17 位移加速度传感器重点

第一章传感器及其应用—位移/加速度传感器—位移/加速度传感器用于将“位移”和物体受重力作用而产生的“加速度”这两个非电量转换为电量输出。一位移传感器角度位移线性位移电阻式电容式振弦式电感式编码式光栅式磁栅式光电式感应同步式电位器式电阻应变片式差分电感式差分变压器式电感调频式电涡流式分类1电阻应变片位移传感器金属半导体动态范围：1～300mm，线性度：0.1%-0.5%，分辨力：1umuo正比于磁芯在线圈中的位移磁阻2线性可变差分变压器式（LVDT）位移传感器－电感式320uuuLVDT差动变压器式位移传感器的原理LVDT的结构由铁心、衔铁、初级线圈、次级线圈组成，初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状衔铁。当衔铁处于中间位置时，两个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为0；当衔铁在线圈内部移动并偏离中心位置时，两个线圈产生的感应电动势不等，有电压输出，其电压大小取决于位移量的大小。为了提高传感器的灵敏度，改善传感器的线性度、增大传感器的线性范围，设计时将两个线圈反串相接、两个次级线圈的电压极性相反，LVDT输出的电压是两个次级线圈的电压之差，这个输出的电压值与铁心的位移量成线性关系。LVDT工作过程中，铁心的运动不能超出线圈的线性范围，否则将产生非线性值，因此所有的LVDT均有一个线性范围。（1）铁心位于线圈中间0320uuu0320uuu（2）铁心向上移动（3）铁心向下移动0320uuu优点：无摩擦（移动铁心与线圈不存在物理接触）；无限的机械寿命（因无接触、无摩擦导致无磨损）；分辨率高；零位重复性好；输入/输出隔离。应用：在动态偏移和高弹性材料的振动测量、高增益闭环控制系统的零位指示测量中、其他各种工业控制中得到了广泛的应用。LVDT特点1.结构简单，工作可靠，寿命长，线性度好，重复性好，性能价格比高。2.精度：最高精度可达0.05%，一般为0.25%、0.5%3.绝对误差：最高可达1μm4.重复性：好，最高可达1μm5.灵敏度：高，一般每mm位移输出为数百mv,最高可达几伏6.分辨率：高，一般为0.1μm，最高可达10-4μm。7.测量范围：宽，±0.1mm~±500mm甚至更大8.工作温度范围：大，一般为-55℃~+150℃可扩展到+220℃，传感器或变送器分为三级：商业级：0℃~+70℃工业级：-20℃~+85℃军级：-55℃~+125℃9.时间常数小，动态特性好，频带宽一般为200HZ(5ms)最高可500HZ(2ms)。10.毛利率高：可达60%~70%检波常用幅值为3～15V的均方根值、频率为60～2000Hz的正弦电压激励初级线圈，感应的次级输出电压也是与激励信号同频率的正弦信号，但幅值随铁心位置的变化而变化。测量铁心位移对输出的影响时，需通过检波将LVDT中信号的交流成分滤除。一般检波器不能判断铁心运动方向的不同。可鉴别位移方向的LVDT半导体桥式检波器电路bacduuu000bacduuu00bacduuu00bacduuu3电位器式位移传感器通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化，从而改变电阻值大小，进而再将这种变化值转换成电压或电流的变化值。a)测振幅b)测轴回转精度和轴心偏摆被测物振动电容式传感器被测轴电容式传感器4电容式位移传感器电容式角位移传感器0000dsCr0000)1(CCdCr当θ=0时当θ≠0时传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系二、加速度传感器加速度是表征物体在空间运动本质的一个基本物理量。可以通过测量加速度来测量物体的运动状态。例如，惯性导航系统就是通过飞行器的加速度来测量它的加速度、速度(地速)、位置、已飞过的距离以及相对于预定到达点的方向等。通常还通过测量加速度来判断运动机械系统所承受的加速度负荷的大小，以便正确设计其机械强度和按照设计指标正确控制其运动加速度，以免机件损坏。对于加速度，常用绝对法测量，即把惯性型测量装置安装在运动体上进行测量。分为惯性加速度与倾角传感器和振动加速度传感器。惯性加速度与倾角传感器－－基于“摆”的工作原理当传感器壳体相对于地球重心方向产生倾斜时，由于重力的作用，摆力图保持垂直方向，从而使摆相对于壳体形成一个角度的倾斜，只要通过敏感元件测出这个角度，或将与摆相连的敏感元件的应变量转换成为电量的输出，即可知因倾斜这个力所引入的加速度的大小。当前测量加速度的传感器基本上都是基于图所示的基本结构。通常是由质量块m、弹簧k和阻尼器c所组成的惯性型二阶测量系统。质量块通过弹簧和阻尼器与传感器基座相连接。传感器基座与被测运动体相固连，因而随运动体一起相对于运动体之外惯性空间的某一参考点作相对运动。是一种变磁阻式加速度传感器，它是以通过弹簧片与壳体相连的质量块m作为差动变压器的衔铁。当质量块感受加速度而产生相对位移时，差动变压器就输出与位移(也即与加速度)成近似线性关系的电压，加速度方向改变时，输出电压的相位相应地改变180。。位移式加速度传感器231B面A面546Cx1Cx21、5－固定极板2－壳体3－簧片4－质量块6－绝缘体精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度电容式加速度传感器以通过弹簧片支承的质量块作为差动电容器的活动极板。电容式加速度传感器的特点是频率响应范围宽，测量范围大。在固定在传感器壳体上的弹性悬臂梁的中部装有一感受加速度的质量块m，梁的自由端固定安装着测量位移的霍尔元件H。在霍尔元件的上下两侧，同极性相对安装着一对永久磁铁，以形成线性磁场。当质量块感受上下方向的加速度而产生与之成比例的惯性力使梁发生弯曲变形时，自由端就产生与加速度成比例的位移，霍尔元件就输出与加速度成比例的霍尔电势UH。霍尔式加速度传感器这类基于测量质量块相对位移的加速度传感器一般灵敏度都比较低，所以当前广泛采用基于测量惯性力的加速度传感器，例如电阻应变式、压阻式和压电式加速度传感器。它们的工作原理是:敏感质量块感受加速度，而产生与之成正比的惯性力F＝ma，再通过弹性元件把惯性力转变成应变、应力，或通过压电元件把惯性力转变成电荷量，然后通过测量应变、应力或电荷来间接测量加速度。应变式加速度传感器在低频（10~60Hz）振动测量中得到广泛的应用,但不适用于频率较高的振动和冲击。1—等强度梁2—质量块3—壳体4—电阻应变片应变式加速度传感器的具体结构形式很多，但都可简化为图示形式。等强度弹性悬臂梁固定安装在传感器的基座上，梁的自由端固定一质量块m，在梁的根部附近两面上各贴一个(成两个)性能相同的应变片，应变片接成对称差动电桥。aFma当质量块感受加速度而产生惯性力Fa时，在力Fa的作用下，悬臂梁发生弯曲变形，其应变为粘贴在梁两面上的应变片分别感受正(拉)应变和负(压)应变而电阻增加和减小，电桥失去平衡而输出与加速度成正比的电压U0，即压电式加速度传感器压缩式压电加速度传感器结构当传感器感受振动时，质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片压电效应，两个表面上就产生交变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动速度或位移。（压电）石英加速度传感器石英加速度传感器的反馈电流正比于因外力作用而引起的质量m的加速度。