位移速度加速度測量.ppt

2019/6/29,學習要求,1. 了解常用的位移、速度、加速度測量方法及其分類； 2. 熟悉常用的位移、速度、加速度測量用傳感器原理； 3. 掌握位移、速度、加速度測量系統(tǒng)的組建方法及相關注意事項； 4. 了解位移、速度、加速度測量系統(tǒng)的標定方法。,2019/6/29,位移是一種常見的運動量，是線位移和角位移的總稱。 位移是向量。,14.1 位移測量,2019/6/29,按位移測量原理來分有： 機械式位移測量法 如浮子式油量表、水箱液位計等都是利用浮子來感受液面的位移，達到指示油量的大小和水位的高低。 特點：機械慣性大，動態(tài)特性較差，不能遠距離傳送。,2019/6/29,電氣式位移測量法 位移量通過位移傳感器轉換為電量，再經相應的測試電路處理后，傳遞到顯示或記錄裝置。 特點：動態(tài)范圍大，接觸式測量時，傳感器對被測對象有一定影響。,火炮自動機位移測量儀,2019/6/29,光電式位移測量法 將機械位移量通過光電式位移傳感器轉換為電量再進行測量的方法。 特點：應用于需進行非接觸測量的場合，對被測對象無不良影響，具有較高的頻響精度。,2019/6/29,位移傳感器,信號調理電路,記錄儀器,電感式位移測量系統(tǒng) 電容式位移測量系統(tǒng) 光電式位移測量系統(tǒng),位移測量系統(tǒng)組成,2019/6/29,測量原理:電感式位移測量系統(tǒng) 是變磁阻類測量裝置。電感線圈 中輸入的是交流電流，當被測位 移量引起鐵芯與銜鐵之間的磁阻 變化時，線圈中的自感系數L或互 感系數M產生變化。,14.1.1電感式位移測量系統(tǒng),2019/6/29,電感式傳感器的幾個特點： 結構簡單，工作中沒有活動電接觸點，因而，比電位器工作可靠，壽命長。 靈敏度高，分辨率高，能測出0.1m甚至更小的機械位移變化，能感受小至的微小角度變化。傳感器的輸出信號強。 電壓靈敏度高，有利于信號的傳輸與放大。 重復性好，線性度優(yōu)良，在一定位移范圍內，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，傳感器的運動部分與銜鐵相連，當傳感器測量物理量時，銜鐵運動部分產生位移，導致氣隙厚度變化，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,當線圈中有電流通過時，線圈中就會產生磁通，若電流隨時間變化，則磁通亦隨時間變化，有：,線圈的自感系數：,在線圈中，磁通與電流I的關系：,常數,磁通,線圈匝數,2019/6/29,即：,磁鏈,線圈中電感L等于單位電流所產生的磁鏈，磁通取決于磁路中磁阻RM及磁動勢WI，即,，代入L中,線圈電感值計算 ：,式中 W線圈的匝數； Rm磁路的總磁阻。,總磁阻,2019/6/29,若氣隙厚度較小，可認為空氣隙磁場是均勻的，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 磁通通過鐵芯的長度； 鐵芯橫截面積； 鐵芯在磁感應值為時的磁導率； 銜鐵橫截面積； 銜鐵在磁感應值為時的磁導率；,2019/6/29,空氣隙長度； 空氣隙橫截面積； 空氣的磁導率 ；,有：,因為鐵芯和銜鐵為導磁性材料，其磁阻與空氣隙磁阻相比很小，計算時可忽略不計，,有：,線圈匝數W確定后，只要空氣隙長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 變磁導率的電感式傳感器,變磁阻式傳感器的類型：,2019/6/29,假設初始氣隙為0，則初始電感為,當 ，電感量為：,L與的關系為雙曲線,2）特性分析,2019/6/29,電感的變化量L為,有：,當 1時，可將上式展開成級數,2019/6/29,當,電感變化量為,有,可見，不若考慮包括2次項以上的高次項，則 與 成比例關系，因此，高次項的存在是造成非線性的主要原因。但當空氣隙相對變化 越小時，高次項將迅速減小，非線性可以得到改善。然而，這導致傳感器的測量范圍（即銜鐵的允許工作位移）變小.,一般對于變氣隙式電感傳感器，取 =0.10.2。,2019/6/29,由兩只完全對稱的單磁路自感電感傳感器合用一個活動銜鐵組成。 其結構特點是上下兩個導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也完全一致。,（b）螺管型,（a） E型,2自感式差動電感傳感器,1）結構特點,2019/6/29,上圖為差動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，另外兩個橋臂由電阻組成。,2019/6/29,在起始位置時，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)。 當銜鐵偏離中間位置向上或向下移動時，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量的大小成比例，其相位則反相180。因此，如果測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系。,當銜鐵在中間位置時，兩邊的氣隙長度相等，有：,2019/6/29,單個電感線圈的銅電阻； 單個電感線圈的交流阻抗（在 時）； 電源電壓的角頻率。,當銜鐵偏離中間位置時，設向上偏移 ，磁路上半部氣隙磁導增加，下半部氣隙磁導減少，于是電橋對角端有電壓輸出。假定電橋輸出端的負載阻抗為無窮大，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 。將這些關系代入式（14-8）可得,式中 Z0銜鐵在中間位置時單個電感線圈的阻抗； Rc銜鐵在中間位置時單個線圈的銅電阻； L0銜鐵在中間位置時單個線圈的起始電感量。,2019/6/29,單個電感傳感器的 和 的關系是非線性的，但當構成差動電感傳感器且接成電橋以后，電橋輸出電壓將與 有關。,圖14-4,2019/6/29,差動電感傳感器銜鐵的線性工作范圍一般可取為 。,采用差動式電感傳感器不僅可以減少非線性，同時還可以提高靈敏度。,優(yōu)點：,2019/6/29,與變壓器不同之處：變壓器是閉合磁路，差動變壓器是開磁路；前者原、副邊間的互感系數是常數，而后者的互感系數隨銜鐵移動有相應變化。,圖14-5,1工作原理 簡稱差動變壓器，如圖14-5所示。由鐵芯、銜鐵和線圈組成。差動變壓器上下兩只鐵芯均有一個初級線圈1（又稱激勵線圈）和一個次級線圈2（也稱輸出線圈）。上下兩只初級線圈串聯后接交流激勵電壓 。兩只次級線圈按電勢反相串接。,14.1.1.2差動變壓器式傳感器,2019/6/29,當銜鐵處于中間時，1=2，線圈1中產生交變磁通為1和2，在線圈2中產生交流感應電勢，由于兩邊氣隙相等，磁阻相等，所以1=2，次級線圈中感應電勢 ，輸出電壓 。當銜鐵偏離中間位置時， 兩邊氣隙不相等，兩線圈之間的互感M發(fā)生變化，次級線圈中感應電勢不再相等 ，便有電壓 輸出。 的大小和相位取決于銜鐵移動量的大小和方向。,2019/6/29,圖14-6,銜鐵均為板形，靈敏度高，范圍則較窄，測量幾到幾百微米,圓柱形銜鐵的螺管型,測量轉角的差動變壓器,圓柱形銜鐵的螺管型,2差動變壓器式傳感器的結構類型和主要特性,1).結構類型,2019/6/29,在初始狀態(tài)時，元件1與元件2一致，它們的初級線圈電感為,初級線圈的匝數； 初始狀態(tài)時磁路磁阻。,初級線圈中的電流為,式中 初級線圈的直流電阻。,2).主要特性,2019/6/29,當有空氣隙變化為 時，兩個初級線圈的電感分別為,初級線圈的阻抗分別為,2019/6/29,此時初級線圈的電流為,次級線圈的輸出電壓 為兩個線圈感應電勢之差,而感應電勢分別為,2019/6/29,M1及M2為初級與次級之間的互感系數，其值分別為,式中 W2次級線圈的匝數； 1 、2分別為上下兩個磁系統(tǒng)中的磁通。,綜上有:,2019/6/29,一般情況下 ，所以 可忽略不計，可求得輸出電壓 為,傳感器的靈敏度,可見，差動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)的結構參數，同時也取決于初級、次級線圈的匝數比及激勵電源電壓的大小。 可以通過改變匝數比及提高電源電壓來提高靈敏度。,2019/6/29,差動變壓器的輸出電壓是調幅波，為辨別銜鐵的移動方向，要進行解調。常用解調電路有：差動相敏檢波與差動整流電路。,（1）差動相敏檢波電路。相敏檢波電路要求參考電壓與差動變壓器次級輸出電壓頻率相同，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的35倍。,3)差動變壓器的測量電路,2019/6/29,（2）差動整流電路。,辨別移動方向、消除零點殘存電壓,2019/6/29,14.1.1.3電渦流式傳感器,2019/6/29,1 感應電渦流位移傳感器的工作原理,2019/6/29,2)電渦流產生一個電磁場 電渦流產生一個電磁場，作用于傳感器的線圈上，由楞次定律，這個磁場的特點是它將反抗原來磁場的變化，總的平均效應是使空間的磁場受到削弱（電渦流產生的磁通的方向與原來線圈的磁通方向相反）。,1)在平板上產生電渦流 當金屬平板置于交變的磁場中或有在磁場中運動時，金屬板內就要產生感應電流，這種電流在金屬體內是自己閉合的環(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 電渦流在金屬板中流動，回路將呈現一定的電阻，因此，要產生焦耳楞次熱，要消耗一部分能量。 4)對鐵磁材料要磁化，產生附加的磁場 若金屬平板是由磁性材料做成的，在線圈磁場的作用下，金屬板將被磁化，產生一個附加磁場又增強了線圈中的磁場。 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，交變的高頻磁場使它反復磁化，由于磁性材料的磁滯特性，反復磁化要消耗能量，也就是存在磁滯損耗。在實際工作中，經常使用鋁板，可避免此現象。,2019/6/29,2 物理模型,2019/6/29,將線圈和金屬板看成是一個空心變壓器 傳感器線圈初級； 金屬板次級 由于存在熱效應，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。 設初級線圈中有電流i1，由于互感作用，次級回路中有電流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,實部,虛部,電阻分量,線圈本身電阻,渦流熱效應產生的電阻,實部,2019/6/29,虛部 感抗分量,本身電感,電渦流效應造成的,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這個量，而M和線圈與金屬板之間的距離有關，金屬板的材料有關。,2019/6/29,3影響傳感器性能的因素 1).線圈結構的影響 我們希望靈敏度高，線性范圍大，對電渦流式傳感器，靈敏度和線性范圍受線圈產生的磁場分布情況影響。要使線性范圍增大則線圈的磁場軸向分布范圍要大，要使靈敏度越高，則需被測導體向軸向移動時，磁場強度變化梯度越大。 分析結果： 線圈薄時，靈敏度高。線圈外徑大時，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).被測體的材料、尺寸、形狀對靈敏度的影響 電渦流式傳感器是利用線圈與被測金屬導體之間的磁性耦合程度的變化進行的。所以傳感器的線圈僅為傳感器的一半，另一半則是被測物體，被測物體的物理性質、幾何形狀及尺寸都會影響靈敏度的測量結果。 一般： 被測物體電導率越高則靈敏度越高。 被測物體磁導率越高則靈敏度越低。,被測物體的平板半徑應大于線圈半徑的1.8倍，否則不能全部利用所能產生的電渦流效應，致使靈敏度降低。,2019/6/29,4 測量電路 介紹一種用途較為廣泛的阻抗分壓調幅測量電路的工作原理。（實際上是測量的阻抗 的變化）,測量電路框圖如下：,2019/6/29,傳感器與電容C并聯，組成一個LC并聯諧振電路。 所謂諧振：在一定條件下，感抗和容抗消失，呈現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導納阻抗之倒數。,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，此時為諧振。 因此電路產生諧振的條件是,可解出,諧振頻率,所以,2019/6/29,一般有Re是很小的，對一定的線圈來講，,則有,此時電路的純電阻,即,2019/6/29,若僅考慮阻抗大小，其頻率特性可用圖示表示：,無論激勵頻率大于還是小于諧振頻率，回路中阻抗將下降。,2019/6/29,從測量電路框圖中還可看到，電阻R與諧振回路的阻抗對于石英振蕩器輸出來講構成了一個分壓關系，兩者是串聯的。 一般來講，對于非磁性材料有如圖關系：,2019/6/29,對磁性材料而言有下圖關系：,2019/6/29,1、電感測微儀,14.1.1.4 應用舉例,2019/6/29,變氣隙式電感測微儀,動態(tài)測量范圍：1mm 分辨率：1um 精度：3%,2019/6/29,2019/6/29,變氣隙式差動壓力傳感器,2019/6/29,電感式油壓傳感器 液壓傳動的各種機械裝置,2019/6/29,3.低頻透射式渦流傳感器,測量板材厚度,L1產生的磁力線切割M在被測體M中產生電渦流i，渦流損耗部分能量，使通過L2的磁力線減少，引起L2電勢E下降。,2019/6/29,4.渦流轉速計,齒輪齒數,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,傳感器與被測體距離不變，裂紋將引起金屬的電阻率、磁導率變化，綜合引起傳感器參數變化。,2019/6/29,6 測量位移,（2）汽輪機主軸的軸向竄動,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 調節(jié)閥,控制器,輸出,鍋筒,電磁 線圈,玻璃 板液 位計,傳感器,浮 球,離心水泵,7.自動連續(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，將被測非電量轉化為電容量的變化，進而實現非電量到電量的轉換。,14.1.2 電容式位移測量系統(tǒng),2019/6/29,優(yōu)點： 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。 良好的動態(tài)特性。 結構簡單，適應性強。 可進行非接觸測量。 本身發(fā)熱影響小。 缺點： 變間隙電容傳感器非線性較嚴重。 輸出阻抗很高。 寄生電容大,電容式傳感器的特點,2019/6/29,應用：可用于位移、壓力、厚度、液位、濕度、振動、轉速、流量的測量 。,電容式傳感器的應用,2019/6/29,在忽略邊緣效應時，平板電容器的電容為,C 電容量； d 兩平行極板間的距離； 介質的相對介電常數； 真空的介電常數， =8.8510-12F/m； A 極板面積。,電容式傳感器的工作原理,2019/6/29,在進行非電量電測時，可把力、加速度、位移及轉速等力學量轉換成d、A或 的變化，從而轉換成電容量的變化。 1)邊緣效應產生的原因：電場均勻分布于兩極板所圍成的空間; 2)后果：邊緣效應相當于傳感器并聯一個電容,引起傳感器靈敏度下降和非線性增加。,3)消除邊緣效應的方法： 應增大初始電容量，即可適當增大極板面積、減小極板間距。 也可采用等位環(huán)的方法,邊緣效應：,2019/6/29,電容式傳感器分為三個類型，即變極距（d）型、變面積（A）型和變介電常數（）型。,電容式傳感器的結構類型及主要特性,結構類型,2019/6/29,平板電容器,2019/6/29,圖中一個電極板固定不動，稱為固定極板，另一極板可左右移動，引起極板間距離 x 相應變化，從而引起電容量的變化。因此，只要測出電容變化量C，便可測得極板間距的變化量，即動極板的位移量x。 變極距式電容傳感器改成差動式，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,由兩個電極板構成，一個固定極板，一個為可動極板，兩極板均呈半圓形。假定極板間的電介質不變，當兩極板完全正對時，其電容量C0為,2019/6/29,電容式位移傳感器 的位移測量范圍為 1m10mm之間，變極距式電容傳感器的測量精度約為2%，變面積式電容傳感器的分辨率可達0.3m。,當可動極板繞軸轉動一個角時，兩極板的對應面積要減少A。則傳感器的電容量就要減少C，將電容量的變化檢測出來，可實現角位移的測量。,2019/6/29,電容式傳感器橋式電路,4. 電容式傳感器的測量電路 測量電路將電容量轉換成電壓、電流或頻率信號。常用的測量電路有。 （1）橋式電路,2019/6/29,（2）運算放大器電路 變極距型電容傳感器的極距變化與電容量成非線性關系，這一缺點使電器傳感器的應用受到一定限制，而采用運算放大器電路可得到輸出電壓與輸入位移的線性關系。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。根據運算放大器的運算關系，有,2019/6/29,半導體光電位置敏感器件（position Sensitive Detector簡稱PSD）是一種對其感光面上入射光點位置敏感的光電器件，即當入射光點落在器件感光面的不同位置時，將對應輸出不同的電信號，通過對此輸出電信號的處理，即可確定入射光點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測量系統(tǒng)具有非接觸、測量范圍較大、響應速度快、精度高等優(yōu)點，近年來廣泛用于位移、物體表面振動、物體厚度等參數的檢測。,通過檢測電流檢測光照射的位置,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 差動變壓器式傳感器有幾種結構形式？各有什么特點？ 6-3 差動變壓器式傳感器的零點殘余電壓產生的原因是什么？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容？它們的主要特點是什么？,2019/6/29,6-5 電渦流傳感器常用測量電路有幾種？其測量原理如何？各有什么特點？ 6-6 已知一差動整流電橋電路如題6-7圖所示。電路由差動電感傳感器Z1、Z2及平衡電阻R1、R2（R1=R2）組成。橋路的一個對角接有交流電源 ，另一個對角線為輸出端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？畫出應用于測板材厚度的原理框圖。 6-8 一個鐵氧體環(huán)形磁芯，平均長度為12cm，截面積為1.5cm2，平均相對磁導率 ，求： (1) 在上面均勻繞線500匝時的電感值是多少？ (2) 匝數增加一倍時電感值是多少？ 6-9 電渦流傳感器線圈的外徑、內徑和厚度分別為8mm、3mm和2mm。用它檢測銅材的厚度，若以X=2mm為零點，測量范圍為0.2mm，試求用端點連線法求線性度相對誤差為多少？,2019/6/29,物體的運動速度分為線速度和角速度(轉速)。 速度是位移對時間的微分，對加速度的積分，可通過位移傳感器的輸出電信號通過微分電路進行微分，或者把加速度傳感器的輸出電信號通過積分電路進行積分，就可以得到速度隨時間的變化關系。 存在的問題： 1) 微分處理 2) 積分處理 因此速度測量最好采用直接測量法。,14.2 速度測量,測速電機,2019/6/29,平均速度法適用于測量運動較平穩(wěn)的物體的速度。 通過已知的位移x和相應的時間間隔t來測量平均速度 。,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 感應線圈靶 感應線圈靶：要求被測物體帶有磁性 結構特點：僅有一組感應線圈 勵磁線圈靶 勵磁線圈靶：要求運動體是磁導體。 結構特點：兩組線圈，外層為感應線圈，內層為勵磁線圈,1、線圈靶,2019/6/29,感應線圈靶的工作原理 基于電磁感應原理,p為點磁偶極子的磁矩 n為線圈靶的有效圈數 0運動體的磁導率 a為線圈的有效半徑,1、線圈靶,2019/6/29,em為感應電勢的峰值 p為點磁偶極子的磁矩 n為線圈靶的有效圈數 0運動體的磁導率 a為線圈的有效半徑,1、線圈靶,2019/6/29,使用注意事項： 使用感應線圈需對運動體進行磁化； 線圈中心應與運動體的運行方向盡量重合,特征點： 1)類似于正弦的區(qū)截信號對應于線圈靶的中性平面; 2) em為信號的峰值點電勢。,1、線圈靶,2019/6/29,天幕靶是一種光電靶，利用太陽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：對運動體材料沒有特殊要求，對運動體飛行沒有干擾。,2、天幕靶,2019/6/29,根據透鏡成象原理，發(fā)光體ab所成的象為ab。如在象前裝一個光闌，則只有光闌上狹縫所允許通過的光才能成象于cd。,如對準cd安裝一個光敏元件，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。當彈丸飛過該光幕時，彈丸的影像將使照射到光敏元件上的光通量發(fā)生變化，使光敏元件產生的電信號發(fā)生變化，發(fā)出區(qū)截信號。,天幕靶的工作原理,2019/6/29,（本課程僅介紹永磁感應測速傳感器的工作原理） 1、結構特點,1 運動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 瞬時速度測量,2019/6/29,永磁感應測速傳感器結構特點： 速度線圈均勻密繞，采用串聯連接方式 位移線圈：相鄰兩個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、永磁感應測速傳感器工作原理 基于電磁感應原理 1）兩組速度線圈繞組串聯的目的 提高傳感器靈敏度； 消除運動體振動,B是恒定的，確保了輸出信號的線性關系，同時消除了振動。,14.2.2 瞬時速度測量,2019/6/29,2）位移線圈繞組 原因：目前國內外沒有線速度標準源，無法對速度信號進行標定。 目的：對速度進行標定或標記。,永磁感應測速傳感器工作原理,2019/6/29,輸出信號特點：,鋸齒波的峰谷、 谷峰為運動體運動了一個節(jié)距的距離。 疏密程度：可以判斷運動體速度大?。?疏速度慢 密速度快 可利用此信號對速度信號進行標定,永磁感應測速傳感器工作原理,2019/6/29,3）鐵芯材料 采用軟磁材料，同時采取防渦流措施。 鐵芯材料：剩磁強度和矯頑力盡可能小，以防永久磁鐵對其磁化，以提高傳感器的線性度。 一般選用：坡莫合金經特殊熱處理后的鐵鎳合金。 結構形式：采取扁平的薄片狀鐵芯，以盡可能減少鐵芯中產生的電渦流。,永磁感應測速傳感器工作原理,2019/6/29,4)永久磁鐵 永久磁鐵具有較強的矯頑力，要抗沖擊，選用硬磁材料， 以提高傳感器靈敏度。 結構要求：永久磁鐵的寬度要小于節(jié)距。 5）磁頭件與運動物體連接的要求 連接件的要求： 重量輕； 剛度大； 連接牢靠,永磁感應測速傳感器工作原理,2019/6/29,3測量系統(tǒng) 1）測量系統(tǒng)組成,永磁感應速度測量系統(tǒng),將被測的運動體的速度轉換成電信號,將被對信號進行放大，并具有阻抗變換作用。,2019/6/29,2）傳感器對測量放大器的要求 系統(tǒng)等效電路,永磁感應速度測量系統(tǒng),L傳感器的電感 RL傳感器的內阻 Rg放大器輸入阻抗 e感應電勢,由基爾霍夫定律：,2019/6/29,該模型是一階線性系統(tǒng)的數學模型，測量電路的動態(tài)特性取決于時間常數，且有,永磁感應速度測量系統(tǒng),結論：愈小，則測量電路的動態(tài)特性愈好；反之，愈大，則測量電路的動態(tài)特性越差。為改善測量電路的動態(tài)特性，要求電路中的L應當小些，R應當大些。對于一定的感應傳感器，L和RL是一定的，要改善測量電路的動態(tài)特性，就需要測量儀器的輸入電阻Rg大一些。,2019/6/29,積分標定法,圖解積分法 數值積分法,圖解積分法：適用于輸出信號為模擬信號的系統(tǒng) 數值積分法：適用于輸出信號為數字信號的系統(tǒng),采用積分標定法,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動的段。,2019/6/29,數值積分法,4、速度靈敏度求取方法,2019/6/29,14.2.3 轉速測量舉例,2019/6/29,線加速度是指物體質心沿其運動軌跡方向的加速度，是描述物體在空間運動本質的一個基本量。 線加速度的單位是m/s2，而習慣上常以重力加速度g作為計量單位。對于加速度，常用慣性測量法，即把慣性型測量裝置安裝在運動體上進行測量。,14.3 加速度測量,2019/6/29,牽連運動：和被測運動體一起運動 慣性運動：質量體相對于運動體的運動,1 慣性式加速度計的工作原理,2019/6/29,由牛頓運動定律，有： 經整理后得：,坐標x表示傳感器基座的位移 坐標y表示質量塊相對于傳感器基座的位移,2019/6/29,該物理模型是一個典型的二階線性測量系統(tǒng)，引入無阻尼固有圓頻率n及無阻尼阻尼比：,以待測物體的加速度a為激勵，以質量塊的相對位移y為響應，對上式取拉氏變換，有：,1 慣性式加速度計的工作原理,2019/6/29,頻率響應函數為,拉氏傳遞函數Ha（S）為：,1 慣性式加速度計的工作原理,2019/6/29,幅頻