第四章(2)：传感器技术及机械量检测(2学时).

1、n3 旋转变压器（感应同步器）n感应同步器n工作原理：一般采用滑尺激磁（励磁），定尺输出感应信号。通过测量感应信号的相位或幅值来判别定、滑尺的相对位置。定尺：连续绕组滑尺：正弦、余弦绕组1 1转子轴，转子轴， 2 2外壳，外壳，3 3分解器定子，分解器定子， 4 4分解器定子绕组，分解器定子绕组， 5 5变压器一次线圈，变压器一次线圈， 6 6变压器转子，变压器转子，7 7分解器转子绕组，分解器转子绕组， 8 8分解器转子，分解器转子，9变压器二次线圈，变压器二次线圈， 10定子线轴定子线轴旋旋转变压器转变压器旋转变压器结构示意图旋转变压器结构示意图 旋转变压器原理旋转变压器原理当转子旋转时，

2、转子绕组内产生感应电势当转子旋转时，转子绕组内产生感应电势随转子偏转角随转子偏转角机机呈正弦规律变化。呈正弦规律变化。 即：即： 或或其中，其中，U Us s ，U Uc c 为定子正弦、余弦绕组上的激磁电压，为定子正弦、余弦绕组上的激磁电压，k k为变压比。为变压比。机cosckUU 机sinskUU n旋转变压器的应用旋转变压器的应用n 鉴相方式鉴相方式 n在旋转变压器定子的两相正交绕组上分别加上幅值相等、在旋转变压器定子的两相正交绕组上分别加上幅值相等、频率相同的正弦、余弦激磁电压频率相同的正弦、余弦激磁电压 n n转子旋转后，两个激磁电压在转子绕组中产生的感应电压转子旋转后，两个激磁电

3、压在转子绕组中产生的感应电压线性叠加得总感应电压为：线性叠加得总感应电压为：n因此，只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子因此，只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角的转角机机 。 tUUmssintUUmccos）机机机tkUkUkUUmcscos(cossinn 鉴幅方式鉴幅方式n给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅值不给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅值不同的激磁电压同的激磁电压 n n则在转子绕组上得到感应电压为则在转子绕组上得到感应电压为n不断修改激磁调幅电压幅值的电气角不断修改激磁调幅电压幅值的电气角电，使之跟踪电，使之跟踪机的变化，并测量感应电压幅

4、值即可求得机械角位移机的变化，并测量感应电压幅值即可求得机械角位移机机 。tUUmssinsin电tUUmcsincos电tkUkUkUUmcssincos(cossin）机电机机工作原理工作原理有负载时输出电压：nknRRCUzae10n n测速发电机转速，测速发电机转速，CeCe与电机极对数和电枢绕组有关的系数，与电机极对数和电枢绕组有关的系数， 0 0电枢磁通，电枢磁通，R Ra a电枢回路总电阻，电枢回路总电阻，R Rz z测速发电机负载电阻。测速发电机负载电阻。4、测速发电机、测速发电机（1）、直流测速发电机）、直流测速发电机直流测速发电机的输出特性尽管对于不同负载电阻，测速发电机的

5、输出特性不同。在理想状态下，直流发电机的输出电压与转速呈线性关系。 输出特性输出特性（2）、交流异步测速发电机）、交流异步测速发电机工作原理：工作原理：在在N1绕组上施加稳定的交流电压，绕组上施加稳定的交流电压，测量另一与之垂直绕组上的感应电测量另一与之垂直绕组上的感应电压压U2交流异步测速发电机原理交流异步测速发电机原理输出电压：输出电压：nCU12C1为比例常数为比例常数绕组产生磁场绕组产生磁场-转子导体在磁转子导体在磁场中运动产生电流场中运动产生电流转子电流转子电流产生磁场产生磁场-磁场产生感应电流磁场产生感应电流（1 1）特点：）特点：v高高单单色性色性 激光的谱线宽度很窄激光的谱线宽

6、度很窄, ,比普通比普通光源提高了几万倍光源提高了几万倍，是最好的单色是最好的单色光光源。源。 v高平行度高平行度 激光是向特定方向发射的激光是向特定方向发射的, ,它它的发散角很小的发散角很小, ,已达到几分已达到几分, ,甚至可小到甚至可小到1 1秒秒。 v高亮度高亮度 激光的光能高度集中激光的光能高度集中, ,亮度特亮度特别高别高，一台红宝石激光束的亮度比太阳表面一台红宝石激光束的亮度比太阳表面亮度亮亮度亮 200 200 亿倍亿倍 。v高相干性高相干性 相干性是相干光波在叠加区产相干性是相干光波在叠加区产生稳定的干涉条纹所表现的性质生稳定的干涉条纹所表现的性质。5 5、激光测量系统、激

7、光测量系统 （2 2）迈克尔逊迈克尔逊干涉仪原理干涉仪原理迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪由四个光学元件（两块平板玻璃由四个光学元件（两块平板玻璃P P1 1 P P2 2和两块平面反射镜和两块平面反射镜M M1 1 M M2 2）和一个）和一个精密的移动机构组成。精密的移动机构组成。 M1M1v v 由光源由光源S S来的光，被半反射膜分成二束走向不同的光。来的光，被半反射膜分成二束走向不同的光。两相干光束之间的光程差为两相干光束之间的光程差为2h2h，当，当2h=K2h=K，即，即h=1/2h=1/2时，时，观察屏观察屏P P上的光的强度最大，呈亮条纹。当上的光的强度最大，呈亮条纹。当h=h=

8、（2K+12K+1）/4/4时，观察屏时，观察屏P P上的光强度为零，出现暗条纹。上的光强度为零，出现暗条纹。 在迈克尔逊干涉仪中，在迈克尔逊干涉仪中，M M2 2是固定的，而是固定的，而M M1 1则是由精密丝则是由精密丝杠带动可以平移。改变杠带动可以平移。改变M M1 1和和M M2 2之间的距离之间的距离h h，也即改变，也即改变S S1 1和和S S2 2的光程差。当光程差发生变化时，观察屏上的干涉条纹将明的光程差。当光程差发生变化时，观察屏上的干涉条纹将明暗交替变化。暗交替变化。M M1 1每平移每平移/2/2距离，干涉条纹则移动一个条纹距离，干涉条纹则移动一个条纹间隔，明亮变化一次

9、。因此，只要对条纹计数，便可以测得间隔，明亮变化一次。因此，只要对条纹计数，便可以测得M M1 1的距离。的距离。 （3 3）单频激光干涉仪）单频激光干涉仪经光电元件转换出的电压经光电元件转换出的电压U UX X可写为：可写为：U UX X=U=UM Msin2X/(/2) sin2X/(/2) 此式描述一正弦波，将此正弦波整形为方波，送入计数器即可读此式描述一正弦波，将此正弦波整形为方波，送入计数器即可读出条纹的明亮变化次数出条纹的明亮变化次数k k。 单频激光干涉仪组成原理图单频激光干涉仪组成原理图（4 4）. . 双频激光干涉仪双频激光干涉仪 双频激光干涉仪是同双频激光干涉仪是同一激光器发出的光分一激光器发出的光分成频率不同的两束光成频率不同的两束光产生干涉。得到的是产生干涉。得到的是按频率变化的交流调按频率变化的交流调频信号，信噪比高，频信号，信噪比高，可实现高分辨率测量。可实现高分辨率测量。单频激光仪得到的是单频激光仪得到的是直流调幅信号，有直直流调幅信号，有直流漂移的干扰问题。流漂移的干扰问题。因此双频激光测量受因此双频激光测量受环境干扰环境干扰( (气压、温气压、温度、湿度度、湿度) )影响要比影响要比单频激光测量时小得单频激光测量时小得多，测量精度高。多，测量精度高。双频激光干涉仪的工作原理双频激光干涉