自动检测技术及仪表控制系统课件(第八章)

第八章机械量检测转速检测2加速度与振动检测4力的检测33位移检测31机械量介绍机械量包括长度、位移、速度、转角、转速、力、力矩、振动等参数。其中直线位移是机械量中最基本的参数；速度是位移的时间微分；力或力矩可以使弹性体变形而产生位移；由牛顿定律可知加速度与作用力有关。机械量检测的主要任务：检测位移和力的大小位移：线位移与角位移按检测原理分类主要内容模拟式位移检测--电容式位移检测方法、电感式位移检测方法、差动变压器式位移检测方法、光纤位移检测方法光学数字式位移检测--光栅标尺、莫尔条纹标尺转速检测--离心力检测法、光电码盘转速检测法力的检测方法—金属应变元件、半导体应变元件、压电效应、压敏导电橡胶加速度与振动检测—加速度检测原理、动电型振动检测方法、微机械加速度传感元件8.1位移检测1、电容式位移检测方法变极距法和变面积法d≤1mm变极距或变面积电容式位移检测d∆dab∆bCdC线性关系灵敏度为了提高敏度，减小非线性，常采用差动结构检测位移差动容量接入变压器电桥电路进行测量—当负载为无穷大时，输出电压与位移成比例。差动电容式位移检测d0+∆dC1C2∆dC1-C2d0-∆d二、电感式位移检测方法分类根据转换原理分为自感式和互感式按结构形式分为变间隙式、变面积式和螺管式自感式组成：线圈、铁芯和衔铁原理自感式位移传感器磁阻μ：磁导率电感8.1位移检测8.1位移检测2、差动电感式位移检测方法为了提高灵敏度，减小非线性，采用差动接法，如图。L1、L2反对称变化，接入交流电桥电路，输出的交流信号与直线位移或旋转位移成线性关系。8.1位移检测3、互感式—差动变压器式互感式位移传感器，变压器一次线圈和上下对称的两个二次线圈之间的互感强度随铁心的位置而发生变化。铁芯在中央：e0=0铁芯向上移：e0>0铁芯向下移：e0<0差动变压器的应用差压传感器流量传感器张力传感器温度传感器偏位式和零位式重量传感器电桥电路中的偏位法和零位法R1R3电桥平衡下：

与E无关（零位法）R1发生变化：

与E有关（偏位法）R2R4EV光纤是用来传送光信号的三、光纤位移检测方法组成：光纤、光源和光敏元件优点：可在高温、易燃、易爆环境中使用；与被测对象不接触，有利于提高测量精度；可远距离测量等简单光纤位移传感器

发送光纤和接受光纤的端面相对，间隔为1~2µm。接受光纤接收到的光强随两光纤径向相对位置的不同而不同反射式光纤位移传感器

光线照射到被测物体，经其反射后导入光敏元件。光强度随物体的位移变化而变化光纤位移检测方法

光源的光经发送光缆的端面处呈圆锥状扩散，照射到物体表面；被测物体反射光的一部分经接受光缆传到光敏元件，照射光圆锥和发射光圆锥相重叠部分的光强将被检测出。光强随物体的位移的变化而变化1、光栅的构造：8.2.光学数字式位移检测2、工作原理一、光栅位移传感器

把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如图所示。莫尔条纹具有如下特点：1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B

2.莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之间关系为3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。

一、光栅位移传感器通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。

一、光栅位移传感器其电压为：将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。一、光栅位移传感器辨向电路A1A2sincos整形整形反相微分微分Y1Y2+-典型产品：

德国Heidenhain（海德汉）：封闭式：量程3000mm，分辨力0.1m开放式：量程1440mm，分辨力0.01m开放式：量程270mm

分辨力1nm英国Renishaw（雷尼绍）：量程：任意分辨力：0.1m0.01m中国长春光机所：量程：1000mm分辨力：0.01m精确度：2

m

角位移检测传感器一、旋转变压器二、光电编码器1.结构如图所示旋转变压器一般做成两极电机的形式。在定子上有激磁绕组和辅助绕组，它们的轴线相互成90°。在转子上有两个输出绕组——正弦输出绕组和余弦输出绕组，这两个绕组的轴线也互成90°，一般将其中一个绕组（如Z1、Z2）短接。一、旋转变压器2.原理旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机相似，由定子和转子组成。当以一定频率（频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz及5000Hz等几种）的激磁电压加于定子绕组时，转子绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或在一定转角范围内与转角成正比关系。前一种旋转变压器称为正余弦旋转变压器，适用于大角位移的绝对测量；后一种称为线性旋转变压器，适用于小角位移的相对测量。一、旋转变压器3.测量方式当定子绕组中分别通以幅值和频率相同、相位相差为90°的交变激磁电压时，便可在转子绕组中得到感应电势U3，根据线性叠加原理，U3值为激磁电压U1和U2的感应电势之和，即一、旋转变压器式中:k=w1/w2——旋转变压器的变压比

w1、w2——转子、定子绕组的匝数线性旋转变压器实际上也是正余弦旋转变压器，不同的是线性旋转变压器采用了特定的变压比k和接线方式，如右图。这样使得在一定转角范围内（一般为±60°），其输出电压和转子转角θ成线性关系。此时输出电压为一、旋转变压器1.增量式编码器结构二、光电编码器2.增量式编码器工作原理鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使A、B两个光电变换器的输出信号在相位上相差90°。工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器A、B的输出电压相位差为90°。经逻辑电路处理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。

二、光电编码器3.绝对式编码器原理绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如图所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码

二、光电编码器黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，每一个码道表示二进制的一位，里侧是高位，外侧是低位，在360°范围内可编数码数为24=16个。二、光电编码器工作时，码盘的一侧放置电源，另一边放置光电接受装置，每个码道都对应有一个光电管及放大、整形电路。码盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数码电信号。二、光电编码器4.绝对式编码器非单值性误差的消除(1).循环码盘(或称格雷码盘)右图所示为四位二进制循环码。这种编码的特点是任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即“0”变为“1”或“1”变为“0”。因此，在两数变换过程中，所产生的读数误差最多不超过“1”，只可能读成相邻两个数中的一个数。

二、光电编码器(2).带判位光电装置的二进制循环码盘该码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开，只有当信号位处的光电元件有信号时才读数，这样就不会产生非单值性误差。

二、光电编码器8.2转速检测离心力检测法

离心式转速其工作原理基于与回转轴偏置的重锤在回转时产生的离心力Q与回转轴的角速度ω的平方成正比，即式中，m为重锤的质量；r为重锤至被测轴的垂直距离。当转动轴以ω的角速度转动时，重锤产生离心力Q，转速越大离心力越大，压迫弹簧使它缩短，因而弹簧被压缩的位移与转速成正比。测出弹簧位移就得知转速。离心式转速表是机械式的，惯性较大，测量精度受到一定限制，但体积小且携带方便，不需要能源，因此应用比较广泛。一个经典的自动控制模型瓦特的飞球调节器控制蒸汽机转速速度传感器一、直流测速发电机二、光电式速度传感器三、差动变压器式速度传感器测速发电机的结构有多种，但原理基本相同。右图所示为永磁式测速发电机原理电路图。恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成正比的直流电势。

一、直流测速发电机直流测速发电机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，尽可能把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就已安装了测速发电机。

光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度V通过光电池的遮挡板时，光电池输出阶跃电压信号，经微分电路形成两个脉冲输出，测出两脉冲之间的时间间隔△t，则可测得速度为二、光电式速度传感器光电式转速传感器是由装在被测轴（或与被测轴相连接的输入轴）上的带缝圆盘、光源、光电器件和指示缝隙圆盘组成，如下图所示。光源发出的光通过缝隙圆盘和指示缝隙盘照射到光电器件上，当缝隙圆盘随被测轴转动时，圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数N，则可测得转速为二、光电式速度传感器

差动变压器式除了可测量位移外，还可测量速度。其工作原理如下图所示。差动变压器式的原边线圈同时供以直流和交流电流，即三、差动变压器式速度传感器

当差动变压器以被测速度V=dx/dt移动时，在其副边两个线圈中产生感应电势，将它们的差值通过低通滤波器滤除励磁高频角频率后，则可得到与速度v（m/s）相对应的电压输出，即

差动变压器漂移小，其主要性能为：测量范围10~2000mm/s（可调），输出电压±10V（max），输出电流±10mA（max），频带宽度≥500Hz。三、差动变压器式速度传感器8.3力的检测力的检测弹性体受力作用时将发生弹性形变，检测弹性体变形可求得力的大小。力矩是通过测量弹性体的扭转变形而求得的。测量位移的检测方法是检测力、力矩的基础。常用的测力方法：用已知重力或电磁力去平衡被测力，从而直接测得被测力通过测量一个在被测力作用下的已知质量的物体的加速度来间接测量被测力通过测量被测力产生的流体压力来测得被测力当被测力张紧一振动弦，该弦的固有频率将随被测力的大小而改变，测频率可知被测力通过测量在被测力作用下某弹性元件的变形或位移来测得被测力8.3力的检测1、金属应变元件金属电阻丝的电阻R取决于金属材料的电阻率、长度和截面积。在拉伸力的作用下，金属丝被拉长，截面积缩小，导致电阻率也发生变化。(忽略弹性形变影响)电阻应变片的两种结构：a,把金属丝贴在塑料薄膜基板上b,在基板上加工薄膜电阻常用的检测弹性元件变形的传感器有金属应变片半导体应变片压电元件压敏导电橡胶8.3力的检测8.3力的检测使用两组送拉伸力或压缩力的应变片，将其接入电桥电路的四个桥臂，以提高检测的灵敏度和稳定性。检测扭矩时，圆柱体表面受力状况与位置有关，在与轴线45度的各点上受力最大，应变片延此方向粘贴。8.3力的检测2、半导体应变元件半导体应变元件基于半导体压阻效应，它的特点是单位应变的电阻率变化很大。半导体应变片反应灵敏，体积小，被广泛应用在压力传感器上。它的缺点是温度依赖性大，需要温度补偿电路，而且价格比较高。所以金属应变片仍然在被广泛使用。8.3力的检测3、压电效应有些结晶材料(如石英SiO2等)、陶瓷材料(如铁铁酸铅PZT等)以及高分丁材料(如聚二氟乙烯PVDF)等在压力作用下，内部分子的极化情况发生变化，使材料表面带电荷，称为压电效应。但这些表面电荷会很快与环境中的杂散电荷或材料内部自由电荷中和，呈电中性，因此压电效应不能用来检测恒定压力。因为电荷中和时间远远大于在压力作用下的极化变化时间，所以它可以响应动态压力，用于加速度与振动检测中。8.3力的检测4、压敏导电橡胶在橡胶材料里掺入炭粉，当炭粉浓度达到某一极限值以上时，炭粉的颗粒部分发生接触，会呈现一定的电阻率，使这种橡胶板变形时，阻抗值将随变形的强弱而发生变化。给橡胶板配上X、Y地址电极，并集成上FET或二极管等开关元件，就可以获取作用力的二维分布。这种压敏橡胶板被用作触控式面板的开关阵列。8.3力的检测（一）柱式弹性元件柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。如下图所示。这种弹性元件结构简单、承载能力大，主要用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉(压)力传感器。测力传感器2.悬臂梁式弹性元件其特点是结构简单、加工方便、应变片粘贴容易、灵敏度较高。主要用于小载荷、高精度的拉、压力传感器中。可测量0.01牛顿到几千牛顿的拉、压力。在同一截面正反两面粘贴应变片，并应在该截面中性轴的对称表面上。若梁的自由端有一被测力P，则应变与P力的关系为：测力传感器

作为加速度检测元件的加速度传感器有多种形式，它们的工作原理大多是利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成电量，来间接度量被测加速度。最常用的有应变片式和压电式等。8.4加速度和振动检测8.4加速度和振动检测1、弹簧质量系加速度和力是通过质量联系在一起。位移和速度的检测原理都可以用于加速度与振动检测，以弹簧质量系惯性检测法为基础，类型包括应变片转换法、压电转换法、动电转换法、涡电流非接触法、可变电容法、差动变压器法等。加速度检测质量块m，弹簧k，阻尼r,外壳支点有振动z=Asinωt→相对位移检测计，测量y→ω>>ω0

时，支点位移检测ω<<ω0时，支点加速度检测ω=ω0时，支点速度检测8.4加速度和振动检测8.4加速度和振动检测2、动电型振动检测方法直接检测振动速度方法：在磁束密度为B的磁场中，长度为L的导体以速度V切割磁力线，导体两端则产生电势差：加上积分电路，可以把振动速度转换成振动位移信号，检测震动位移。

步行计就是一种简单的动电特性的振动传感器。8.4加速度和振动检测8.4加速度和振动检测8.4加速度和振动检测3、微机械加速度传感元件微机械加工技术使小型加速度传感器得到了很大的发展。缓冲汽车撞击伤害力的空气包里，装有扩散硅压阻膜片的加速度传感器。电阻应变式加速度计结构原理如下图所示。它由重块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片之变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可计算出被测加速度。壳体内灌满的粘性液体作为阻尼之用。这一系统的固有频率可以做得很低。四、加速度传感器

压电加速度传感器结构原理如右图所示。使用时，传感器固定在被测物体上，感受该物体的振动，惯性质量块产生惯性力，使压电元件产生变形。四、加速度传感器压电元件产生的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对被测机构的影响就小。压电加速度传感