车辆试验与测量技术：第十一讲 位移与转速的测量

1、位移与转速的测量,同济大学汽车实验室,位移测量,同济大学汽车实验室,同济大学汽车实验室,位移测量,在汽车的参数测量中经常会有悬架弹簧压缩量、各种压力下的轮胎静力半径、车身的测绘、侧偏量、制动踏板位移、大梁刚度、路面不平度、方向盘转角、轮胎转角、油门踏板位移。 这类问题均归结为位移测量问题，不仅要测静位移，而且要进行动位移的测量。 位移的分类 线位移/角位移 大位移/小位移 例：车身刚度、大梁刚度、路面不平度、悬架刚度等。 例：方向盘转角、制动踏板位移、车身侧倾角、车身俯仰角、转向角、车轮转角。,同济大学汽车实验室,位移测量,常用的测量方法： 用电阻变化量R反映位移S，电阻式传感器； 用电感变化

2、量L反映位移S，电感式传感器； 用电容变化量C反映位移S，电容式传感器； 用感应电势e反映位移S，变压器式、互感式（感应式）传感器； 用同位素辐射反映位移S，同位素传感器。,同济大学汽车实验室,电阻式位移计,电位计(器)式位移计 结构组成：电阻膜片或者绕线电阻加上一电刷组成直线式电位器或圆弧式电位器。,同济大学汽车实验室,电阻式位移计,工作原理 输出特性方程 从上图中可以得到 输出电阻： 输出电压： s() R u（机电）,缺图p96,同济大学汽车实验室,电阻式位移计,灵敏度 电阻灵敏度 电压灵敏度 注意：不论从输出特性方程和电压、电阻灵敏度可以看出是线性传感器。但是在上面的讨论都是在理想条件

3、下，即输出为开路不考虑负载影响，如接上负载就会有负载的影响，其实际输出如下所述。,同济大学汽车实验室,电阻式位移计,上面的讨论都是在理想条件下，即输出为开路不考虑负载影响，如接上负载，其实际输出如下所述。 电位器的实际输出： 分子分母同除RRL,令,不接负载时,线性,同济大学汽车实验室,电阻式位移计,上式表明，接上负载RL后，输出变为复杂的非线性函数（不接负载时），势必带来有负载效应带来的误差。 误差：未接负载时 u=u0 x； 接上负载时 上式中 u为带负载时的输出值（示值）。 u为不带负载时的输出值（真值）。,同济大学汽车实验室,电阻式位移计,按2画出误差曲线如图 结论： 尽可能的提高RL

4、，使m0，20， 若要将2控制在1%2%以内，RL=(1020)R,同济大学汽车实验室,电阻式位移计,电位器的非线性补偿 反函数补偿法 使(x)与f(s)互为反函数，用此来进行非线性补偿。 串联补偿电阻 原始电位器仍按线性绕制，在输出端再加上可变电阻Rs,若该Rs按一定的要求制作，恰好补偿非线性。,s,x=f(s),u=(x),u,x,同济大学汽车实验室,电阻式位移计,同济大学汽车实验室,同济大学汽车实验室,电阻式位移计,工作原理： 根据戴维南定理（等效发电机定理）： 等效计算后可得：,同济大学汽车实验室,电阻式位移计,若选择适当的，使 常数，则 （线性） 例：,则,令,（当然可以取其它数）,

5、这样制成双电刷电位器，可以补偿非线性误差。,同济大学汽车实验室,电阻式位移计,推挽补偿法（实质是差动补偿法） 缺图jd-p88,同济大学汽车实验室,电阻式位移计,差动原理的说明：（输出是R2上的电流或电压） 流经负载R2的电流 当电刷在中间时 当电刷向上运动时 i1，i2，i0 当电刷向下运动时i1，i2，i0 这样工作满足差动原理。,同济大学汽车实验室,电阻式位移计,分析方法 利用戴维南等效电路处理 开路电压： 等效电阻：,同济大学汽车实验室,电阻式位移计,与单端工作相比较 分母上的x的一次项没有了， 非线性主要是由一次项。 而x的二次项 由此可看到非线性误差得到大大的改善。 同样也可以写出

6、的表达式作比较。,同济大学汽车实验室,电阻式位移计,测量电路 如能满足负载输入阻抗大于大于电位器输出阻抗时，即 R 时，RL=(1020)R 可不考虑负载影响直接接测量仪表进行测量，如电压表（选输入阻抗高电表）。 如负载不满足RLR时，可采用双电刷或差动形式进行补偿后接仪表进行测量。 测动态量时可直接接入记录仪器。,同济大学汽车实验室,电阻式位移计,电阻式位移计的特点： 结构简单，尺寸较小； 测量范围大； 输出信号大，一般不需要放大电路； 存在摩擦和磨损 存在摩擦：要求被测量（敏感元件）要有较大的输入量来推动电刷，否则会降低仪表和传感器的精度。 存在滑动和磨损：则电位器的可靠性和寿命受到影响。

7、 对于绕线式电位器来说，分辨力受到线径的影响，分辨力不易提高。因为存在阶梯输出特性； 动态响应受到电刷架等机械结构的影响。,同济大学汽车实验室,电阻式位移计,例：,电刷在电阻元件上滑动，是一匝一匝地进行的。当在1时有一个输出，这输出随电刷运动一直保持到和第2匝碰到时有一个电阻的突变，随之电压的突变。由23，由34都是这样，所以对绕线式电位器来说，其输出来看，是近似的线性，有阶梯特性，这里就影响了它的分辨力，分辨力提不高。,同济大学汽车实验室,电阻式位移计,同济大学汽车实验室,电阻式位移计,同济大学汽车实验室,电感式位移计,电感式位移计 在前面讨论的是通过电阻变化RS测位移,同样可以利用电感的变

8、化LS测位移，常称之为电感传感器。 电感传感器分两类：自感传感器和互感传感器。,同济大学汽车实验室,电感式位移计,自感位移计： 工作原理：,自感位移计由铁芯和活动衔铁组成，其结构见图。 工作时衔铁和铁芯之间有空气隙，并且由衔铁、铁芯、气隙构成封闭的磁路。 当衔铁移动时，磁路中气隙的磁阻发生变化，从而引起线圈电感的变化。 这电感变化与衔铁的位置相对应，从而用其进行位移地测量。,同济大学汽车实验室,电感式位移计,从物理知识中可知，电路里线圈中的电感可表达为 式中：L电感又称自感； N线圈匝数； 磁通。 与电路的欧姆定律电势等于电阻乘以电流一样，磁路也可以用磁路的欧姆定律，磁势=磁阻磁通，表达式为

9、其中磁势也可以用NI，即电流和线圈匝数的乘积表达。,同济大学汽车实验室,电感式位移计,因为磁阻Rm由许多因素组成，有空气隙磁阻，铁芯磁阻RF等 所以可表达为 又因为磁组与磁路长度l，导磁率，铁芯截面积A有关， 可表达为 把这些关系综合一下，代入中 ，可得到 这就是所讨论自感式传感器的工作基础。,同济大学汽车实验室,电感式位移计,自感传感器的特性方程： 从原理图中看出简单线圈的电感量 RF铁芯磁组空气隙磁阻 而铁芯磁阻由铁芯和衔铁两部分组成，,同济大学汽车实验室,电感式位移计,l1铁芯磁路平均长度（米）； 铁芯在磁感强度为B1下的导磁率； l2衔铁磁路平均长度（米）； 铁芯在磁感强度为B2下的导

10、磁率； A1铁芯截面积（米2）； A2衔铁截面积（米2）； l0气隙长度； A气隙截面积； 空气导磁率410-7(H/m)； 这样我们就可以将L表示成 因为电感传感器所用的导磁材料一般都工作在非饱和状态下，其导磁率远远大于空气隙的导磁率0（一般0几千倍到几万倍）。所以RF ，铁芯的磁阻远远小于气隙的磁阻，可忽略。,自感传感器的基本特性方程,同济大学汽车实验室,电感式位移计,自感式位移计： 具有可变衔铁面积的位移传感器。 工作原理：从特性方程中可以看到，改变衔铁的面积A，可使电感改变。 LA 这样如果衔铁水平位移S时，则位移S使得铁芯和衔铁间磁路的有效面积发生改变而引起电感发生变化。这样通过测电

11、感就可以获得位移S值，从而得到了由机械量到电量的转换。,同济大学汽车实验室,电感式位移计,输出特性： 初始 当AAA时 由此可看 LA 灵敏度 常数 特点：线性好；K为常数，灵敏度较高。,同济大学汽车实验室,电感式位移计,具有可变气隙的位移传感器 根据特性方程，可以得到 的变气隙式位移传感器。 原理： 当衔铁上下位移时，使得铁芯和衔铁间的气隙发生变化，而引起电感发生变化。 同理电感的变化反映了位移S进行机械量到电量的转换。 输出特性： 初始 当l0l0l0时,缺图p102下,同济大学汽车实验室,电感式位移计,若,则,同济大学汽车实验室,电感式位移计,特点：灵敏度高，测量范围小（因为很小），一般

12、测微仪都是用这种形式。 工作范围小，能满足近似条件（保证线性度），为了保证线性，（非线性误差小），只有牺牲灵敏度（工作范围），一般这种传感器的 非线性误差可用差动形式来补偿。,同济大学汽车实验室,电感式位移计,差动变气隙式位移计：,由两个非线性电器组成差动后，其非线性得到改善;且灵敏度提高1倍。,非线性误差,同济大学汽车实验室,电感式位移计,螺管式自感位移传感器（具有可变铁芯位移传感器） 工作原理 电感表达式： 空心线圈 当铁芯插入后，线圈中既有空气介质，又有铁磁介质，这样铁芯处于一般位置时，电感表达式为：,同济大学汽车实验室,电感式位移计,输出特性方程（观察当有位移S使铁芯有lc后L）,特征

13、方程,同济大学汽车实验室,电感式位移计,因为,是一个常数,所以,特点： K1，灵敏度低，尽可能，1，1； 测量范围大，（越长越接近无限长螺管，磁场越均匀）1mm600mm； 因为公式的近似性，输出仍有非线性，采用差动结构，精度可达0.5%。,同济大学汽车实验室,电感式位移计,差动结构：,同济大学汽车实验室,电感式位移计,自感式位移计的测量电路： 功用： 解决测得的能反映位移的L转换成可用于测量和放大的u,I或L1/L2转换成可用于测量和放大的u,I。 非差动的测量电路：最简单的测量电路如图。,传感器线圈与交流电流表串联，用频率和幅值一定的交流电作电源，当衔铁位移时，传感器的电压发生变化，引起电

14、流改变。从电流表指示的电流改变值，反映了位移地变化的大小。,同济大学汽车实验室,电感式位移计,说明了电流值的大小和衔铁的位移（气隙）有关。,注意：这个关系式是忽略了铁芯磁组RF和电感线圈的铜电阻Rc，即在 和 这两个条件下得到的。,同济大学汽车实验室,电感式位移计,但是，因为空气隙为零时 为零，这时 不成立了。 就不能忽略。但 有一定的值。所以有一定的起始电流。 因为空气隙很大时 已不成立，这时最大电流Imax趋向一稳定值 。,同济大学汽车实验室,位移测量,差动测量： 电桥结构: 转换原理： 当电压L1产生正增量后，L2引起，大小相同，符号相反。,同济大学汽车实验室,电感式位移计,同理，若位移

15、为 ，,或,可用三角函数表示,同济大学汽车实验室,电感式位移计,结论： 输出电压或电流是一个调幅波，所以和讨论交流电桥的调幅特性一样输出调幅波。 其幅值反映了位移量的大小。 相位反映了位移的正负。 普通的电压表只能测出大小（有效值，均方根值），所以如要正确地反映输出（大小、正负），必须采用相位检波和解调才能获得满意的输出。,同济大学汽车实验室,电感式位移计,同济大学汽车实验室,差动变压器式位移计,差动变压器式位移计 互感和互感电势：,互感的定义：有两线圈，当在一个线圈中通以电流I1时，产生磁通1，1通过第二个线圈时，形成磁回路。当I1变化时，1变化，并且在第二个线圈中激起感应电势e21的现象。

16、,同济大学汽车实验室,差动变压器式位移计,互感电势的定义：有互感现象产生的电势称为互感电势。 互感电势可用来表示。 互感系数M： 互感产生的磁通和产生磁通的电流的比值 同自感传感器一样，可以用互感M随位移的变化来反映被测位移。,同济大学汽车实验室,差动变压器式位移计,差动变压器式位移计输出特性方程： 结构,对比差动自感传感器 相同处：由铁芯、衔铁、线圈（螺管也是由圆筒、铁芯、线圈）组成。 不同处：上下都有一个初级线圈（又称激磁线圈，一次线圈）和上下都 有一个次级线圈（输出线圈、二次线圈）组成。 线圈的联接：上、下两只初级线圈串联后接交流激磁电压 上、下两只次级线圈反向串联后接输出,同济大学汽车

17、实验室,差动变压器式位移计,工作原理： 由于 的存在，在铁芯和线圈中产生磁通 ，这样在初级线圈N1和次级线圈N2之间的互感为 由于 的变化，引起 、 的变化，在N2中就会产生互感电势，用复数表示为,同济大学汽车实验室,差动变压器式位移计,在次级线圈的输出电压为 输出电压为 由上式差动变压器的输出特性方程可以看出： 当衔铁在中心位置时： 当衔铁向上运动时： 有一个与成比例的电压输出。,同济大学汽车实验室,差动变压器式位移计,说明：由上式 可看出的输出是调幅波，幅值反映位移的大小，相位反映位移的正负。调制频率就是激磁频率。 存在交流零点电压；由于存在几何尺寸，电气上线圈等不对称，使e21和e22之

18、间的相位差不是 ,这样就存在交流零点电压。,转速测量,同济大学汽车实验室,同济大学汽车实验室,转速测量,应用场合： 转速测量在机械和汽车的动力系统研究中经常出现 如：发动机转速、汽车传动轴转速、半轴转速、车轮转速、汽车行驶速度等。 基本测量方法： 数字式测速将转速直接转变成相应的脉冲数输出； 模拟式测速将转速变换成相应的模拟量输出（测速发电机）； 同步式测速利用人眼的暂留特性进行观察比较。,同济大学汽车实验室,转速测量,同济大学汽车实验室,转速测量,同济大学汽车实验室,转速测量,同济大学汽车实验室,转速测量,同济大学汽车实验室,光电式转速计,光电式转速计 光电效应与光电元件（注：光电元件是一种

19、应用很广的电工器件，不限于测速） 光电效应: 一些物质在光照作用下由特性发生变化的现象（本质原因是光能与电能的转换） 外光电效应（光电发射） 在光的作用下使电子从物体表面逸出的现象. 利用这效应制成的光电元件有光电管，光电倍增管。 内光电效应（光电导效应） 在光的作用下使物体电阻率发生变化的现象。 利用这效应制成的光电元件有光敏电阻，光导管。 光生赴特效应（阻挡层光电效应） 在光的作用下使物体产生一定方向的电动势的现象。 利用这效应制成的光电元件有光电池，光电晶体管。,同济大学汽车实验室,光电式转速计,常用光电元件（只介绍外特性） 真空光电管 阴极直接接在涂复的光电管的玻璃壳上，当照光线F透过

20、玻璃壳透明部分照到阴极K上的时候，阴极就会逸出电子，如果接通外界电源U，就会在回路中产生电流，电流可用灵敏的电流表读出。 光敏电阻 无光时：光敏电阻的阻值（暗电阻）很大，电路中电流小 有光时：在有一定波长范围的光照射时，它的阻值（亮点组）急剧减小。由此电路中电流迅速增加，由电流表壳量出。,同济大学汽车实验室,光电式转速计,光电池 如果用导线把P区端和N区端连接起来,导线中串联一只灵敏的电流表,当光照射时,电流表就有电流流过。 光敏晶体管 光敏晶体管（二极管，三极管）它们的工作情况和二极管（和稳压管一样在一定的光照下有一个反相击穿电流）三级管相当于一个基板电流。,同济大学汽车实验室,光电式转速计,同济大学汽车实验室,光电式转速计,光电元件的主要特性 光谱特性在一定的波长范围内，体现光电效应。 例：红外光与可见光，硅材料工作在可见光与红外光之间，锗工作在红外光中。（可见3.8-7.6;紫4;红7；红外7以上）,同济大学汽车实验室,光电式转速计,光电元件的频率响应光脉冲下的电响应与负载有关，负载电阻大频率响应差。,同济大学汽车实验室,光电式转速计,直射型（透射）光电转速传感器 基本组成：光源，光电元件，分度盘 缺图,同济大学汽车实验室,光电式转速计,同济大学汽车实验室,光电式转速计,工作原理