第7章机械量的测量

第七章机械量的测量 7 1位移的测量7 2转速的测量7 3加速度的测量 机械量通常包括各种几何量和力学量 如长度 位移 厚度 转矩 转速 振动和力等 本章主要讨论机组控制中常用的位移 振动和转速三种机械量的测量方法及测量仪表 机械量测量仪表一般由传感器 测量电路 显示 或记录 器和电源组成 如图所示 机械量测量仪表框图 测量电路包括变换 放大等 把传感器的输出信号转换成电信号 显示单元以模拟形式 数字形式 或以图像形式给出被测量的数值 机械量测量仪表可按测量对象和测量原理分类 按测量对象可分为位移测量仪表 厚度测量仪表 转速测量仪表等 按测量原理位移测量仪表可分为电容式 电感式 光电式 超声波式 射线式等 各种机械量检测参数可采用的测量原理 线位移 角位移位移传感器 位移量的变化 电信号接触式 非接触式电感 变压器 电涡流 电容 电位器 7 1位移的测量 7 1 1概述 这里讨论的是过程控制中大型转动设备 如汽轮机 压缩机等 轴的位移 汽轮机在启停和运行中 如果转子轴推力轴瓦已烧坏 则转子就要发生前后窜动 因而引起转子轴的轴向位移增大 使汽轮机内部动 静部件间发生摩擦和碰撞 导致大批叶片折断 隔板和叶轮碎裂 造成严重事故 因此 一般汽轮机都设置了轴向位移的监测和保护装置 电涡流传感器的检测探头与转子轴端面保持一定的初始距离 当汽轮机转子轴产生轴向位移时 传感器的输出电压与轴向位移成比例 当位移值超过规定的允许值时 传感器的输出电压可控制报警电路发出报警信号 7 1 2电涡流式传感器 电涡流式传感器属于电感式传感器的一种 是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化 从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的 一 工作原理 一个扁平线圈置于金属导体附近 当线圈中通有交变电流I1时 线圈周围就产生一个交变磁场H1 置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2 电涡流也将产生一个新磁场H2 H2与H1方向相反 抵消部分原磁场 使通电线圈的有效阻抗发生变化 一般讲 线圈的阻抗变化与导体的电导率 磁导率 几何形状 线圈的几何参数 激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关 如果控制上述参数中的一个参数改变 而其余参恒定不变 则阻抗就成为这个变化参数的单值函数 如其他参数不变 阻抗的变化就可以反映线圈到被测金属导体间的距离大小变化 1 高频反射式 这种传感器的结构很简单 主要由一个固定在框架上的扁平线圈组成 线圈可以粘贴在框架的端部 也可以绕在框架端部的槽内 图为某种型号的高频反射式电涡流传感器 高频反射式电涡流传感器 二 结构及特性 探头端部装有高度密封的 发射高频信号的线圈 由于被测物体的端部 一般为转动机器的轴 距离线圈很近 仅有几mm 线圈通电后产生一个高频磁场 轴的表面在磁场的作用下产生涡流电流 同样 涡流电流也会产生磁场 其场强大小与距离有关 该场强抵消由线圈产生的磁场强度 影响检测线圈的等效阻抗 而等效阻抗与线圈电感量有关 因此就测得位移量 涡流检测探头 高频反射式测量位移原理 涡流的大小与金属板的电阻率 磁导率 厚度h 金属板与线圈的距离 激励电流角频率 等参数有关 若改变其中某二参数 而固定其他参数不变 就可根据涡流的变化测量该参数 注意 被测物体的物理性质 尺寸都与总的测量装置特性有关 一般来说 被测物的电导率越高 传感器的灵敏度也越高 被测导体直径必须为线圈直径的3 5倍以上 否则灵敏度要降低 由于低频磁场集肤效应小 渗透深 当低频 音频范围 电压e1加到线圈 1的两端后 所产生磁力线的一部分透过金属板材料G 使线圈 2产生感应电动势e2 但由于涡流消耗部分磁场能量 感应电动势e2减少 当金属板材料G越厚时 损耗的能量越大 输出电动势e2越小 因此 e2的大小与G的厚度及材料的性质有关 试验表明 e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少 因此 若金属板材料的性质一定 则利用e2的变化即可测量其厚度 2 低频透射式 1电桥电路 电桥法测量电路原理图 三 测量电路 根据传感器线圈与被测导体间的距离x的变化可以转换为品质因数Q 阻抗Z 线圈电感L三个参数的变化 电桥法是将传感器线圈的阻抗变化转化为电压或电流的变化 图中线圈A和B为传感器线圈 传感器线圈的阻抗作为电桥的桥臂 起始状态 使电桥平衡 在进行测量时 由于传感器线圈的阻抗发生变化 使电桥失去平衡 将电桥不平衡造成的输出信号进行放大并检波 就可得到与被测量成正比的输出 电桥法主要用于两个电涡流线圈组成的差动式传感器 2 谐振调幅法 将传感器线圈的等效电感变化转换为电压或电流的变化 传感线圈与电容并联组成LC并联谐振回路 并联谐振回路的谐振频率为 振荡器向传感器线圈L和C组成的并联谐振回路提供一个频率及振幅稳定的高频激励信号 它相当于一个恒流源 当被测导体距传感器线圈相当远时 传感器谐振回路的谐振频率为回路的固有频率 这时谐振回路的品质因数Q值最高 阻抗最大 回路输出电压最大 当被测导体与传感器线圈距离在传感器测试范围内变化时 由于涡流效应使传感器的品质因数Q值下降 传感器线圈的电感也随之发生变化 从而使谐振回路工作在失谐状态 这种失谐状态随被测导体与传感器线圈距离越来越近而变得越来越大 回路输出的电压也越来越小 谐振回路输出的信号经检波 滤波放大后送给后续电路 可直接显示出被测物体的位移量 工作原理 3 谐振调频法 将LC谐振回路和放大器结合构成LC振荡器 故频率始终为谐振频率 幅值始终为谐振曲线峰值 即 可见 在涡流增大时 L1减小 R1增大和谐振频率变高 而输出幅值变小 利用频率与幅值同时变化的特点 测出图中峰值 利用峰值检波器 直接输出频率 优点 电路简单 线性范围宽 调频式测量电路的原理是被测量变化引起传感器线圈电感的变化 而电感的变化导致振荡频率发生变化 频率变化间接反映了被测量的变化 见下图电涡流式传感器外形图 ST 1电涡流式传感器外形图 三 电涡流式传感器当导体置于交变磁场或在磁场中运动时 导体上引起感生电流ie 此电流在导体内闭合 称为涡流 涡流大小与导体电阻率 磁导率 以及产生交变磁场的线圈与被测体之间距离x 线圈激励电流的频率f有关 显然磁场变化频率愈高 涡流的集肤效应愈显著 即涡流穿透深度愈小 其穿透深度h可表示 导体电阻率 cm r 导体相对磁导率 f 交变磁场频率 Hz 可见 涡流穿透深度h和激励电流频率f有关 所以涡流传感器根据激励频率 高频反射式或低频透射式两类 目前高频反射式电涡流传感器应用广泛 补充 电涡流式传感器使用注意事项 被测物体的表面要光滑 平坦 非钢材被测体和小于三倍传感器直径的被测表面影响传感器输出特性 传感器出厂时使用45 钢标定 被测对象不符合规定时应重新标定 型号不同的钢材灵敏度误差小于10 应当保持传感器探头周围有足够的空间 在3倍探头直径范围内 不应由金属体 传感器安装应远离转动体台阶面 这样可避免周围金属结构的干扰 准确测量振动值 传感器可在有酸碱腐蚀的环境中使用 见图7 8安装两个邻近传感器时应保证传感头之间有足够的距离以防止交叉失真 如图a 一般应保留40mm的间隙 在径向轴承附近安装传感器时 如图b 传感器中心线与轴承座表面的距离应大于三倍传感头直径 同时避免把传感器安装在不显示任何振动的结点上 如图c a b c 电涡流式传感器安装图 在安装传感器之前 保证螺纹孔中不能有异物 且螺纹良好 当把传感头拧入机架固定时 传感器引线应随传感头自由旋转 不应有扭力 传感器的托架应选择钢材等坚固件 且其共振频率应大于10倍的被测体转速 安装中的接地问题 如下图所示 电涡流式传感器接地安装图 返回 应用1 连续油管的椭圆度测量 电涡流传感器的应用 应用2 无损探伤 原理裂纹检测 缺陷造成涡流变化 火车轮检测 油管检测 应用3 测厚 应用4 零件计数 7 1 3光栅传感器 一 光栅的结构及工作原理 1 光栅结构在镀膜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 这就是光栅 图中a为栅线的宽度 不透光 b为栅线间宽 透光 a b W称为光栅的栅距 也称光栅常数 通常a b W 2 也可刻成a b 1 1 0 9 目前常用的光栅每毫米刻成10 25 50 100 250条线条 2 光栅测量原理把两块栅距相等的光栅 光栅1 光栅2 面向对叠合在一起 中间留有很小的间隙 并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角 这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹 这些条纹叫莫尔条纹 在d d线上 两块光栅的栅线重合 透光面积最大 形成条纹的亮带 它是由一系列四棱形图案构成的 在f f线上 两块光栅的栅线错开 形成条纹的暗带 它是由一些黑色叉线图案组成的 因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的 莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点 1 位移的放大作用当光栅每移动一个光栅栅距W时 莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH 如果光栅作反向移动 条纹移动方向也相反 莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角 之间的关系为 越小 BH越大 这相当于把栅距W放大了1 倍 例如 0 1 则1 573 即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍 这相当于把栅距放大了573倍 说明光栅具有位移放大作用 从而提高了测量的灵敏度 2 莫尔条纹移动方向如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时 莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动 反之 当光栅1向左移动时 莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下移动 因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向 3 误差的平均效应莫尔条纹由光栅的大量刻线形成 对线纹的刻划误差有平均抵消作用 能在很大程度上消除短周期误差的影响 3 光栅传感器的组成 光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅光路系统 光栅数显表两大部分 光路系统利用光栅原理把输入量 位移量 转换成响应的电信号 光栅数显表是实现细分 辨向和显示功能的电子系统 主光栅的有效长度即为测量范围 指示光栅比主光栅短得多 但两者一般刻有同样的栅距 使用时两光栅互相重叠 两者之间有微小的空隙 标尺光栅一般固定在被测物体上 且随被测物体一起移动 其长度取决于测量范围 指示光栅相对于光电元件固定 前面分析的莫尔条纹是一个明暗相间的带 从图看出 两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗 到渐亮 一直到最亮 又从最亮经渐亮到渐暗 再到最暗的渐变过程 主光栅移动一个栅距W 光强变化一个周期 若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化 则将光信号转换为电信号 接近于正弦周期函数 如以电压输出 即 式中 uo 光电元件输出的电压信号 Uo 输出信号中的平均直流分量 Um 输出信号中正弦交流分量的幅值 光栅位移与光强 输出电压的关系 2 光栅数显表光栅读数头实现了位移量由非电量转换为电量 位移是向量 因而对位移量的测量除了确定大小之外 还应确定其方向 为了辨别位移的方向 进一步提高测量的精度 以及实现数字显示的目的 必须把光栅读数头的输出信号送入数显表作进一步的处理 光栅数显表由整形放大电路 细分电路 辨向电路及数字显示电路等组成 1 辨向原理采用图中一个光电元件的光栅读数头 无论主光栅作正向还是反向移动 莫尔条纹都作明暗交替变化 光电元件总是输出同一规律变化的电信号 此信号不能辨别运动方向 为了能够辨向 需要有相位差为 2的两个电信号 下图为辨向的工作原理和它的逻辑电路 在相隔BH 4间距的位置上 放置两个光电元件1和2 得到两个相位差 2的电信号u1和u2 图中波形是消除直流分量后的交流分量 经过整形后得两个方波信号u1 和u2 辨向逻辑工作原理 从图中波形的对应关系可看出 当光栅沿A方向移动时 u1 经微分电路后产生的脉冲 正好发生在u2 的 1 电平时 从而经Y1输出一个计数脉冲 而u1 经反相并微分后产生的脉冲 则与u2 的 0 电平相遇 与门Y2被阻塞 无脉冲输出 在光栅沿A方向移动时 u1 的微分脉冲发生在u2 为 0 电平时 与门Y1无脉冲输出 而u1 的反相微分脉冲则发生在u2 的 1 电平时 与门Y2输出一个计数脉冲 则说明u2 的电平状态作为与门的控制信号 来控制在不同的移动方向时 u1 所产生的脉冲输出 这样就可以根据运动方向正确地给出加计数脉冲或减计数脉冲 再将其输入可逆计数器 实时显示出相对于某个参考点的位移量 2 细分技术在前面讨论的光栅测量原理中可知 以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量 其分辨率为光栅栅距 为了提高分辨率和测量比栅距更小的位移量 可采用细分技术 所谓细分 就是在莫尔条纹信号变化一个周期内 发出若干个脉冲 以减小脉冲当量 如一个周期内发出n个脉冲 即可使测量精度提高到n倍 而每个脉冲相当于原来栅距的1 n 由于细分后计数脉冲频率提高到了n倍 因此也称之为n倍频 细分方法有机械细分和电子细分两类 下面介绍电子细分法中常用的四倍频细分法 这种细分法也是许多其它细分法的基础 在上述辨向原理中可知 在相差BH 4位置上安装两个光电元件 得到两个相位相差 2的电信号 若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差 2的信号 从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲 实现四倍频细分 也可以在相差BH 4位置上安放四个光电元件来实现四倍频细分 这种方法不可能得到高的细分数 因为在一个莫尔条纹的间距内不可能安装更多的光电元件 它有一个优点 就是对莫尔条纹产生的信号波形没有严格要求 7 1 4电容式位移检测方法 平行极板电容器的电容为式中 C为电容量 为极板介质的介电常数 S为极板面积 d为极板J间距离 在介电常数 和S一定的情况下 极板距离与电容量成反比 因此可将一块极板固定 另一块极板与被测物体相连 那么被测物体的位移使得极板距离变化 从而使电容量变化 为了提高检测元件的灵敏度 常采用差动电容式位移检测结构 在两个固定极板之间设置可动极板 使固定极板对中间可动极板成对称结构 构成两个大小相同的电容 可动极板装在被测物体上 当被测物体位移x后 一个电容量增加 另一个电容量减小 将差动电容接入一个变压器电桥电路 所示 就可以得到与被测位移成比例的电压输出信号 7 2转速检测 在发动机 压缩机 透平机和泵等转动设备中 转速是表征设备运行好坏的重要变量 特别是转动设备的临界速度 它是系统的振动频率与转动设备固有频率发生共振的速度 检测转速的方法通常是将转速转换为位移 或者将转速转换为脉冲信号 7 2 1概述 7 2 1光电式转速传感器 光电式转速传感器工作在脉冲状态下 它将轴的转速变换成相应频率的脉冲 然后测出脉冲频率就测得转速 图所示的是一种直射式光电转速传感器的结构原理 一 光电效应及器件 用光照射某一物体 可以看作物体受到一连串具有能量 每个光子能量的大小等于普朗克常数h乘以光的频率 即E h 的光子的轰击 组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应 由于被光照射的物体材料不同 所产生的光电效应也不同 通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为 外光电效应光导效应光生伏特效应 1 外光电效应 外光电效应 在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应 基于外光电效应的光电元件有紫外光电管 光电倍增管 光敏管等 爱因斯坦光电效应方程 根据爱因斯坦假设 一个光子的能量只能给一个电子 要使电子逸出物体表面 需对其做功A 以克服物体对电子的约束 A称为逸出功 设电子质量为m 逸出物体表面时的速度为 则电子的动能为m 2 2 按照能量守恒与转换定律 E h m 2 2 A爱因斯坦光电效应方程 外光电元件 紫外管 当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时 电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面 形成电子发射 紫外管多用于紫外线测量 火焰监测等 紫外线 光敏管光电管的阴极受到从光窗透进的光照射后 向真空发射光电子 这些光电子向阳极作加速运动 形成空间电子流 光电流的数值取决于阴极的灵敏度与光强 停止光照 外电路将无电流输出 K为光电阴极 A为光电阳极 D1 D2 D3 等若干个光电倍增极 又称二次发射极 涂有光敏物质 光电倍增管光电倍增管的电流是逐级增加的 由于光电倍增管具有放大作用 因此适用做灵敏的弱光探测器 工作时 这些电极的电位是逐级增高的 当光线照射到光电阴极后 它产生的光电子受第一级倍增极D1正电位作用 加速并打在这个倍增极上 产生二次发射 由第一倍增极D1产生的二次发射电子 在更高电位的D2极作用下 又将加速入射到电极D2上 在D2极上又将产生二次发射 这样逐级前进 一直到达阳极A为止 2 内电导效应及器件 半导体材料受到光照时 使其导电性能增强 光线愈强 阻值愈低 这种光照后电阻率发生变化的现象 称为光 电 导效应 基于这种效应的光电器件有光敏电阻 光电导型 和反向工作的光敏二极管 光敏三极管 光电导结型 暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻 此时流过的电流称为暗电流 亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻 此时流过的电流称为亮电流 1 光敏电阻 它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质 半导体的两端装有金属电极 金属电极与引出线端相连接 光敏电阻就通过引出线端接入电路 光敏电阻的主要参数及特点 几乎都是用半导体材料制成的光电器件 没有极性 纯粹是一个电阻器件 使用时既可加直流电压 也可以加交流电压 无光照时 光敏电阻值 暗电阻 很大 电路中电流 暗电流 很小 当光敏电阻受到光照时 阻值减小 光电流亮电流与暗电流之差称为光电流 一般希望暗电阻越大越好 亮电阻越小越好 此时光敏电阻的灵敏度高 实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级 亮电阻在几千欧以下 2 光敏二极管 利用光子引起的电子跃迁将光信号转变成电信号 光生电流与光强成正比 光敏二极管的结构与一般二极管相似 它装在透明玻璃外壳中 其PN结装在管的顶部 可以直接受到光照射 将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方 工作原理 光照射在PN结上 无光照时 反向电阻很大 反向电流很小 暗电流 光照射PN结时 光子打在PN结附近 使PN结附近产生光生电子和空穴对 它们在PN结处的内电场作用下作定向运动 形成光电流 光的照度越大 光电流越大 光敏二极管在不受光照射时 处于截止状态 受光照射时 处于导通状态 光 3 光电三极管 光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍 但相应速度较二极管差 工作原理 1 光电转换 2 电流放大 工作原理 光敏晶体管与一般晶体管很相似 具有两个PN结 只是它的基区一边做得很大 以扩大光的照射面积 当光照射在集电结上时 就会在结附近产生电子 空穴对 从而形成光电流 相当于三极管的基极电流 由于基极电流的增加 因此集电极电流是光生电流的 倍 所以光敏晶体管有放大作用 光敏三极管有两个PN结 与普通三极管相似 有电流增益 灵敏度比光敏二极管高 多数光敏三极管的基极没有引出线 只有正负 c e 两个引脚 所以其外型与光敏二极管相似 从外观上很难区别 4 光敏晶闸管 导通后 即使光照消失 光敏晶闸管仍维持导通 光敏晶闸管的特点 导通电流比光敏三极管大得多 工作电压有的可达数百伏 因此输出功率大 可用于工业自动检测控制 光敏面 5 光电耦合器件 光电耦合器件是由发光元件 如发光二极管 和光电接收元件合并使用 以光作为媒介传递信号的光电器件 光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管 光电接收元件有光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管或光可控硅等 根据其结构和用途不同 又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关 三 光生伏特效应及器件 在光线作用下 能使物体产生一定方向的电动势的现象 光生伏特型光电器件是自发电式的 属有源器件 器件 以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件 硒和硅是光电池常用的材料 也可以使用锗 光电池 光电开关 从原理上讲 光电开关及光电耦合器没有太大的差别 都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成 只是光电耦合器是整体结构 其检测距离只有几毫米至几十毫米 而光电开关的检测距离可达几米至几十米 遮断型光电开关反射型光电开关 信号检测方法 b 反射型光电开关 反射型光电开关分为两种情况 反射镜反射型及被测物漫反射型 简称散射型 反射镜反射型光电开关采用较为方便的单侧安装方式 但需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果 反射镜通常使用三角棱镜 它对安装角度的变化不太敏感 有的还采用偏光镜 它能将光源发出的光转变成偏振光 波动方向严格一致的光 反射回去 提高抗干扰能力 定区域反射式光电开关原理 定区域式光电开关有一个非常确定的检测区域 不经过该区域的被测物体不会引起光电开关产生开关信号 检测距离 检测距离 反射镜反射型光电开关工作原理 反射镜反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体 与反射镜相对安装配合使用 反射镜使用偏光三角棱镜 能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去 光接收器表面覆盖一层偏光透镜 只能接受反射镜反射回来的偏振光 反射板 反射镜 被测物体 偏振光 发射光 被测物漫反射型光电开关原理 漫反射光线 反射光线 被检测物体 光发射器和光接受器 发射光线 漫反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体 当被测物体经过该光电开关时 发射器发出的光线经被测物体表面反射由接受器接受 于是产生开关信号 额定距离 反射式烟雾报警器 在没有烟雾时 由于红外对管相互垂直 烟雾室内又涂有黑色吸光材料 所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏三极管 当烟雾进入烟雾室后 烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射 图中只画出几个微粒的反射示意 使部分红外光到达光敏三极管 有光电流输出 被测物体反射光通量的应用实例 1 光照特性 光电器件输入光量与输出光电流 光电压 之间的关系 二 光电器件的特性 光敏电阻的光照特性 不同类型光敏电阻光照特性不同 但光照特性曲线均呈非线性 因此它不宜作定量检测元件 这是光敏电阻的不足之处 一般在自动控制系统中用作光电开关 光敏三极管的光照特性 它们之间呈现了近似线性关系 当光照足够大 几klx 时 会出现饱和现象 从而使光敏三极管既可作线性转换元件 也可作开关元件 开路电压曲线 光生电动势与照度之间的特性曲线 当照度为2000lx时趋向饱和 短路电流曲线 光电流与照度之间的特性曲线 2 光谱特性 相对光谱灵敏度与入射光波长之间的关系 光敏电阻的光谱特性 硅的峰值波长为9000 锗的峰值波长为15000 由于锗管的暗电流比硅管大 因此锗管的性能较差 故在可见光或探测赤热状态物体时 一般选用硅管 但对红外线进行探测时 则采用锗管较合适 光敏三极管的光谱特性 光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长 当入射光的波长增加时 相对灵敏度要下降 因为光子能量太小 不足以激发电子空穴对 当入射光的波长缩短时 相对灵敏度也下降 这是由于光子在半导体表面附近就被吸收 并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结 因而使相对灵敏度下降 光电池的光谱特性决定于材料 从曲线可看出 硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度 峰值波长在540nm附近 适宜测可见光 硅光电池应用的范围400nm 1100nm 峰值波长在850nm附近 因此硅光电池可以在很宽的范围内应用 3 响应时间 频率特性 动态特性指标 光敏电阻的频率特性 当光敏电阻受到脉冲光照射时 光电流要经过一段时间才能达到稳定值 而在停止光照后 光电流也不立刻为零 这就是光敏电阻的时延特性 硫化铅的使用频率比硫化镉高得多 但多数光敏电阻的时延都比较大 所以 它不能用在要求快速响应的场合 光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响 减小负载电阻可以提高频率响应 一般来说 光敏三极管的频率响应比光敏二极管差 对于锗管 入射光的调制频率要求在5kHz以下 硅管的频率响应要比锗管好 光电池的频率特性 硅光电池具有较高的频率响应 如曲线2 而硒光电池则较差 如曲线1 4 温度特性温度变化对光电器件的灵敏度和光谱特性都有较大影响 高精度测量时有必要进行温度补偿 5 伏安特性一定光照下 光电器件所加端电压与光电流之间的关系 三 光电式传感器 模拟式光电传感器辐射式吸收式反射式遮光式开关式 脉冲式 光电传感器 直射式光电转速传感器的结构原理 从光源发出的光通过开孔盘和缝隙照射到光敏元件上 使光敏元件感光 开孔盘装在转动轴上随转轴一起转动 盘上有一定数量的小孔 当开孔盘转动一周 光敏元件感光的次数与盘的开孔数相等 因此产生相应数量的电脉冲信号 但是因受到开孔盘尺寸的限制 开孔数不能太大 所以对传感器的结构进行改进 如下图所示 指示盘与旋转盘具有相同间距的缝隙 当旋转盘转动时 转过一条缝隙 光线就产生一次明暗变化 使光敏元件感光一次 用这种结构可以大大增加转盘上的缝隙数 因此每转的脉冲数相应增加 将脉冲数通过测量电路处理 最终输出与转速对应的电信号 与离心式转速表相比 光电式转速传感器测量精度高 其输出信号可供计算机使用 返回 a 光电追踪电路 12V R4 R3 R6 R5 R2 R1 W BG1 BG2 图 a 为光电地构成的光电跟踪电路 用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件 当入射光通量相同时 执行机构按预定的方式工作或进行跟踪 当系统略有偏差时 电路输出差动信号带动执行机构进行纠正 以此达到跟踪的目的 补充 光电池在检测控制方面应用的几种基本电路 BG2 BG1 12V C J R1 R2 b 光电开关 图 b 所示电路为光电开关 多用于自动控制系统中 无光照时 系统处于某一工作状态 如通态或断态 当光电池受光照射时 产生较高的电动势 只要光强大于某一设定的阈值 系统就改变工作状态 达到开关目的 c 光电池触发电路 R1 R2 R3 R4 R5 R6 BG1 BG2 BG3 BG4 C1 C2 C3 12V W 图 c 为光电池触发电路 当光电池受光照射时 使单稳态或双稳态电路的状态翻转 改变其工作状态或触发器件 如可控硅 导通 12V 5G23 d 光电池放大电路 C3 12V W R1 R2 R3 R4 R5 C1 C2 1 8 7 6 5 4 3 2 图 d 为光电池放大电路 在测量溶液浓度 物体色度 纸张的灰度等场合 可用该电路作前置级 把微弱光电信号进行线性放大 然后带动指示机构或二次仪表进行读数或记录 在实际应用中 主要利用光电池的光照特性 光谱特性 频率特性和温度特性等 通过基本电路与其它电子线路的组合可实现或自动控制的目的 220V C1 路灯 CJD 10 8V 200 F 200 F C2 C3 100 F R1 R3 R5 R7 R4 R6 R7 R2 J 470k 200k 10k 4 3k BG1 280k 25k 57k 10k 路灯自动控制器 BG2 BG3 BG4 2CR 7 2 3霍尔式转速传感器 一 霍尔效应 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器 1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应 但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用 随着半导体技术的发展 开始用半导体材料制成霍尔元件 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展 霍尔传感器广泛用于电磁测量 压力 加速度 振动等方面的测量 霍尔元件是一种四端元件 定向运动的电子除受到洛仑兹力外 还受到霍尔电场的作用 当fl fE时 达到平衡 此时 霍尔系数 材料确定后为常数 灵敏度系数 对于导体 霍尔系数一般较小 故霍耳元件一般用半导体制作 且愈小 薄 灵敏度愈高 霍尔元件基本结构 由霍尔片 引线和壳体组成 如图所示 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片 引出四个引线 1 1 两根引线加激励电压或电流 称为激励电极 2 2 引线为霍尔输出引线 称为霍尔电极 霍尔元件壳体由非导磁金属 陶瓷或环氧树脂封装而成 在电路中霍尔元件可用两种符号表示 二 元件结构及测量电路 基本测量电路 RW调节控制电流的大小 RL为负载电阻 可以是放大器的内阻或指示器内阻 霍尔效应建立的时间极短 10 12 10 14S I即可以是直流 也可以是交流 若被测物理量是I B或者IB乘积的函数 通过测量霍尔电势UH就可知道被测量的大小 三 元件特性及其补偿 1 UH I特性 分析 UH I特性曲线是线性的 kI kH成正比 kI 1 d kI大的元件 d小 不能通过较大电流 UH I不一定高 2 UH B特性 当控制电流恒定时 霍尔元件的输出随B增加并不完全是线性关系 B 0 5T时 UH B才呈较好线性 其中Hz 4型元件线性度高 当磁场为交变 电流是直流时 由于交变磁场在导体内产生涡流而输出附加霍尔电势 因此霍尔元件只能在几千Hz频率的交变磁场内工作 2 性能补偿 1 温度补偿 霍尔元件是采用半导体材料制成的 因此它们的许多参数都具有较大的温度系数 当温度变化时 霍尔元件的载流子浓度 迁移率 电阻率及霍尔系数都将发生变化 从而使霍尔元件产生温度误差 1 采用恒温措施 2 UH KHIB 采用恒流源供电 可以使霍尔电势稳定 减小由于输入电阻R随温度t变化而引起的激励电流I变化所带来的影响 3 热敏电阻补偿 霍尔元件一般具有正温度系数 即输出随温度升高而下降 若能使控制电流随温度升高而上升 输入回路串热敏电阻 当温度上升时其阻值下降 使控制电流上升 输出回路补偿负载上得到的霍尔电势随温度上升而下降被热敏电阻阻值减小所补偿 在使用时 热敏电阻或电阻丝最好和霍尔元件封在一起或靠近 使它们温度变化一致 2 不等位电势补偿 当霍尔元件B 0 I 0 UH U0 0 这时测得的空载霍尔电势称不等位电势 产生这一现象的原因有 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀 两电极电不在同一等电位面上 等电位面歪斜 不等位电势补偿的方法理想情况下 R1 R2 R3 R4 U0 0由于不等位电阻的存在 说明此四个电阻值不相等 则电桥不平衡 为使其达到平衡 可在阻值较大的桥臂上并联电阻 或在两个桥臂上同时并联电阻 四 霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于I B 三个变量的函数 即EH KHIBcos 利用这个关系可以使其中两个量不变 将第三个量作为变量 或者固定其中一个量 其余两个量都作为变量 这使得霍尔传感器有许多用途 1 霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘 也可选取机械系统中的一个齿轮 将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘 齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化 霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直 放大 整形后可以确定被测物的转速 霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时 磁力线集中穿过霍尔元件 可产生较大的霍尔电动势 放大 整形后输出高电平 反之 当齿轮的空挡对准霍尔元件时 输出为低电平 霍尔转速传感器在汽车防抱死装置 ABS 中的应用 若汽车在刹车时车轮被抱死 将产生危险 用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小 带有微型磁铁的霍尔传感器 钢质 霍尔 另一种转速测量安装方法 磁性转盘的输入轴与被测转轴相连 当被测转轴转动时 磁性转盘随之转动 固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲 检测出单位时间的脉冲数 便可知被测转速 磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率 5 霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷 而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置 其输出信号经放大 整形后触发电子线路 从而控制电枢电流的换向 维持电动机的正常运转 由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题 所以它在录像机 CD唱机 光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用 普通直流电动机使用的电刷和换向器 无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车 可充电电池组 无刷电动机 无刷直流电动机的外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料 三个霍尔位置传感器产生六个状态编码信号 控制逆变桥各功率管通断 使三相内定子线圈与外转子之间产生连续转矩 具有效率高 无火花 可靠性强等特点 光驱用的无刷电动机内部结构 7 3加速度的测量 电感式 电容式 压电式 谐振式 光纤式 力平衡式 7 3 1概述 定义 是一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置 感测量 位移 振动 压力 应变 流量 比重等 种类 根据转换原理 分自感式和互感式两种 根据结构型式 分气隙型 面积型和螺管型 优点 结构简单 可靠 测量力小衔铁为0 5 200 10 5N时 磁吸力为 1 10 10 5N 分辨力高机械位移 0 1 m 甚至更小 角位移 0 1角秒 输出信号强 电压灵敏度可达数百mV mm 重复性好 线性度优良在几十 m到数百mm的位移范围内 输出特性的线性度较好 且比较稳定 不足 存在交流零位信号 不宜于高频动态测量 7 3 2电感式加速度传感器 1 2 3 a 气隙式 b 变截面式 1 工作原理与输出特性 衔铁移动 改变 磁阻变化 电感值变化 l1 铁芯磁路总长 l2 衔铁的磁路长 S 气隙磁通截面积 S1 铁芯横截面积 S2 衔铁横截面积 1 铁芯磁导率 2 衔铁磁导率 0 真空磁导率 0 4 10 7H m l 空气隙总长 一 自感式传感器 可见 自感L是气隙截面积和长度的函数 即L f S l 如果S保持不变 则L为l 的单值函数 构成变隙式自感传感器 若保持l 不变 使S随位移变化 则构成变截面式自感传感器 其特性曲线如图 2 特性分析主要特性 灵敏度和线性度 当铁芯和衔铁采用同一种导磁材料 且截面相同时 因为气隙l 一般较小 故可认为气隙磁通截面与铁芯截面相等 设磁路总长为l 则 K 0N2S 一般 r 1 所以 当气隙减少 l 时 自感的相对变化 同理 当总气隙长度增加 l 时 自感减小为 L2 即 若忽略高次项 则自感变化灵敏度为 线性度 当气隙l 发生变化时 自感的变化与气隙变化均呈非线性关系 其非线性程度随气隙相对变化 l l 的增大而增加 气隙减少 l 所引起的自感变化 L1与气隙增加同样 l 所引起的自感变化 L2并不相等 即 L1 L2 其差值随 l l 的增加而增大 差动变气隙式自感传感器结构由两个电气参数和磁路完全相同的线圈组成 当衔铁3移动时 一个线圈的自感增加 另一个线圈的自感减少 形成差动形式 如将这两个差动线圈 E USC 1 3 4 2 R R l l 2 l l 2 分别接入测量电桥邻臂 则当磁路总气隙改变 l 时 自感相对变化为 差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍 差动式自感传感器非线性失真小 如当 l l 10 时 略去l l r 单线圈 10 而差动式的 1 75 50 25 0 50 75 100 L mH l mm 100 25 LD 4 3 2 1 1 2 3 4 l l 对差动气隙式传感器其 l l 与l l r 的变化受到灵敏度和非线性失真相互矛盾的制约 因此只能适当选取 一般差动变隙式自感传感器 l l 0 1 0 2时 可使传感器非线性误差在3 左右 其工作行程很小 若取l 2mm 则行程为 0 2 0 5 mm 较大行程的位移测量 常利用螺管式自感传感器 1线圈 自感特性 2线圈 自感特性 3线圈 与 差动自感特性 4特性曲线 差动式自感传感器的输出特性 3 测量电路 1 交流电桥交流电桥是自感传感器的主要测量电路 为了提高灵敏度 改善线性度 自感线圈一般接成差动形式 如图 Z1 Z2为工作臂 即线圈阻抗 R1 R2为电桥的平衡臂 电桥平衡条件 设Z1 Z2 Z RS j L R1 R2 RRS1 RS2 RS L1 L2 LE为桥路电源 ZL是负载阻抗 工作时 Z1 Z Z和Z2 Z Z ZL R1 R2 Z2 Z1 L1 L2 RS1 RS2 交流电桥原理图 USC E 其输出电压幅值 当ZL 时 输出阻抗 为自感线圈的品质因数 桥路输出电压Usc包含与电源E同相和正交两个分量 在实际测量中 只希望有同相分量 如能使或Q值比较大 均能达到此目的 但在实际工作时 RS RS一般很小 所以要求线圈有高的品质因数 当Q值很高时 Usc 当Q值很低时 自感线圈的电感远小于电阻 电感线圈相当于纯电阻 Z Rs 交流电桥即为电阻电桥 例如 应变测量仪就是如此 此时输出电压Usc 该电桥结构简单 其电阻R1 R2可用两个电阻和一个电位器组成 调零方便 Z1 Z2 USC E 2 E 2 E 变压器电桥原理图 I 2 变压器电桥平衡臂为变压器的两个副边 当负载阻抗为无穷大时 流入工作臂的电流为 初始Z1 Z2 Z RS j L 故平衡时 USC 0 双臂工作时 设Z1 Z Z Z2 Z Z 相当于差动式自感传感器的衔铁向一侧移动 则 同理反方向移动时 可见 衔铁向不同方向移动时 产生的输出电压Usc大小相等 方向相反 即相位互差180 可反映衔铁移动的方向 但是 为了判别交流信号的相位 需接入专门的相敏检波电路 优点 这种电桥与电阻平衡电桥相比 元件少 输出阻抗小 桥路开路时电路呈线性 缺点 变压器副边不接地 易引起来自原边的静电感应电压 使高增益放大器不能工作 变压器电桥的输出电压幅值 输出阻抗为 略去变压器副边的阻杭 它远小于电感的阻抗 二 差动变压器1结构原理与等效电路目前多采用螺管型差动变压器 其基本元件有衔铁 初级线圈 次级线圈和线圈框架等 初级线圈作为差动变压器激励用 相当于变压器的原边 而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成 相当于变压器的副边 螺管形差动变压器根据初 次级排列不同有二节式 三节式 四节式和五节式等形式 3 2 1 2 1 2 1 1 2 a b c d 1 2 1 1 2 差动变压器线圈各种排列形式1初级线圈 2次级线圈 3衔铁 3 三节式的零点电位较小 二节式比三节式灵敏度高 线性范围大 四节式和五节式改善了传感器线性度 在理想情况下 忽略线圈寄生电容及衔铁损耗 差动变压器的等效电路如图 初级线圈的复数电流值为 e2 R21 R22 e21 e22 e1 R1 M1 M2 L21 L22 L1 e1初级线圈激励电压L1 R1初级线圈电感和电阻M1 M1分别为初级与次级线圈1 2间的互感L21 L22两个次级线圈的电感R21 R22两个次级线圈的电阻 I1 激励电压的角频率 e1 激励电压的复数值 由于Il的存在 在次级线圈中产生磁通 Rm1及Rm2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻 N1为初级线圈匝数 N2为次级线圈匝数 因此空载输出电压 在次级线圈中感应出电压e21和e22 其值分别为 其幅数 输出阻抗 或 副 0 e2 e2 e21 e22 x 副 原线圈 差动变压器输出电势e2与衔铁位移x的关系 其中x表示衔铁偏离中心位置的距离 二 误差因素分析 1 激励电压幅值与频率的影响激励电源电压幅值的波动 会使线圈激励磁场的磁通发生变化 直接影响输出电势 而频率的波动 只要适当地选择频率 其影响不大 2 温度变化的影响周围环境温度的变化 引起线圈及导磁体磁导率的变化 从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移 当线圈品质因数较低时 影响更为严重 因此 采用恒流源激励比恒压源激励有利 适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响 3 零点残余电压当差动变压器的衔铁处于中间位置时 理想条件下其输出电压为零 但实际上 当使用桥式电路时 在零点仍有一个微小的电压值 从零点几mV到数十mV 存在 称为零点残余电压 如图是扩大了的零点残余电压的输出特性 零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区 零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和 影响电路正常工作等 0 e2 x x e20 1基波正交分量2基波同相分量3二次谐波4三次谐波5电磁干扰 图中e1为差动变压器初级的激励电压 e20包含基波同相成分 基波正交成分 二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等 零点残余电压产生原因 基波分量 由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致 因此它的等效电路参数 互感M 自感L及损耗电阻R 不可能相同 从而使两个次级绕组的感应电势数值不等 又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀 线圈匝间电容的存在等因素 使激励电流与所产生的磁通相位不同 高次谐波 高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起 由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响 使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦 主要是三次谐波 磁通 从而在次级绕组感应出非正弦电势 另外 激励电流波形失真 因其内含高次谐波分量 这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分 消除零点残余电压方法 1 从设计和工艺上保证结构对称性为保证线圈和磁路的对称性 首先 要求提高加工精度 线圈选配成对 采用磁路可调节结构 其次 应选高磁导率 低矫顽力 低剩磁感应的导磁材料 并应经过热处理 消除残余应力 以提高磁性能的均匀性和稳定性 由高次谐波产生的因素可知 磁路工作点应选在磁化曲线的线性段 2 选用合适的测量线路 采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向 而且把衔铁在中间位置时 因高次谐波引起的零点残余电压消除掉 如图 采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2 从而消除了零点残余电压 3 采用补偿线路 由于两个次级线圈感应电压相位不同 并联电容可改变其一的相位 也可将电容C改为电阻 如图 a 由于R的分流作用将使流入传感器线圈的电流发生变化 从而改变磁化曲线的工作点 减小高次谐波所产生的残余电压 图 b 中串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量 调相位式残余电压补偿电路 并联电位器W用于电气调零 改变两次级线圈输出电压的相位 如图所示 电容C 0 02 F 可防止调整电位器时使零点移动 e1 e2 C R1 R2 W 电位器调零点残余电压补偿电路 R或L补偿电路 e1 e2 L0 W e1 e2 R0 W a b 接入R0 几百k 或补偿线圈L0 几百匝 绕在差动变压器的初级线圈上以减小负载电压 避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残余电压 电路如图 差动变压器的输出电压为交流 它与衔铁位移成正比 用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小 不能反映移动的方向 因此常采用差动整流电路和相敏检波电路进行测量 1 差动整流电路根据半导体二级管单向导通原理进行解调的 如传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性 在f点为 e点为 则