任务　位移与速度的测量

1、任务务要求掌握测量位移、速度传感器的结构掌握位移传感器和速度传感器的工作原理任务务六位移和速度的测测量 位移常用测量系统可分为三类： 机械测量系统 主要用于位移测量，其动态特性较差，机械惯性大，不能远距离传送。 光学测量系统 用光学法、光电干涉、光导纤维、激光多普勒效应等方法进行测量。光电测量法是一种非接触测量方法，对被测对象无不良影响，具有较高的频响精度。 电测系统 用各种传感器及配套使用的仪器测量位移是目前最广泛使用的方法。可根据测试对象选用不同类型的传感器及测试方法。其特点是动态范围大，要进行接触式测量时，传感器对被测对象有一定影响。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

2、是交流电流，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，引起后续电桥桥路的桥臂中阻抗z变化，当电桥失去平衡时，输出电压与被测的机械位移量成比例。电感式传感器常分成自感式（有单磁路和差动式两种）与互感式（常用的是差动变压器型）两类。 1 1单磁路电感式传感器单磁路电感式传感器单磁路电感式传感器是由铁芯、线圈和衔铁组成，如图6-1所示。当被测位移量带动衔铁上下移动时，空气隙长度x的变化，引起磁路中气隙磁阻发生变化，而引起线圈电感的变化。根据电感的定义，线圈中的电感量为xawalalaxwrrrwriwiwiwilmmmm221022221111022102

3、(6-1) 图6-1单磁路电感传感器由于铁芯和衔铁的导磁系数1、2远大于空气隙的导磁系数0，所以铁芯和衔铁的磁阻rm1、rm2可略去不计，所以磁路中的总磁阻只考虑空气隙的磁阻这一项。由此，得到电感线圈中的电感量如式（6-1）所示。当传感器设计制造完成后，w、0、a1都是常数。则式（6-1）可改写为 xkl1（6-2） 当衔铁感受被测位移量产生位移时，则传感器必有的电感量输出，从而达到位移量到电感变化量的转换。式（6-2）表明：电感量与线圈匝数平方w2成正比；与空气隙有效截面积a1成正比；与空气隙磁路长度x成反比。因此，改变气隙长度或改变气隙截面积都能使电感量变化。对于变气隙型电感传感器，其电感

4、量与气隙长度之间的关系如图6-2所示，可见l=f (x)不呈线性关系。当气隙从初始x0增加或减少时，电感量变化是不等的。因此，为了使电感传感器有较好的线性，必须使衔铁的位移量限制在较小范围内，一般取，常适用于测量0.0011mm的位移值。这样，才有近似的线性关系。图6-2 特征曲线在实际应用中，常把两个完全对称的单磁路自感传感器组合在一起，用一个衔铁构成差动式电感传感器。如图6-3。当忽略铁磁材料的磁滞和涡流损耗，工作开始时，衔铁处于中间位置，气隙长度x1=x2=x0，两个线圈的电感相等l1=l2=l0，流经两线圈中的电流相等i1=i2=i0，因此，i=0，则负载zl上没有电流流过，输出电压u

5、sc=0。当衔铁由被测位移量带动作上下移动时，铁芯与衔铁之间的气隙长度一个增大，另一个减小，则l1l2；i1i2。负载zl上有电流i流过，所以电桥失去平衡，有电压usc输出。电流i和输出电压usc的值，代表衔铁的位移量之大小，如将usc经过相敏整流电路转换为直流电压，根据输出直流电压的极性，还可判断衔铁移动的方向。2 2差动式电感传感器差动式电感传感器图6-3 差动电感传感器 通过比较，可得到差动式电感传感器比单磁路电感传感器的总电感量和灵敏度都提高了一倍。根据图6-3，设衔铁向上移动x，上下电感线圈的电感量由原始的l值分别变为l+l1和l-l2（设l1=l2），此时上下线圈总电感量为：122

6、21021021022112)(2)(2)()(xxxxlxxxawxxawxxawlllll图图6-4 6-4 差动变压式位移传感器差动变压式位移传感器3 3差动变压器式传感器差动变压器式传感器 差动变压器式传感器是互感式电感传感器中常见的一种。它由衔铁1、初级线圈l1、次级线圈l21与l22和线圈架2所组成。如图6-4所示 图图6-56-5锅炉自动连续给水控制装置锅炉自动连续给水控制装置差动变压器式电感传感器具有线性范围大、测量精度高、稳定性好和使用方便等优点，广泛应用于直线位移测量中。图6-5是将差动变压器式电感传感器应用于锅炉自动连续给水控制装置的实例。该装置是由浮球电感式传感器、控制

7、器、调节阀与积分式电动执行器组成。浮球电感式传感器是由浮球、浮球室和变压器式传感器所组成。 锅炉水位的变化被浮球所感受，推动传感器的衔铁随着水位的波动而上下移动，使传感器的电感量发生变化，经控制器将电感量放大后反馈给调节阀。调节阀感受线圈电感量的变化，发生相应的开或关的电信号，调节阀通过执行器，开大或关小阀门，实现连续调节给水的目的。当锅炉水位上升时，调节阀逐步关小，使锅炉的给水量逐步减少；反之，调节阀逐步开大，则锅炉的给水量逐步增加。由于在执行器的阀杆上设置一个与传感器线圈特性相同的阀位反馈线圈，当传感器线圈与反馈线圈经放大后的电感电压信号相等时，执行器就稳定在某一高度上，锅筒内水位也保持在

8、某一高度，从而使锅炉的给水量与蒸发量不断地自动趋于相对平衡位置。根据法拉第电磁感应定律，将一块金属置于交变磁场中，或使金属块在磁场中作切割磁力线的运动，那么在金属体内将产生旋涡状的感应电流，这种电流叫做电涡流。该效应称为电涡流效应。利用电涡流效应制成的传感器称为涡流式传感器。由于电涡流式传感器具有频率响应范围宽、灵敏度高、测量范围大、结构简单、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响，特别具有非接触测量等优点。二二 电涡流式位移测量系统电涡流式位移测量系统1 1涡流式位移传感器的基本结构和工作原理涡流式位移传感器的基本结构和工作原理 图6-6、图6-7是涡流式位移传感器的基本结构和工作原理图。由图可

9、知传感器主要由探头和检测电路两部分构成。探头主要由线圈及骨架组成，检测电路由振荡器、检波器及放大器等组成。 图6-6 涡流式位移传感器的基本结构及工作原理图 图6-7 涡流传感器的等效电路 当振荡器产生的高频电压施加给靠近金属板一侧的电感线圈l时，l产生的高频磁场作用于金属板的表面。由于趋肤效应，高频磁场不能透过具有一定厚度的金属板而仅作用于其表面的薄层内，金属板表面产生感应涡流。涡流产生的磁场又反作用于线圈l上，导致传感器线圈l的电感及等效阻抗发生变化。 当被测物体和传感器探头被确定以后，影响传感器线圈l阻抗z的一些参数是不变的，此时只有线圈与被测导体之间的距离x的变化量与阻抗z有关，如通过

10、检测电路测出阻抗z的变化量，即可实现对被测导体位移量的检测。 图6-8 电涡流强度与距离的关系2被测导体对传感器灵敏度的影响被测导体对传感器灵敏度的影响图6-9 被测导体直径与传感器灵敏度的关系曲线图 6-10 定频调幅式检测电路工 作原理图 3 3涡流式位移传感器的检测电路涡流式位移传感器的检测电路半导体光电位置敏感器件（position sensitive detector简称psd）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，即可确定入射光点在器件感光面上的位置。 三三 光电位置敏感器件光电位置敏

11、感器件 psd的基本结构为p-n结结构，其工作原理是基于横向光电效应。 图图6-11 6-11 一维一维psdpsd的结构及等效电路的结构及等效电路 psd为仅对入射光点位置敏感的器件。px称为一维psd的位置输出信号。电路l为psd中点到信号电极间的距离；x为入射光点距psd中点的距离。则得到的结果只与光点的位置坐标x有关，而与入射光强度无关 情景二情景二 速度的测量速度的测量 物体转动的速度称为转速。转速又有角速度和线速度之分。一、一、 转速传感器转速传感器1 1光电式转速传感器光电式转速传感器它分为投射式和反射式两类。图图6-12 6-12 投射式光电转速传感器投射式光电转速传感器的结构

12、原理的结构原理图图6-136-13反射式光电转速传感器原反射式光电转速传感器原 理图光敏元件理图光敏元件 转速转速2 2电容式转速传感器电容式转速传感器 电容式转速传感器，有面积变化型面积变化型和介质变化型介质变化型两种。 电容式转速传感器由两块固定金属板和与转动轴相连的可动金属板构成。 介质变化型是在电容器的两个固定电极板之间嵌入一块高介电常数的可动板而构成的。 图图6-14 6-14 变面积型电容式转速传感器变面积型电容式转速传感器3 3变磁阻式转速传感器变磁阻式转速传感器 变磁阻式传感器的三种基本类型：电感式传感器、变压器式传感器和电涡流式传感器。 图6-15 电感式转速传感器原理a 开

13、磁路式 b 闭磁路式二二 、加速度的测量、加速度的测量1 1加速度传感器加速度传感器 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。2 2加速度传感器的应用加速度传感器的应用 通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。但是刚开始的时候，你会发现只测量倾角和加速度好像不是很有用。但是，现在工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。 加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山？还是在走下

14、坡，摔倒了没有？ 或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。一个好的程序员能够使用加速度传感器来回答所有上述问题。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动。 目前最新ibm thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并

15、根据这些振动，自动调节相机的聚焦。3 3加速度传感器的工作原理加速度传感器的工作原理 多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。所谓的压电效应就是 对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应 。 一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产

16、生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。4 4加速度传感器实例加速度传感器实例电容式加速度传感器电容式加速度传感器 图图6-16 6-16 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 1 1：绝缘体；：绝缘体；2 2：固定电极；：固定电极；3 3：质量块；：质量块； 4 4：弹簧片：弹簧片压电式加速传感器压电式加速传感器 压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化，当传感器向上运动时，质量块产生的惯性力使压电元件上的压应力增加；反之，当传感器向下运动时，压电元件的压应力减

17、小，从而输出与加速度成正比的电信号。图图6-17 myd-13606-17 myd-1360压电式加速度传感器压电式加速度传感器图图6-18 6-18 常用的压电式加速度计的结构常用的压电式加速度计的结构要点回顾要点回顾 位移测量涉及的范围较广，位移测量是线位移和角位移测量的总称。测量位移的传感器有电感式位移传感器(单磁路电感式传感器、差动式电感传感器、差动变压器式传感器)、电涡流式位移传感器、光电位移传感器。 速度的测量包括转速和加速度，其中转速测量又包括角速度和线速度。 测量转速的传感器主要有光电式转速传感器、电容式转速传感器、变磁阻式转速传感器等；测量加速度的传感器主要有电容式加速度传感器、压电式加速传感器等。习题习题6 61、举出若干测量位移、速度、加速度的传感器。2、说明电感式传感器测位移的原理。3、一电容式传感器的两个极板均为边长为10cm的正方形，间 距为1mm，两极板间气隙恰好放置一边长为10cm，厚度为1mm，相对介电常数为4的正方形介质。该介质可在气隙中自由滑动。若用该电容式传感器测量位移，试计算当介质极板向某一方向移出极板相互覆盖部分的距离分别为1cm、2cm、3cm时，该传感器的输出电容值分别是多少？4、一