传感器与检测技术：机械量检测技术

机械量检测技术本章提要本章介绍机械量中常见的位移、速度（转速）与厚度的检测技术。重点阐述了接触式、非接触式位移检测的方法和常用位移传感器的性能与选用；速度（转速）的检测方法，传感器的性能与选用；厚度检测中常用的高频反射式与低频透射式测厚的检测原理。8.1位移检测技术位移是指物体或其某一部分的位置对参考点产生的偏移量。位移可以是直线位移或角位移。长度检测：直线位移检测。角度检测：角位移检测。根据位移检测范围变化的大小，可分为微小位移检测、小位移检测和大位移检测三种。8.1.1常见位移的检测方法1.积分法检测运动物体的速度或加速度，经过积分或二次积分求得运动物体的位移。2.相关测距法利用相关函数的时延性质，向某被测物发射信号，将发射信号与经被测物反射的返回信号作相关处理，求得时延，若发射信号的速度已知，则可求得发射点与被测物之间的距离。3.回波法从测量起始点到被测面是一种介质，被测面以后是另一种介质，利用介质分界面对波的反射原理测位移。4.线位移和角位移相互转换被测量是线位移时，若检测角位移更方便，则可用间接测量方法，通过测角位移再换算成线位移。同样，被测是角位移时，也可先测线位移再进行转换。5.位移传感器法通过位移传感器，将被测位移量的变化转换成电量（电压、电流、阻抗等）、流量、磁通量等的变化，间接测位移。8.1.2常用的位移传感器小位移通常采用应变式、电感式、差动变压器式、电容式、霍尔式等传感器，测量精度可以达到0.5～1.0%，其中电感式和差动变压器式传感器的测量范围要大一些，有些可达100mm。小位移传感器主要用于测量微小位移，从微米级到毫米级，如进行蠕变测量、振幅测量等。大位移的测量则常采用感应同步器、计量光栅、磁栅、编码器等传感器，这些传感器具有较易实现数字化、测量精度高、抗干扰性能强、避免了人为的读数误差、方便可靠等特点。8.1.3接触式位移检测技术1.电容式传感器在位移检测中的应用（a）振动（b）垂直位移（c）弹性位移（d）厚度检测（e）曲度检测（f）中心度检测图8-1电容式位移传感器应用示意图在位移检测中，主要利用变极距型电容式传感器的原理来实现位移的检测。

（a）结构（b）外形图8-2单电极电容位移传感器1－电极；2－绝缘衬套；3－壳体；4－弹簧卡圈；5－电极座；6－盘形电容；7－螺母图8-3振荡位移和回转精度的测量（a）振动测量；（b）轴的回转精度测量

图8-3（a）是振动位移测量，可测0.05μm的位移。图8-3（b）是转轴回转精度的测量，利用正交方向安放的两个电容位移传感器，可测出转轴的轴心动态偏摆情况。适合于测量高频振动的微小位移。2.电感式传感器在位移检测中的应用在位移检测中，电感式传感器是把被测位移转换为自感系数L的变化。然后将L接入一定的转换电路，位移变化便可变成电信号。下面以轴向电感式位移计为例说明其结构及应用。1）轴向电感式位移计的结构。轴向电感式位移计的结构和外形如图8-4所示。轴向电感式位移计（a）结构（b）外形图8-4电感式位移计结构1－引线；2－固定磁筒；3－衔铁；4－线圈；5－弹簧；6－防转销；7－钢球导轨；8－测杆；9－密封套；10－测端.变压器式交流电桥电桥的两臂Z1和Z2是电感位移计两个线圈的阻抗。电桥的另外两个桥臂为电源变压器次级线圈的两个半绕组，半绕组的电压为U/2。电桥对角A、B两点的电位差为电桥的输出电压U0。假设阻抗Z1上端点处的电位为零，则A、B两点的电位分别为

B两点的电位差即输出电压由上式可知：①当测杆的铁心或衔铁处于中间位置时，两线圈的电感相等。如果两线圈绕制得对称，则阻抗也相等。因Z1＝Z2＝Z0，则输出电压②当测杆的铁心向上移动时，上线圈的阻抗增加，下线圈的阻抗减小，即Z1＝Z0＋ΔZ，Z2＝Z0－ΔZ，则输出电压③当测杆的铁心向下移动时，上线圈的阻抗减小，下线圈的阻抗增大，即Z1＝Z0－ΔZ，Z2＝Z0＋ΔZ，则输出电压衔铁上下移动相同距离时,输出电压的大小相等,但方向相反,由于U0是交流电压,输出指示无法判断位移方向,必须配合相敏检波电路来解决。3.差动变压器在位移检测中的应用把被测位移量转换为传感器线圈的互感系数M的变化（1）差动变压器位移计的结构图8-6差动变压器位移计1－测头；2－轴套；3－测杆；4－活动铁芯；5－线圈架；6－导线；7－屏蔽筒；8－圆片弹簧；9－恢复弹簧；10－防尘罩（2）差动变压器位移计的测量电路差动变压器位移计的测量电路按输出电压信号及被测值的大小可分为大位移测量电路和小位移测量电路两种。1）大位移测量电路。大位移测量电路如图8-7所示。当只要求测量位移的大小，不要求分辨位移的方向，且测量精度要求不高的情况下，通常采用整流电路整流后送入直流电压表显示位移的大小，如图8-7（a）、（b）所示。当既要求测量位移的大小，又要求分辨位移的方向，且希望消除零点电压的影响，测量精度较高时，通常采用相敏检波电路，如图8-7（c）、（d）所示。通过其中的可调电位器，可在测量前将电路预调平衡，以消除零点电压。通过相敏检波电路可分辨位移信号方向，数值仍由电压表指示。图8-7差动变压器位移计的测量电路相敏检波它由四个特性相同的二极管D1

～D4沿同一方向串联成一个桥式电路，各桥臂上通过附加电阻将电桥预调平衡。四个端点分别接在变压器T1和T2的次级线圈上，变压器T1的输入信号为调幅波Xm(t)，T2的输入信号为载波y(t)，Uf(t)为输出。要求T2的次级输出远大于T1的次级输出。2）微小位移测量电路对于微小位移，由于输出电压很小，故应采用放大电路测微小位移。如图8-8为DGS-20C/A型测微仪的框图，该测微仪由稳压电源、振荡器和指示仪表组成。位移计和测量电桥将位移转换成电压信号，电压信号经调制后送放大器放大，然后送相敏检波器检波，获得原始位移信号，最后送指示电表或记录器显示或记录。此位移计的测量范围一般为几毫米，工作可靠。缺点是动态性能差，只能用于静态测量。图8-8DGS-20C/A型测微仪的方框图8.1.4非接触式位移检测技术一光栅式传感器在位移检测中的应用1.光栅简介（1）基本概念光栅是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等宽而又等间距的线条（透射式）或在不透明具有强反射能力的基体上均匀地划出间距、宽度相等的条纹（反射式）。栅线：光栅上的刻线b为栅线的宽度（不透光），a为栅线间宽（透光），a+b=W称为光栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b=W/2。目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条线条。黑白型长光栅如图8-9所示。图8-9黑白型长光栅（2）光栅的分类1.按工作原理分：

物理光栅：利用光的衍射现象，主要用于光谱分析和光波长等量的测量。

计量光栅：利用莫尔条纹现象，测量长度和角度等物理量。

长光栅（光栅尺）：刻画在玻璃尺上的光栅，用于测量直线位移

圆光栅（光栅盘）：刻画在玻璃盘上的光栅，用于测量角度和角位移。长光栅根据栅线型式不同分：黑白光栅（幅值光栅）：只对入射光波的振幅或光强进行调制的光栅；闪耀光栅（相位光栅）：对入射光波的相位进行调制。根据光线的走向分：透射光栅：将栅线刻制在透明的玻璃上；反射光栅：栅线刻在具有强反射能力的金属上。圆光栅根据栅线刻划的方向分：径向光栅：其栅线的延长线全部通过圆心；切向光栅：其全部栅线与一个同心小圆相切。透射式光路1-光源2-准直透镜3-主光栅4-指示光栅5-光电元件

此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。有效波的波长反射式光路1反射主光栅2-指示光栅3-场镜4-反射镜5-聚光镜6-光源7-物镜8-光电电池。该光路适用于黑白反射光栅。（3）基本工作原理1.光栅传感器的组成光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。（2）光栅传感器的结构和原理光栅传感器是新型的高精度、大位移、数字式位移传感器，其主要由主光栅、指示光栅和光路系统组成，其结构原理和外形如图8-10（a）、（b）所示。（a）光栅传感器的结构

（b）外形2、工作原理

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。

（c）莫尔条纹图8-10光栅传感器的结构与原理1－光源；2－透镜；3－指示光栅；4－主光栅；5－光敏元件(1)位移的放大作用当主光栅沿垂直于栅线的X方向每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着沿栅线移动一个条纹宽度BH。如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角θ之间的关系为（2）莫尔条纹移动方向

(3)误差的平均效应

莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点辨向原理单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移。如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。图8-11光栅输出原理图（a）几何干涉原理；（b）理想光栅亮度变化；（c）光栅输出实际电压波形（3）光栅信号的输出电压小的相应于暗条纹，电压大的相应于明条纹，光栅输出实际电压的波形看成是一个直流分量上叠加了一个交流分量。式中，

x为主光栅与指示光栅间瞬时位移；

U0为直流电压分量；

Um为交流电压分量幅值；

U为输出电压。图8-12光栅输出示意图图8-13辨向电路示意图（a）正向移动（b）反向移动图8-14辨向电路时序图细分技术提高分辨力方法： 在选择合适的光栅栅距的前提下，以对栅距进行测微，电子学中称“细分”，来得到所需的最小读数值。细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。2.编码器在位移检测中的应用编码器是将位移量转换成数字代码形式输出的传感器.按其结构形式分：

直线式编码器（编码尺）：用于直线位移的测量

旋转式编码器（编码盘）：用于角位移的测量旋转式编码器有绝对式码盘和增量式码盘两种。按编码器的检测原理，可以分为电磁式、接触式、光电式等形式。

将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器分类：编码器脉冲盘式编码器(增量编码器)码盘式编码器(绝对编码器)接触式编码器电磁式编码器光电式编码器（1）光电编码器结构光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、狭缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成，其基本结构和外形如图8-15所示。（a）结构（b）外形图8-15光电码盘式传感器1－光源；2－柱镜面；3－码盘；4－狭缝；5－光电元件（2）绝对式光电编码器绝对式码盘一般由光学玻璃制成，上面刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区，如图8-16所示。编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、十进制码、循环码等。（a）二进制码码盘（b）循环码码盘图8-16绝对式码盘表四位二进制码与循环码对照表（3）增量式光电编码器增量式码盘一般只有三个码道，不能直接产生几位编码输出，如图8-17所示。它是一个被划分成若干交替透明和不透明扇形区的圆盘，最外圈的码道是用来产生计数脉冲的增量码道，内圈码道与外圈码道的扇形区数目相同，但错开半个扇形区，作为辨向码道，其辨向方法与光栅的辨向原理相同。另有一条码道往往开有一个（或一组）特殊的窄缝，用于产生定位或零位信号。增量式编码器结构（a）码盘结构（b）外形图8-17增量编码器结构和外形1－转轴；2－发光二极管；3－光栏板；4－零标志位光槽；5－光敏元件；6－增量式光电码盘；7－电源及信号线连接座3.光纤传感器在位移检测中的应用图8-18光纤位移传感器1－被测物体；2－光源；3－光纤1；4－光纤2；5－光探测器；6－各放大器8.1.5位移传感器的选用表8-1为常见位移传感器的主要性能及其特点。8.2速度检测技术物体运动的速度可分为线速度和角速度（转速）。线速度的单位通常用m/s；工程上通常用km/s。转速常以单位时间内转动的圈数来表示，工程上大都采用每分钟内的转速（r/min）作为转速的单位。角速度：以每秒钟弧度（rad/s）作为单位，它表示了瞬时转速。8.2.1速度的检测方法物体运动的速度检测有线速度检测和转速检测。所以一般线速度的检测都要转换为转速检测，线速度用v表示转速用n表示角速度用w表示转换关系为v=wr=2πnr（其中r为半径）线速度V＝s/t角速度ω＝Φ/t1.用机械结构把转速变换为位移离心式转速表就是利用重锤所受离心力与转速之间的关系，把转速变换成相应的位移量，间接测出转轴的转速。F=mrw2=mv2/r

离心式转速表的结构简单、成本低、测速范围宽，可达2×104r/min。它的缺点是刻度不均匀，测量精度不高，一般为±（1～2）％；惯性大，不能测量变化快的转速。2.用电磁原理把转速变换为角位移仪表转轴端部有橡胶触头，靠摩擦与被测转轴端头顶接，带动仪表内部固连在转轴另一端的马蹄形永久磁铁作同速转动。从而使紧邻的铝盘中感应产生涡流。在涡流磁场与旋转磁铁的磁场相互作用下，使磁盘受到一个大小与被测转速成正比的电磁力矩而偏转出现角位移。这类转速表结构简单，使用方便。但精度不高，常为±（1.2～2）％，而且摩擦接触力的过大过小都会带来附加误差。3.把转速变换成模拟电压信号基于发电机原理制成测速电机是—种微特电机，把转速变换成模拟电压信号，有交流、直流之分。其优点是测速特性好，线性范围宽，灵敏度高，惯性小，它适用于自动控制使用，不能直接给出转速值。4.频闪法利用人视觉的暂留特性，采用变频闪光的方法；构成了闪光测速仪。调节闪光光源的频率，当与旋转轴转速同步时，即每转照亮一次时，所见旋转体好像静止不转，由此时闪光频率可以判定转速。闪光测速仪可为非接触测量，使用正确时，可以得到较高的精度，其测量范围也较宽，缺点是调节不当时，图像不清，造成误差。此外不运用于转速变化和要求自动测量的场合。5.把转速变换成脉冲数字信号随着生产过程自动化程度的提高，开发出了各种各样的检测线速度和角速度的传感器，如磁电式速度计、光电转速计，电磁转速计、测速发电机、离心转速表和差动变压器测速仪等。8.2.2磁电式传感器及其在速度检测中的应用1.磁电式传感器的测速原理磁电式速度传感器是利用电磁感应原理将被测量（速度）转换成电信号的一种传感器，也称为电磁感应传感器。根据电磁感应定律，当N匝线圈在恒定磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为φ，则线圈内会产生感应电动势e式中，B为磁场的磁感应强度；l为单匝线圈的有效长度；N为线圈的匝数；v为线圈与磁场的相对运动速度；θ为线圈运动方向与磁场方向的夹角。2.磁电式速度传感器结构它用于测量两个试件之间的相对速度。（a）结构（b）外形图8-19磁电式相对速度传感器1－顶杆；2－弹簧片；3－磁铁；4－线圈；5－引出线；6－壳体图8-20磁电式传感器测量电路3.磁电式转速传感器磁电式转速传感器的结构原理和测速电机如图8-21所示。（a）结构原理图

图8-21磁电式转速传感器的结构原理图（b）测速电机图8-21中，在永久磁铁组成的磁路中，若改变磁阻（如空气隙）的大小，则磁通量随之改变。根据上述原理，在待测轴上装一个由软磁材料做成的齿盘（通常采用60齿）。当待测轴转动时，齿盘也跟随转动，齿盘中的齿和齿隙交替通过永久磁铁的磁场，从而不断改变磁路的磁阻，使铁心中的磁通量发生突变，在线圈内产生一个脉冲电动势，其频率跟待测转轴的转速成正比。线圈所产生的感应电动势的频率为式中，n为转速（r/min）；f

为频率（Hz）；z为齿轮的齿数。当齿轮的齿数z=60时，则f＝n即只要测量频率f，即可得到被测转速。8.2.3霍尔式传感器在转速检测中的应用在转速检测中，霍尔式传感器是基于霍尔效应将被测转速转换成霍尔电动势输出的一种传感器。霍尔转速传感器的结构原理和检测方式如图8-22所示。（a）结构原理图（b）径向磁极方式（c）轴向磁极方式（d）遮断方式图8-22霍尔转速传感器的结构原理图利用霍尔转速传感器检测汽车速度的实例如图8-23（a）所示。（a）安装（b）霍尔车速表的框图图8-23汽车速度检测实例由图8-23可见，经过简单的信号转换，便可得到数字显示的车速8.2.4光电式传感器在转速检测中的应用图8-24光电转速计的工作原理频率可用一般的频率表或数字频率计测量。光电元件多采用光敏二极管或光敏三极管，以提高寿命、减小体积、减小功耗和提高可靠性。被测转轴每分钟转速与脉冲频率的关系如下式中，n为被测轴转速；f为电脉冲频率；N为测量孔数或黑白条纹数。8.2.5采用多普勒效应测速1.多普勒效应的发现多普勒认为，物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高(蓝移

(blueshift))。在运动的波源后面，产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低(红移

(redshift))。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波红/蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。如果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的信号频率就不同，此现象称为多普勒效应。如果发射机和接收机在同一地点，两者无相对运动，而被测物体以一定速度向发射机和接收机运动，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为有相对运动，所以就产生了多普勒效应。2.多普勒雷达测速原理多普勒雷达的电路原理框图如图8-25所示。它由发射机、接收机、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普勒频率。利用多普勒雷达可以对被测物体的线速度和转速进行测量。图8-25多普勒雷达电路原理框图8.2.6速度传感器的选用目前常用的各种速度检测传感器的主要性能见表8-2。8.3厚度检测技术厚度检测和位移检测一样，也属于长度检测范畴。在很多情况下，可以用测长、测位移的仪表来检测厚度。生产过程中的厚度检测一般为连续检测。厚度检测分为绝对厚度检测和相对厚度检测。相对厚度检测往往不需要知道其绝对厚度，而只需检测出厚度的变化或与标准给定的偏差。根据厚度检测应用的原理不同，厚度检测又分为电容式、电感式、涡流式、超声波式及射线式等。本节只介绍涡流式测厚仪。8.3.1涡流传感器涡流传感器是利用电涡流效应将被测物理量转化为电参数来进行测量的。1.电涡流效应成块的金属