间的关系。之间的关系。 当衔铁在中间位置时，两边的气隙长度相等，有：当衔铁在中间位置时，两边的气隙长度相等，有：9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 单个电感线圈的铜电阻；单个电感线圈的铜电阻； 单个电感线圈的交流阻抗（在单个电感线圈的交流阻抗（在 时）；时）； 电源电压的角频率。电源电压的角频率。 当衔铁偏离中间位置时，设向上偏移当衔铁偏离中间位置时，设向上偏移 ，磁路上半部气，磁路上半部气隙磁导增加，下半部气隙磁导减少，

15、于是电桥对角端有电压输隙磁导增加，下半部气隙磁导减少，于是电桥对角端有电压输出。假定电桥输出端的负载阻抗为无穷大，则输出电压为出。假定电桥输出端的负载阻抗为无穷大，则输出电压为 （14-8）9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 由于上下两边气隙不相等，阻抗也有了改变，上边增由于上下两边气隙不相等，阻抗也有了改变，上边增加加 ，下边减少，下边减少 ，即，即 。其。其中，中， ， 。电桥的另两臂是电阻，。电桥的另两臂是电阻，即即 。将这些关系代入式（。将这些关系代入式（14-814-8）可得）可得式中式中 Z Z0 0衔铁在中间位置时单个电感线圈的阻抗；衔

16、铁在中间位置时单个电感线圈的阻抗； R Rc c衔铁在中间位置时单个线圈的铜电阻；衔铁在中间位置时单个线圈的铜电阻； L L0 0衔铁在中间位置时单个线圈的起始电感量。衔铁在中间位置时单个线圈的起始电感量。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 单个电感传感器的单个电感传感器的 和和 的的关系是非线性的，但当构成差动电感传关系是非线性的，但当构成差动电感传感器且接成电桥以后，电桥输出电压将感器且接成电桥以后，电桥输出电压将与与 有关。有关。 图14-49/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 差动电感传感器衔铁的线性

17、工作范围一般可取为差动电感传感器衔铁的线性工作范围一般可取为 。 采用差动式电感传感器不仅可以减少非线性，采用差动式电感传感器不仅可以减少非线性，同时还可以提高灵敏度。同时还可以提高灵敏度。优点：差动型差动型9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 与变压器不同之处：变压器是闭合磁路，差动变压器是开磁路；与变压器不同之处：变压器是闭合磁路，差动变压器是开磁路；前者原、副边间的互感系数是常数，而后者的互感系数随衔铁前者原、副边间的互感系数是常数，而后者的互感系数随衔铁移动有相应变化。移动有相应变化。 图14-51 1工作原理工作原理简称差动变压器，如图简称差

18、动变压器，如图14-514-5所示。所示。由铁芯、衔铁和线圈组成。差动由铁芯、衔铁和线圈组成。差动变压器上下两只铁芯均有一个初变压器上下两只铁芯均有一个初级线圈级线圈1 1（又称激励线圈）和一（又称激励线圈）和一个次级线圈个次级线圈2 2（也称输出线圈）。（也称输出线圈）。上下两只初级线圈串联后接交流上下两只初级线圈串联后接交流激励电压激励电压 。两只次级线圈。两只次级线圈按电势反相串接。按电势反相串接。差动变压器式传感器差动变压器式传感器9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 当衔铁处于中间时，当衔铁处于中间时，1 1= =2 2，线圈，线圈1 1中产

19、生交变磁通为中产生交变磁通为1 1和和2 2，在线圈，在线圈2 2中产生交流感应电势，由于两边气隙相等，磁中产生交流感应电势，由于两边气隙相等，磁阻相等，所以阻相等，所以1 1= =2 2，次级线圈中感应电势，次级线圈中感应电势 ，输出电压，输出电压 。当衔铁偏离中间位置时，。当衔铁偏离中间位置时， 两边气隙不相等，两线圈之间两边气隙不相等，两线圈之间的互感的互感M M发生变化，次级线圈中感应电势不再相等发生变化，次级线圈中感应电势不再相等 ，便有电压，便有电压 输出。输出。 的大小和相位取决于衔铁移动量的大小和方向。的大小和相位取决于衔铁移动量的大小和方向。9/7/2024第第1414章章

20、位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 图14-6衔铁均为板形，灵敏度高，范围则较窄，测量几到几百微米衔铁均为板形，灵敏度高，范围则较窄，测量几到几百微米 圆柱形衔铁的螺管型圆柱形衔铁的螺管型 测量转角的差动变压器测量转角的差动变压器圆柱形衔铁的螺管型圆柱形衔铁的螺管型 2 2差动变压器式传感器的结构类型和主要特性差动变压器式传感器的结构类型和主要特性1).结构类型9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 在初始状态时，元件在初始状态时，元件1 1与元件与元件2 2一致，它们的初级线圈电感为一致，它们的初级线圈电感为初级线圈的匝数；初级线圈的匝数；初

21、始状态时磁路磁阻。初始状态时磁路磁阻。 初级线圈中的电流为初级线圈中的电流为 式中式中 初级线圈的直流电阻。初级线圈的直流电阻。 2).主要特性9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 当有空气隙变化为当有空气隙变化为 时，两个初级线圈的电时，两个初级线圈的电感分别为感分别为初级线圈的阻抗分别为初级线圈的阻抗分别为9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 此时初级线圈的电流为此时初级线圈的电流为次级线圈的输出电压次级线圈的输出电压 为两个线圈感应电势之差为两个线圈感应电势之差而感应电势分别为而感应电势分别为9/7/20

22、24第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 M M1 1及及M M2 2为初级与次级之间的互为初级与次级之间的互感系数，其值分别为感系数，其值分别为 式中式中 W2 W2次级线圈的匝数；次级线圈的匝数； 1 1 、22分别为上下两个磁系统中的磁通。分别为上下两个磁系统中的磁通。 综上有综上有: :9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 一般情况下一般情况下 ，所以，所以 可忽略不计，可求得输出电压可忽略不计，可求得输出电压 为为传感器的灵敏度传感器的灵敏度 可见，差动变压器式传感器的特性几乎完全是线性的，其可见，差动变压器式传感器

23、的特性几乎完全是线性的，其灵敏度不仅取决于磁系统的结构参数，同时也取决于初级、次灵敏度不仅取决于磁系统的结构参数，同时也取决于初级、次级线圈的匝数比及激励电源电压的大小。级线圈的匝数比及激励电源电压的大小。 可以通过改变匝数比及提高电源电压来提高灵敏度。可以通过改变匝数比及提高电源电压来提高灵敏度。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 差动变压器的输出电压是调幅波，为辨别衔铁的移差动变压器的输出电压是调幅波，为辨别衔铁的移动方向，要进行解调。常用解调电路有：差动相敏检动方向，要进行解调。常用解调电路有：差动相敏检波与差动整流电路。波与差动整流电路。 （

24、1 1）差动相敏检波电路。相敏检波电路要求参考电）差动相敏检波电路。相敏检波电路要求参考电压与差动变压器次级输出电压频率相同，相位相同或压与差动变压器次级输出电压频率相同，相位相同或相反；因此常接入移相电路。为提高检波效率，参考相反；因此常接入移相电路。为提高检波效率，参考电压幅值取为信号的电压幅值取为信号的3 35 5倍。倍。 3)差动变压器的测量电路差动变压器的测量电路9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 （2）差动整流电路。 辨别移动方向、消除零点残存电压辨别移动方向、消除零点残存电压辨别移动方向、消除零点残存电压辨别移动方向、消除零点残存电压9

25、/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 电涡流式传感器电涡流式传感器9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 1 感应电涡流位移传感器的工作原理9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 2)电涡流产生一个电磁场 电涡流产生一个电磁场，作用于传感器的线圈上，由楞次电涡流产生一个电磁场，作用于传感器的线圈上，由楞次定律，这个磁场的特点是它将反抗原来磁场的变化，总的平均定律，这个磁场的特点是它将反抗原来磁场的变化，总的平均效应是使空间的磁场受到削弱（电涡流产生的磁通的方向与原效应是使空间

26、的磁场受到削弱（电涡流产生的磁通的方向与原来线圈的磁通方向相反）。来线圈的磁通方向相反）。1) 1)在平板上产生电涡流在平板上产生电涡流 当金属平板置于交变的磁场中或有当金属平板置于交变的磁场中或有在磁场中运动时，金属板内就要产生感在磁场中运动时，金属板内就要产生感应电流，这种电流在金属体内是自己闭应电流，这种电流在金属体内是自己闭合的环状电流，称之为涡流。涡流回路合的环状电流，称之为涡流。涡流回路是以线圈为中心线的圆心的同心圆。是以线圈为中心线的圆心的同心圆。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 3)3)电涡流有热效应电涡流有热效应 电涡流在金属板中

27、流动，回路将呈现一定的电阻，因此，电涡流在金属板中流动，回路将呈现一定的电阻，因此，要产生焦耳要产生焦耳楞次热，要消耗一部分能量。楞次热，要消耗一部分能量。4) 4)对铁磁材料要磁化，产生附加的磁场对铁磁材料要磁化，产生附加的磁场 若金属平板是由磁性材料做成的，在线圈磁场的作用下，若金属平板是由磁性材料做成的，在线圈磁场的作用下，金属板将被磁化，产生一个附加磁场又增强了线圈中的磁场金属板将被磁化，产生一个附加磁场又增强了线圈中的磁场。5) 5)铁磁材料由于存在磁滞损耗，要发热铁磁材料由于存在磁滞损耗，要发热 金属板是磁性材料，交变的高频磁场使它反复磁化，由于金属板是磁性材料，交变的高频磁场使它

28、反复磁化，由于磁性材料的磁滞特性，反复磁化要消耗能量，也就是存在磁滞磁性材料的磁滞特性，反复磁化要消耗能量，也就是存在磁滞损耗。在实际工作中，经常使用铝板，可避免此现象。损耗。在实际工作中，经常使用铝板，可避免此现象。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 2 2 物理模型物理模型9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 将线圈和金属板看成是一个空心变压器将线圈和金属板看成是一个空心变压器 传感器线圈传感器线圈初级；初级； 金属板金属板次级次级 由于存在热效应，金属板具有电感由于存在热效应，金属板具有电感L L和电阻

29、和电阻r r，两线圈间有，两线圈间有互感互感M M，显然，显然M M与两线圈之间的距离有关。与两线圈之间的距离有关。 设初级线圈中有电流设初级线圈中有电流i i1 1，由于互感作用，次级回路中有电由于互感作用，次级回路中有电流流i i2 2。 由回路电压定律：沿回路所升高的电位必等于沿此回路所由回路电压定律：沿回路所升高的电位必等于沿此回路所降低的电位）。降低的电位）。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 取拉氏变换，然后令取拉氏变换，然后令 中，中，（1）（2）由（由（2 2）求出）求出 代入（代入（1 1）9/7/2024第第1414章章 位移、速

30、度、加速度测量位移、速度、加速度测量 则有线圈中有效阻抗则有线圈中有效阻抗实部实部虚部虚部电阻分量电阻分量线圈本身电阻线圈本身电阻涡流热效应产生的电阻涡流热效应产生的电阻实部实部9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 虚部虚部 感抗分量感抗分量本身电感本身电感电涡流效应造成的电涡流效应造成的 由此可知，等效阻抗由此可知，等效阻抗 中，电阻分量中，电阻分量 和等效电和等效电感感 的表示式中都包含有互感的表示式中都包含有互感M M这个量，而这个量，而M M和线圈与金属和线圈与金属板之间的板之间的距离距离有关，有关，金属板的材料金属板的材料有关。有关。9/7/

31、2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 3 3影响传感器性能的因素影响传感器性能的因素1).1).线圈结构的影响线圈结构的影响 我们希望灵敏度高，线性范围大，对电涡流式传感器，灵敏我们希望灵敏度高，线性范围大，对电涡流式传感器，灵敏度和线性范围受线圈产生的磁场分布情况影响。要使线性范围度和线性范围受线圈产生的磁场分布情况影响。要使线性范围增大则线圈的磁场轴向分布范围要大，要使灵敏度越高，则需增大则线圈的磁场轴向分布范围要大，要使灵敏度越高，则需被测导体向轴向移动时，磁场强度变化梯度越大。被测导体向轴向移动时，磁场强度变化梯度越大。分析结果：分析结果：线圈薄时，灵

32、敏度高。线圈外径大时，传感器线性范围大，线线圈薄时，灵敏度高。线圈外径大时，传感器线性范围大，线性范围增大，但灵敏度降低。传感器的线性范围一般为线圈外性范围增大，但灵敏度降低。传感器的线性范围一般为线圈外径的径的1/31/31/51/5。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 2).2).被测体的材料、尺寸、形状对灵敏度的影响被测体的材料、尺寸、形状对灵敏度的影响 电涡流式传感器是利用线圈与被测金属导体之间的磁性耦合电涡流式传感器是利用线圈与被测金属导体之间的磁性耦合程度的变化进行的。所以传感器的线圈仅为传感器的一半，另程度的变化进行的。所以传感器的线圈

33、仅为传感器的一半，另一半则是被测物体，被测物体的物理性质、几何形状及尺寸都一半则是被测物体，被测物体的物理性质、几何形状及尺寸都会影响灵敏度的测量结果。会影响灵敏度的测量结果。 一般：一般： 被测物体电导率越高被测物体电导率越高则灵敏度越高。则灵敏度越高。 被测物体磁导率越高被测物体磁导率越高则灵敏度越低。则灵敏度越低。 被测物体的平板半径应大于线圈半径的倍，否则不能全被测物体的平板半径应大于线圈半径的倍，否则不能全部利用所能产生的电涡流效应，致使灵敏度降低。部利用所能产生的电涡流效应，致使灵敏度降低。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 4 4 测量

34、电路测量电路 介绍一种用途较为广泛的阻抗分压调幅测量电路的工作原介绍一种用途较为广泛的阻抗分压调幅测量电路的工作原理。（实际上是测量的阻抗理。（实际上是测量的阻抗 的变化）的变化）测量电路框图如下：测量电路框图如下：9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 传感器与电容传感器与电容C C并联，组成一个并联，组成一个LCLC并联谐振电路。并联谐振电路。 所谓谐振：在一定条件下，感抗和容抗消失，呈现为纯电所谓谐振：在一定条件下，感抗和容抗消失，呈现为纯电阻性的交流电路。阻性的交流电路。 可将其等效为下图：可将其等效为下图：9/7/2024第第1414章章 位移

35、、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 由图可得回路方程：由图可得回路方程：i i为总电流，为总电流， 、 为两条并联电路上的电流。为两条并联电路上的电流。 上电压降，上电压降， 为电感上电压降。为电感上电压降。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 取拉氏变换，令取拉氏变换，令 ，（，（0 0初始条件）初始条件）(1)(3)(2)由此可求出电路的复导纳由此可求出电路的复导纳阻抗之倒数。阻抗之倒数。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 若虚部为若虚部为0 0，则电流矢量与电压矢量同相，电路呈纯电阻，则电流矢量与

36、电压矢量同相，电路呈纯电阻性，此时为谐振。性，此时为谐振。 因此电路产生谐振的条件是因此电路产生谐振的条件是可解出可解出谐振频率谐振频率所以所以9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 一般有一般有ReRe是很小的，对一定的线圈来讲，是很小的，对一定的线圈来讲，则有则有此时电路的纯电阻此时电路的纯电阻即即9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 若仅考虑阻抗大小，其频率特性可用图示表示：若仅考虑阻抗大小，其频率特性可用图示表示： 无论激励频率大于还是小于谐振频率，回路中阻抗将下降。无论激励频率大于还是小于谐振频率，回路

37、中阻抗将下降。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 从测量电路框图中还可看到，电阻从测量电路框图中还可看到，电阻R R与谐振回路的阻抗对与谐振回路的阻抗对于石英振荡器输出来讲构成了一个分压关系，两者是串联的。于石英振荡器输出来讲构成了一个分压关系，两者是串联的。 一般来讲，对于非磁性材料有如图关系：一般来讲，对于非磁性材料有如图关系：9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 对磁性材料而言有下图关系：对磁性材料而言有下图关系：9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 1 1、电

38、感测微仪、电感测微仪探头探头测量测量电桥电桥交流交流放大放大相敏相敏检波检波指示器指示器振荡器振荡器14.1.1.4 14.1.1.4 应用举例应用举例9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 变气隙式电感测微仪变气隙式电感测微仪动态测量范围：动态测量范围：动态测量范围：动态测量范围：1mm1mm1mm1mm分辨率：分辨率：分辨率：分辨率：1um1um1um1um精度：精度：精度：精度：3%3%3%3%9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 F F2 2、电感压力传感器 变气隙式结构9/7/2024第第1414章章

39、位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 变气隙式差动压力传感器9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 电感式油压传感器 液压传动的各种机械装置9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 测量板材厚度测量板材厚度测量板材厚度测量板材厚度L L1 1产生的磁力线切割产生的磁力线切割MM在被测体在被测体M M中产生电涡流中产生电涡流i i，涡流损耗部分能量，使通过，涡流损耗部分能量，使通过L L2 2的磁力线减少，的磁力线减少，引起引起L L2 2电势电势E E下降。下降。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、

40、加速度测量位移、速度、加速度测量 齿轮齿齿轮齿数数9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 金属材料的表面裂纹金属材料的表面裂纹 电缆传输线电缆传输线热处理裂纹热处理裂纹焊缝等焊缝等 检查金属表面裂纹、焊接部位的探伤检查金属表面裂纹、焊接部位的探伤检查金属表面裂纹、焊接部位的探伤检查金属表面裂纹、焊接部位的探伤传感器与被测体距离不变，裂纹将引起金属的电阻率、传感器与被测体距离不变，裂纹将引起金属的电阻率、传感器与被测体距离不变，裂纹将引起金属的电阻率、传感器与被测体距离不变，裂纹将引起金属的电阻率、磁导率变化，综合引起传感器参数变化。磁导率变化，综合引起传

41、感器参数变化。磁导率变化，综合引起传感器参数变化。磁导率变化，综合引起传感器参数变化。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 6 测量位移（2 2 2 2）汽轮机主轴的轴向窜动）汽轮机主轴的轴向窜动）汽轮机主轴的轴向窜动）汽轮机主轴的轴向窜动量程：量程：量程：量程：0 0 0 0 30mm 30mm 30mm 30mm分辨率：分辨率：分辨率：分辨率：0.1%0.1%0.1%0.1%（1 1 1 1）液位监控系统）液位监控系统）液位监控系统）液位监控系统9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 水箱水箱旁通阀旁通阀省煤

42、器省煤器电感传感器电感传感器M 调节阀调节阀控制器控制器输出输出锅筒锅筒电磁电磁线圈线圈玻璃玻璃板液板液位计位计传感器传感器 浮浮 球球离心水泵离心水泵9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 电容式传感器是电容式传感器是以电容器为敏感元件，以电容器为敏感元件，将被测将被测非电量转化为电容量的变化，进而实现非电量到电非电量转化为电容量的变化，进而实现非电量到电量的转换。量的转换。电容元件电容元件电容元件电容元件 非电量非电量非电量非电量电容量变化电容量变化电容量变化电容量变化14.1.2 14.1.2 电容式位移测量系统电容式位移测量系统9/7/2024第

43、第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 优点：优点： 高阻抗，小功率。高阻抗，小功率。 灵敏度高，具有较高的信噪比和系统稳定性。灵敏度高，具有较高的信噪比和系统稳定性。 良好的动态特性。良好的动态特性。 结构简单，适应性强。结构简单，适应性强。 可进行非接触测量。可进行非接触测量。 本身发热影响小。本身发热影响小。 缺点：缺点： 变间隙电容传感器非线性较严重。变间隙电容传感器非线性较严重。 输出阻抗很高。输出阻抗很高。 寄生电容大寄生电容大电容式传感器的特点电容式传感器的特点9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 应用：应用：可用于

44、位移、压力、厚度、液位、湿度、振动、可用于位移、压力、厚度、液位、湿度、振动、转速、流量的测量转速、流量的测量 。 1920-1925 1920-1925 1920-1925 1920-1925 电容传感器用于测量电容传感器用于测量电容传感器用于测量电容传感器用于测量 70-8070-8070-8070-80年代，应用广泛年代，应用广泛年代，应用广泛年代，应用广泛 集成电容传感器集成电容传感器集成电容传感器集成电容传感器电容式传感器的应用电容式传感器的应用9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 在忽略边缘效应时，平板电容器的电容为在忽略边缘效应时，平板电

45、容器的电容为 C 电容量；电容量；d d 两平行极板间的距离；两平行极板间的距离； 介质的相对介电常数；介质的相对介电常数； 真空的介电常数，真空的介电常数， 1010-12-12F/mF/m；A A 极板面积。极板面积。 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 在进行非电量电测时，可把力、加速度、位移及转速等力学在进行非电量电测时，可把力、加速度、位移及转速等力学量转换成量转换成d d、A A或或 的变化，从而转换成电容量的变化。的变化，从而转换成电容量的变化。1)1)边缘效应产生的原因：电场均匀分布于两极板

46、所围成的空间边缘效应产生的原因：电场均匀分布于两极板所围成的空间; ;2)2)后果：边缘效应相当于传感器并联一个电容后果：边缘效应相当于传感器并联一个电容, ,引起传感器灵敏引起传感器灵敏度下降和非线性增加。度下降和非线性增加。3)3)消除边缘效应的方法：消除边缘效应的方法： 应增大初始电容量，即可应增大初始电容量，即可适当增大极板面积、减小极板适当增大极板面积、减小极板间距。间距。 也可采用等位环的方法也可采用等位环的方法边缘效应：边缘效应：9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 电容式传感器分为三个类型，即电容式传感器分为三个类型，即变极距（变极距（

47、d d）型、）型、变面积（变面积（A A）型和变介电常数（）型和变介电常数（）型）型。 电容式传感器的结构类型及主要特性电容式传感器的结构类型及主要特性结构类型结构类型9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 1 1 1 1、基本工作原理、基本工作原理、基本工作原理、基本工作原理C C 电容量，单位：电容量，单位：电容量，单位：电容量，单位：F F 法拉法拉法拉法拉 真空介电常数，真空介电常数，真空介电常数，真空介电常数，8.85108.8510-12-12F/mF/m 极板间介质的相对介电常数极板间介质的相对介电常数极板间介质的相对介电常数极板间介质的相

48、对介电常数A A 极板的有效面积（极板的有效面积（极板的有效面积（极板的有效面积（mm2 2） 两平行极板间的距离（两平行极板间的距离（两平行极板间的距离（两平行极板间的距离（mm）平板电容器平板电容器平板电容器平板电容器9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 x固定极板可动极板 x输出C0x0 xCdC 图中一个电极板固定不动，称为固定极板，另一极板可图中一个电极板固定不动，称为固定极板，另一极板可左右移动，引起极板间距离左右移动，引起极板间距离 x x 相应变化，从而引起电容量相应变化，从而引起电容量的变化。因此，只要测出电容变化量的变化。因此，只要

49、测出电容变化量C C，便可测得极板间，便可测得极板间距的变化量，即动极板的位移量距的变化量，即动极板的位移量x x。 变极距式电容传感器改成差动式，不仅非线性误差大变极距式电容传感器改成差动式，不仅非线性误差大大减少，灵敏度也可提高了一倍。大减少，灵敏度也可提高了一倍。2. 2. 变极距式电容传感器变极距式电容传感器9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 3. 3. 变面积式电容传感器变面积式电容传感器由两个电极板构成，一个固定极板，一个为可动极板，两由两个电极板构成，一个固定极板，一个为可动极板，两极板均呈半圆形。假定极板间的电介质不变，当两极板完极板

50、均呈半圆形。假定极板间的电介质不变，当两极板完全正对时，其电容量全正对时，其电容量C C0 0为为9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 电容式位移传感器电容式位移传感器 的位移测量范围为的位移测量范围为 1m 1m10mm10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%2%，变面积式电容传感器的分辨率可达。，变面积式电容传感器的分辨率可达。 当可动极板绕轴转动一个当可动极板绕轴转动一个 角时，角时，两极板的对应面积要减少两极板的对应面积要减少A A。则。则传感器的电容量就要减少传感器的电容量就要减少C C，将，将

51、电容量的变化检测出来，可实现角电容量的变化检测出来，可实现角位移的测量。位移的测量。变面积式电容传感器变面积式电容传感器固定极板固定极板可动电极可动电极9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 电容式传感器桥式电路电容式传感器桥式电路单臂接法UscCxC1C2C3Usr差动接法UscC0+CC0CUsr4. 4. 电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路 测量电路将电容量转换成电压、电流或频率测量电路将电容量转换成电压、电流或频率信号。常用的测量电路有。信号。常用的测量电路有。（1 1）桥式电路）桥式电路9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加

52、速度测量位移、速度、加速度测量 （2 2）运算放大器电路）运算放大器电路 变极距型电容传感器的极距变化与电容量成非线变极距型电容传感器的极距变化与电容量成非线性关系，这一缺点使电器传感器的应用受到一定限制，性关系，这一缺点使电器传感器的应用受到一定限制，而采用运算放大器电路可得到输出电压与输入位移的而采用运算放大器电路可得到输出电压与输入位移的线性关系。如图线性关系。如图14-1514-15所示，所示，C C0 0为固定电容，为固定电容，C Cx x为反馈为反馈电容且为电容式传感器。根据运算放大器的运算关系，电容且为电容式传感器。根据运算放大器的运算关系，有有 Cx运算放大器电路运算放大器电路

53、C0UsckUsr9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 半导体光电位置敏感器件（半导体光电位置敏感器件（position position Sensitive DetectorSensitive Detector简称简称PSDPSD）是一种对其感光面）是一种对其感光面上入射光点位置敏感的光电器件，即当入射光点上入射光点位置敏感的光电器件，即当入射光点落在器件感光面的不同位置时，将对应输出不同落在器件感光面的不同位置时，将对应输出不同的电信号，通过对此输出电信号的处理，即可确的电信号，通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光点在器件感光面上的位置。定入射

54、光点在器件感光面上的位置。 PSD PSD可分为一维和二维可分为一维和二维PSDPSD。14.1.4 14.1.4 光电位置敏感器件光电位置敏感器件9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 线阵光位置传感器线阵光位置传感器线阵光位置传感器线阵光位置传感器面阵光位置传感器面阵光位置传感器面阵光位置传感器面阵光位置传感器二维面阵光位置传感器二维面阵光位置传感器二维面阵光位置传感器二维面阵光位置传感器9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 PSDPSD测量系统具有非接触、测量范围较大、响测量系统具有非接触、测量范围较大、响

55、应速度快、精度高等优点，近年来广泛用于位应速度快、精度高等优点，近年来广泛用于位移、物体表面振动、物体厚度等参数的检测移、物体表面振动、物体厚度等参数的检测。光位置传感器的结构光位置传感器的结构光位置传感器的结构光位置传感器的结构通过检测电流检测光照射的位置通过检测电流检测光照射的位置通过检测电流检测光照射的位置通过检测电流检测光照射的位置9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 作业作业6-1 试分析比较变磁阻式自感传感器、差动变压器式试分析比较变磁阻式自感传感器、差动变压器式互感传感器和涡流传感器的工作原理和灵敏度。互感传感器和涡流传感器的工作原理和灵

56、敏度。6-2 差动变压器式传感器有几种结构形式？各有什么差动变压器式传感器有几种结构形式？各有什么特点？特点？6-3 差动变压器式传感器的零点残余电压产生的原因差动变压器式传感器的零点残余电压产生的原因是什么？怎样减小和消除它的影响？是什么？怎样减小和消除它的影响？6-4 电涡流的形成范围包括哪些内容？它们的主要特电涡流的形成范围包括哪些内容？它们的主要特点是什么？点是什么？9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 6-5 电涡流传感器常用测量电路有几种？其测量原理如何？各有电涡流传感器常用测量电路有几种？其测量原理如何？各有什么特点？什么特点？6-6 已

57、知一差动整流电桥电路如题已知一差动整流电桥电路如题6-7图所示。电路由差动电感传图所示。电路由差动电感传感器感器Z1、Z2及平衡电阻及平衡电阻R1、R2（R1=R2）组成。桥路的一个对）组成。桥路的一个对角接有交流电源角接有交流电源 ，另一个对角线为输出端，另一个对角线为输出端Uo，试分析该电路，试分析该电路的工作原理。的工作原理。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 6-7 电涡流式传感器有何特点？画出应用于测板材厚电涡流式传感器有何特点？画出应用于测板材厚度的原理框图。度的原理框图。6-8 一个铁氧体环形磁芯，平均长度为一个铁氧体环形磁芯，平均长度

58、为12cm，截面积，截面积为为2，平均相对磁导率，平均相对磁导率 ，求：，求：(1) 在上面均匀绕线在上面均匀绕线500匝时的电感值是多少？匝时的电感值是多少？(2) 匝数增加一倍时电感值是多少？匝数增加一倍时电感值是多少？6-9 电涡流传感器线圈的外径、内径和厚度分别为电涡流传感器线圈的外径、内径和厚度分别为8mm、3mm和和2mm。用它检测铜材的厚度，若以。用它检测铜材的厚度，若以X=2mm为零点，测量范围为，试求用端点连线法求线为零点，测量范围为，试求用端点连线法求线性度相对误差为多少？性度相对误差为多少？9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 u

59、物体的运动速度分为物体的运动速度分为线速度线速度和和角速度角速度( (转速转速) )。u速度是位移对时间的微分，对加速度的积分，速度是位移对时间的微分，对加速度的积分，可可通过位移传感器的输出电信号通过微分电路进行通过位移传感器的输出电信号通过微分电路进行微分，或者把加速度传感器的输出电信号通过积微分，或者把加速度传感器的输出电信号通过积分电路进行积分，就可以得到速度随时间的变化分电路进行积分，就可以得到速度随时间的变化关系。关系。u存在的问题：存在的问题： 1) 1) 微分处理微分处理 2) 2) 积分处理积分处理因此速度测量最好采用直接测量法。因此速度测量最好采用直接测量法。14.2 14

60、.2 速度测量速度测量测速电机测速电机9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 平均速度法平均速度法适用于测量运动较平稳的物体适用于测量运动较平稳的物体的速度。的速度。 通过已知的位移通过已知的位移x x和相应的时间间隔和相应的时间间隔t t来测量平均速度来测量平均速度 。14.2.1 平均速度法平均速度法9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 常用的区截装置有：常用的区截装置有：p 线圈靶线圈靶p 光幕靶光幕靶p 天幕靶天幕靶p 网靶网靶p 铝箔靶铝箔靶p 钢板靶钢板靶14.2.1 平均速度法平均速度法9/7/20

61、24第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 线圈靶的类型线圈靶的类型p感应线圈靶感应线圈靶 感应线圈靶：要求被测物体带有磁性感应线圈靶：要求被测物体带有磁性 结构特点：仅有一组感应线圈结构特点：仅有一组感应线圈p励磁线圈靶励磁线圈靶 励磁线圈靶：要求运动体是磁导体。励磁线圈靶：要求运动体是磁导体。 结构特点：两组线圈，外层为感应线圈，内层为结构特点：两组线圈，外层为感应线圈，内层为励磁线圈励磁线圈1、线圈靶、线圈靶9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 感应线圈靶的工作原理感应线圈靶的工作原理p基于电磁感应原理基于电磁感应原理xz

62、y0rpaQp为点磁偶极子的磁矩为点磁偶极子的磁矩n为线圈靶的有效圈数为线圈靶的有效圈数0运动体的磁导率运动体的磁导率a为线圈的有效半径为线圈的有效半径1 1、线圈靶、线圈靶9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 xxem为感应电势的峰值为感应电势的峰值p为点磁偶极子的磁矩为点磁偶极子的磁矩n为线圈靶的有效圈数为线圈靶的有效圈数0运动体的磁导率运动体的磁导率a为线圈的有效半径为线圈的有效半径1 1、线圈靶、线圈靶9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 使用注意事项：使用注意事项：1)使用感应线圈需对运动体进行磁化；

63、使用感应线圈需对运动体进行磁化；2)线圈中心应与运动体的运行方向尽量重合线圈中心应与运动体的运行方向尽量重合特征点：特征点：1)类似于正弦的区截信号对应于线圈靶的中类似于正弦的区截信号对应于线圈靶的中性平面性平面;2) em为信号的峰值点电势。为信号的峰值点电势。1、线圈靶、线圈靶9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 天幕靶天幕靶是一种光电靶，利用太阳光在大是一种光电靶，利用太阳光在大气中散射而形成的自然光为光源。也可以使气中散射而形成的自然光为光源。也可以使用直流光源。用直流光源。 特点：特点：对运动体材料没有特殊要求，对对运动体材料没有特殊要求，对

64、运动体飞行没有干扰。运动体飞行没有干扰。2、天幕靶、天幕靶9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 badccdba 根据透镜成象原理，根据透镜成象原理，发光体发光体ab所成的象为所成的象为ab。如在象前装一个光阑，则如在象前装一个光阑，则只有光阑上狭缝所允许通只有光阑上狭缝所允许通过的光才能成象于过的光才能成象于cd。 如对准如对准cdcd安装一个光敏元件，它所接收的安装一个光敏元件，它所接收的只是垂直于纸面方向只是垂直于纸面方向( (与光阑狭缝平行与光阑狭缝平行) )，宽度为，宽度为cdcd的一条光幕的光。当弹丸飞过该光幕时，弹丸的影的一条光幕的光。当

65、弹丸飞过该光幕时，弹丸的影像将使照射到光敏元件上的光通量发生变化，使光像将使照射到光敏元件上的光通量发生变化，使光敏元件产生的电信号发生变化，发出区截信号。敏元件产生的电信号发生变化，发出区截信号。 天幕靶的工作原理天幕靶的工作原理9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 7654321NS（本课程仅介绍永磁感应测速传感器的工作原理）（本课程仅介绍永磁感应测速传感器的工作原理）1 1、结构特点、结构特点1 运动体上嵌入的运动体上嵌入的永久磁铁永久磁铁2和和5 铁芯铁芯3和和6 速度线圈速度线圈7 位移线圈位移线圈14.2.2 14.2.2 瞬时速度测量瞬时

66、速度测量9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 永磁感应测速传感器结构特点：永磁感应测速传感器结构特点：速度线圈均匀密绕，采用串联连接方式速度线圈均匀密绕，采用串联连接方式位移线圈：相邻两个位移绕组的绕向相反，相邻绕位移线圈：相邻两个位移绕组的绕向相反，相邻绕组之间距离称为节距。组之间距离称为节距。ss9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 2 2、永磁感应测速传感器工作原理、永磁感应测速传感器工作原理基于电磁感应原理基于电磁感应原理1 1）两组速度线圈绕组串联的目的）两组速度线圈绕组串联的目的 提高传感器灵敏度；

67、提高传感器灵敏度； 消除运动体振动消除运动体振动B是恒定的，确保是恒定的，确保了输出信号的线性了输出信号的线性关系，同时消除了关系，同时消除了振动。振动。14.2.2 14.2.2 瞬时速度测量瞬时速度测量9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 2 2）位移线圈绕组）位移线圈绕组原因：目前国内外没有线速度标准源，无法对速度原因：目前国内外没有线速度标准源，无法对速度信号进行标定。信号进行标定。目的：对速度进行标定或标记。目的：对速度进行标定或标记。永磁感应测速传感器工作原理永磁感应测速传感器工作原理9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量

68、位移、速度、加速度测量 输出信号特点：输出信号特点：锯齿波的峰锯齿波的峰谷、谷、 谷谷峰峰为为运动体运动了一个节距的距运动体运动了一个节距的距离。离。疏密程度：疏密程度：可以判断运动体可以判断运动体速度大小：速度大小： 疏疏速度慢速度慢 密密速度快速度快 可利用此信号对速度信号可利用此信号对速度信号进行标定进行标定永磁感应测速传感器工作原理永磁感应测速传感器工作原理9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 3 3）铁芯材料）铁芯材料采用软磁材料，同时采取防涡流措施。采用软磁材料，同时采取防涡流措施。铁芯材料：剩磁强度和矫顽力尽可能小，以防永铁芯材料：剩磁强

69、度和矫顽力尽可能小，以防永久磁铁对其磁化，以提高传感器的线性度。久磁铁对其磁化，以提高传感器的线性度。一般选用：坡莫合金一般选用：坡莫合金经特殊热处理后的铁镍经特殊热处理后的铁镍合金。合金。结构形式：采取扁平的薄片状铁芯，以尽可能减结构形式：采取扁平的薄片状铁芯，以尽可能减少铁芯中产生的电涡流。少铁芯中产生的电涡流。永磁感应测速传感器工作原理永磁感应测速传感器工作原理9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 4)4)永久磁铁永久磁铁 永久磁铁具有较强的矫顽力，要抗冲击，选用硬永久磁铁具有较强的矫顽力，要抗冲击，选用硬磁材料，磁材料， 以提高传感器灵敏度。以

70、提高传感器灵敏度。结构要求：永久磁铁的宽度要小于节距。结构要求：永久磁铁的宽度要小于节距。5 5）磁头件与运动物体连接的要求）磁头件与运动物体连接的要求连接件的要求：连接件的要求：重量轻；重量轻；刚度大；刚度大；连接牢靠连接牢靠永磁感应测速传感器工作原理永磁感应测速传感器工作原理9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 3 3测量系统测量系统1 1）测量系统组成）测量系统组成永磁感应永磁感应测速传感器测速传感器测量放大器测量放大器低阻抗输入低阻抗输入记录仪器记录仪器高阻抗输入高阻抗输入记录仪器记录仪器永磁感应速度测量系统永磁感应速度测量系统将被测的运动将被

71、测的运动体的速度转换体的速度转换成电信号成电信号将被对信号进行将被对信号进行放大，并具有阻放大，并具有阻抗变换作用。抗变换作用。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 2 2）传感器对测量放大器的要求）传感器对测量放大器的要求系统等效电路系统等效电路 永磁感应速度测量系统永磁感应速度测量系统L传感器的电感传感器的电感RL传感器的内阻传感器的内阻Rg放大器输入阻抗放大器输入阻抗 e感应电势感应电势 L RLeRgi由基尔霍夫定律：由基尔霍夫定律：9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 该模型是一阶线性系统的数学模型，

72、测量电路的该模型是一阶线性系统的数学模型，测量电路的动态特性取决于时间常数动态特性取决于时间常数，且有，且有永磁感应速度测量系统永磁感应速度测量系统结论：结论：愈小，则测量电路的动态特性愈好；反之，愈小，则测量电路的动态特性愈好；反之，愈大，则测量电路的动态特性越差。为改善测量愈大，则测量电路的动态特性越差。为改善测量电路的动态特性，要求电路中的电路的动态特性，要求电路中的L L应当小些，应当小些，R R应当应当大些。对于一定的感应传感器，大些。对于一定的感应传感器，L L和和R RL L是一定的，是一定的，要改善测量电路的动态特性，就需要测量仪器的输要改善测量电路的动态特性，就需要测量仪器的

73、输入电阻入电阻R Rg g大一些。大一些。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 积分标定法积分标定法图解积分法图解积分法数值积分法数值积分法图解积分法：图解积分法：适用于输出信号为模拟信号的系统适用于输出信号为模拟信号的系统数值积分法：数值积分法：适用于输出信号为数字信号的系统适用于输出信号为数字信号的系统采用积分标定法采用积分标定法4 4、速度灵敏度求取方法、速度灵敏度求取方法9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 4 4、速度灵敏度求取方法、速度灵敏度求取方法图解积分法图解积分法方法：要在速方法：要在速度曲线

74、上找一度曲线上找一段近似匀变速段近似匀变速运动的段。运动的段。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 数值积分法数值积分法4 4、速度灵敏度求取方法、速度灵敏度求取方法9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 14.2.3 转速测量举例转速测量举例9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 u线加速度线加速度是指物体质心沿其运动轨迹方向的加速度，是指物体质心沿其运动轨迹方向的加速度，是描述物体在空间运动本质的一个基本量。是描述物体在空间运动本质的一个基本量。u线加速度的单位是线加速

75、度的单位是m/sm/s2 2，而习惯上常以重力加速度，而习惯上常以重力加速度g g作为计量单位。对于加速度，常用惯性测量法，作为计量单位。对于加速度，常用惯性测量法，即把惯性型测量装置安装在运动体上进行测量。即把惯性型测量装置安装在运动体上进行测量。 14.3 14.3 加速度测量加速度测量9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 牵连运动：和被测运动体一起运动牵连运动：和被测运动体一起运动惯性运动：质量体相对于运动体的运动惯性运动：质量体相对于运动体的运动1 惯性式加速度计的工作原理惯性式加速度计的工作原理9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加

76、速度测量位移、速度、加速度测量 由牛顿运动定律，有：由牛顿运动定律，有： 经整理后得：经整理后得：坐标坐标x表示传感器基座表示传感器基座的位移的位移坐标坐标y表示质量块相对表示质量块相对于传感器基座的位移于传感器基座的位移9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 该物理模型是一个典型的二阶线性测量系统，该物理模型是一个典型的二阶线性测量系统，引入无阻尼固有圆频率引入无阻尼固有圆频率n及无阻尼阻尼比及无阻尼阻尼比： 以待测物体的加速度以待测物体的加速度a为激励，以质量块的相对为激励，以质量块的相对位移位移y为响应，对上式取拉氏变换，有：为响应，对上式取拉氏变

77、换，有：1 1 惯性式加速度计的工作原理惯性式加速度计的工作原理9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 频率响应函数为频率响应函数为拉氏传递函数拉氏传递函数Ha（S）为：）为：1 1 惯性式加速度计的工作原理惯性式加速度计的工作原理9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 幅频特性为幅频特性为: :相频特性为相频特性为: :1 1 惯性式加速度计的工作原理惯性式加速度计的工作原理9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 结论：结论： 惯性式加速度计必须工作在低于其固有频率的惯性式

78、加速度计必须工作在低于其固有频率的频域内。因此，惯性式加速度计有尽可能宽的工作频域内。因此，惯性式加速度计有尽可能宽的工作频域，它的固有频率应尽可能高一些，也就是弹簧频域，它的固有频率应尽可能高一些，也就是弹簧的刚度的刚度k k应尽可能大一些，质量应尽可能大一些，质量m m应尽可能小。应尽可能小。1 1 惯性式加速度计的工作原理惯性式加速度计的工作原理9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 应变式加速度计是以应变片为机应变式加速度计是以应变片为机电转换元电转换元件的加速度传感器。件的加速度传感器。 R1R2R4R3UscUsraR1R2被测加速度被测加速

79、度a ma R U等效质量块等效质量块m电桥电桥等强度梁等强度梁应变片应变片2 2 应变式加速度计应变式加速度计9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 压压电电加加速速度度计计是是一一种种惯惯性性式式传传感感器器，它它的的输输出出电荷与被测的加速度成正比电荷与被测的加速度成正比 1) 1) 结构特点：结构特点：基座：基座：加厚基座或刚度较大的材料；加厚基座或刚度较大的材料；质量块质量块m：具有一定的重量，以提高具有一定的重量，以提高传感器的灵敏度；传感器的灵敏度；引线：引线：直接焊接在晶体表面的金属片直接焊接在晶体表面的金属片上，一般采用镀银电极；上，一

80、般采用镀银电极；预加载荷：预加载荷：由硬弹簧、螺栓、螺母对由硬弹簧、螺栓、螺母对质量块、晶片预加载荷质量块、晶片预加载荷3 3 压电加速度计压电加速度计9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 被测加速度被测加速度a ma F(惯性力惯性力) Q U等效质量块等效质量块m晶片晶片电荷放大器电荷放大器3 3 压电加速度计压电加速度计2) 2)工作原理工作原理9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 (1)采用正弦运动法进行标定采用正弦运动法进行标定(2) 可分为可分为绝对标定法绝对标定法和和相对标定法（比较标定法）相对标

81、定法（比较标定法）1) 1) 绝对标定法绝对标定法 以振动的位移和频率作为基本量值。以振动的位移和频率作为基本量值。特点：特点：l要记录振动的振幅要记录振动的振幅l振动的频率振动的频率l进行数据处理算出标准加速进行数据处理算出标准加速度值。度值。读数显微镜读数显微镜振动台振动台加速度计加速度计4 4 加速度传感器系统的标定方法加速度传感器系统的标定方法9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 2) 2) 比较标定法比较标定法4 4 加速度传感器系统的标定方法加速度传感器系统的标定方法特点：特点：l有一只标准加速度计有一只标准加速度计（参考加速度计）（参考加

82、速度计）l由标准加速度计测出振由标准加速度计测出振动体的加速度值动体的加速度值l根据标准加速度值与被根据标准加速度值与被标加速度计的输出信号标加速度计的输出信号进行换算。进行换算。标准加速度计标准加速度计待标加速度计待标加速度计振动台振动台9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 (2) 瞬态运动法瞬态运动法 加速度由两个质量间的撞击产生加速度由两个质量间的撞击产生4 4 加速度传感器系统的标定方法加速度传感器系统的标定方法加速度计加速度计落锤落锤光电测速光电测速缓冲垫缓冲垫弹道摆弹道摆落锤落锤9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、

83、速度、加速度测量 4 4 加速度传感器系统的标定方法加速度传感器系统的标定方法也可以采用瞬态比较法。也可以采用瞬态比较法。被标加速度计被标加速度计标准加速度计标准加速度计9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 作作 业业1下表列出了用电涡流测振仪测量物体振动时的静标数据，表中x为位移，u为电表输出读数。X(mmU(mv问题：（1）简述电涡流测振传感器输出灵敏度与被测试件的电导率及磁导率的定性关系。 （2）根据上表数据试确定传感器的最佳安装位置及其线性测量范围。9/7/2024第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 2.为改善永磁式测速传感器的动态特性，讨论与其相连的放大器应具有何种要求。（1）写出其运动微分方程，画等效电路（2）求传递函数及频率响应（3）讨论要求的系统参数值 3.用简图说明压电式加速度计的工作原理，并说明用压电式加速度计构成的加速度测量系统的工作频率下限有那些因素决定。9/7/2024