传感器与检测技术06_位移、速度及加速度检测

第6章位移、速度及加速度检测本章主要介绍自感式位移计、差动变压式位移计、电位器式位移计、感应同步器、光栅、光电码盘、电涡流位移计、电容式位移计、磁电式速度计、光电转速计、电磁式转速计和测速发电机等的原理、结构、特性及应用。6.1电感式传感器6.1.1电感式传感器的工作原理及分类电感式传感器又称电感式传感器或可变磁阻式传感器，原理如图所示。线圈的电感值按下式计算：其中：6.1电感式传感器若忽略Rc，则有故电感式传感器分为三种类型，如图所示。6.1电感式传感器6.1.2输出特性变间隙式和变截面式自感传感器的输出的特性如图所示。其灵敏度分别为为6.1电感式传感器6.1.3差动电感传感器原理差动变间隙式传感器结构及特性如图所示。6.1电感式传感器初始电感因L1、L2是差动形式，故总的电感变化量为略去高次项，则有与单边式相比，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电感式传感器6.1.4电感式位移计1、轴向电感式位移计的结构2、电感式位移计的测量电路6.1电感式传感器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差动变压器结构如图所示。6.2差动变压器位移计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。02221UUU02221UUU02221UUU6.2差动变压器位移计输出特性如图所示。6.2.2差动变压器位移计结构6.2差动变压器位移计6.2.3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、方向都测时，用图c、d的相敏检波电路。6.2差动变压器位移计2.微小位移测量电路DGS—20C/A型测微仪的框图如示。6.3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电位器传感器6.3.2电位器传感器输出特性6.3电位器传感器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电位器传感器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。6.4电容式位移传感器6.4.1单电极电容式位移传感器及其应用6.4电容式位移传感器振动位移和回转精度的测量6.4电容式位移传感器6.4.2变面积差动式电容位移传感器及其应用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1、光栅：光栅是在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。6.5光栅位移测试2、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光栅位移测试6.5.2光栅传感器的工作原理光栅传感器由光栅、光路、光电元件和转换电路等组成。1、光栅传感器的组成光栅传感器的组成如图所示。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：2Wd6.5光栅位移测试2、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。6.5光栅位移测试（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光栅位移测试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，θ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光栅位移测试3、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，可看成是一个直流分量与的叠加，即：为了能够辨别方向，设置了辨向环节，结构框图如示。6.6码盘式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。6.6.1光电码盘式传感器的工作原理光电码盘式传感器是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转换部件。其工作原理示意图如示。6.6码盘式传感器6.6.2光电码盘1、二进制码盘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。6.6码盘式传感器二进制码盘的特点为：（1）n位二进制码盘能分辨的角度为：（2）二进码为有权码，编码CnCn-1…C1对应于零位算起的转角为:112iniiC6.6码盘式传感器2、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码盘式传感器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：6.6码盘式传感器二进制码与循环码的转换电路如图。6.6码盘式传感器二进制码与循环码的转换电路如图。6.6码盘式传感器6.6.3光电码盘的应用图是一光电码盘测角装置。6.7激光式传感器6.7.1激光的特性和稳频方法1、激光的特性（1）方向性强（2）单色性好（3）亮度高（4）相干性好2、激光器按激光器的工作物质可分为以下几类：（1）固体激光器：常用的有红宝石激光器、钕玻璃激光器等。（2）气体激光器：常用的为氦氖激光器、二氧化碳激光器、一氧化碳激光器等。6.7激光式传感器（3）液体激光器：液体激光器分为无机液体激光器和有机液体激光器等。（4）半导体激光器：半导体激光器是比较年轻的一种，比较成熟的是砷化镓激光器。3、激光的稳频方法较常用的稳频方法是兰姆下陷稳频法。6.7.2激光干涉传感器测长原理激光干涉传感器测长原理实质是光的干涉原理，常用的是迈克尔逊双光束干涉系统。测长的基本公式为：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，是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电动势的。6.8.1传感器工作原理及测量电路1、磁电感应式传感器工作原理根据电磁感应定律，线圈中的感应电势由下式计算：6.8磁电感应式速度传感器磁电感应式传感器的结构原理如图所示。6.8磁电感应式速度传感器线圈在磁场中作直线运动时，它所产生感应电势为：线圈在磁场中转动时产生的感应电势为：由上述可知，磁电传感器可用来测定线速度和角速度。6.8磁电感应式速度传感器2、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。6.8磁电感应式速度传感器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：6.8磁电感应式速度传感器6.8.3磁电式速度传感器1、相对速度传感器图为国产CD－2型磁电式相对速度传感器的结构6.8磁电感应式速度传感器2、绝对速度传感器国产CD－1型磁电式绝对速度传感器的结构CV210振动速度传感器6.9光电式转速计转速的测试按工作原理可分为计数式、模拟式和同步式三大类。6.9.1工作原理光电式转速计是利用光电效应原理制成的。即利用光电管或光电晶体管将光脉冲变成电脉冲。由光电管构成的转速计分反射型和直射型两种。6.9光电式转速计6.9.2基本测量电路6.10加速度传感器6.10.1压电式加速度传感器目前压电式加速度传感器主要有压缩式、剪切式和复合式三种。1、压缩式压电加速度传感器6.10加速度传感器2、剪切式压电加速度传感器6.10加速度传感器3、复合式压电加速度传感器6.10加速度传感器6.10.2电阻应变式加速度传感器6.10加速度传感器6.10.3力平衡式加速度传感器