传感器第八章1课件

第八章速度传感器第一节转速传感器第二节加速度传感器第三节多卜勒效应测速第一节转速传感器

物体转动的速度称为转速。转速又有角速度和线速度之分，这里重点介绍基于角速度的传感器。转动角速度等于△t时间内转动的角位移△θ与转动时间△t之比 （8-1）当△θ（或△t）取得极小时，称为瞬时角速度，角速度的单位为弧度/秒即rad/s。转速通常用单位时间内的转数来表示，单位为转/分，即r/min。每秒钟的转数也称为转动频率，它是转动周期的倒数。转速的电测法很多，按其测量原理可分为模拟式和数字式下一页返回第一节转速传感器一、模拟式转速传感器1、测速发电机它是根据电磁感应原理做成的专门测速的微型发电机，输出电压正比于输入轴上的转速，即（8-2）式中：B——测速发电机中磁感应强度，单位T； r——测速发电机绕组的平均半径，单位m；l——测速发电机转子的总有效长度，单位m；

ω——测速发电机转子的角速度，单位rad/s；n——测速发电机每分钟转数。测速发电机可分为直流测速发电机和交流测速发电机两类。测速发电机的优点是线性好，灵敏度高和输出信号大。上一页下一页返回第一节转速传感器3、离心式转速表离心式转速表的结构原理如图8-2所示，当转轴转动时，重锤在锤的重力和杆的张力作用下作匀速圆周运动。连杆和拉杆的交点在连杆张力和拉杆拉力作用下也作匀速圆周运动，而套筒则在重锤离心力作用下通过拉杆沿转轴的轴向方向向上或向下移动一个位移。套筒压缩或拉伸弹簧，弹簧产生一个反弹力，从而使套筒达到动态平衡。由于离心力与转速的平方成正比，即，弹簧力与套筒位移成正比，即，，二力平衡时有（8-4）故检测出位移量即可知道待测物的转速。上一页下一页返回第一节转速传感器4、频闪转速表频闪转速表测量的基本原理是基于人眼的视觉暂留现象，工作原理如图8-3所示。频率可调的多谐振荡器4产生某一频率的等幅信号，控制频闪管3发出相同频率的闪光至被测转轴1的反光标志2上。设和fs分fx别表示为闪光频率和被测转轴的转动频率。当fx=fs时，由于人眼的视觉惰性，反光标志看起来似乎在某一位置是静止有动的；当fs＞fx时反光标志朝与转轴相反方向旋转；当fs<fx时，则朝相同方向旋转。这样重复数次，直至看到反光标志最亮，且似乎静止不动时，可从仪器指示盘上直接读出被测的转速。频闪转速表方便灵活，可随意搬动测试，适用于中、高速测量，精度约为0.1%～2%。上一页下一页返回第一节转速传感器二、计数式转速传感器1、测频计数式测频计数式的电测法很多，其共同特点是在指定时间内对转传速感器发出的脉冲进行计数。若每转1周传感器发出的脉冲数为同m，T（s）时间内脉冲计数值为N，则传感器脉冲的频率为（8-5）每分钟转数n为 （8-6）由上式可见，测定传感器脉冲的频率f即可求得转速n。m的数值最好是60的整数倍。下面介绍几种计数式转速电测方法。上一页下一页返回第一节转速传感器由于感应电势的幅值取决于切割磁力线的速度，因而也与转速成一定比例。当转速太低时，输出电势很小，以致无法测量。所以磁电式转速传感器有一个是限工作频率为50Hz（闭磁路式的下限频率可降到30Hz）。其上工作频率可达100kHz。磁阻式转速传感器采用转速－脉冲变换电路如图8-5所示。传感器感应电压由二极管V削去负半周，送到V1进行放大，再由射极跟随器V2送入V3和V4组成的射极耦合触发器进行整形，这样就得到方波输出信号。上一页下一页返回第一节转速传感器(2)电涡流式和电容式转速传感器图8-4（a）中的磁电式传感器若换成电涡流式传感器就构成电涡流式转速传感器。当金属齿轮随被测转轴转动时，电涡流传感器线圈电感将周期性变化，其变化频率也由（8-5）式决定。图8-4（a）中磁电式传感器若换成变面积式电容传感器就构成电容式转速传感器，如图8-6所示，当齿轮随被测转轴转动时，电容传感器的电容也周期性变化，其变化频率也由（8-5）式决定。上一页下一页返回第一节转速传感器(3)霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器原理如图8-7所示。图（a）所示是将一非磁性圆盘固定在被测转轴上，圆盘的周边上等距离地嵌装着个永磁铁氧体，相邻两铁氧体的极性相反。由磁导体和置于磁导体间隙中的霍尔元件组成测量头（见图（a）右上角），磁导体尽可能安装在铁氧体边上。当圆盘转动时，霍尔元件感受的磁场强度周期性变化，霍尔元件输出正负交变的周期电势。图（b）是在被测转轴上安装一个齿轮状的磁导体，对着齿轮固定着一个马蹄形的永久磁铁，霍尔元件粘贴在磁极的端面上。当被测轴转动时，带动齿轮状磁导体转动，于是霍尔元件磁路中的磁阻发生周期性变化，使霍尔元件感受的磁场强度也发生周期性变化，从而输出一系列频率与转速成比例的单向电压脉冲。上一页下一页返回第一节转速传感器透射式光电转速传感器的工作原理如图8-8（b）所示。固定在被测转轴上的旋转盘4的圆周上开有m道径向透光的缝隙，不动的指示盘3具有和旋转盘相同间距的缝隙，两盘缝隙重合时，光源1发出的光线便经透镜2照射在光电元件5上，形成光电流。当旋转盘随被测轴转动时，每转过一条缝隙，光电元件接受的光线就发生一次明暗变化，因而输出一个电脉冲信号是。由此产生的电脉冲的频率f在缝隙数目m确定后与轴的转速成正比，如式（8-5）所示。采用这种结构可以大大增加增加旋转盘早的缝隙数目，使被测轴每转一圈产生的电脉冲数增加，从而提高转速测量精度。上一页下一页返回第一节转速传感器(5)圆栅式转速传感器圆感应同步器、圆光栅、圆磁栅均可用于转速的精密测量。这里再介绍另一种圆栅＿柱状圆容栅传感器，它是由同轴安装的定子（圆筒）和转子（圆柱）组成，在定子内表面和转子外表面刻制一系列宽度相等的齿和槽，因此也称多齿电容传感器，如图8-9（a）所示，（8-7）式中：m——定子和转子的齿槽数。上一页下一页返回第一节转速传感器当定子与转子的齿在相对时电容量最大，错开时电容量最小，电容量C与转角θ的关系如图8-9（b）所示。当转子随被测转轴转动时，电容变化频率f与转还n的关系也由（8-5）式决定。虽然图8-6中电容变化也与图8-9（b）所示曲线一样，但其Cmax与Cmin均只有多齿电容传感器的1/m，也就是多齿电容传感器的电容变化幅度将是图8-6中普通电容传感器的倍。容栅也像光栅、磁栅、感应同步器一样可以采用电子细分的方法，进一步提高对角位移的分辨率，这样就能进一步提高瞬时转速测量的精确度。上一页下一页返回第一节转速传感器若计时脉冲的频率为f0，△ti时间内计入时间脉冲个数为Ni，则

通常将每转一周均匀分为m个测点，每相邻两个测点的间距均为，只要测出段△θ所用时间△ti的计时脉冲数Ni，据（8-9）式及（8-10）式即可求出每个测点的瞬时角速度s上一页下一页返回（8-10）（8-11）第一节转速传感器这种测量转速的方法称为测时法，这种方法的特点是反转速测量转化为时间的测量。若被测转轴以匀速转动，则各瞬时角速度相等，都为（8-12）由上式可见，m和N越大，f越小，ω的测量精度越高。从电子细分观点看，上式中m要视为空间细分数，N可视为时间细是数。当转速很慢时，通常是测量转动周期来反映转动快慢，若每转1/m周计入的时钟脉冲个数为N，时钟脉冲周期为T0，则转动周期为（8-13）上一页返回第二节加速度传感器一、电容式加速度传感器电容式加速度传感器结构示意图如图8-10所示。质量块4由两根簧片3支撑置于充满空气的壳体2内。当测量垂直方向上的直线加速度时，传感器壳体固定在被测振动体上，振动体的振动使壳体相对质量块运动，因而与壳体2固定的在一起的两固定极板1、5相对质量块4运动，致使上固定极板5与质量块4的A面（磨平抛光）组成的电容Cx1值以及下固定极板1与质量块4的B面（磨平抛光）组成的电容Cx2值随之改变，一个增大，一个减小，它们的差值正比于被测加速度。由于采用空气阻尼，气体粘度的温度系数比液体小得多，因此这种加速度传感器的精密较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度值。下一页返回第二节加速度传感器压阻式加速度传感器结构与图8-12(a)相似，只不过是直接用单晶硅作悬臂梁，并在梁的根部扩散4个电阻组成差动电桥，梁的自由端仍装有惯性质量块。图8-12(b)为张丝式加速度传感器，质量块3由弹性支承1支承在基座4上，电阻丝2连在活动质量块与基座之间，作为“”系统中弹簧的一部分，感受质量块的位移。当质量块相对于基座横向运动时，一组电阻丝被拉伸，另一组电阻丝被压缩，电阻相对变化通过电桥转换成电压输出。图8-12(a)所示用以测量垂直方向加速度；(b)所法用以测量水平方向加速度，如果把二者安装方向转过90°，也可以分别测量横向加速度和竖向加速度。上一页下一页返回第二节加速度传感器四、霍尔式加速度传感器图8-13为霍尔式加速度传感器结构示意图。弹簧片S的一端固定在传感器外壳上，中总装主有质量块m，末端装有霍尔元件H，在霍尔元件上下方装有一对永久磁铁，它们同极性（N，N）相对安装在传感器外壳上。传感器外壳固定在被测振动体上，当被测物体作垂直方向振动时，其振动速度转换为霍尔元件在磁场中的位移而产生相应的霍尔电势，由霍尔电势值可求得加速度。加速度在-14×10-3g~-14×10-3g范围同内，输出霍尔电势与加速度之间有较好的线性关系。上一页下一页返回第二节加速度传感器五、压电式加速度传感器压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。因其固定频率高，高频（几~十几kHz范围）响应好，如配以电荷放大器，低频特性也很好（可低至0.3Hz）。压电加速度传感器的优点是体积小、重量轻、缺点是要经常校正灵敏度。图8-14是一种压缩式压电加速度传感器结构原理图。图中压电元件由两片压电片组成，采用并联接法，一根引线接至两片压电片中间的金片上，另一端直接与基座相连。压电片通常采用压电陶瓷制成。压电片上放一块重金属制成的质量块，用一弹簧压紧，对压电元件施加预负载。整个组件装在一个有厚基座的金属壳体中，壳体和基座约占整个传感器重量的一半。上一页下一页返回第二节加速度传感器压电加速度传感器的另一种结构形式是利用压电元件的切变效应，它的结构如图8-15所示。压电元件是一个压电陶瓷圆筒，它在组装前先在与圆筒轴向垂直的平面上涂上预备电极，使圆筒沿轴向极化，极化后磨去预备电极，将圆筒套在传感器底座的圆柱上；压电元件外面再套上惯性质量环。当传感器受到振动时，质量环的振动由于惯性有一滞后，这样在压电元件上就出现剪切应力，产生剪切形变，从而在压电元件的内外表面上产生电荷，其电场方向向垂直于极化方向。这种结构有很高的灵敏度，而且横向灵敏度小，受环境的影响也比较小。上一页下一页返回第二节加速度传感器弯曲型压电加速度计由特殊压电悬臂梁构成，如图8-16所示。它有很高的灵敏度和很低的频率响应，主要用于医学上和其他低频响应的领域，如地壳和建筑物的振动等。图8-17示出了差动式压电加速度传感器斩结构图，它有效地消除了横向效应。在测量加速度时，两组压电元件组成差分输出，而在横向效应作用时它们是同相输出，因此相互抵消了，环境的影响也就大大削弱了。上一页返回第三节多卜勒效应测速一、多卜勒效应假若发射机与接收机之间的距离发生变化，则发射机发射信号的频率与接收机收到信号的频率不同。此现象是由多卜勒发现的，所以称为多卜勒效应。如果发射机和接收机在同一地点，两者无相对运动，而被测物体以速度v向发射机和接收机运动，我们可以把被测物体对信号的反射现象看成是一个发射机。这样，接收机和被测物体之间因有相对运动，所以就产生了多卜勒效应。下一页返回第三节多卜勒效应测速如果把f1做为反射波向接收机发射信号，如图8-18(b)所示。接收机接收到的信号频率为由于被测物体的运动速度远小于电磁波的传播速度，则可认为，那么由多卜勒效应产生的频率之差称为多卜勒频率，即从上式可以看到被测物体的运动速度可以用多卜勒频率来描述。上一页下一页返回第三节多卜勒效应测速二、多卜勒雷达测速多卜勒雷达的电路原理框图，如图8-19所示。它由发射机、接受机、混频器、检波器、放大器及处理电路等组成。当发射信号和接收到的回波信号经混频器混频后，两者产生差频现象，差频的频率正好为多卜勒频率。利用多卜勒雷达可以对被测物体的线速度和转速进行测量。图8-20是检测线速度的工作原理图。多卜勒雷达产生的多卜勒