《机电一体化系统设计》课件 第3次课位移传感器及其应用

温故知新抢答：为什么差动变极距型电容位移传感器的精度是普通的变极距电容传感器的2倍？差动式的电容传感器，其原理结构如图所示。1.电容传感器的类型2.变极距差动电容式传感器的灵敏度K′3.变极距差动电容传感器的非线性误差

′L近似为4.变面积型电容位移传感器温故知新5.变介质型电容位移传感器输出特性是线性的，灵敏度K为常数。新课导入位移传感器在工业中的应用比较多。4一、机械量传感器分类传感器通常是非电物理量转换为与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置。

3.1传感器的分类及特性5按被测物理量分为：位移传感器、速度传感器、加速度传感、力传感器、力矩传感器等。压力传感器扭矩传感器角位移传感器位移传感器一、机械量传感器分类光栅位移传感器63.2位移测量传感器

3.2.1模拟式位移传感器 电感式位移传感器，电容式位移传感器，电阻式位移传感器。

电感式位移传感器电感式位移传感器工作原理把被测位移变化转变为线圈自感系数变化的传感器称作自感式位移传感器。因为自感系数常称作电感系数，所以自感式位移传感器也常称作电感式位移传感器。由物理学磁知识知，一个匝数为N的线圈，其自感系数L为式中，Rm为线圈磁路总磁阻。式(7‑3)表明，当匝数N确定后，自感系数L仅是磁阻Rm的函数。而自感式位移传感器就是通过改变磁路的磁阻来实现自感系数变化的，故又把它称作变磁阻式位移传感器。(7-3)如右图所示，当铁芯与衔铁之间有很小空气隙δ时可以认为气隙间磁场是均匀的，磁路是封闭的。不考虑磁路损失时，总磁阻是第一项为导磁材料的磁阻（）；第二项为气隙的磁阻（）；li-铁磁材料各段长度（mm）Si-相应各段的截面积（mm2）μi-各段磁导率δ-气隙厚度（mm）；S-气隙截面积（mm2）；μ0-空气磁导率由于μi>>μ0，所以，根据被测位移改变磁阻的方式，它又分为变气隙型、变面积型和螺线管型三种。图3-4是单自感式位移传感器的基本结构示意图。在这三种类型中最常用的是变气隙型和螺线管型两种，现分别介绍如下。图3-4单自感式位移传感器的基本结构示意图1.变气隙型自感式位移传感器变气隙型单自感式位移传感器的基本结构如图3-4(a)所示。该传感器的自感系数L为(3-4)图3-4(a)变气隙型式中，N为线圈的匝数；δ为气隙磁路的长度；A0为中间气隙磁路的横截面积；μ0为空气的磁导率（μ0=4π×10-7H/m）。假设该传感器的初始气隙为δ0，则初始电感量L0为当被测运动部件与衔铁刚性相连时，若被测运动部件使衔铁向上移动了x，即δ=δ0–x，将它代入式(3-4)整理得电感系数L为当x/δ0<<1时，分母1-(x/δ0)2≈1，忽略分母中的(x/δ0)2项得式(3-7)表明，变气隙型单自感式位移传感器的电感L与位移x呈近似线性关系。因此，它适合于测量微小位移的场合。(3-5)(3-6)(3-7)为了提高灵敏度和减小非线性误差，通常把它做成差动形式。变气隙型差动自感式位移传感器的结构如图3-5所示。它由两个相同的线圈和磁路组成，当位于中间的衔铁上下移动时，上下两个线圈的电感量，一个增加一个减少，形成差动形式。变气隙型差动自感式位移传感器与变气隙型单自感式位移传感器相比，灵敏度提高了一倍，并且非线性误差也大大减少。图7-5变气隙型差动自感传感器结构变气隙型自感式传感器的最大优点是：灵敏度高；其主要缺点是：线性范围小、自由行程小、制造装配困难、互换性差，因而限制了它的应用。3.螺线管型自感式位移传感器螺线管型自感式位移传感器的结构也有单自感和差动式两种，图3-4(c)是螺线管型单自感式位移传感器的结构示意图。假设螺线管的内半径为rs，长度为ls，活动衔铁的半径为r0，插入螺线管线圈的长度为l，当ls>>rs时，可认为螺线管内为匀强磁场，忽略边沿效应，则螺线管电感L的计算公式为式中，V为螺线管内空间的体积；n为线圈单位长度上的匝数；µ为螺线管内空间介质的磁导率。(3-8)根据式(3-8)可推导出图(c)中螺线管线圈的电感系数L为式中，µ0为空气的磁导率；µr为活动衔铁的相对磁导率；N为螺线管线圈的匝数。若活动衔铁插入线圈的初始深度为l0，当衔铁在螺线管线圈中向上移动了x，即l=l0+x时，将它代入式(3-9)得由式(3-10)可知，当螺线管的结构参数确定后，自感L与位移x呈线性关系。但由于实际螺线管内磁场不完全均匀及存在边沿效应等因素，所以实际的自感L与位移x呈近似线性关系。(3-10)

图3-6螺线管型差动自感式位移传感器结构为了减少非线性误差，实际制作时通常取l0=ls/2。这种传感器的优点是量程大、结构简单、便于制作；缺点是灵敏度比较低，且有一定的非线性。一般用于测量精度要求不是很高，且检测量程比较大的线位移情况。为了提高灵敏度，减少非线性误差，通常把它做成差动形式，图3-6是螺线管型差动自感式位移传感器的结构图。它由两个完全相同的螺线管组合而成。显然，当衔铁处于两个螺线管相连的中心位置时，两边的螺线管电感量相等。当衔铁偏离中心位置时，左右两个线圈的电感量，一个增加一个减少，形成差动形式。同样可以证明，螺线管型差动自感式位移传感器与螺线管型单自感式位移传感器相比，灵敏度提高了一倍，并且非线性误差也大大减少。图3-6螺线管型差动自感式位移传感器结构电感传感器的应用1.电感测微仪图3-19为差动自感测微仪方框图，它的主要部件是螺线管型差动自感式位移传感器、电阻式差动交流电桥测量电路、交流放大器，相敏检波器、振荡器、稳压电源及显示器等。图3-19差动自感测微仪方框图2.电感式纸页厚度测量仪自感式纸张厚度测量仪结构如图3-20所示。图中E形铁芯和线圈构成电感测量头，衔铁实际上是一块铁质或钢质的平板，在工作过程中板状衔铁是固定不动的，被测纸张位于E形铁芯与板状衔铁之间，磁力线从上部的E形铁芯通过纸张而到达下部的衔铁。。图3-20自感式纸张厚度测量仪结构图可以证明，该交流毫安表的读数与铁芯与衔铁之间的气隙大小成正比关系，亦即与纸张的厚度成正比关系。

光栅位移传感器由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件称为光栅，如图4-9所示。光栅的刻痕密度一般为每毫米10、25、50、100、250线。刻痕之间的距离称为栅距W。设刻痕宽度为a，狭缝宽度为b，则，一般情况下取图4-9光栅

光栅的概念20用玻璃制成的光栅称为透射光栅，它是在透明玻璃上刻出大量等宽等间距的平行刻痕，每条刻痕处是不透光的，而两刻痕之间是透光的21用不锈钢制成的光栅称为反射式光栅22光栅位移传感器的工作原理—莫尔条纹莫尔条纹——如果把两块栅距W相等的光栅面平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ，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，如图4-10所示。莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成，图4-10中d-d线区所示。f-f线区则是由于光栅的遮光效应形成的。

图4-10莫尔条纹23θW莫尔条纹演示指示光栅主光栅24图4-10莫尔条纹25例如θ=30′，则K=115，表明莫尔条纹的放大倍数相当大。当θ=0.1o时，K=573这样，就可以把肉眼看不到的光栅位移变成为清晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的位移来检测光栅的位移，从而实现高灵敏度的位移测量。26课堂练习光栅的条纹密度是50条/mm，光栅条纹间的夹角θ=0.001孤度，则莫尔条纹的宽度是20mm光栅位移传感器的结构光栅位移传感器的结构及工作原理如图4-11所示。它主要由主光栅、指示光栅、光源和光电器件等组成，其中主光栅和被测物体相连，它随被测物体的直线位移而产生移动。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移，若用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的距离，也就测得了被测物体的位移量。利用上述原理，通过多个光敏器件对莫尔条纹信号的内插细分，便可检测出比光栅距还小的位移量及被测物体的移动方向。图4-11光栅位移传感器的结构原理图28

图4-11b）光栅位移传感器外形图29

光栅位移传感器的特点及应用由于莫尔条纹是明暗交替的，当莫尔条纹上下移动时，只要用光敏元件检测出来明、暗的变化，就可得知位移的大小，实现测量结果的二值化。另外莫尔条纹是由光栅的大量刻线形成的，对刻线误差有平均作用，能在很大程度上消除刻线不均匀引起的误差。由于光栅位移传感器测量精度高（分辨率为0.1μm）、动态测量范围广（0～1000mm），可进行无接触测量，而且容易实现系统的自动化和数字化，因而在机械工业中得到了广泛的应用，特别是在量具、数控机床的闭环反馈控制、工作主机的坐标测量等方面，光栅位移传感器都起着重要的作用。图3-12所示为光栅位移传感器在机床加工方面的应用实例。30

3132

学习内容一、常见的速度传感器1.磁电感应式速度传感器2.测速发电机3.电涡流式转速传感器

二、光电编码器

333.4速度、加速度传感器

3.4.1速度传感器

能感受被测速度并转换成可用输出信号的传感器。A.从物体运动的形式来看，速度的测量分为线速度测量和角速度测量；B.从运动速度的参考基准来看分为绝对速度测量和相对速度的测量；C.从速度的数值特征来看分为平均速度测量和瞬时速度测量；D.从获取物体运动速度的方式来看分为直接速度测量和间接速度测量。

线速度的计量单位通常用m/s；在工程上通常用km/s。常见的速度传感器1.磁电感应式速度传感器2.测速发电机3.电涡流式转速传感器4.霍尔式转速传感器PARTTWO1.磁电感应式速度传感器根据工作原理的不同：（1）动圈式结构类型磁电感应式传感器（2）动铁式结构类型磁电感应式传感器磁电式传感器简称感应式传感器，也成为电动式传感器。利用导体和磁场发生相对运动产生感应电动势，是一种将机械能转换为电能的转换器，不需要外部供电电源。磁电式传感器的工作原理法拉第电磁感应定律：k为比例系数，E为感应电势，Φ为磁通。k＝1，这时感应电势为：

整个线圈中所产生的电动势为：B：稳恒均匀磁场的磁感应强度A、l导体有效横截面积及长度v、ω导体相对磁场的运动速度根据工作原理的不同：（1）动圈式结构类型磁电感应式传感器（2）动铁式结构类型磁电感应式传感器动圈式结构类型磁电感应式传感器原理如果在线圈运动部分的磁场强度B是均匀的，则当线圈与磁场的相对速度为υ时，线圈的感应电动势：

式中B为磁场的磁感应强度，为单匝线圈有效长度，N为线圈匝数，α为运动方向与磁场方向间夹角当α＝90°，线圈的感应电动势为：图5.1.1动圈式磁电传感器原理图（2）动铁式结构类型磁电感应式传感器原理与动磁式磁电感应传感器相同，但是由于相对运动的机构不同，有式中：B为磁场的磁感应强度la为单匝线圈有效长度N为线圈匝数α为运动方向与磁场方向间夹角磁电式转速传感器的工作原理

当安装在被测转轴上的齿轮旋转时，其齿依次通过永久磁铁两磁极间的间隙，使磁路的磁阻和磁通发生周期性变化，从而在线圈上感应出频率和幅值均与轴转速成此例的交流电压信号u0。优点：它只适合进行动态测量，电路简单，输出功率较大，零位及性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围。缺点：尺寸以及重量较大。适用范围：可以用于振动、转速、扭矩等测量。优缺点及使用范围2.测速发电机测速发电机测速发电机结构和直流伺服电动机基本相似。NS+-n直流电机定子转子空气隙定子铁心励磁绕组机壳端盖电刷电枢绕组电枢铁心换向器转轴

导体在磁场中的运动，电刷两端的感应电势：一、工作原理B：稳恒均匀磁场的磁感应强度l导体有效横截面积及长度v转子相对磁场的运动速度

由上可知：1.电刷两端的感应电势与电机的转速成正比。2.直流发电机能够把转速信号换成电势信号，从而用来测速。 直流测速发电机在自动控制系统和计算装置中可以作为测速元件、校正元件、解算元件和角加速度信号元件。如：由于该发电机发出的电压和转速有关，所以检测出它的电压就可达到测电机速度的目的;同时该电压送去解码后，用于对该电机的恒速控制。3.电涡流式转速传感器电涡流测转速传感器是在速度分析测量中，特别是对非接触的转动、位移信号，能连续准确地采集到振动、转动等轨迹运动的多种参数的一种传感器。电涡流测转速传感器

光电编码器

光电编码器分为绝对式编码器和增量式编码器两种。光电编码器是按光学和光电原理制成的器件，它由光源、码盘、光敏元件及电路部分组成。码盘上有若干透光部分和不透光部分，当光通过码盘上的透光部分时，光敏元件便接收到光信号，将光信号转换成电信号，而在不透光部分则接收不到光信号，如图2-22所示。当码盘旋转时，便可接收到一系列的脉冲或数字信号，这些信号就反映了旋转的运动参数。图2-22

编码器的码盘1.绝对式编码器绝对式编码器是一种能直接测量角位移的传感器，图2-22（a）为4位绝对式二进制编码器的码盘。在码盘的圆周方向上有4条由透光和不透光部分组成的码道，而在径向上将码盘分成了16个扇区，在码盘的一侧有4个光敏元件，每个光敏元件对应一条码道。当光电编码器处于某一位置时，该扇区上的不透明部分对应的光敏元件输出1（设不透明部分为1），而透明部分对应的光敏元件输出0。则这4位二进制数字就表示了该扇区的位置。可以看出各个扇区分别代表了0000，0001，…，1110，1111这16个角度。2.增量式编码器增量式编码器利用计数装置将旋转码盘产生的脉冲进行计数来获取运动参数。图2-22（b）为增量式编码器的码盘。相对于绝对式编码器而言，增量式编码器结构简单、成本低，所以应用更为广泛。其原理和光栅相同，在码盘的圆周方向上刻有若干条透明的线条，当光线通过时便可产生相应的电脉冲，计数装置只要完成计数即可。增量式编码器有两种，一种只有一条码道，通常用来测量旋转速度，但无法辨别方向；另一种能够分辨旋转方向和零点参考位置。增量式码盘上通常刻有3条码道，分别为A相、B相和Z相，其中A相和B相码道相位上相差π/2，用来检测方向，而Z相用来检测零点参考位置，这种增量式编码器可以用来测量位移、速度等运动参数。因此圆盘每转一周，光电器件就输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，据测量单位时间内的脉冲数N，则可测出转速为式中：Z—圆盘上的缝隙数；

n—转速（rad/min）；

T—测量时间（s）。一般取Z=60×10m（m=0，1，2·····），利用两组缝隙间距W相同，位置相差，i=0，1，2······的指示缝隙和两个电光器件，则可辨别出圆盘的旋转方向。压电式加速度传感器压阻式加速度传感器电容式加速度传感器伺服式加速度传感器加速度传感器的分类某些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”。具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等。压电式加速度传感器工作原理压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。图4压电效应原理图压电式加速度传感器优缺点它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。图6压电式j加速度传感器压电式加速度传感器在现代生产生活中被应用于许许多多的方面，如提电脑的硬盘抗摔保护，目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦压电式加速度传感器应用图7摄像机图8电脑硬盘压阻式加速度传感器是最早开发的硅微加速度传感器（基于MEMS硅微加工技术），压阻式加速度传感器的弹性元件一般采用硅梁外加质量块，质量块由悬臂梁支撑，并在悬臂梁上制作电阻，连接成测量电桥。在惯性力作用下质量块上下运动，悬臂梁上电阻的阻值随应力的作用而发生变化，引起测量电桥输出电压变化，以此实现对加速度的测量。压阻式加速度传感器原理图9压阻式加速度传感器原理图压阻式加速度传感器优缺点

优点：体积小、频率范围宽、测量加速度的范围宽，直接输出电压信号，不需要复杂的电路接口，大批量生产时价格低廉，可重复生产性好，可直接测量连续的加速度和稳态加速度.缺点：对温度的漂移较大，对安装和其它应力也较敏感，它不具备某些低gn值测量时所需的准确度。图12压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器已用在步进电机作为动力机械的控制系统中。广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。压阻式加速度传感器应用图13步进电机图14绘图机电容式加速度传感器，具有电路结构简单，频率范围宽约为0～450Hz，线性度小于1%，灵敏度高，输出稳定，温度漂移小，测量误差小，稳态响应，输出阻抗低，输出电量与振动加速度的关系式简单方便易于计算等优点，具有较高的实际应用价值。但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电缆的电容影响，以及电容传感器本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往往需通过后继电路给于改善电容式加速度传感器优缺点图17电容式加速度传感器在某些领域无可替代，如安全气囊，手机移动设备等。

电容式加速度传感器应用图19手机图18安全气囊当被测振动物体通过加速度计壳体有加速度输入时，质量块偏离静平衡位置，位移传感器检测出位移信号，经伺服放大器放大后输出电流，该电流流过电磁线圈，从而在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力，迫使质量块回到原来的静平衡位置，即加速度计工作在闭环状态，传感器输出与加速度计成一定比例的模拟信号，它与加速度值成正比关系。伺服式加速度传感器原理图20伺服式加速度传感器原理图主要由质量块、弹簧、电磁线圈、永久磁铁、位移传感器、伺服放大器、壳体等部分组成。伺服式加速度传感器构成图21伺服式加速度传感器结构图优点是测量精度和稳定性、低频响应等都得到提高，还有分辨率高，高精度，自检功能，高可靠性等。缺点是体积和质量比压电式加速度计大很多，价格昂贵。伺服式加速度传感器优缺点图22伺服式加速度传感器结构图由于有