位移速度加速度測(cè)量.pptVIP

2019/6/29,學(xué)習(xí)要求,1. 了解常用的位移、速度、加速度測(cè)量方法及其分類； 2. 熟悉常用的位移、速度、加速度測(cè)量用傳感器原理； 3. 掌握位移、速度、加速度測(cè)量系統(tǒng)的組建方法及相關(guān)注意事項(xiàng)； 4. 了解位移、速度、加速度測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定方法。,2019/6/29,位移是一種常見的運(yùn)動(dòng)量，是線位移和角位移的總稱。 位移是向量。,14.1 位移測(cè)量,2019/6/29,按位移測(cè)量原理來分有： 機(jī)械式位移測(cè)量法 如浮子式油量表、水箱液位計(jì)等都是利用浮子來感受液面的位移，達(dá)到指示油量的大小和水位的高低。 特點(diǎn)：機(jī)械慣性大，動(dòng)態(tài)特性較差，不能遠(yuǎn)距離傳送。,2019/6/29,電氣式位移測(cè)量法 位移量通過位移傳感器轉(zhuǎn)換為電量，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)試電路處理后，傳遞到顯示或記錄裝置。 特點(diǎn)：動(dòng)態(tài)范圍大，接觸式測(cè)量時(shí)，傳感器對(duì)被測(cè)對(duì)象有一定影響。,火炮自動(dòng)機(jī)位移測(cè)量?jī)x,2019/6/29,光電式位移測(cè)量法 將機(jī)械位移量通過光電式位移傳感器轉(zhuǎn)換為電量再進(jìn)行測(cè)量的方法。 特點(diǎn)：應(yīng)用于需進(jìn)行非接觸測(cè)量的場(chǎng)合，對(duì)被測(cè)對(duì)象無(wú)不良影響，具有較高的頻響精度。,2019/6/29,位移傳感器,信號(hào)調(diào)理電路,記錄儀器,電感式位移測(cè)量系統(tǒng) 電容式位移測(cè)量系統(tǒng) 光電式位移測(cè)量系統(tǒng),位移測(cè)量系統(tǒng)組成,2019/6/29,測(cè)量原理:電感式位移測(cè)量系統(tǒng) 是變磁阻類測(cè)量裝置。電感線圈 中輸入的是交流電流，當(dāng)被測(cè)位 移量引起鐵芯與銜鐵之間的磁阻 變化時(shí)，線圈中的自感系數(shù)L或互 感系數(shù)M產(chǎn)生變化。,14.1.1電感式位移測(cè)量系統(tǒng),2019/6/29,電感式傳感器的幾個(gè)特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作中沒有活動(dòng)電接觸點(diǎn)，因而，比電位器工作可靠，壽命長(zhǎng)。 靈敏度高，分辨率高，能測(cè)出0.1m甚至更小的機(jī)械位移變化，能感受小至的微小角度變化。傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng)。 電壓靈敏度高，有利于信號(hào)的傳輸與放大。 重復(fù)性好，線性度優(yōu)良，在一定位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度好，并且比較穩(wěn)定。,2019/6/29,。,自感式傳感器（電感式） 互感式傳感器（差動(dòng)變壓器式）,變磁阻式傳感器 變壓器式傳感器 渦流式傳感器,電感式傳感器可分為兩大類：,根據(jù)工作原理亦可分為：,2019/6/29,1單磁路自感式電感傳感器 1) 工作原理,由銜鐵、鐵芯和線圈三部分組成，銜鐵和鐵芯之間有空隙，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連，當(dāng)傳感器測(cè)量物理量時(shí)，銜鐵運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)生位移，導(dǎo)致氣隙厚度變化，從而使線圈的電感值發(fā)生變化。,14.1.1.1變磁阻式電感傳感器,2019/6/29,當(dāng)線圈中有電流通過時(shí)，線圈中就會(huì)產(chǎn)生磁通，若電流隨時(shí)間變化，則磁通亦隨時(shí)間變化，有：,線圈的自感系數(shù)：,在線圈中，磁通與電流I的關(guān)系：,常數(shù),磁通,線圈匝數(shù),2019/6/29,即：,磁鏈,線圈中電感L等于單位電流所產(chǎn)生的磁鏈，磁通取決于磁路中磁阻RM及磁動(dòng)勢(shì)WI，即,，代入L中,線圈電感值計(jì)算 ：,式中 W線圈的匝數(shù)； Rm磁路的總磁阻。,總磁阻,2019/6/29,若氣隙厚度較小，可認(rèn)為空氣隙磁場(chǎng)是均勻的，忽略磁路鐵損，則總磁阻為磁路中鐵芯，空氣隙和銜鐵的磁阻之和，,式中 磁通通過鐵芯的長(zhǎng)度； 鐵芯橫截面積； 鐵芯在磁感應(yīng)值為時(shí)的磁導(dǎo)率； 銜鐵橫截面積； 銜鐵在磁感應(yīng)值為時(shí)的磁導(dǎo)率；,2019/6/29,空氣隙長(zhǎng)度； 空氣隙橫截面積； 空氣的磁導(dǎo)率 ；,有：,因?yàn)殍F芯和銜鐵為導(dǎo)磁性材料，其磁阻與空氣隙磁阻相比很小，計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)，,有：,線圈匝數(shù)W確定后，只要空氣隙長(zhǎng)度和空氣隙截面二者之一發(fā)生變化，傳感器的電感量都會(huì)發(fā)生變化。,2019/6/29,變氣隙厚度的電感式傳感器 變氣隙面積S的電感式傳感器 變磁導(dǎo)率的電感式傳感器,變磁阻式傳感器的類型：,2019/6/29,假設(shè)初始?xì)庀稙?，則初始電感為,當(dāng) ，電感量為：,L與的關(guān)系為雙曲線,2）特性分析,2019/6/29,電感的變化量L為,有：,當(dāng) 1時(shí)，可將上式展開成級(jí)數(shù),2019/6/29,當(dāng),電感變化量為,有,可見，不若考慮包括2次項(xiàng)以上的高次項(xiàng)，則 與 成比例關(guān)系，因此，高次項(xiàng)的存在是造成非線性的主要原因。但當(dāng)空氣隙相對(duì)變化 越小時(shí)，高次項(xiàng)將迅速減小，非線性可以得到改善。然而，這導(dǎo)致傳感器的測(cè)量范圍（即銜鐵的允許工作位移）變小.,一般對(duì)于變氣隙式電感傳感器，取 =0.10.2。,2019/6/29,由兩只完全對(duì)稱的單磁路自感電感傳感器合用一個(gè)活動(dòng)銜鐵組成。 其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是上下兩個(gè)導(dǎo)磁體的幾何尺寸完全相同，材料相同，上下兩只線圈的電氣參數(shù)也完全一致。,（b）螺管型,（a） E型,2自感式差動(dòng)電感傳感器,1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn),2019/6/29,上圖為差動(dòng)電感傳感器電橋接線圖。傳感器的兩只電感線圈接成交流電橋的相鄰兩臂，另外兩個(gè)橋臂由電阻組成。,2019/6/29,在起始位置時(shí)，銜鐵處于中間位置，兩邊的空隙相等，因此，兩只電感線圈的電感量在理論上相等，電橋的輸出電壓 ，電橋處于平衡狀態(tài)。 當(dāng)銜鐵偏離中間位置向上或向下移動(dòng)時(shí)，造成兩邊氣隙不一樣，使兩只電感線圈的電感量一增一減，電橋就不平衡。電橋輸出電壓的幅值大小與銜鐵移動(dòng)量的大小成比例，其相位則反相180。因此，如果測(cè)量出輸出電壓的大小和相位，就能確定位移量的大小和方向。,2）工作原理,2019/6/29,3）E型差動(dòng)電感傳感器接入電橋后的輸出特性 輸出特性是指電橋輸出電壓與傳感器銜鐵位移量之間的關(guān)系。,當(dāng)銜鐵在中間位置時(shí)，兩邊的氣隙長(zhǎng)度相等，有：,2019/6/29,單個(gè)電感線圈的銅電阻； 單個(gè)電感線圈的交流阻抗（在 時(shí)）； 電源電壓的角頻率。,當(dāng)銜鐵偏離中間位置時(shí)，設(shè)向上偏移 ，磁路上半部氣隙磁導(dǎo)增加，下半部氣隙磁導(dǎo)減少，于是電橋?qū)嵌擞须妷狠敵?。假定電橋輸出端的?fù)載阻抗為無(wú)窮大，則輸出電壓為,（14-8）,2019/6/29,由于上下兩邊氣隙不相等，阻抗也有了改變，上邊增加 ，下邊減少 ，即 。其中， ， 。電橋的另兩臂是電阻， 即 。將這些關(guān)系代入式（14-8）可得,式中 Z0銜鐵在中間位置時(shí)單個(gè)電感線圈的阻抗； Rc銜鐵在中間位置時(shí)單個(gè)線圈的銅電阻； L0銜鐵在中間位置時(shí)單個(gè)線圈的起始電感量。,2019/6/29,單個(gè)電感傳感器的 和 的關(guān)系是非線性的，但當(dāng)構(gòu)成差動(dòng)電感傳感器且接成電橋以后，電橋輸出電壓將與 有關(guān)。,圖14-4,2019/6/29,差動(dòng)電感傳感器銜鐵的線性工作范圍一般可取為 。,采用差動(dòng)式電感傳感器不僅可以減少非線性，同時(shí)還可以提高靈敏度。,優(yōu)點(diǎn)：,2019/6/29,與變壓器不同之處：變壓器是閉合磁路，差動(dòng)變壓器是開磁路；前者原、副邊間的互感系數(shù)是常數(shù)，而后者的互感系數(shù)隨銜鐵移動(dòng)有相應(yīng)變化。,圖14-5,1工作原理 簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器，如圖14-5所示。由鐵芯、銜鐵和線圈組成。差動(dòng)變壓器上下兩只鐵芯均有一個(gè)初級(jí)線圈1（又稱激勵(lì)線圈）和一個(gè)次級(jí)線圈2（也稱輸出線圈）。上下兩只初級(jí)線圈串聯(lián)后接交流激勵(lì)電壓 。兩只次級(jí)線圈按電勢(shì)反相串接。,14.1.1.2差動(dòng)變壓器式傳感器,2019/6/29,當(dāng)銜鐵處于中間時(shí)，1=2，線圈1中產(chǎn)生交變磁通為1和2，在線圈2中產(chǎn)生交流感應(yīng)電勢(shì)，由于兩邊氣隙相等，磁阻相等，所以1=2，次級(jí)線圈中感應(yīng)電勢(shì) ，輸出電壓 。當(dāng)銜鐵偏離中間位置時(shí)， 兩邊氣隙不相等，兩線圈之間的互感M發(fā)生變化，次級(jí)線圈中感應(yīng)電勢(shì)不再相等 ，便有電壓 輸出。 的大小和相位取決于銜鐵移動(dòng)量的大小和方向。,2019/6/29,圖14-6,銜鐵均為板形，靈敏度高，范圍則較窄，測(cè)量幾到幾百微米,圓柱形銜鐵的螺管型,測(cè)量轉(zhuǎn)角的差動(dòng)變壓器,圓柱形銜鐵的螺管型,2差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)類型和主要特性,1).結(jié)構(gòu)類型,2019/6/29,在初始狀態(tài)時(shí)，元件1與元件2一致，它們的初級(jí)線圈電感為,初級(jí)線圈的匝數(shù)； 初始狀態(tài)時(shí)磁路磁阻。,初級(jí)線圈中的電流為,式中 初級(jí)線圈的直流電阻。,2).主要特性,2019/6/29,當(dāng)有空氣隙變化為 時(shí)，兩個(gè)初級(jí)線圈的電感分別為,初級(jí)線圈的阻抗分別為,2019/6/29,此時(shí)初級(jí)線圈的電流為,次級(jí)線圈的輸出電壓 為兩個(gè)線圈感應(yīng)電勢(shì)之差,而感應(yīng)電勢(shì)分別為,2019/6/29,M1及M2為初級(jí)與次級(jí)之間的互感系數(shù)，其值分別為,式中 W2次級(jí)線圈的匝數(shù)； 1 、2分別為上下兩個(gè)磁系統(tǒng)中的磁通。,綜上有:,2019/6/29,一般情況下 ，所以 可忽略不計(jì)，可求得輸出電壓 為,傳感器的靈敏度,可見，差動(dòng)變壓器式傳感器的特性幾乎完全是線性的，其靈敏度不僅取決于磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時(shí)也取決于初級(jí)、次級(jí)線圈的匝數(shù)比及激勵(lì)電源電壓的大小。 可以通過改變?cè)褦?shù)比及提高電源電壓來提高靈敏度。,2019/6/29,差動(dòng)變壓器的輸出電壓是調(diào)幅波，為辨別銜鐵的移動(dòng)方向，要進(jìn)行解調(diào)。常用解調(diào)電路有：差動(dòng)相敏檢波與差動(dòng)整流電路。,（1）差動(dòng)相敏檢波電路。相敏檢波電路要求參考電壓與差動(dòng)變壓器次級(jí)輸出電壓頻率相同，相位相同或相反；因此常接入移相電路。為提高檢波效率，參考電壓幅值取為信號(hào)的35倍。,3)差動(dòng)變壓器的測(cè)量電路,2019/6/29,（2）差動(dòng)整流電路。,辨別移動(dòng)方向、消除零點(diǎn)殘存電壓,2019/6/29,14.1.1.3電渦流式傳感器,2019/6/29,1 感應(yīng)電渦流位移傳感器的工作原理,2019/6/29,2)電渦流產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng) 電渦流產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，作用于傳感器的線圈上，由楞次定律，這個(gè)磁場(chǎng)的特點(diǎn)是它將反抗原來磁場(chǎng)的變化，總的平均效應(yīng)是使空間的磁場(chǎng)受到削弱（電渦流產(chǎn)生的磁通的方向與原來線圈的磁通方向相反）。,1)在平板上產(chǎn)生電渦流 當(dāng)金屬平板置于交變的磁場(chǎng)中或有在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬板內(nèi)就要產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是自己閉合的環(huán)狀電流，稱之為渦流。渦流回路是以線圈為中心線的圓心的同心圓。,2019/6/29,3)電渦流有熱效應(yīng) 電渦流在金屬板中流動(dòng)，回路將呈現(xiàn)一定的電阻，因此，要產(chǎn)生焦耳楞次熱，要消耗一部分能量。 4)對(duì)鐵磁材料要磁化，產(chǎn)生附加的磁場(chǎng) 若金屬平板是由磁性材料做成的，在線圈磁場(chǎng)的作用下，金屬板將被磁化，產(chǎn)生一個(gè)附加磁場(chǎng)又增強(qiáng)了線圈中的磁場(chǎng)。 5)鐵磁材料由于存在磁滯損耗，要發(fā)熱 金屬板是磁性材料，交變的高頻磁場(chǎng)使它反復(fù)磁化，由于磁性材料的磁滯特性，反復(fù)磁化要消耗能量，也就是存在磁滯損耗。在實(shí)際工作中，經(jīng)常使用鋁板，可避免此現(xiàn)象。,2019/6/29,2 物理模型,2019/6/29,將線圈和金屬板看成是一個(gè)空心變壓器 傳感器線圈初級(jí)； 金屬板次級(jí) 由于存在熱效應(yīng)，金屬板具有電感L和電阻r，兩線圈間有互感M，顯然M與兩線圈之間的距離有關(guān)。 設(shè)初級(jí)線圈中有電流i1，由于互感作用，次級(jí)回路中有電流i2。 由回路電壓定律：沿回路所升高的電位必等于沿此回路所降低的電位）。,2019/6/29,取拉氏變換，然后令 中，,（1）,（2）,由（2）求出 代入（1）,2019/6/29,則有線圈中有效阻抗,實(shí)部,虛部,電阻分量,線圈本身電阻,渦流熱效應(yīng)產(chǎn)生的電阻,實(shí)部,2019/6/29,虛部 感抗分量,本身電感,電渦流效應(yīng)造成的,由此可知，等效阻抗 中，電阻分量 和等效電感 的表示式中都包含有互感M這個(gè)量，而M和線圈與金屬板之間的距離有關(guān)，金屬板的材料有關(guān)。,2019/6/29,3影響傳感器性能的因素 1).線圈結(jié)構(gòu)的影響 我們希望靈敏度高，線性范圍大，對(duì)電渦流式傳感器，靈敏度和線性范圍受線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布情況影響。要使線性范圍增大則線圈的磁場(chǎng)軸向分布范圍要大，要使靈敏度越高，則需被測(cè)導(dǎo)體向軸向移動(dòng)時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度變化梯度越大。 分析結(jié)果： 線圈薄時(shí)，靈敏度高。線圈外徑大時(shí)，傳感器線性范圍大，線性范圍增大，但靈敏度降低。傳感器的線性范圍一般為線圈外徑的1/31/5。,2019/6/29,2).被測(cè)體的材料、尺寸、形狀對(duì)靈敏度的影響 電渦流式傳感器是利用線圈與被測(cè)金屬導(dǎo)體之間的磁性耦合程度的變化進(jìn)行的。所以傳感器的線圈僅為傳感器的一半，另一半則是被測(cè)物體，被測(cè)物體的物理性質(zhì)、幾何形狀及尺寸都會(huì)影響靈敏度的測(cè)量結(jié)果。 一般： 被測(cè)物體電導(dǎo)率越高則靈敏度越高。 被測(cè)物體磁導(dǎo)率越高則靈敏度越低。,被測(cè)物體的平板半徑應(yīng)大于線圈半徑的1.8倍，否則不能全部利用所能產(chǎn)生的電渦流效應(yīng)，致使靈敏度降低。,2019/6/29,4 測(cè)量電路 介紹一種用途較為廣泛的阻抗分壓調(diào)幅測(cè)量電路的工作原理。（實(shí)際上是測(cè)量的阻抗 的變化）,測(cè)量電路框圖如下：,2019/6/29,傳感器與電容C并聯(lián)，組成一個(gè)LC并聯(lián)諧振電路。 所謂諧振：在一定條件下，感抗和容抗消失，呈現(xiàn)為純電阻性的交流電路。 可將其等效為下圖：,2019/6/29,由圖可得回路方程：,i為總電流， 、 為兩條并聯(lián)電路上的電流。, 上電壓降， 為電感上電壓降。,2019/6/29,取拉氏變換，令 ，（0初始條件）,(1),(3),(2),由此可求出電路的復(fù)導(dǎo)納阻抗之倒數(shù)。,2019/6/29,若虛部為0，則電流矢量與電壓矢量同相，電路呈純電阻性，此時(shí)為諧振。 因此電路產(chǎn)生諧振的條件是,可解出,諧振頻率,所以,2019/6/29,一般有Re是很小的，對(duì)一定的線圈來講，,則有,此時(shí)電路的純電阻,即,2019/6/29,若僅考慮阻抗大小，其頻率特性可用圖示表示：,無(wú)論激勵(lì)頻率大于還是小于諧振頻率，回路中阻抗將下降。,2019/6/29,從測(cè)量電路框圖中還可看到，電阻R與諧振回路的阻抗對(duì)于石英振蕩器輸出來講構(gòu)成了一個(gè)分壓關(guān)系，兩者是串聯(lián)的。 一般來講，對(duì)于非磁性材料有如圖關(guān)系：,2019/6/29,對(duì)磁性材料而言有下圖關(guān)系：,2019/6/29,1、電感測(cè)微儀,14.1.1.4 應(yīng)用舉例,2019/6/29,變氣隙式電感測(cè)微儀,動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍：1mm 分辨率：1um 精度：3%,2019/6/29,2019/6/29,變氣隙式差動(dòng)壓力傳感器,2019/6/29,電感式油壓傳感器 液壓傳動(dòng)的各種機(jī)械裝置,2019/6/29,3.低頻透射式渦流傳感器,測(cè)量板材厚度,L1產(chǎn)生的磁力線切割M在被測(cè)體M中產(chǎn)生電渦流i，渦流損耗部分能量，使通過L2的磁力線減少，引起L2電勢(shì)E下降。,2019/6/29,4.渦流轉(zhuǎn)速計(jì),齒輪齒數(shù),2019/6/29,5.渦流探傷儀,金屬材料的表面裂紋 電纜傳輸線 熱處理裂紋 焊縫等, 檢查金屬表面裂紋、焊接部位的探傷,傳感器與被測(cè)體距離不變，裂紋將引起金屬的電阻率、磁導(dǎo)率變化，綜合引起傳感器參數(shù)變化。,2019/6/29,6 測(cè)量位移,（2）汽輪機(jī)主軸的軸向竄動(dòng),量程：0 30mm 分辨率：0.1%,2019/6/29,水箱,旁通閥,省煤器,電感傳感器,M 調(diào)節(jié)閥,控制器,輸出,鍋筒,電磁 線圈,玻璃 板液 位計(jì),傳感器,浮 球,離心水泵,7.自動(dòng)連續(xù)給水控制裝置,2019/6/29,電容式傳感器是以電容器為敏感元件，將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)化為電容量的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。,14.1.2 電容式位移測(cè)量系統(tǒng),2019/6/29,優(yōu)點(diǎn)： 高阻抗，小功率。 靈敏度高，具有較高的信噪比和系統(tǒng)穩(wěn)定性。 良好的動(dòng)態(tài)特性。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)。 可進(jìn)行非接觸測(cè)量。 本身發(fā)熱影響小。 缺點(diǎn)： 變間隙電容傳感器非線性較嚴(yán)重。 輸出阻抗很高。 寄生電容大,電容式傳感器的特點(diǎn),2019/6/29,應(yīng)用：可用于位移、壓力、厚度、液位、濕度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、流量的測(cè)量 。,電容式傳感器的應(yīng)用,2019/6/29,在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，平板電容器的電容為,C 電容量； d 兩平行極板間的距離； 介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)； 真空的介電常數(shù)， =8.8510-12F/m； A 極板面積。,電容式傳感器的工作原理,2019/6/29,在進(jìn)行非電量電測(cè)時(shí)，可把力、加速度、位移及轉(zhuǎn)速等力學(xué)量轉(zhuǎn)換成d、A或 的變化，從而轉(zhuǎn)換成電容量的變化。 1)邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的原因：電場(chǎng)均勻分布于兩極板所圍成的空間; 2)后果：邊緣效應(yīng)相當(dāng)于傳感器并聯(lián)一個(gè)電容,引起傳感器靈敏度下降和非線性增加。,3)消除邊緣效應(yīng)的方法： 應(yīng)增大初始電容量，即可適當(dāng)增大極板面積、減小極板間距。 也可采用等位環(huán)的方法,邊緣效應(yīng)：,2019/6/29,電容式傳感器分為三個(gè)類型，即變極距（d）型、變面積（A）型和變介電常數(shù)（）型。,電容式傳感器的結(jié)構(gòu)類型及主要特性,結(jié)構(gòu)類型,2019/6/29,平板電容器,2019/6/29,圖中一個(gè)電極板固定不動(dòng)，稱為固定極板，另一極板可左右移動(dòng)，引起極板間距離 x 相應(yīng)變化，從而引起電容量的變化。因此，只要測(cè)出電容變化量C，便可測(cè)得極板間距的變化量，即動(dòng)極板的位移量x。 變極距式電容傳感器改成差動(dòng)式，不僅非線性誤差大大減少，靈敏度也可提高了一倍。,2. 變極距式電容傳感器,2019/6/29,3. 變面積式電容傳感器,由兩個(gè)電極板構(gòu)成，一個(gè)固定極板，一個(gè)為可動(dòng)極板，兩極板均呈半圓形。假定極板間的電介質(zhì)不變，當(dāng)兩極板完全正對(duì)時(shí)，其電容量C0為,2019/6/29,電容式位移傳感器 的位移測(cè)量范圍為 1m10mm之間，變極距式電容傳感器的測(cè)量精度約為2%，變面積式電容傳感器的分辨率可達(dá)0.3m。,當(dāng)可動(dòng)極板繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角時(shí)，兩極板的對(duì)應(yīng)面積要減少A。則傳感器的電容量就要減少C，將電容量的變化檢測(cè)出來，可實(shí)現(xiàn)角位移的測(cè)量。,2019/6/29,電容式傳感器橋式電路,4. 電容式傳感器的測(cè)量電路 測(cè)量電路將電容量轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率信號(hào)。常用的測(cè)量電路有。 （1）橋式電路,2019/6/29,（2）運(yùn)算放大器電路 變極距型電容傳感器的極距變化與電容量成非線性關(guān)系，這一缺點(diǎn)使電器傳感器的應(yīng)用受到一定限制，而采用運(yùn)算放大器電路可得到輸出電壓與輸入位移的線性關(guān)系。如圖14-15所示，C0為固定電容，Cx為反饋電容且為電容式傳感器。根據(jù)運(yùn)算放大器的運(yùn)算關(guān)系，有,2019/6/29,半導(dǎo)體光電位置敏感器件（position Sensitive Detector簡(jiǎn)稱PSD）是一種對(duì)其感光面上入射光點(diǎn)位置敏感的光電器件，即當(dāng)入射光點(diǎn)落在器件感光面的不同位置時(shí)，將對(duì)應(yīng)輸出不同的電信號(hào)，通過對(duì)此輸出電信號(hào)的處理，即可確定入射光點(diǎn)在器件感光面上的位置。 PSD可分為一維和二維PSD。,14.1.4 光電位置敏感器件,2019/6/29,線陣光位置傳感器,面陣光位置傳感器,2019/6/29,PSD測(cè)量系統(tǒng)具有非接觸、測(cè)量范圍較大、響應(yīng)速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，近年來廣泛用于位移、物體表面振動(dòng)、物體厚度等參數(shù)的檢測(cè)。,通過檢測(cè)電流檢測(cè)光照射的位置,2019/6/29,作業(yè),6-1 試分析比較變磁阻式自感傳感器、差動(dòng)變壓器式互感傳感器和渦流傳感器的工作原理和靈敏度。 6-2 差動(dòng)變壓器式傳感器有幾種結(jié)構(gòu)形式？各有什么特點(diǎn)？ 6-3 差動(dòng)變壓器式傳感器的零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因是什么？怎樣減小和消除它的影響？ 6-4 電渦流的形成范圍包括哪些內(nèi)容？它們的主要特點(diǎn)是什么？,2019/6/29,6-5 電渦流傳感器常用測(cè)量電路有幾種？其測(cè)量原理如何？各有什么特點(diǎn)？ 6-6 已知一差動(dòng)整流電橋電路如題6-7圖所示。電路由差動(dòng)電感傳感器Z1、Z2及平衡電阻R1、R2（R1=R2）組成。橋路的一個(gè)對(duì)角接有交流電源 ，另一個(gè)對(duì)角線為輸出端Uo，試分析該電路的工作原理。,2019/6/29,6-7 電渦流式傳感器有何特點(diǎn)？畫出應(yīng)用于測(cè)板材厚度的原理框圖。 6-8 一個(gè)鐵氧體環(huán)形磁芯，平均長(zhǎng)度為12cm，截面積為1.5cm2，平均相對(duì)磁導(dǎo)率 ，求： (1) 在上面均勻繞線500匝時(shí)的電感值是多少？ (2) 匝數(shù)增加一倍時(shí)電感值是多少？ 6-9 電渦流傳感器線圈的外徑、內(nèi)徑和厚度分別為8mm、3mm和2mm。用它檢測(cè)銅材的厚度，若以X=2mm為零點(diǎn)，測(cè)量范圍為0.2mm，試求用端點(diǎn)連線法求線性度相對(duì)誤差為多少？,2019/6/29,物體的運(yùn)動(dòng)速度分為線速度和角速度(轉(zhuǎn)速)。 速度是位移對(duì)時(shí)間的微分，對(duì)加速度的積分，可通過位移傳感器的輸出電信號(hào)通過微分電路進(jìn)行微分，或者把加速度傳感器的輸出電信號(hào)通過積分電路進(jìn)行積分，就可以得到速度隨時(shí)間的變化關(guān)系。 存在的問題： 1) 微分處理 2) 積分處理 因此速度測(cè)量最好采用直接測(cè)量法。,14.2 速度測(cè)量,測(cè)速電機(jī),2019/6/29,平均速度法適用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)的物體的速度。 通過已知的位移x和相應(yīng)的時(shí)間間隔t來測(cè)量平均速度 。,14.2.1 平均速度法,2019/6/29,常用的區(qū)截裝置有： 線圈靶 光幕靶 天幕靶 網(wǎng)靶 鋁箔靶 鋼板靶,14.2.1 平均速度法,2019/6/29,線圈靶的類型 感應(yīng)線圈靶 感應(yīng)線圈靶：要求被測(cè)物體帶有磁性 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：僅有一組感應(yīng)線圈 勵(lì)磁線圈靶 勵(lì)磁線圈靶：要求運(yùn)動(dòng)體是磁導(dǎo)體。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩組線圈，外層為感應(yīng)線圈，內(nèi)層為勵(lì)磁線圈,1、線圈靶,2019/6/29,感應(yīng)線圈靶的工作原理 基于電磁感應(yīng)原理,p為點(diǎn)磁偶極子的磁矩 n為線圈靶的有效圈數(shù) 0運(yùn)動(dòng)體的磁導(dǎo)率 a為線圈的有效半徑,1、線圈靶,2019/6/29,em為感應(yīng)電勢(shì)的峰值 p為點(diǎn)磁偶極子的磁矩 n為線圈靶的有效圈數(shù) 0運(yùn)動(dòng)體的磁導(dǎo)率 a為線圈的有效半徑,1、線圈靶,2019/6/29,使用注意事項(xiàng)： 使用感應(yīng)線圈需對(duì)運(yùn)動(dòng)體進(jìn)行磁化； 線圈中心應(yīng)與運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)行方向盡量重合,特征點(diǎn)： 1)類似于正弦的區(qū)截信號(hào)對(duì)應(yīng)于線圈靶的中性平面; 2) em為信號(hào)的峰值點(diǎn)電勢(shì)。,1、線圈靶,2019/6/29,天幕靶是一種光電靶，利用太陽(yáng)光在大氣中散射而形成的自然光為光源。也可以使用直流光源。 特點(diǎn)：對(duì)運(yùn)動(dòng)體材料沒有特殊要求，對(duì)運(yùn)動(dòng)體飛行沒有干擾。,2、天幕靶,2019/6/29,根據(jù)透鏡成象原理，發(fā)光體ab所成的象為ab。如在象前裝一個(gè)光闌，則只有光闌上狹縫所允許通過的光才能成象于cd。,如對(duì)準(zhǔn)cd安裝一個(gè)光敏元件，它所接收的只是垂直于紙面方向(與光闌狹縫平行)，寬度為cd的一條光幕的光。當(dāng)彈丸飛過該光幕時(shí)，彈丸的影像將使照射到光敏元件上的光通量發(fā)生變化，使光敏元件產(chǎn)生的電信號(hào)發(fā)生變化，發(fā)出區(qū)截信號(hào)。,天幕靶的工作原理,2019/6/29,（本課程僅介紹永磁感應(yīng)測(cè)速傳感器的工作原理） 1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn),1 運(yùn)動(dòng)體上嵌入的永久磁鐵 2和5 鐵芯 3和6 速度線圈 7 位移線圈,14.2.2 瞬時(shí)速度測(cè)量,2019/6/29,永磁感應(yīng)測(cè)速傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 速度線圈均勻密繞，采用串聯(lián)連接方式 位移線圈：相鄰兩個(gè)位移繞組的繞向相反，相鄰繞組之間距離稱為節(jié)距。,2019/6/29,2、永磁感應(yīng)測(cè)速傳感器工作原理 基于電磁感應(yīng)原理 1）兩組速度線圈繞組串聯(lián)的目的 提高傳感器靈敏度； 消除運(yùn)動(dòng)體振動(dòng),B是恒定的，確保了輸出信號(hào)的線性關(guān)系，同時(shí)消除了振動(dòng)。,14.2.2 瞬時(shí)速度測(cè)量,2019/6/29,2）位移線圈繞組 原因：目前國(guó)內(nèi)外沒有線速度標(biāo)準(zhǔn)源，無(wú)法對(duì)速度信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定。 目的：對(duì)速度進(jìn)行標(biāo)定或標(biāo)記。,永磁感應(yīng)測(cè)速傳感器工作原理,2019/6/29,輸出信號(hào)特點(diǎn)：,鋸齒波的峰谷、 谷峰為運(yùn)動(dòng)體運(yùn)動(dòng)了一個(gè)節(jié)距的距離。 疏密程度：可以判斷運(yùn)動(dòng)體速度大?。?疏速度慢 密速度快 可利用此信號(hào)對(duì)速度信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定,永磁感應(yīng)測(cè)速傳感器工作原理,2019/6/29,3）鐵芯材料 采用軟磁材料，同時(shí)采取防渦流措施。 鐵芯材料：剩磁強(qiáng)度和矯頑力盡可能小，以防永久磁鐵對(duì)其磁化，以提高傳感器的線性度。 一般選用：坡莫合金經(jīng)特殊熱處理后的鐵鎳合金。 結(jié)構(gòu)形式：采取扁平的薄片狀鐵芯，以盡可能減少鐵芯中產(chǎn)生的電渦流。,永磁感應(yīng)測(cè)速傳感器工作原理,2019/6/29,4)永久磁鐵 永久磁鐵具有較強(qiáng)的矯頑力，要抗沖擊，選用硬磁材料， 以提高傳感器靈敏度。 結(jié)構(gòu)要求：永久磁鐵的寬度要小于節(jié)距。 5）磁頭件與運(yùn)動(dòng)物體連接的要求 連接件的要求： 重量輕； 剛度大； 連接牢靠,永磁感應(yīng)測(cè)速傳感器工作原理,2019/6/29,3測(cè)量系統(tǒng) 1）測(cè)量系統(tǒng)組成,永磁感應(yīng)速度測(cè)量系統(tǒng),將被測(cè)的運(yùn)動(dòng)體的速度轉(zhuǎn)換成電信號(hào),將被對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，并具有阻抗變換作用。,2019/6/29,2）傳感器對(duì)測(cè)量放大器的要求 系統(tǒng)等效電路,永磁感應(yīng)速度測(cè)量系統(tǒng),L傳感器的電感 RL傳感器的內(nèi)阻 Rg放大器輸入阻抗 e感應(yīng)電勢(shì),由基爾霍夫定律：,2019/6/29,該模型是一階線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，測(cè)量電路的動(dòng)態(tài)特性取決于時(shí)間常數(shù)，且有,永磁感應(yīng)速度測(cè)量系統(tǒng),結(jié)論：愈小，則測(cè)量電路的動(dòng)態(tài)特性愈好；反之，愈大，則測(cè)量電路的動(dòng)態(tài)特性越差。為改善測(cè)量電路的動(dòng)態(tài)特性，要求電路中的L應(yīng)當(dāng)小些，R應(yīng)當(dāng)大些。對(duì)于一定的感應(yīng)傳感器，L和RL是一定的，要改善測(cè)量電路的動(dòng)態(tài)特性，就需要測(cè)量?jī)x器的輸入電阻Rg大一些。,2019/6/29,積分標(biāo)定法,圖解積分法 數(shù)值積分法,圖解積分法：適用于輸出信號(hào)為模擬信號(hào)的系統(tǒng) 數(shù)值積分法：適用于輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng),采用積分標(biāo)定法,4、速度靈敏度求取方法,2019/6/29,4、速度靈敏度求取方法,圖解積分法,方法：要在速度曲線上找一段近似勻變速運(yùn)動(dòng)的段。,2019/6/29,數(shù)值積分法,4、速度靈敏度求取方法,2019/6/29,14.2.3 轉(zhuǎn)速測(cè)量舉例,2019/6/29,線加速度是指物體質(zhì)心沿其運(yùn)動(dòng)軌跡方向的加速度，是描述物體在空間運(yùn)動(dòng)本質(zhì)的一個(gè)基本量。 線加速度的單位是m/s2，而習(xí)慣上常以重力加速度g作為計(jì)量單位。對(duì)于加速度，常用慣性測(cè)量法，即把慣性型測(cè)量裝置安裝在運(yùn)動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量。,14.3 加速度測(cè)量,2019/6/29,牽連運(yùn)動(dòng)：和被測(cè)運(yùn)動(dòng)體一起運(yùn)動(dòng) 慣性運(yùn)動(dòng)：質(zhì)量體相對(duì)于運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng),1 慣性式加速度計(jì)的工作原理,2019/6/29,由牛頓運(yùn)動(dòng)定律，有： 經(jīng)整理后得：,坐標(biāo)x表示傳感器基座的位移 坐標(biāo)y表示質(zhì)量塊相對(duì)于傳感器基座的位移,2019/6/29,該物理模型是一個(gè)典型的二階線性測(cè)量系統(tǒng)，引入無(wú)阻尼固有圓頻率n及無(wú)阻尼阻尼比：,以待測(cè)物體的加速度a為激勵(lì)，以質(zhì)量塊的相對(duì)位移y為響應(yīng)，對(duì)上式取拉氏變換，有：,1 慣性式加速度計(jì)的工作原理,2019/6/29,頻率響應(yīng)函數(shù)為,拉氏傳遞函數(shù)Ha（S）為：,1 慣性式加速度計(jì)的工作原理,2019/6/29,幅頻