机械量的测量

机械量的测量第1页/共92页2023/4/142第一节位移的测量常用位移传感器的性能和特点（P121）第2页/共92页2023/4/143电涡流效应演示

当电涡流线圈与金属板的距离x减小时，电涡流线圈的等效电感L减小，等效电阻R增大。感抗XL的变化比R的变化大得多，流过电涡流线圈的电流i1增大。二、电涡流传感器当金属导体置于交变磁场或在磁场中运动时，在导体中会产生感生电流，这种电流在导体中自行闭合电涡流第3页/共92页2023/4/144工作原理:交变电流传感器线圈被测导体交变磁场H1电涡流交变磁场H2参数变化(电感、阻抗、品质因素等)输出信号第4页/共92页2023/4/145第5页/共92页2023/4/146第6页/共92页2023/4/147电涡流的应用

——在我们日常生活中经常可以遇到

干净、高效的电磁炉第7页/共92页2023/4/148集肤效应

集肤效应与激励源频率f、工件的电导率、磁导率等有关。频率f越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。

图4-1是电涡流传感器工作原理示意图。当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时，将产生高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。

第8页/共92页2023/4/1492、等效阻抗分析

检测深度与激励源频率有何关系？

电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数表达式为：

Z=R+jωL=f（ρ、、x、ω、i1、r）

（7-6）

如果控制上式中的i1、f、、、r不变，电涡流线圈的阻抗Z就成为哪个非电量的单值函数？属于接触式测量还是非接触式测量？

第9页/共92页2023/4/1410等效阻抗与非电量的测量

检测深度的控制：由于存在集肤效应，电涡流只能检测导体表面的各种物理参数。改变f，可控制检测深度。激励源频率一般设定在100kHz~1MHz。频率越低，检测深度越深。

间距x的测量：如果控制上式中的i1、f、、、r不变，电涡流线圈的阻抗Z就成为间距x的单值函数，这样就成为非接触地测量位移的传感器。

多种用途：如果控制x、i1、f不变，就可以用来检测与表面电导率ρ有关的表面温度、表面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率有关的材料型号、表面硬度等参数。

第10页/共92页电磁炉内部的励磁线圈第11页/共92页2023/4/1412第12页/共92页2023/4/1413电涡流传感器结构及特性

电涡流探头外形交变磁场高频反射式、低频投射式第13页/共92页2023/4/1414高频反射式电涡流探头内部结构

1—电涡流线圈2—探头壳体3—壳体上的位置调节螺纹4—印制线路板5—夹持螺母6—电源指示灯

7—阈值指示灯8—输出屏蔽电缆线9—电缆插头

第14页/共92页2023/4/1415CZF-1系列传感器的性能

分析上表请得出结论：探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？

第15页/共92页2023/4/1416低频投射式第16页/共92页2023/4/1417大直径电涡流探雷器第17页/共92页2023/4/14183、电涡流测量转换电路

（1）电桥电路第18页/共92页2023/4/14193、电涡流测量转换电路

（2）谐振调幅式（AM）电路

石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz~1MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如两者之间的距离等参数）。第19页/共92页2023/4/1420部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数

人的手、泥土或装满水的玻璃杯能对振荡器的振幅产生明显的衰减吗？为什么？

第20页/共92页2023/4/1421（3）谐振调频（FM）式电路(100kHz~1MHz）

当电涡流线圈与被测体的距离x改变时，电涡流线圈的电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将f转换为电压Uo。

第21页/共92页2023/4/1422（3）谐振调频（FM）式电路(100kHz~1MHz）

第22页/共92页2023/4/1423并联谐振回路的谐振频率

设电涡流线圈的电感量L=0.8mH，微调电容C0=200pF，求振荡器的频率f。第23页/共92页2023/4/1424鉴频器特性

使用鉴频器可以将f转换为电压Uo鉴频器的输出电压与输入频率成正比机械工业出版社第24页/共92页2023/4/1425鉴频器在调频式电路中的应用

设电路参数如上页，计算电涡流线圈未接近金属时的鉴频器输出电压Uo0

；若电涡流线圈靠近金属后，电涡流探头的输出频率f上升为500kHz，f为多少？输出电压Uo又为多少？第25页/共92页2023/4/1426第26页/共92页2023/4/1427电涡流传感器应用位移检测第27页/共92页2023/4/1428电涡流传感器应用厚度检测第28页/共92页三、光栅传感器1.光栅传感器原理(莫尔条纹)

构成：叠合主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动条纹宽度：W-栅距，a-线宽，b-缝宽W=a+b

，a=b=W/2

主光栅---标尺光栅，定光栅；指示光栅---动光栅第29页/共92页2023/4/1430莫尔条纹特性：

方向性：垂直于角平分线→与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距→莫尔条纹移动一个间距放大性：夹角θ很小→B>>W→光学放大→提高灵敏度准确性：误差平均效应→克服个别/局部误差→提高精度三、光栅传感器第30页/共92页2023/4/14312.光栅传感器特点

①精度高：测长±(0.2+2×10-6L)μm，测角±0.1″②量程大：透射式---光栅尺长（<1米），反射式--->几十米③响应快：可用于动态测量④增量式：增量码测量→计数断电→数据消失⑤要求高：对环境要求高→温度、湿度、灰尘、振动、移动精度⑥成本高：电路复杂第31页/共92页2023/4/14323.光栅传感器结构1–主光栅尺（定光栅）2–指示光栅（动光栅）3–光电元件4–透镜5–光源透射式结构：反射式结构：光源→指示光栅→透射→主光栅→光电元件光源→主光栅→反射→指示光栅→光电元件第32页/共92页2023/4/14334.代表性产品：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三、光栅传感器第33页/共92页2023/4/1434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精度：2

m三、光栅传感器第34页/共92页2023/4/1435四、角度及角位移检测（补充）1、绝对码光电编码器原理：平行光源→码盘→光电元件→电信号输出码盘：光学玻璃，透光/不透光→照相腐蚀要求：分度准确（工艺）、明暗交替边缘陡峭（工艺、材质）光源：LED→光学系统→平行光→投影精确光电元件：硅光电池，光电晶体管滞后→响应速度码道：位数→每个码道对应一个光电元件→分辨率角度分辨率：α=360º/2nn-码道数（位数）组成：光源、码盘、光电元件增加码道、增大码盘尺寸→有限提高精度光学细分→附加码道第35页/共92页2023/4/1436测量电路：编码码制：十进制码---0123456789二进制码---00000001001000110100格雷码---循环码：相邻两数只有一位不同每次只有一位变化→转换放大→足够电平，驱动整形→接近理想方波细分→提高分辨率（光学+电路）多位码同时动作→同步误差→错码读数直观，不易电路处理直观，易于后续电路和计算机处理四、角度及角位移检测（补充）第36页/共92页2023/4/1437角度位置二进制码十进制码格雷码0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKLMNOp0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111012345678910111213141500000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位绝对码光电编码器码制第37页/共92页2023/4/1438特点：摩擦轮编码器小范围绝对位置测量---角度、直线位置小范围位移、速度检测结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，应用：例：直线→旋转<360º直接数字量输出---数字传感器，绝对码---绝对角位置传感器测量范围有限（360º），速度不高（最高几千转/分），怕振动---丢数连接---弹性连轴结四、角度及角位移检测（补充）第38页/共92页2023/4/14392、增量码光电编码器结构：与绝对编码器类似码道：最外---增量码道：透光扇形区→分辨率中间---辨向码道：错开半个扇形区最内---零位码道：透光狭缝→基准脉冲应用：相对位置测量---角度、直线位置，位移、速度测量特点：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，脉冲数字输出，测量范围无限速度不高（最高几千转/分）怕振动---丢数第39页/共92页2023/4/14403、圆光栅传感器光栅工作原理：莫尔条纹技术类型：(1)直线莫尔条纹：条纹---直线(2)圆型莫尔条纹：条纹---圆型RENISHAW

圆光栅：角度分辨率为0.01″

系统精度为±0.7″(a)径向光栅---圆弧形莫尔条纹光栅：两块，径向刻线，栅距角相同，偏心叠合条纹宽度不是定值，随位置不同而不同。在位于偏心的垂直位置上，条纹近似垂直于栅线，称横向莫尔条纹在沿着偏心方向上，条纹近似地平行于栅线，称纵向莫尔条纹其他位置上上，称为斜向莫尔条纹条纹：在不同区域栅线的交角不同，不同曲率半径圆弧第40页/共92页2023/4/1441光栅：两块完全相同，环形刻线，偏心叠合，(b)切向光栅---环形莫尔条纹光栅：两块，切向刻线，切向相同，栅距角相同，基圆半径不同，栅线面相对同心叠合，条纹：是以光栅中心为圆心的同心圆簇，宽度也不是定值，随位置不同而不同。特点：具有全光栅平均效应，用于高精度角度测量和分度。(c)环形光栅---辐射形莫尔条纹条纹：近似直线并成辐射方向，称为辐射形莫尔条纹。

四、角度及角位移检测（补充）第41页/共92页2023/4/1442五、激光测距2、激光测距传感器(1)激光测距特点：测量距离可达几公里甚至几十公里（主要手段）(2)激光测距方法：飞行时间法、相位差法(a)飞行时间法：被测距离:c---光速t---往返飞行时间(b)相位差法：被测距离:c-光速f0-脉冲频率

-相位差激光器被测目标原理：激光器发出单个激光脉冲原理：激光器发出连续激光脉冲激光器被测目标特点：对时间测量精度要求高，适于测量超长距离（地球-月球：分辨力达到1m

）特点：测量精度高，测量范围大（短距离–超长距离）

（相机自动调焦）第42页/共92页2023/4/1443范围：0.2~300m分辨力：3mm德国俫卡手持式：范围：0.2~200m分辨力：0.2mm美国bushwell单目军用范围：1000m分辨力：1m第43页/共92页2023/4/1444六、超声测距传感器超声测距原理：被测距离:c---声速t---往返飞行时间应用：适于大目标、近距离、一般精度测距手持测距仪---盲人导盲汽车倒车雷达---汽车安全工业应用---超声测量液位、物位特点：超声波束发散，测量范围小波束聚焦困难，测量精度低测量目标不能太小；超生探头被测目标超声波传感器（超声波探头），是实现声电转换的装置（超声换能器）这种装置能够发射超声波，同时还可以接收超声回波，并转换成电信号。第44页/共92页2023/4/1445

第二节转速的测量

一、概述

1.常用速度传感器性能和特点（P130）二、光电式传感器1.光电效应外光电效应内光电效应光电导效应光生伏特效应第45页/共92页2023/4/1446光电效应及光电元件

用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。

外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。

第46页/共92页2023/4/1447光电效应及光电元件

内光电效应：半导体材料受到光照时，其中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光生电子－空穴对。内光电效应按工作原理可分为：光电导效应和光生伏特效应。基于光电导效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。基于光生伏特效应的光电元件有光电池。

第47页/共92页2023/4/1448

紫外管外形

当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。

紫外线第48页/共92页2023/4/1449光敏电阻

当光敏电阻受到光照时，阻值减小。第49页/共92页2023/4/1450光敏电阻演示

当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（越小越好）光敏电阻光照特性P133图7-19(a)第50页/共92页2023/4/1451光敏二极管

将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。第51页/共92页2023/4/1452光敏二极管外形

光敏二极管阵列

包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。第52页/共92页2023/4/1453红外发射、接收对管外形

红外发射管红外接收管光敏二极管光照特性P133图7-19（b）第53页/共92页2023/4/1454PIN光电二极管

PIN光电二极管是在P区和N区之间插入一层电阻率很大的I层，从而减小了PN结的电容，提高了工作频率。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接收管（红外波段）、UHF频带小信号开关、中波频带到1000MHZ之间电流控制、可变衰减器、各种通信设备收发天线的高频功率开关切换和RF领域的高速开关等。特殊结构的PIN二极管还可用于测量紫外线或射线等。第54页/共92页2023/4/1455APD光敏二极管（雪崩光敏二极管）

硅雪崩光电二极管是可见光和近红外探测器，它具有高响应度，高信噪比，高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。第55页/共92页2023/4/1456GD3250系列硅雪崩光电二极管的特性参数

参数单位GD3250-AGD3250-BGD3250-C光敏面直径mm0.20.50.8工作电压V100~150100~150150~250暗电流nA≤15≤25≤35响应度V/w606060上升时间ns≤1≤3≤4噪声等效功率Pw/Hz1/20.050.070.09结电容pF≤1≤1.5≤2使用温度范围℃-20~+40-20~+40-20~+40封装形式

TO型

光纤型TO型TO型第56页/共92页2023/4/1457光敏二极管的反向偏置接法

在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的PN结（又称耗尽层）上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。

第57页/共92页2023/4/1458

光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示

在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。

当光照增加时，光电流IΦ与光照度成正比关系。

光敏二极管的反向偏置接法UO+—光照第58页/共92页2023/4/1459光敏三极管

光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。

第59页/共92页2023/4/1460光敏三极管外形

第60页/共92页2023/4/1461光敏三极管内部结构

a)

内部组成b)管芯结构c）结构简化图

1—集电极引脚2—管芯3—外壳4—玻璃聚光镜

5—发射极引脚6—N+衬底7—N型集电区8—SiO2保护圈9—集电结10—P型基区11—N型发射区12—发射结

第61页/共92页2023/4/1462硅光敏晶体管的光谱特性

电磁波频谱第62页/共92页2023/4/1463光电特性

0光照

光电流光敏三极管光敏二极管3000lx4mA请判断灵敏度的高低0.3mA请计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流IΦ

IΦE第63页/共92页2023/4/1464光敏晶闸管

光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极a、阴极k和门极g。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到正向阻断的PN结上时，将产生门极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持导通。要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须使阳极与阴极的电压反向，或使负载电流小于其维持电流。光敏晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。第64页/共92页2023/4/1465光敏晶闸管外形光敏面第65页/共92页2023/4/1466基于光生伏特效应的光电元件

——光电池

在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子—空穴对，光生电子—空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。

第66页/共92页2023/4/1467光电池外形光敏面第67页/共92页2023/4/1468能提供较大电流的大面积光电池外形第68页/共92页2023/4/1469光电池的光电特性

一个典型的硅光电池的光电特性

1—开路电压曲线2—短路电流曲线

开路电压为对数特性短路电流为线性特性第69页/共92页2023/4/1470其他光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池第70页/共92页2023/4/1471光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能硅光电池板第71页/共92页2023/4/1472光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电第72页/共92页2023/4/1473光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用第73页/共92页2023/4/14742.光电器件特性光照特性光谱特性相应时间温度特性伏安特性3.光电传感器模拟式：辐射式、吸收式、反射式、遮光式开关式（脉冲式）第74页/共92页2023/4/1475数字式光电转速计P135图7-22第75页/共92页2023/4/1476

半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。

磁感应强度B为零时的情况cdab霍尔传感器第76页/共92页2023/4/1477磁感应强度B较大时的情况

作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：

EH=KHIB第77页/共92页2023/4/1478霍尔效应演示

当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。cdab第78页/共92页2023/4/1479磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势

若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度

时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电势为

EH=KHIBcos