第6章 位移及速度检测

第六章位移及速度检测位移及速度是描述物体运动的量，是许多物理量，如力、压力、振动等测量的前提。直线位移是运动量中最基本的参数；速度是位移对时间的微分；力或力矩可以使弹性体变形而产生位移；由牛顿定律可知加速度与作用力有关。运动量检测的主要任务：检测位移和力的大小位移的分类：线位移和角位移。速度的分类：线速度和角速度。第六章位移及速度检测按测量结果分:将位移转化为模拟量；将位移转化为数字量。按测量对象分: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：将被测量转换成电感（或互感）变化的传感器。工作基础：电磁感应。即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量。分类：变磁阻式、变压器式组成：变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。A1L1线圈铁芯衔铁L2A2图6.1变磁阻式传感器结构W工作原理：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δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而使电感线圈的电感值变化。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。6.1.1工作原理及分类一、工作原理A1L1线圈铁芯衔铁L2A2图6.1变磁阻式传感器结构W衔铁移动δ改变磁阻变化电感值变化6.1.1工作原理及分类一、工作原理其中：N：线圈匝数；Rm：磁路总磁阻(铁芯磁阻+衔铁磁阻+空气隙磁阻)mRNL2合并两式可得线圈自感系数为A1L1线圈铁芯衔铁L2A2图6.1变磁阻式传感器结构W6.1.1工作原理及分类NLII线圈中的电感为：根据磁路欧姆定律：mNIR由于气隙式自感传感器的气隙较小(lδ为0.1～1mm)，故认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为:A1L1线圈铁芯衔铁L2A2图6.1变磁阻式传感器结构W6.1.1工作原理及分类121122002mllRAAAl1：铁芯磁路总长；A1：铁芯横截面积；μ1：铁芯磁导率；l2：衔铁的磁路长；A2：衔铁横截面积；μ2：衔铁磁导率；δ：气隙总长;A0：气隙导磁横截面积；μ0：空气磁导率;μ0=4π×10-7H／m22121122002mNllLNAAAR所以：由于自感传感器的铁芯、衔铁在非饱和状态下的磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯、衔铁的磁阻远远小于气隙磁阻，所以上式可简化为：2002NAL结论:当铁芯、衔铁材料和线圈匝数确定后，自感L是气隙截面积A0和气隙长度δ的函数。6.1.1工作原理及分类二、变磁阻式电感传感器的分类2002NAL电感式传感器变磁阻式互感式变截面式螺线管式变间隙式差动变压器6.1.1工作原理及分类1.变间隙式电感传感器：A0保持不变，则L为δ的单值函数；2.变截面式电感传感器：保持δ不变，使A0随位移变化；3.螺管式电感传感器：A0、δ同时改变构成。6.1.1工作原理及分类当衔铁处于初始位置时，初始电感量为：200002NALL＋－oL0L0＋LL0－L1、变间隙式电感传感器变间隙式电感传感器输出特性6.1.2输出特性灵敏度为：2022dLNALKd结论：变气隙型电感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输出特性2.变截面积式电感传感器200002NAL6.1.2输出特性保持磁导率μ和气隙长度l固定不变，只改变气隙有效截面积A，即以气隙长度A作为传感器的输入量，常用于角位移的测量。其结构原理如图:变截面积式电感传感器输出特性变截面式电感传感器其转换关系是线性的，灵敏度为：202NK6.1.2输出特性结论：在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输出特性呈线性，因此可得到较大的线性范围。3.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，宜于测量较大的位移。6.1.2输出特性为提高测量灵敏度，减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动式电感传感器。结构：将有公共衔铁的两个相同电感传感器结合在一起。6.1.3差动电感传感器原理当衔铁向上移动时：23100001LL351200002LLLL002LL23200001LL6.1.3差动电感传感器原理对上式进行线性处理，即忽略高次项得线圈总的电感变化量ΔL：灵敏度K为：002LLK比较单线圈式和差动式：①差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。②减小了非线性误差。6.1.3差动电感传感器原理6.1.4电感式位移计的应用差动变压器:又称互感式电感传感器，是根据变压器的基本原理制成，把被测位移转换为传感器线圈的互感系数变化。由于次级绕组用差动形式连接，故又称差动变压器。差动变压器具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。6.2差动变压器位移计6.2.1差动变压器工作原理及特性一、差动变压器结构由一个线框和一个铁芯组成,线框上绕有线圈。一次线圈：输入线圈；两个二次线圈:输出线圈，接成差动形式。二、工作原理222210UUU222210UUU222210UUU6.2.1差动变压器工作原理及特性铁芯处于中间位置时，由于两个次级线圈相同,两个次级线圈通过的磁力线相等,U21=U22,输出电压为：同理,当铁芯向左移动时，则输出电压:铁芯向右移动时，右边线圈穿过的磁通要比左边多些,U21﹤U22，则输出电压:结论:输出电压的方向反映了铁芯运动方向，大小反映了铁芯位移大小。+-三、输出特性零位电压(Uδ):衔铁位于中心位置（零位移）时，差动变压器输出电压。零位电压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。零位电压的危害：给测试结果带来误差；使零位附近变得不灵敏。6.2.1差动变压器工作原理及特性零位电压产生原因：结构和电气参数不对称;导磁材料不均匀.减小零点残余的方法：6.2.1差动变压器工作原理及特性①尽量保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。②选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。③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。1.大位移测量电路只测位移大小、不要求分辨位移的方向，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a、b所示；6.2.3差动变压器位移计的测量电路既要求测量位移大小、又要求分辨位移的方向，且希望消除零点电压的影响，通常采用相敏检波电路。如图c、d所示；6.2.3差动变压器位移计的测量电路2.微小位移测量电路DGS—20C/A型测微仪的框图如示。6.2.3差动变压器位移计的测量电路电位器式传感器的外形及电压转换原理图（a）直线位移传感器；(b)角位移传感器；(c)电位器的位移→电压转换原理图分为直线位移和角位移传感器两种，外形如下：6.3电位器式传感器6.3电位器式传感器特点：优点：结构简单，价格低廉，性能稳定，对环境条件要求不高，输出信号大，易于转换，便于维修。缺点：存在摩擦，分辨力有限，精度不够高，动态响应差，仅适于测量变化较缓慢的量。6.3.1电位器传感器基本工作原理lRA(a)可测线位移；(b)可测角位移。工作原理：将机械位移或其他能变换成位移的非电量变换为电阻值的变化，并容易转换成电压的变化。6.3.2电位器传感器输出特性xRRxlRL实际使用时，其输出端是接负载的，如图所示：1()(1)xLxLxLxxLLRRRRUxUURRlRxRRRRxRl输出电压为：Ux与x为非线性关系6.3.2电位器传感器输出特性实际使用时，应使RL20R，可保证非线性误差小于1.5%xRUUxUxRl负载电阻RL的选择：只有当RL→∞时：输出电压才与位移成正比，即6.3.3电位器传感器结构1.电阻丝：要求：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、镍铬丝等。2.骨架：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。光栅位移传感器：又称计量光栅，利用光栅的衍射形成莫尔条纹把光栅作为测量长度的计量元件。可用于长度和角度精密测量。6.5光栅位移测试应用范围：计量、光通信、信息处理、光应变传感器等方面。另外，松下电器产业、柯尼卡美能达、JVC三公司均在像差修正中采用了衍射光栅。优点：精度高，抗干扰能力强，可实现动态测量。在透明玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线）。刻线分为透明和不透明，或者对光反射的和不反射的。习惯上用单位毫米里的狭缝数目N来表示光栅特性，常用的光栅每毫米刻成25、50、100、125、250条线条。1.光栅图中:a+b=W称光栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9。6.5.1光栅的基本结构目前使用的光栅主要通过以下方法获得：1）用精密的刻线机在玻璃或镀在玻璃上的铝膜上直接划刻得到；2）用树脂在优质母光栅上复制；3）采用全息照相的方法制作全息光栅。6.5.1光栅的基本结构2.光栅的分类6.5.1光栅的基本结构按其用途分为：长光栅和圆光栅。计量光栅分类如下图所示：长光栅圆光栅6.5.1光栅的基本结构由光栅、光路、光电元件和转换电路等构成。32411.标尺光栅2.指示光栅3.光电元件4.光源光栅的构造（透射光栅）6.5.2光栅传感器的工作原理1.光栅传感器的组成透射式光栅6.5.2光栅传感器的工作原理反射式光栅6.5.2光栅传感器的工作原理透射式圆光栅固定6.5.2光栅传感器的工作原理尺身尺身安装孔反射式扫描头（与移动部件固定）扫描头安装孔可移动电缆防尘保护罩的内部为长磁栅6.5.2光栅传感器的工作原理扫描头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆6.5.2光栅传感器的工作原理两只光栅参数相同，主光栅用于满足测量范围和精度；指示光栅（通常是从主尺上截取一段）用于拾取信号。2.光栅传感器的工作原理6.5.2光栅传感器的工作原理1.d的选择。指示光栅应置于主光栅的费涅耳第一焦面上，距离为：能够正常工作关键在于：2Wd6.5.2光栅传感器的工作原理2.莫尔条纹的最终形成。3.莫尔条纹主光栅与指示光栅的线纹相交一个微小夹角θ，中间留有很小间隙d，由于挡光效应或光的衍射，这时在于光栅条纹在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。亮带与暗带之间形成的明暗相间的条纹即莫尔条纹。莫尔条纹间距B6.5.2光栅传感器的工作原理B11114422tan22即：B≈W/θ，θ为主光栅和指示光栅刻线的夹角,用弧度表示BB6.5.2光栅传感器的工作原理莫尔条纹间距B与W,θ的关系莫尔条纹的特点：6.5.2光栅传感器的工作原理1）运动对应关系：莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B，光强变化一个周期。2）位移放大：莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之间关系为B≈W/θ，放大倍数:k=1/θ3）减小误差:莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。3.光栅信号的输出通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化