传感器第六章位移速度检测

1、第六章 位移及速度检测第6章 位移及速度检测n位移及速度是描述物体运动的量，可将其称为运动量。n运动量是最基本的量，运动量测量是最基本、最常见的测量，它是许多物理量，如力、压力、振动等测量的前提。6.1 电感式传感器与位移检测n电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，导致线圈电感量改变来实现测量的。n电感式传感器的工作基础：电磁感应6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类n电感式传感器亦可称为自感式传感器或可变磁阻式传感器。n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。S1l1L1W23l21线 圈 ；2铁 芯 (定 铁 芯 )；3衔 铁 (动 铁 芯 )

2、S26.1.1 电感式传感器的工作原理及分类n在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，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此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 电感式传感器的工作原理及分类线圈中的电感为：根据磁路欧姆定律：合并两式可得：NLIImINR2mNLR6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类n上式中, Rm为磁路总磁阻。气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。 若忽略磁路磁损， 则磁路总磁阻为 n通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即 002221112SSlSlRm002SRm6.1.

3、1 电感式传感器的工作原理及分类n将以上各式联立，即得到：n上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变或S0均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积S0的传感器。22002mNSNLR6.1.1 电感式传感器的工作原理及分类n电感式传感器的分类：电感式传感器电感式传感器自感型自感型互感型互感型变面积型电感传感器螺线管型电感传感器变间隙型电感传感器6.1.2 电感式传感器的输出特性一、变气隙型电感传感器6.1.2 电感式传感器的输出特性分析：n当衔铁处于初始位置时，初始电感量为n当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0-， 则此时输出电感为

4、200002S NL20000002()1NSLLLL 6.1.2 电感式传感器的输出特性n当/01时，进行台劳级数展开n可求得电感增量L和相对增量L/L0的表达式，即 30200001LLLL200001LL6.1.2 电感式传感器的输出特性n同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动时，有： 3020000302000011LLLL6.1.2 电感式传感器的输出特性n对上列等式作线性处理，即忽略高次项后，可得：n灵敏度为：00LL00LLK6.1.2 电感式传感器的输出特性结论：n变气隙型自感式传感器的灵敏度较高；n但其非线性严重，自由行程小，制造装配困难。n适用于测量微小位移场合。6.1.2

5、 电感式传感器的输出特性二、变截面型电感传感器n保持磁导率和气隙长度l固定不变，只改变气隙有效截面积S，即以气隙长度S作为传感器的输入量，可以制成变截面型自感式传感器，常用于角位移的测量。其结构原理如图所示。 6.1.2 电感式传感器的输出特性6.1.2 电感式传感器的输出特性n变截面型自感式传感器其转换关系是线性的；同时，其灵敏度K为常数。n可见，变面积式传感器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。与变气隙式相比较，其灵敏度较低。2002NK6.1.2 电感式传感器的输出特性三、螺管式电感传感器n磁场分布不均匀，理论上分析较困难；n由实验可知输出为非线性关

6、系，且灵敏度较低；n测量范围广；n结构简单，装配容易，且螺管可做得较长，故宜于测量较大的位移。6.1.3 差动电感传感器原理n为了提高测量的灵敏度，减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。 6.1.3 差动电感传感器原理n当衔铁向上移动时，线圈总的电感变化量Ln对上式进行线性处理，即忽略高次项得 351200002LLLL002LL6.1.3 差动电感传感器原理灵敏度K为从上列各式可以得到：n差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。n单线圈是忽略 以上高次项，差动式是忽略 以上高次项，因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。002LLK20 30 6.1.3 差

7、动电感传感器原理电感式传感器与其它传感器相比，具有以下特点：n 结构简单，工作可靠，测量力小；n 分辨率高，能测量0.1m甚至更小的机械位移，能感受0.1角秒的微小角位移；n 重复性好，线性度高。在一定位移范围内，输出线性度可达0.1%，且比较稳定。1.其主要缺点是存在零点残余电压，灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。 6.2 差动变压器n把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。6.2 差动变压器n差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线

8、管式等。n在非电量测量中， 应用最多的是螺线管式差动变压器， 它可以测量1100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、 结构简单、性能可靠等优点。6.2.1 差动变压器的工作原理及特性n螺线管式互感传感器结构如图所示，它是由初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁心等组成。 5 4 6 1 2 3 图3.13 螺线管式互感传感器结构图 6.2.1 差动变压器的工作原理及特性n两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，其等效电路如图所示。Ur1L1aL2aL2baE2bE2r2ar2boURLI1W2bW1W2a0 xuou2bou2au2u2au2b

9、x理 论 特 性曲 线实 际 特 性 曲 线oU6.2.1 差动变压器的工作原理及特性n由图可以看出，当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零。我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作Uo，它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。6.2.1 差动变压器的工作原理及特性零点残余电压的危害：n使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制着分辨力的提高。n零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。6.2.1 差动变压器的工作原理及特性产生零点残余电压的原因：n主要是由

10、传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。6.2.1 差动变压器的工作原理及特性减小零点残余的方法：n尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。n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。I.采用补偿线路减小零点残余电动势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。6.2.1 差动变压器的工作原理及特性n图所示为互感式加速度传感器的示意图。它由臂梁1和互感式传感器2构成。测量时，将臂梁底座及

11、互感式传感器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连。当被测体带动衔铁以x(t)运动时，互感式传感器的输出电压也按相同规律变化。 A 1 1 2 x(t) B 互感式加速度传感器示意图6.2.1 差动变压器的工作原理及特性6.2.1 差动变压器的工作原理及特性n厚度测量 6.2.1 差动变压器的工作原理及特性n张力检测6.6 码盘式传感器n码盘又称编码器，是将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号的传感器。n优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用计算机处理。6.6 码盘式传感器n编码器的种类很多， 主要分为脉冲盘式（增量编

12、码器）和码盘式编码器（绝对编码器），其关系如下所示：编码器 脉冲盘式编码器(增量编码器) 码盘式编码器(绝对编码器) 接触式编码器 电磁式编码器 光电式编码器 6.6.1 增量式编码器n增量式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行加减(正向或反向旋转时)累计计数，一般还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。6.6.1 增量式编码器增量式编码器的结构图光源码盘光电元件Z 零位脉冲A 增量脉冲B辨向脉冲6.6.1 增量式编码器n图中的信号A和B是相位差90度的方波。若A相超前于B相，对应工作轴正向旋转；若B相超前于A相，对应工作轴反向旋转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲

13、，可形成代表正向角位移和反向角位移的脉冲序列。n每当工作轴旋转一周，光电元件就产生一个Z相一转基准脉冲信号。6.6.2 绝对编码器n绝对式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、 窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。基本结构如图所示。6.6.2 绝对编码器n如图所示的6位二进制码盘，最内圈码盘一半透光， 一半不透光，最外圈一共分成26=64个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。n例如零位对应于000000（全黑）；第23个方位对应于010111。这样在测量时，只要根据码盘的起始和终止位置，就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个n位二进制码盘的最小分辨率，即能分辨的角度为=360/2n，一个6位二进制码盘， 其最小分辨的角度5.6。6.6.2 绝对编码器n采用二进制编码器时，任何微小的制作误差，都可能造成读数的粗误差。 这主要是因为二进制码当某一较高的数码改变时，所有比它低的各位数码均需同时改变。如果由于刻划误差等原因， 某一较高位提前或延后改变，就会造成粗误差。6.6.2 绝对编码器n为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。表6.6.2 给出了四位二进制码与循环码的对照表。从表中看出，循环码是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等