第四章运动量检测技术

1、信息采集技术第第4 4章章 运动量检测技术运动量检测技术运动运动量包括位移、转角（角位移）、尺寸、转速、力、重量、量包括位移、转角（角位移）、尺寸、转速、力、重量、扭矩、振动、速度和加速度等。扭矩、振动、速度和加速度等。 是非电量传感器的中间参数是非电量传感器的中间参数, ,例如前面提到的弹性变形法测压力等都要经过例如前面提到的弹性变形法测压力等都要经过运动运动量的转换。量的转换。位移是机械量中最基本的参数位移是机械量中最基本的参数, , 也是也是运动运动量检测的重点量检测的重点, , 其其它它运动运动量参数如力、力矩、速度、加速度和振动等量参数如力、力矩、速度、加速度和振动等, , 都是以都

2、是以位移测量作为基础的。位移测量作为基础的。4.14.1位移检测位移检测4.1.14.1.1位移检测方法位移检测方法线位移和角位移检测。线位移和角位移检测。（1 1）积分法、（）积分法、（2 2）相关测距法、（）相关测距法、（3 3）回波法）回波法（4 4）线位移和角位移相互转换、（）线位移和角位移相互转换、（5 5）位移传感器）位移传感器电子信息工程系信息采集技术4.1.24.1.2常用的位移传感器常用的位移传感器（1 1）电感式位移传感器）电感式位移传感器: :利用传感器线圈的利用传感器线圈的电感电感变化来检测非电量的机电转换装置。变化来检测非电量的机电转换装置。特点：特点：a.a.结构简

3、单、工作可靠、寿命长、精度高（分辨力达结构简单、工作可靠、寿命长、精度高（分辨力达0.1um0.1um）。）。b.b.缺点：线性范围小、不适于高频动态测量场合。缺点：线性范围小、不适于高频动态测量场合。根据传感器线圈的接线方式分为：自感式和互感式。根据传感器线圈的接线方式分为：自感式和互感式。根据传感器线圈的结构分为：变气隙型、变面积型根据传感器线圈的结构分为：变气隙型、变面积型 螺管型。螺管型。 电子信息工程系信息采集技术 变气隙型、变面积型变气隙型、变面积型螺管型螺管型电子信息工程系信息采集技术 线圈衔铁螺管型螺管型电感传感器外形电感传感器外形电子信息工程系信息采集技术（2 2）电容式位移

4、传感器）电容式位移传感器: :特点：特点：a.a.结构简单，能在恶劣环境下工作，可用无机材料（玻璃、石结构简单，能在恶劣环境下工作，可用无机材料（玻璃、石英、陶瓷）作绝缘支架，上面渡以金属作为极板，能承受相英、陶瓷）作绝缘支架，上面渡以金属作为极板，能承受相当大的温度变化及辐射，以及强烈振动，并可以在各向同性当大的温度变化及辐射，以及强烈振动，并可以在各向同性的电介质液中使用。的电介质液中使用。b.b.分辨力高（纳米级），动态特性好，电容传感器需要的作用分辨力高（纳米级），动态特性好，电容传感器需要的作用能量极小。因而有较高的固有频率，同时能在几兆赫的频率能量极小。因而有较高的固有频率，同时能

5、在几兆赫的频率下工作，从而保证有良好的动态响应能力。下工作，从而保证有良好的动态响应能力。c.c.小功率、高阻抗，本身发热量小。小功率、高阻抗，本身发热量小。d.d.本身损耗小，零点稳定；由于本身发热引起的本身损耗小，零点稳定；由于本身发热引起的零漂，可以认为不存在。零漂，可以认为不存在。e.e.变极距型广范用于变极距型广范用于微位移微位移测量系统中。测量系统中。 电子信息工程系信息采集技术（3 3）感应同步器位移传感器）感应同步器位移传感器: :是应用电磁感应原理把位移量转换成为是应用电磁感应原理把位移量转换成为数字量数字量的位移传感器。的位移传感器。感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随相

6、对位置不同而变感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随相对位置不同而变化的原理化的原理, , 将直线位移或角位移转换成电信号的。将直线位移或角位移转换成电信号的。感应同步器有直线式和旋转式两种感应同步器有直线式和旋转式两种, , 直线式（长）感应同步器由定尺和滑尺组成。直线式（长）感应同步器由定尺和滑尺组成。旋转式（圆）感应同步器由转子和定子组成。旋转式（圆）感应同步器由转子和定子组成。电子信息工程系信息采集技术直线式（长）感应同步器直线式（长）感应同步器旋转式（圆）感应同步器旋转式（圆）感应同步器电子信息工程系信息采集技术特点：特点：a.a.测量精度高，工作可靠。测量精度高，工作可靠。b.b.

7、抗干扰能力强，寿命长。抗干扰能力强，寿命长。c.c.使用便利。使用便利。d.d.尤其适用于生产现场在线检测。尤其适用于生产现场在线检测。 电子信息工程系信息采集技术（4 4）电涡流式传感器）电涡流式传感器 根据法拉第电磁感应原理根据法拉第电磁感应原理, , 块状金属导体置于变化的磁块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时场中或在磁场中作切割磁力线运动时, , 导体内将产生呈涡旋导体内将产生呈涡旋状的感应电流状的感应电流, ,此电流叫电涡流此电流叫电涡流, ,以上现象称为以上现象称为电涡流效应电涡流效应。 根据电涡流效应制成的传感器称为根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器

8、电涡流式传感器。特点特点: :A A、能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等、能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量。进行非接触式连续测量。B B、具有体积小、具有体积小, ,灵敏度高灵敏度高, ,抗干扰能力强，频率抗干扰能力强，频率 响应宽。响应宽。C C、不受油污等介质影响，应用极其广泛。、不受油污等介质影响，应用极其广泛。D D、有变间隙、变面积、螺管型。、有变间隙、变面积、螺管型。电子信息工程系信息采集技术电涡流传感器电涡流传感器工作原理图工作原理图电子信息工程系信息采集技术根据法拉第定律根据法拉第定律, , 当传感器线圈通以正弦交变电流当传感器

9、线圈通以正弦交变电流I1时时, , 线圈周围空间线圈周围空间必然产生正弦交变磁场必然产生正弦交变磁场H1, ,使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流 I2, , I2又产生新的交变磁场又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律。根据愣次定律, , H2的作用将反抗原磁的作用将反抗原磁H1, ,导导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上可知致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上可知, , 线圈阻抗的变化完全取线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效应既与被测体的电阻率决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效应既与被测体的电阻率、磁导率磁导率以及几何形状

10、有关以及几何形状有关, , 又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关有关, , 还与线圈与导体间的距离还与线圈与导体间的距离x x有关。因此有关。因此, , 传感器线圈受电涡流影传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗响时的等效阻抗Z Z的函数关系式为的函数关系式为 Z= FZ= F（, , r, f, x, , r, f, x） 式中式中: r: r线圈与被测体的尺寸因子。线圈与被测体的尺寸因子。 如果保持上式中其它参数不变如果保持上式中其它参数不变, , 而只改变其中一个参而只改变其中一个参数数, , 传感器线圈阻抗传感器线圈阻抗Z Z就仅仅是这个参数的单值函

11、数。通过就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗与传感器配用的测量电路测出阻抗Z Z的变化量的变化量, , 即可实现对即可实现对该参数的测量。该参数的测量。电子信息工程系信息采集技术电涡流传感器等效电路图电涡流传感器等效电路图电涡流传感器电涡流传感器载流线圈载流线圈和和金属导体金属导体。电子信息工程系信息采集技术电子信息工程系信息采集技术（5 5）光栅式数字位移传感器）光栅式数字位移传感器 光栅是一种在基体上刻制有等间距均匀分布条纹的光学光栅是一种在基体上刻制有等间距均匀分布条纹的光学元件。用于位移测量的光栅称为计量光栅。元件。用于位移测量的光栅称为计量光栅。下图为透射光

12、栅的示意图。下图为透射光栅的示意图。 图中图中a a为刻线宽度为刻线宽度, b, b为缝隙宽度为缝隙宽度, a+b, a+b=W=W称为光称为光栅的栅距（也称光栅常数）。通常栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b=W/2, a=b=W/2, 也可刻成也可刻成 a:ba:b=1.1:0.9=1.1:0.9。 目前常用的光栅每毫米刻成目前常用的光栅每毫米刻成1010、2525、5050、100100、250250条线条。条线条。 电子信息工程系信息采集技术电子信息工程系信息采集技术光栅传感器又称光栅读数头光栅传感器又称光栅读数头,主要由标尺光栅、主要由标尺光栅、指示光栅、指示光栅、光路系统和光电元件

13、等组成。标尺光栅的有效长度即为测量光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。范围。指示光栅比标尺光栅短得多指示光栅比标尺光栅短得多,但两者刻有同样的栅距但两者刻有同样的栅距,使用时两光栅互相重叠使用时两光栅互相重叠,两者之间有微小的空隙两者之间有微小的空隙,其中一片固其中一片固定定,另一片随着被测物体移动另一片随着被测物体移动,即可实现位移测量。即可实现位移测量。电子信息工程系信息采集技术光栅测量原理光栅测量原理:当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时角时,由于挡光效应（对线纹密度由于挡光效应（对线纹密度50条条/mm的光栅）或

14、光的衍的光栅）或光的衍射作用（对线纹密度射作用（对线纹密度100条条/mm的光栅）的光栅）,在与光栅线纹大致在与光栅线纹大致垂直的方向上垂直的方向上,产生出亮暗相间的条纹产生出亮暗相间的条纹,这些条纹称为这些条纹称为“莫尔条莫尔条纹纹”。莫尔条纹测位移的特点莫尔条纹测位移的特点:(1)位移的放大作用位移的放大作用当光栅移动一个栅当光栅移动一个栅距距W时时,莫尔条纹移动一个间距莫尔条纹移动一个间距B,莫尔条纹的间距莫尔条纹的间距B与两光栅线与两光栅线纹夹角纹夹角之间的关系为之间的关系为:B=W/2sin（/2）W/越小越小,B越大。例如越大。例如很小很小,则则1/较大较大,即莫尔条纹宽度是栅距的

15、即莫尔条纹宽度是栅距的1/倍。这相当于把倍。这相当于把栅距放大了栅距放大了1/倍倍,提高了测量的灵敏度。提高了测量的灵敏度。电子信息工程系信息采集技术(2)误差的平均效应误差的平均效应莫尔条纹由光栅的大量刻线形成莫尔条纹由光栅的大量刻线形成,对线纹的刻划误差有平均抵消对线纹的刻划误差有平均抵消作用作用,能在很大程度上消除短周期误差的影响。能在很大程度上消除短周期误差的影响。若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化,则将光信则将光信号转换为电信号号转换为电信号,输出的幅值可用光栅位移量输出的幅值可用光栅位移量x的正弦函数表示的正弦函数表示,如图所示。如图所

16、示。以电压输出而言以电压输出而言:U=U0+Umsin(/2+2x/W)式中式中U-为光电元件输出的电压信号为光电元件输出的电压信号;U0-为输出信号中的平均直流分量为输出信号中的平均直流分量;Um-为输出信号中正弦交流分量的幅值。为输出信号中正弦交流分量的幅值。电子信息工程系信息采集技术。电子信息工程系信息采集技术当光栅位移一个栅距当光栅位移一个栅距W,波形就变化一周波形就变化一周,这时相应条纹移动一这时相应条纹移动一个条纹宽度个条纹宽度B。因此只要记录波形变化周数即条纹移动数。因此只要记录波形变化周数即条纹移动数n,就就可知道光栅的位移可知道光栅的位移x。x=nB将输出的电压信号经过放大、

17、将输出的电压信号经过放大、整形变为方波整形变为方波,经微分电路经微分电路转换成脉冲信号转换成脉冲信号,再经过辨向电路和可逆计数器计数再经过辨向电路和可逆计数器计数,则可以数则可以数字形式实时地显示出位移量的大小。字形式实时地显示出位移量的大小。电子信息工程系信息采集技术电子信息工程系电子信息工程系信息采集技术4.1.3 4.1.3 相位差法检测相位差法检测 常用于常用于大位移量大位移量( (距离距离) )的测量中的测量中, ,相位差检测的载体是光相位差检测的载体是光波或电磁波。激光测距传感器和超声波测距传感器。波或电磁波。激光测距传感器和超声波测距传感器。4.2 4.2 速度检测速度检测4.2

18、.1 4.2.1 速度检测方法速度检测方法速度检测：线速度和角速度（转速和角速率）。速度检测：线速度和角速度（转速和角速率）。 线速度计量单位：线速度计量单位：m/sm/s 转速计量单位：转速计量单位：r/minr/min 角速率计量单位：角速率计量单位：/s(/s(度秒）；度秒）； /H/H（度小时（度小时4.2.2 4.2.2 常用速度传感器常用速度传感器4.3 4.3 加速度检测（自学）加速度检测（自学）4.4 4.4 惯性量测量（自学）惯性量测量（自学）信息采集技术（6 6）光电式编码器）光电式编码器 将机械转动的将机械转动的模拟量（位移）模拟量（位移）转换成以转换成以数字代码数字代码

19、形式表形式表示的电信号示的电信号, , 这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移测量。高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移测量。 编码器的种类很多编码器的种类很多: :按其按其结构结构形式有形式有直线式直线式编码器和编码器和旋转式旋转式编码器。由于许多直编码器。由于许多直线位移是通过转轴的运动产生的线位移是通过转轴的运动产生的, , 因此旋转式编码器应用更因此旋转式编码器应用更为广泛。旋转式编码器又分为为广泛。旋转式编码器又分为增量式增量式编码器和编码器和绝对式绝对式编码编码器。器。增量式增量式编码器：输出信号与编码器：输出信号与转角转角有关。有关。绝对式绝对式编码器：输出信号与编码器：输出信号与位置位置有关。有关。按其检测按其检测原理原理有有电磁式电磁式、接触式、光电式接触式、光电式等。等。 电子信息工程系信息采集技术特点特点: :1 1、光电式编码器具有非接触测量和体积小的优点；、光电式编码器具有非接触测量和体积小的优点；2 2、分辨率高、分辨率高, , 它作为精密位移传感器在自动测量和自动控