第9章 几何量电测法

1、 9.1.1 位移位移电测法的分类电测法的分类 1采用结构型传感器采用结构型传感器 传感器固定部分传感器固定部分-与运动参照点相连与运动参照点相连 传感器活动部分传感器活动部分-与被测运动体相连与被测运动体相连 结构型传感器可直接用于位移测量结构型传感器可直接用于位移测量，前面介，前面介 绍过的有：电位器式传感器、自感式传感器、互绍过的有：电位器式传感器、自感式传感器、互 感式传感器、电涡流式传感器、电容式传感器、感式传感器、电涡流式传感器、电容式传感器、 编码器等。编码器等。 9.1.1 位移位移电测法的分类电测法的分类 2采用物性型传感器配上相应的敏感器采用物性型传感器配上相应的敏感器 敏

2、感器固定部分敏感器固定部分-与运动参照点相连与运动参照点相连 敏感器活动部分敏感器活动部分-与被测运动体相连与被测运动体相连 应变式传感器、霍尔传感器、光电式传感器等属于应变式传感器、霍尔传感器、光电式传感器等属于物物 性型传感器性型传感器，其中不包括可动部分，不能用于测量位移，其中不包括可动部分，不能用于测量位移， 即这些传感器的可用非电量不是位移量。若需用这类传感即这些传感器的可用非电量不是位移量。若需用这类传感 器来测量位移量，则器来测量位移量，则需配置适当的敏感器需配置适当的敏感器，将位移量转换，将位移量转换 为这些传感器可用的非电量，组成为这些传感器可用的非电量，组成间接式的位移传感

3、器间接式的位移传感器。 （位移的间接测量法位移的间接测量法） 9.1.2 位移位移的间接电测法的间接电测法 1、等强度悬臂梁黏贴应变片、等强度悬臂梁黏贴应变片 应变应变 2 21 l h 应变应变电阻：电阻： 0 k R R 若把上、下两工作应变片分别接入若把上、下两工作应变片分别接入 电桥相邻两臂，则电桥输出电压：电桥相邻两臂，则电桥输出电压： （推导过程结合（推导过程结合P50-51P50-51的结论）的结论） 2 0 CD0 l h 2 Uk UU 3、悬臂梁与螺旋轴的组合结构悬臂梁与螺旋轴的组合结构 （） kC l h k l h k R R 2 0 2 0 将霍尔传感器放置于梯度磁场

4、将霍尔传感器放置于梯度磁场 中，则可测量位移，但此方法中，则可测量位移，但此方法 只能测量只能测量0.5mm的小位移的小位移 （参加教材（参加教材P106P106）。）。 HHH UK IBK I cxkx 将霍尔传感器放置于梯度磁场将霍尔传感器放置于梯度磁场 中，则可测量位移，但此方法中，则可测量位移，但此方法 只能测量只能测量0.5mm的小位移的小位移 （参加教材（参加教材P106P106）。）。 采用左图所示的方案，则可测采用左图所示的方案，则可测 量大位移（量程可达量大位移（量程可达2m2m以上）。以上）。 S：被测位移被测位移 N：位移脉冲计数位移脉冲计数 d0: 相邻相邻磁钢间距磁

5、钢间距 0 NdS 1采用光电元件采用光电元件 被测对象位移时，遮挡掉一部分光线，未被遮挡的光线则被光被测对象位移时，遮挡掉一部分光线，未被遮挡的光线则被光 电元件接收转换为电信号，从接收到的光电信号的强弱可知被电元件接收转换为电信号，从接收到的光电信号的强弱可知被 测物体位移量的大小。量程最大测物体位移量的大小。量程最大1mm 。（参见教材（参见教材P104） 2 2采用双光纤采用双光纤 当两根光纤之间物体发生位移时，入射光纤传入出射当两根光纤之间物体发生位移时，入射光纤传入出射 光纤中的光通量发生改变的原理来测量位移的，这种调制光纤中的光通量发生改变的原理来测量位移的，这种调制 方法可以测

6、量方法可以测量10um的位移。的位移。 - 光路间插入被测对象调制光通量的形式光路间插入被测对象调制光通量的形式 两光纤的耦合不为零时，才两光纤的耦合不为零时，才 有反射光进入接收光纤。有反射光进入接收光纤。 进入输出光纤的光通量在耦进入输出光纤的光通量在耦 合情况下是位移量合情况下是位移量x x的函数。的函数。 3采用分叉光纤采用分叉光纤 - 非功能型光纤传感器；两支多模光纤；非功能型光纤传感器；两支多模光纤； 9.1.3 各种位移传感器的性能比较各种位移传感器的性能比较 各种位移传感器一般都各种位移传感器一般都可以用来可以用来测量厚度测量厚度，只，只 要设法使位移传感器的固定部分与可动部分

7、之间的要设法使位移传感器的固定部分与可动部分之间的 距离等于或正比于所测厚度即可。距离等于或正比于所测厚度即可。 光学方法：适用于超薄薄膜的厚度测量。光学方法：适用于超薄薄膜的厚度测量。 非光学方法：适用于较厚薄层和板材厚度。非光学方法：适用于较厚薄层和板材厚度。 厚度测量方法：厚度测量方法： 9.3.1 电感式电感式和电涡流式和电涡流式 将将非磁性非磁性物质板材物质板材夹在自感式传感器的线圈夹在自感式传感器的线圈 铁心和衔铁之间，自感式铁心和衔铁之间，自感式传感器电感传感器电感随板材的厚随板材的厚 度度x变化。变化。 L 0 x2 AN L 2 X 透射式结构：透射式结构： h/d 12 e

8、kUU 9.3.2 电容式电容式 设电容极板设电容极板面积为面积为A，固定间隙为，固定间隙为a，当有一厚度为，当有一厚度为d， 相对介电常数相对介电常数为为 r的固体电介质通过极板间隙时的固体电介质通过极板间隙时 0 0 d d n1 C C , dda A C r00 0 0 00r r d)da(1 1 n 其中：其中： 3 3 2 2 1 1 ddd A C 物位：物位：容器中液体物料的液位，粉状或颗粒状固容器中液体物料的液位，粉状或颗粒状固 体物料的料位体物料的料位，两种介质相界面位置的总称。，两种介质相界面位置的总称。 9.4.1 超声波超声波法法 高于高于2104Hz的机械波称为的

9、机械波称为超声波超声波。 超声波与其他声波一样，其超声波与其他声波一样，其传播速度也取决于传播速度也取决于 介质的密度和介质的弹性常数介质的密度和介质的弹性常数。 当超声波从一种介质传播到另一种介质时，当超声波从一种介质传播到另一种介质时，在在 两介质的分界面上将发生反射和折射。两介质的分界面上将发生反射和折射。 9.4.1 超声波超声波法法 2 tv h c h ：(a)被测液面高度被测液面高度; (c)液面与探头距离液面与探头距离 vc ：超声波在介质中的：超声波在介质中的 传播速度；传播速度； t : 超声波从单探头发出超声波从单探头发出 到液面，经液面反射到到液面，经液面反射到 探头位

10、置所需的时间。探头位置所需的时间。 9.4.1 超声波超声波法法 2 tv s c 22 ash 其中其中：a为两探头之为两探头之 间的距离间的距离的一半。的一半。 9.4.2 浮力浮力法法 F1：弹簧拉力：弹簧拉力 F2：浮力：浮力 W：重力：重力 H：液：液位高度位高度 H=0时时，F2=0， F1=cx0=W， c：弹簧：弹簧弹性系数弹性系数 H0时，浮筒时，浮筒上升上升x , , )xx(cF 01 )xH(gAgVF2 WFFF 21 00 cx)xH(gA)xx( c x) gA c 1(H A: 浮筒截面积浮筒截面积 9.4.4 电容法测物电容法测物（液）位（液）位 采用变介质型

11、电容传感器采用变介质型电容传感器 图图(a)测非导电液测非导电液 体液位：采用同体液位：采用同 轴双层电极轴双层电极 图图(b)测非导电固测非导电固 体散料料位：用体散料料位：用 电极棒和容器壁电极棒和容器壁 组成内外电极组成内外电极 9.4.4 电容法测物电容法测物（液）位（液）位 没有液体（物料）时：没有液体（物料）时： )d/Dln( L2 C 0 0 液体（物料）高度为液体（物料）高度为H时，总电容时，总电容 相当于上下两个电容并联：相当于上下两个电容并联： )d/Dln( H2 )d/Dln( )HL(2 CCC 0 21 电容变化量：电容变化量： )d/Dln( H)(2 CCC 0 0 2