传感器应用技术(6.1).ppt

1、第6章 位移及速度检测,位移及速度是描述物体运动的量，可将其称为运动量。 运动量是最基本的量，运动量测量是最基本、最常见的测量，它是许多物理量，如力、压力、振动等测量的前提。 位移分线位移和角位移。 速度分线速度和角速度。,按位移结果分:将位移转化为模拟量；将位移转化为数字量； 按位移大小分:微小位移检测；小位移检测；大位移检测；,6.1 电感式传感器,电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，通过线圈电感量的改变来实现测量。 电感式传感器的工作基础：电磁感应定律 电感系数（又称电感）：衡量线圈产生电磁感应能力的物理量。实验证明，通过线圈的磁通量和通入的电流是成正比的，它们的

2、比值叫做自感系数，也叫做电感。,6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类,电感式传感器亦可称为自感式传感器或可变磁阻式传感器。 传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。,6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类,工作原理：在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。,线圈中的电感为： 根据磁路欧姆定律： 合并两式可得：,6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类,上式中, Rm为磁路总磁阻。气隙很小，可以认为气隙中的磁场是

3、均匀的。 若忽略磁路磁损， 则磁路总磁阻为 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即,6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类,将以上各式联立，即得到： 上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变或A0均可导致电感变化。 变磁阻式传感器可分为变气隙厚度(变间隙式)的传感器和变气隙截面积A0的传感器以及 同时改变和A0的电感传感器(螺管式)。,6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类,电感式传感器的分类：,例5-1： 如图所示，已知左右空气气隙的长度分别为X1和X2，空气气隙的横截面 积为S0，磁导率为0，线圈匝数为N，铁心总长度为Y（包括动铁心）, 铁心横截面积为Si

4、，铁心磁导率为i 。 （1）求电感式传感器的自感L的表达式。 （2）当动铁心a左右移动时, 分析左右空气气隙X1和X2发生变化时自感 L的变化情况。,（2）当动铁心a左右移动时,空气气隙的长度 X1和X2各自变而其和不变，因为其他参数都 不变，故L不变。,（1）解：,6.1.2 电感式传感器的输出特性,当衔铁处于初始位置时，初始电感量为 当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0-， 则此时输出电感为,一、变气隙型电感传感器,6.1.2 电感式传感器的输出特性,当/01时，进行泰勒级数展开 可求得电感增量L和初始电感L0的相对增量L/L0的表达式，即,6.1.2 电感式传感器的输出特性,同理，当衔铁

5、随被测体的初始位置向下移动时，有： 对上列等式作线性处理，可得：,灵敏度为：,6.1.2 电感式传感器的输出特性,结论： 变气隙型自感式传感器的灵敏度较高； 非线性严重，自由行程小，制造装配困难。 适用于测量微小位移场合。,6.1.2 电感式传感器的输出特性,二、变截面型电感传感器 保持磁导率和气隙长度固定不变，只改变气隙有效截面积A，即以气隙截面积作为传感器的输入量，可以制成变截面型自感式传感器，常用于角位移的测量。其结构原理如上图所示。,6.1.2 电感式传感器的输出特性,变截面型自感式传感器其转换关系是线性的；同时，其灵敏度K为常数。 变面积式传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输出特

6、性呈线性，因此可得到较大的线性范围。与变间隙式相比较，其灵敏度较低。,6.1.2 电感式传感器的输出特性,三、螺管式电感传感器 磁场分布不均匀，理论上分析较困难； 由实验可知输出为非线性关系,且灵敏度较低； 测量范围广； 结构简单，装配容易，且螺管可做得较长，故宜于测量较大的位移。,6.1.3 差动电感传感器原理,为了提高测量的灵敏度，减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变间隙式电感传感器。,6.1.3 差动电感传感器原理,当衔铁向上移动时，线圈总的电感变化量L 对上式进行线性处理，即忽略高次项得,6.1.3 差动电感传感器原理,灵敏度K为 从上列各式可以得到： 差动变间隙式自感传感器的灵敏

7、度是单线圈式传感器的两倍。 单线圈是忽略 以上高次项，差动式是忽 略 以上高次项，因此差动式自感式传感 器线性度得到明显改善。,6.1.3 差动电感传感器原理,与单边式相比，差动电感传感器有如下优点： 1.灵敏度提高一倍； 2.具有温度自补偿作用，抗外磁场干扰 能力强； 3.电磁吸力相互抵消，线性度高。,6.1.4 电感式位移计,一、轴向电感式位移计的结构 二、电感式位移计的测量电路,1导线2固定磁通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可换测头,A、B两点的电位差即输出电压 1.衔铁处于中间位置时，输出电压为 2.衔铁向上移动时，输出电压为 3.衔铁向下移动时，输出电压为

8、,由此可见，利用这个方法测量位移只能测量位移的大小，而不能反映方向。 如果测量位移的大小和方向，必须使用相敏电路配合。,带有相敏整流的电桥电路,6.2 差动变压器位移计,把被测的非电量变化转换为线圈互感系数变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。,6.2.1 差动变压器工作原理及特性,差动变压器结构如图所示。,当铁芯处于中间位置时，输出电压: 当铁芯向右移动时，则输出电压: 当铁芯向左移动时，则输出电压: 输出电压的方向反映了铁芯的运动方向，大小 反映了铁芯的位移大小。,6.2.1 差动变压器工作原理及特性,输出

9、特性如图所示。,6.2.1 差动变压器工作原理及特性,当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零。我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作U，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。,产生零点残余电压的原因： 结构和电气参数不对称； 导磁材料的不均质。 零点残余电压的危害： 给测试结果带来误差； 使零位附近变得不灵敏。,6.2.1 差动变压器的工作原理及特性,减小零点残余的方法： 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。 选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判

10、别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。 采用补偿线路减小零点残余电动势在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。,6.2.2 差动变压器位移计,总行程： 100mm 线性度：0.15%,总行程： 2 7mm 测量力：0.91.2N 示值变动性：0.5m,一、差动变压器位移计的结构,6.2.2 差动变压器位移计,1测头；2轴套； 3测杆；4活动铁心； 5线圈架；6导线； 7屏蔽筒；8圆片弹簧； 9弹簧；10防尘罩,二、差动变压器位移计的测量电路 1.大位移测量电路 电路如图所示。 只测位移大小时， 用图a、b电路； 大小、方向都测

11、时，用图c、d的 相敏检波电路。,6.2.2 差动变压器位移计,2.微小位移测量电路 DGS20C/A型测微仪的框图如示。,6.2.2 差动变压器位移计,6.3 电位器传感器,被测量的变化导致电位器阻值变化的敏感元件称为电位器传感器。 6.3.1 电位器传感器基本工作原理电位计式电阻传感器的结构如图，图(a)为直线式电位计，可测线位移；(b)为旋转式电位计，可测角位移。,6.3.2 电位器传感器输出特性,（RL20R，) 非线性误差小于1.5%）,6.3.3 电位器传感器结构,1.电阻丝：对电阻丝的要求是：电阻系数大，温度系数小，对铜的热电势应尽可能小，常用材料有：铜镍合金类、铜锰合金类、镍铬

12、丝等。 2.骨架：对骨架材料要求形状稳定表面绝缘电阻高，有较好的散热能力。常用的有陶瓷、酚醛树脂和工程塑料等。 3.电刷：电刷与电阻丝材料应配合恰当、接触电势小，并有一定的接触压力。这能使噪声降低。,6.3.4 电位计式位移传感器,YHD型电位计式位移传感器的结构如图。,测量轴1与被测物体接触，当有位移输入时，测量从轴便沿导轨5运动，同时带动电刷3移动。,6.5 光栅位移测试,光栅式位移传感器，也称计量光栅，主要用于长度和角度的精密测量。 6.5.1 光栅的基本结构 一、光栅：光栅是由透 明的玻璃上刻有大量平 行等宽等距的刻线构成 的，结构如图。,1.栅线：平行等距的刻线 2光栅栅距(光栅节距

13、或光栅常数)：d=a+b,6.5 光栅位移测试,二、光栅的分类 光栅按其用途分长光栅和圆光栅两类。计量光栅分类见图。,6.5.2 光栅传感器的工作原理,一、光栅传感器的组成光栅传感器的组成如图所示。光栅传感器由光栅、光路、光电元件和转换电路等组成。指示光栅应置于主光栅的费涅耳第一焦面上，其间的距离为：,W为栅距； 为波长,二、莫尔条纹 1.莫尔条纹：光栅式传感器的基本工作原理是利用光栅的莫尔条纹现象来进行测量的。莫尔条纹如图所示。,在刻线重合处，光从缝隙透过形成亮带；在刻线错开的地方，形成黑带。,6.5.2 光栅传感器的工作原理,2.莫尔条纹的特征 (1) 运动对应关系：莫尔条纹的移动量和移动

14、方向与主光栅相对于指示光栅的位移量和方向有严格的对应关系。如图所示。,6.5.2 光栅传感器的工作原理,(2)减小误差：莫尔条纹对光栅的刻线误差有平均作用，能在很大程度上消除栅距局部误差和短周期误差影响。 (3)位移放大：莫尔条纹的间距随着光栅线纹交角而改变，其关系如下： 从上式可知，越小，条纹间距B将变得越大，莫尔条纹有放大作用，其放大倍数为：,6.5.2 光栅传感器的工作原理,三、光栅的信号输出 主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹变化一个周期，莫尔条纹的变化近似为正弦波形，可看成是在一个直流分量上的叠加，即：,6.5.2 光栅传感器的工作原理,x主光栅与指示光栅间瞬时位移,6.6 码盘式传感器

15、,码盘又称角数字编码器，是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的传感器。 码盘式传感器是以编码器为基础的，它是测量轴角位置和位移的方法之一。 优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用计算机处理。,6.6 码盘式传感器,编码器的种类很多， 主要分为脉冲盘式（增量编码器）和码盘式编码器（绝对编码器），其关系如下所示：,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,6.6.1 增量式编码器,增量式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行加减(正向或反向旋转时)

16、累计计数，一般还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。,6.6.1 增量式编码器,图中的信号A和B是相位差90度的方波。若A相超前于B相，对应工作轴正向旋转；若B相超前于A相，对应工作轴反向旋转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可形成代表正向角位移和反向角位移的脉冲序列。 每当工作轴旋转一周，光电元件就产生一个Z相一转基准脉冲信号。,6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式),用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的传感器。 光电码盘式传感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、柱面镜和光敏元件组成。基本结构如图所示。,一、二进制码盘

17、如图所示是一个四 位二进制码盘，涂黑 部分输出为 0，空白 部分输出为 1。共 4 圈码道，从内到外依 次为C4、C3、C2、C1码 道。,6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式),6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式),如图所示的4位二进制码盘，最内圈码盘一半透光， 一半不透光，最外圈一共分成24=16个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。 例如零位a对应于0000（全黑）；第7个方位h对应于0111。这样在测量时，只要根据码盘的起始和终止位置，就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个n位二进制码盘的最小分辨率，即能分辨的角度为=360/2n，一个4位二进制码盘， 其最小分辨的角度

18、=22.5。,二进制码盘的特点为： 1. n位的二进制码盘具有2n种不同编码，其容量为2n，分辨角度为： 2.二进码为有权码，编码Cn Cn-1C1 对应于零位算起的转角为:,6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式),二进制码盘的误差： 原因：信号检测元件不同步或码道制作中不精确。 误差：由于刻划误差等原因， 某一较高位提前或 延后改变，就会造成粗误差。,6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式),h位置时，若码道C4黑区做得太短，就会误读为1111。 i位置时，若码道C4黑区做得太长，就会误读为0000。,6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式),为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。循环码是一种

19、无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多只是最低的一位数。,二、循环码码盘 图是一个四位的循环码盘，表6.6.2 是十进制 数、二进制数及四位循环码的对照表。 二进制码转换成循环 码的规则是：二进制 码与其本身右移一位 后并舍去末位的数码 作不进位加法得循环 码。,6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式),6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式),若R表示循环码，C为二进制码，则： 循环码变成二进制码的关系式为：,二进制码与循环码的转换电路如图。,6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式),D触发器,=1

20、,二进制码与循环码的转换电路如图。,6.6.2 码盘式传感器(光电码盘式),6.6.3 光电码盘的应用,增量编码器除直接用于测量相对角位移外，常用来测量转轴的转速。最简单的方法就是在给定的时间间隔内对编码器的输出脉冲进行计数，它所测量的是平均转速。,6.6.3 光电码盘的应用,在某些场合，用旋转式光电增量编码器来测量线位移是一种有效的方法。这时，须利用一套机械装置把线位移转换成角位移。测量系统的精度将主要取决于机械装置的精度。,6.6.3 光电码盘的应用,6.8 磁电感应式速度传感器,磁电感应式传感器也称为感应式传感器或电动式传感器。 磁电感应式传感器是利用电磁感应原理（导体和磁场发生相对运动

21、产生感应电动势），将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。 把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号（机-电能量变换型传感器）。 具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力（矩）发生器和电磁激振器等。,6.8.1 传感器工作原理及测量电路,一、磁电感应式传感器工作原理 根据电磁感应定律,当N匝线圈在均恒磁场内运动时,设穿过线圈的磁通为,则线圈内的感应电势e与磁通变化率有如下关系: 导体运动切割磁场： e = Blv,磁电感应式传感器的结构原理如图所示。,6.8.1 传感器工作原理及测量电路,1线圈；2运动部分；3永久磁铁,6.8.1 传感器工作原理及测量电路,线圈在磁场中作直线运动时，它所产

22、生感应电势为： 线圈在磁场中转动时产生的感应电势为： 综上可知，磁电传感器可用来测定线速度和角速度。,二、磁电感应式传感器测量电路 位移、速度和加速度测量电路如图所示。,开关置2，测速度，置1，接积分装置，输出为位移，置3，接微分环节，输出为加速度。,6.8.1 传感器工作原理及测量电路,6.8.2 电感应式传感器的灵敏度K,直线运动的磁电感应式传感器，其灵敏度为： 旋转运动的磁电感应式传感器，其灵敏度为：,可见，要提高系统灵敏度，总是希望增加线圈匝数N和导线长度。但必须注意：线圈电阻和负载电阻的匹配；线圈的发热和温度影响（耗散功率）。,6.8.3 磁电式速度传感器,一、相对速度传感器 图为国

23、产CD2型磁电式相对速度传感器的结构示意图。,磁钢5通过壳体3构成磁回路，线圈4置于磁回路的气隙中，当被测物体振动通过顶杆1使线圈运动时，因切割磁力线，产生感应电动势，电动势的大小与被测物体之间的相对振动速度成正比。,二 、绝对速度传感器 国产CD1型磁电式绝对速度传感器的结构及工作过程由图所示。,当传感器的壳体与被测物体一起振动时，如振动的频率较大，由于芯杆组件的质量较大，故惯性大，可以阻碍芯杆与壳体一起振动，可以认为只有壳体随被测物体一起振动。这时，线圈以物体的振动速度切割磁力线，产生电动势。,6.8.3 磁电式速度传感器,6.9 光电效应及光电器件,光电传感器是通过光电转换元件将光能转换

24、成电能的传感器。 6.9.1 外光电效应及器件 在光的作用下使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。光电管和光电倍增管。,一、光电管及其特性 真空光电管的结构及工作原理如图所示。 1. 伏安特性 入射光一定时，阳极电流与阳极电压之间的关系称为伏安特性。,当阴极发射的电子全部到达阳极时，阳极电流便很稳定，称为饱和状态。,6.9.1 外光电效应及器件,2.光电特性 阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光电特性。 3.光谱特性 光电管对光谱的选择性称为光谱特性。,光电特性,光谱特性,6.9.1 外光电效应及器件,二、光电倍增管图为光电倍增管的工作原理图。,具有一定能量的电子轰击

25、倍增极，便产生二次电子。最后到达阳极，并输出电压脉冲。,6.9.1 外 光电效应及器件,在光线作用下使物体的电阻率发生改变的现象称为内光电效应。光敏电阻，光导管等。 一、光敏电阻的工作原理及结构图为光敏电阻的原理结构。,有些半导体在黑暗的环境下，电阻很高，当有光线照射时，如光子能量大于本征半导体禁带宽度，则禁带中的电子吸收一个光子后就足以跃迁禁带，激发出电子空穴对，从而加强导电性。,6.9.2 内光电效应及器件,二、光敏电阻的主要参数 1. 暗电阻和暗电流 2. 亮电阻和亮电流 3. 光电流 三、光敏电阻的基本特性 1. 光敏电阻的伏安特性 光敏电阻的两端所加 电压和电流的关系曲称 为光敏电阻的伏安特性。,6.9.2 内光电效应及器件,2.光敏电阻的光照特性 光敏电阻光电流和光强的关系曲线，称为光敏电阻的光照特性。 3.光敏电阻的光谱特性 对不同波长的入射光，光敏电阻相对灵敏度不同。各种不同材料的光谱特性曲线如图所示。,光敏电阻的光照特性,光敏电阻的光谱特性,6.9.2 内光电效应及器件,阻挡层光电效应是