第6章位移、速度及加速度检测-王威立

1、第第6章章 位移、速度及加速度检测位移、速度及加速度检测n电感式传感器电感式传感器n差动变压器位移计差动变压器位移计n电位器传感器电位器传感器n电容式位移传感器电容式位移传感器n感应同步器感应同步器n光栅位移测试光栅位移测试n码盘式传感器码盘式传感器n激光式传感器激光式传感器n磁电感应式速度传感磁电感应式速度传感器器n测速发电机及电磁脉测速发电机及电磁脉冲式转速计冲式转速计n光电式转速计光电式转速计n加速度传感器加速度传感器6.1 电感式传感器电感式传感器 n6.1.1 电感式传感器的原理及分类电感式传感器的原理及分类 电感式电感式传感器又称传感器又称自感式自感式传感器或传感器或变磁阻式变磁阻

2、式传传感器，原理如图示。感器，原理如图示。 线圈的电感值按下式计算：线圈的电感值按下式计算： 其中：其中： m2RNL 00cm2SSlRRR6.1 电感式传感器电感式传感器 ，忽略，忽略Rc，则有，则有 测量原理？测量原理？00m2SRR120002m2LSLSNRNL06.1 电感式传感器电感式传感器n电感式传感器分为三种类型电感式传感器分为三种类型 螺线管式螺线管式变气隙型变气隙型 变截面型变截面型6.1 电感式传感器电感式传感器n6.1.2 输出特性输出特性 n变气隙式变气隙式和和变截面式变截面式自感传感器的输出的特性如图自感传感器的输出的特性如图示。其示。其灵敏度灵敏度分别为分别为

3、时近似为线性！时近似为线性！Const2dd;2dd0202002NSLKLSNLK06.1 电感式传感器电感式传感器6.1.3 差动电感传感器原理差动电感传感器原理 差动变气隙式差动变气隙式电感传感器结构及测量（交流）电桥电感传感器结构及测量（交流）电桥（调幅电路调幅电路） 如图示。如图示。 1- -铁芯铁芯 2- -线圈线圈 3- -衔铁衔铁6.1 电感式传感器电感式传感器00020212SNLLL000212SNL000222SNL22000221SNLLL00200022LSNL002LLk6.1 电感式传感器电感式传感器0002012SNLL00002012SNLLL0200022L

4、SNL000LLkn下面的铁心和线圈去掉6.1 电感式传感器电感式传感器与与单线圈单线圈变气隙式电感传感器相比，变气隙式电感传感器相比，差动差动变气隙变气隙式电感传感器的式电感传感器的优点：优点：灵敏度提高一倍。灵敏度提高一倍。电电磁吸力相互抵消。磁吸力相互抵消。温度自补偿。温度自补偿。抗外磁场干扰能力较强抗外磁场干扰能力较强。 6.2 差动变压器位移计差动变压器位移计n6.2.1 差动变压器原理、特性及测量电路差动变压器原理、特性及测量电路n差动变压器结构与原理差动变压器结构与原理 一般：一般：N1=5001500匝，匝，N2/N1=13； 。mm5 . 006.2 差动变压器位移计差动变压

5、器位移计铁芯在平衡位置，铁芯在平衡位置， 铁芯右移，铁芯右移， 铁芯左移，铁芯左移， 022212UUU?22212UUU?22212UUU6.2 差动变压器位移计差动变压器位移计n输出特性输出特性零点残余电压？产生？危害？补偿？零点残余电压？产生？危害？补偿？在平衡点附近，在平衡点附近，存在测量死区！存在测量死区！线性变差！线性变差！U2U26.2 差动变压器位移计差动变压器位移计n6.2.2 差动变压器位移计差动变压器位移计n6.3 电位器传感器电位器传感器 n6.3.1 电位器传感器原理电位器传感器原理电位器式电阻传感器的结构如图示，电位器式电阻传感器的结构如图示，图图(a)为直线式电为

6、直线式电位器，可测位器，可测线位移线位移；(b)为旋转式电位为旋转式电位器，可测器，可测角位移角位移。 SlR6.3 电位器传感器电位器传感器n6.3.2 电位器传感器输出特性电位器传感器输出特性xlUlxRRxlURRULxx11RLRR L6.3 电位器传感器电位器传感器n6.3.3 电位器传感器结构电位器传感器结构电阻丝电阻丝：电阻系数大，温度系数小，对铜的热电势：电阻系数大，温度系数小，对铜的热电势应尽可能小。常用的有铜镍合金类、铜锰合金类、镍应尽可能小。常用的有铜镍合金类、铜锰合金类、镍铬丝等。铬丝等。骨架骨架：不易变形，表面绝缘电阻高，散热好。常用：不易变形，表面绝缘电阻高，散热好

7、。常用的有陶瓷、酚醛树脂、工程塑料等。的有陶瓷、酚醛树脂、工程塑料等。 电刷电刷：与电阻丝接触电势小，并有一定的接触力。：与电阻丝接触电势小，并有一定的接触力。6.3 电位器传感器电位器传感器n6.3.4 电位器式位移传感器电位器式位移传感器（p.229） YHD型电位器式位移传感器结构如图示型电位器式位移传感器结构如图示 6.4 电容式位移传感器电容式位移传感器 n6.4.1 单电极电容式位移单电极电容式位移 传感器及其应用传感器及其应用 单电极电容式位移传感单电极电容式位移传感器的结构和原理如图示器的结构和原理如图示 n电容传感器可精确测量微位电容传感器可精确测量微位移。移。电容式测微仪电

8、容式测微仪（测微位（测微位移和振动幅度）：在最大量移和振动幅度）：在最大量程为程为( (1005) )m时，最小时，最小检测量为检测量为0.01m。6.4 电容式位移传感器电容式位移传感器n应用举例应用举例6.4 电容式位移传感器电容式位移传感器n6.4.2 变面积变面积差动式电容位差动式电容位移传感器及应移传感器及应用用 变极筒面积的变极筒面积的差动式电容位移差动式电容位移传感器结构如图传感器结构如图示。示。 6.4 电容式位移传感器电容式位移传感器n精密大位移测量用变面积电容式传感器原理图精密大位移测量用变面积电容式传感器原理图 6.4 电容式位移传感器电容式位移传感器n测量电路如图示，输

9、出信号可以近似地写成测量电路如图示，输出信号可以近似地写成 )cos(0oxKUUi6.5 光栅位移测试光栅位移测试 n光栅式位移传感器，也称光栅式位移传感器，也称计计量光栅量光栅，主要用于，主要用于线位移线位移和和角位移角位移的的精密测量精密测量。 n6.5.1 光栅的基本结构光栅的基本结构n一、光栅一、光栅 光栅是在透明的玻璃上刻光栅是在透明的玻璃上刻有大量平行等宽等距的刻线有大量平行等宽等距的刻线构成的，结构如图示。构成的，结构如图示。W 称称为为光栅栅距光栅栅距或或光栅常数光栅常数。 常用计量光栅常用计量光栅W=0.0040.005mm，相当于，相当于( (25020) )线对线对/m

10、m。黑白型长光栅黑白型长光栅W6.5 光栅位移测试光栅位移测试n二、光栅的分类二、光栅的分类 光栅按其用途分类如图示。光栅按其用途分类如图示。 6.5 光栅位移测试光栅位移测试n6.5.2 光栅传感器原理光栅传感器原理 光栅传感器由光栅、光路、光电元件和转换电路等光栅传感器由光栅、光路、光电元件和转换电路等组成。组成。 n一、光栅传感器的组成一、光栅传感器的组成 光栅传感器的组成如图示。指示光栅应置于主光栅光栅传感器的组成如图示。指示光栅应置于主光栅的费涅耳第一焦面上，其间的距离为：的费涅耳第一焦面上，其间的距离为： 2Wd 6.5 光栅位移测试光栅位移测试n二、莫尔条纹二、莫尔条纹 1. 莫

11、尔条纹莫尔条纹 光栅式传感器的基本工作光栅式传感器的基本工作原理是利用光栅的原理是利用光栅的莫尔条莫尔条纹现象纹现象来进行测量的。莫来进行测量的。莫尔条纹如图示。尔条纹如图示。6.5 光栅位移测试光栅位移测试2. 莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征(1)运动对应关系：莫尔条纹的移动量和移动方向与主运动对应关系：莫尔条纹的移动量和移动方向与主光栅相对于指示光栅的位移量和方向有严格的对应光栅相对于指示光栅的位移量和方向有严格的对应关系。光栅移动一个栅距，莫尔条纹移过一条，光关系。光栅移动一个栅距，莫尔条纹移过一条，光栅反向移动，莫尔条纹也向相反方向移动。见下图。栅反向移动，莫尔条纹也向相反方向移动。见下

12、图。6.5 光栅位移测试光栅位移测试 6.5 光栅位移测试光栅位移测试(2)减小误差：莫尔条纹对光栅的刻线误差有平均作用，减小误差：莫尔条纹对光栅的刻线误差有平均作用，能在很大程度上消除栅距局部误差和短周期误差影响。能在很大程度上消除栅距局部误差和短周期误差影响。 (3)位移放大：莫尔条纹的间距随着位移放大：莫尔条纹的间距随着 光栅线纹光栅线纹交角而改变，关系为：交角而改变，关系为： 从上式可知，从上式可知，越小，条纹间距越小，条纹间距B 将变得越大，将变得越大，莫尔条纹有莫尔条纹有放大作用放大作用，其放大倍数为：，其放大倍数为： 例如例如：W=0.02mm，=0.1，则，则B=11.46mm

13、，k=573（很大！很大！）。）。 WWB2sin21WBk6.5 光栅位移测试光栅位移测试n三、光栅的信号输出三、光栅的信号输出主光栅移动一个栅距主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹变化一个周期，莫，莫尔条纹变化一个周期，莫尔条纹的变化近似为正弦波形，可看成是一个直流分尔条纹的变化近似为正弦波形，可看成是一个直流分量与一个交流分量的叠加，即：量与一个交流分量的叠加，即：n辨向？辨向？n细分？细分？ 辨向环节框图辨向环节框图)360sin(0WxUUUm6.6 码盘式传感器码盘式传感器 n码盘式传感器是以码盘式传感器是以编码器编码器为基础的，它是测量为基础的，它是测量轴角位轴角位置置和和角位移角位移

14、的方法之一。国内已有的方法之一。国内已有16位位绝对编码器绝对编码器和和每转大于每转大于10000脉冲数输出的小型脉冲数输出的小型增量编码器增量编码器。 n6.6.1 光电码盘式传感器原理光电码盘式传感器原理 光电码盘式传感器是光电码盘式传感器是用光电方法把被测用光电方法把被测角角位移位移转换成以转换成以数字代数字代码码形式表示的电信号形式表示的电信号的转换部件。工作原的转换部件。工作原理如图示。理如图示。2- -柱面镜，柱面镜，4- -狭缝，狭缝，5- -光电元件光电元件6.6 码盘式传感器码盘式传感器n6.6.2 光电码盘光电码盘 光电码盘一般用光电码盘一般用照相腐照相腐蚀法蚀法制作。已有

15、径向线宽制作。已有径向线宽为为6.710-8rad的码盘，的码盘，其精度高达其精度高达10-8。n一、二进制码盘一、二进制码盘四位二进制码盘如图示，四位二进制码盘如图示，涂黑部分输出涂黑部分输出为为0，空白，空白部分输出为部分输出为1。 6.6 码盘式传感器码盘式传感器n二进制码盘的二进制码盘的特点特点： n位二进制码盘位二进制码盘能分辨的角度能分辨的角度为：为： 位数位数n越多，能分辨的角度越小，越多，能分辨的角度越小， 测量精度越高。测量精度越高。n=20=1。 二进码为二进码为有权码有权码，编码，编码CnCn-1C1对应于零位算对应于零位算起的转角为起的转角为:错码错码？（光电元件转换不

16、同步或码道制作不精确）（光电元件转换不同步或码道制作不精确）（p.243）措施措施？（用循环码代替二进制码或双读数头法）（用循环码代替二进制码或双读数头法）（p.243-244）n2360niikC1126.6 码盘式传感器码盘式传感器n二、循环码码盘二、循环码码盘 循环码的循环码的特点特点是相邻两个数码是相邻两个数码间只有一位不同。码盘的制作和间只有一位不同。码盘的制作和安装不准，引起的误差最多也只安装不准，引起的误差最多也只是最低的一位数。是最低的一位数。 四位循环码盘如图示。四位循环码盘如图示。表表6.6.1是十进制数、二进制数及是十进制数、二进制数及四位循环码的对照表。四位循环码的对照

17、表。 循环码是变权代码，测量时循环码是变权代码，测量时需需转换转换成二进制码（有权代码，成二进制码（有权代码，每一位代表一固定十进制数）。每一位代表一固定十进制数）。 6.6 码盘式传感器码盘式传感器nR表示循环码，表示循环码，C 表示二进制码。表示二进制码。n二进制码二进制码循环码的规则循环码的规则： n循环码循环码二进制码的规则：二进制码的规则： 1iii11CCRCR1iii11CRCRC6.6 码盘式传感器码盘式传感器n二进制码二进制码循环码的转换电路如图示循环码的转换电路如图示 二进制码二进制码串行循环码串行循环码二进制码二进制码并行循环码并行循环码6.6 码盘式传感器码盘式传感器n

18、循环码循环码二进制码的转换电路如图示二进制码的转换电路如图示串行循环码串行循环码二进制码二进制码并行循环码并行循环码二进制码二进制码6.6 码盘式传感器码盘式传感器n6.6.3 光电码盘的应用光电码盘的应用光电码盘测角仪原理图：光电码盘测角仪原理图：1- -光源，光源，2- -大孔径非球面聚光镜，大孔径非球面聚光镜，3- -码盘，码盘，4- -狭缝，狭缝，5- -光电元件光电元件6.7 激光式传感器激光式传感器 n6.7.1 激光的特性和稳频方法激光的特性和稳频方法n一、激光的特性一、激光的特性 方向性强方向性强 单色性好单色性好 亮度高亮度高 相干相干性好性好 n二、激光器二、激光器 按激光

19、器的工作物质可分为以下几类：按激光器的工作物质可分为以下几类： 固体激光器：如红宝石激光器、钕玻璃激光器等。固体激光器：如红宝石激光器、钕玻璃激光器等。 气体激光器：如氦氖激光器、二氧化碳激光器、气体激光器：如氦氖激光器、二氧化碳激光器、一氧化碳激光一氧化碳激光器等。器等。6.7 激光式传感器激光式传感器 液体激光器：分为无机液体激光器和有机液体激液体激光器：分为无机液体激光器和有机液体激光器等。常用的是前者，光器等。常用的是前者，波长在一定范围连续可调！波长在一定范围连续可调！ 半导体激光器：出现较晚，较成熟的是砷化镓半导体激光器：出现较晚，较成熟的是砷化镓激光器。激光器。 n三、激光的稳频

20、方法三、激光的稳频方法 较常用的稳频方法是兰姆下陷稳频法。较常用的稳频方法是兰姆下陷稳频法。 n6.7.2 激光干涉传感器测长原理激光干涉传感器测长原理 激光干涉传感器测长原理实质是光的干涉原理，常激光干涉传感器测长原理实质是光的干涉原理，常用的是用的是迈克尔逊双光束干涉系统迈克尔逊双光束干涉系统（示意图见（示意图见p.255）。）。n测长的基本公式：测长的基本公式：nNx20（n为空气折射率）为空气折射率）6.8 磁电感应式速度传感器磁电感应式速度传感器n磁电感应式传感器磁电感应式传感器也称为也称为感应式传感器感应式传感器或或电动式传感电动式传感器器，是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电动

21、势，是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电动势的原理工作的。只能用于的原理工作的。只能用于动态测量动态测量，工作频率为，工作频率为101000Hz。n6.8.1 磁电感应式传感器原理与测量电路磁电感应式传感器原理与测量电路n一一、磁电感应式传感器原理、磁电感应式传感器原理 根据电磁感应定律，线圈中的感应电势为根据电磁感应定律，线圈中的感应电势为tNedd6.8 磁电感应式速度传感器磁电感应式速度传感器磁电感应式传感器结构如图示磁电感应式传感器结构如图示 6.8 磁电感应式速度传感器磁电感应式速度传感器n线圈在磁场中作线圈在磁场中作直线运动直线运动，感应电势为：，感应电势为：n线圈在磁场中线圈在

22、磁场中转动，转动，感应电势为：感应电势为：n可见，磁电传感器可用于测定可见，磁电传感器可用于测定线速度线速度和和角速度角速度。sinddsinNBlvtxNBlesinddsinNBStNBSe6.8 磁电感应式速度传感器磁电感应式速度传感器n二、磁电感应式传感器测量电路二、磁电感应式传感器测量电路 位移、速度和加速度测量电路如图示位移、速度和加速度测量电路如图示 6.8 磁电感应式速度传感器磁电感应式速度传感器n6.8.2 磁电感应式传感器的灵敏度磁电感应式传感器的灵敏度K直线运动直线运动的磁电感应式传感器，其灵敏度为：的磁电感应式传感器，其灵敏度为： 旋转运动旋转运动的磁电感应式传感器，其

23、灵敏度为：的磁电感应式传感器，其灵敏度为： NBlveKNBSeK6.8 磁电感应式速度传感器磁电感应式速度传感器n6.8.3 磁电式速度传感器磁电式速度传感器n一、相对速度传感器一、相对速度传感器 国产国产CD-2型磁电式相对速度传感器的结构示意图型磁电式相对速度传感器的结构示意图 6.8 磁电感应式速度传感器磁电感应式速度传感器n二二 、绝对速度传感器、绝对速度传感器国产国产CD-1型磁电式绝对速度传感器的结构示意图型磁电式绝对速度传感器的结构示意图 6.9 光电式转速计光电式转速计n6.9.1 工作原理工作原理光电式转速计是光电式转速计是光电管光电管或或光敏晶体管光敏晶体管的应用实例之一

24、。的应用实例之一。由由光电管光电管构成的转速计分构成的转速计分反射型反射型和和直射型直射型两种。两种。 6.9 光电式转速计光电式转速计n6.9.2 基本测量电路基本测量电路6.10 加速度传感器加速度传感器6.10 加速度传感器加速度传感器n压电效应压电效应 n 某些电介质物体在某方向受压力或拉力作用某些电介质物体在某方向受压力或拉力作用产生形变时，表面会产生电荷。外力撤消后，又产生形变时，表面会产生电荷。外力撤消后，又回到不带电状态。这种现象称为压电效应。具有回到不带电状态。这种现象称为压电效应。具有压电效应的物体称为压电材料，如天然的石英晶压电效应的物体称为压电材料，如天然的石英晶体，人造的压电陶瓷等。体，人造的压电陶瓷等。n一、石英晶体的