机械量测量之位移测量与转速测量

第七章

机械量测量第一页，共七十四页。机械量测量机械量测量主要包括位移（线位移及角位移）测量速度（转速）及加速度测量、机械振动测量、力和力矩的测量。有关力的测量内容已作了介绍。第二页，共七十四页。位移测量（电涡流）1转速测量（霍尔方式）2主要内容第三页，共七十四页。位移测量（电涡流）1转速测量（霍尔方式）2主要内容第四页，共七十四页。1.1概述线位移量为质点在直线方向位置的变化量，而角位移量则是角度方向位置的变化量。位移的测量是通过位移传感器将被测位移量的变化转换成电量。目前测量位移的传感器品种繁多，有接触式或非接触式两大类。测量方法多样，如电感、变压器、电涡流、电容、电位器等。第五页，共七十四页。1.1概述常用线位移传感器

变阻式：滑线、变阻器电阻应变式：电感式：差动变压器、螺管式、电涡流式电容式：变面积、变间隙霍尔元件感应同步器长光栅长磁栅第六页，共七十四页。1.1概述常用角位移传感器滑线变阻式，变阻器，应变计式差动变压器式自整角机，旋转变压器，微动同步器电容式，圆感应同步器圆光栅，圆磁栅角度编码器：接触式、光电式第七页，共七十四页。1.2电涡流传感器电涡流电涡流消耗一部分能量，在交流电气设备中是一种有害的现象。工程中电涡流的热效应用作高频加热器。电涡流产生的磁场线圈阻抗变化效应，用作厚度和位移的检测元件。电涡流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗变化而进行测量的。电涡流作用原理第八页，共七十四页。电涡流例子如图，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以正弦交变电流时，线圈周围就产生一个正弦交变磁场。置于该磁场中的金属导体内就产生电涡流。后者将产生一个与原磁场方向相反的新磁场，抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。电涡流作用原理第九页，共七十四页。阻抗发生变化的原理若把被测金属导体形象地看作一个短路线圈，则电涡流的相互作用可以用变压器等效电路来表示。可列出电路方程组为电涡流作用的等效电路第十页，共七十四页。阻抗发生变化的原理原边线圈的等效电阻为线圈的等效电感为

被测位移变化，引起互感系数变化、线圈阻抗Z变化，也引起线圈电感L和品质因素Q变化。涡流传感器的转换电路可以选用Z、L、Q中的任一参数并将其转换为电量进行测量。

第十一页，共七十四页。涡流检测的发展史1824年加贝发现了铜板对摆动着的磁铁有阻尼现象，提出了涡流存在的实验。几年以后发现在非均匀强磁场中运动的铜盘中有电流存在。1831年法拉弟发现了电磁感应现象，并在实验的基础上提出了电磁感应定律。1861年麦克斯韦将法拉弟的概念用完整的数学方程式表示出来，建立了系统严密的电磁场理论。1873年提出了位移电流：变化的电场激发涡旋磁场。涡流检测的发展史第十二页，共七十四页。涡流检测的发展史1879年休斯首先将涡流检测应用于实际——判断不同的金属和合金。1926年涡流测厚仪问世1831年德国的福斯特博士在理论和实践上完善涡流检测技术一百多年里，电磁理论及其试验不断完善，电子元器件不断更新换代，大大推进了涡流检测技术的发展。第十三页，共七十四页。涡流检测的发展史福斯特在基础试验和理论推导的基础上发表了大量有关涡流检测的论文，并创办了福斯特研究所。-----早在50年代。他的涡流检测技术与设备推动了全世界涡流检测技术的发展。美国、前苏联、法国、英国、日本也先后做了大量的开发性工作，发表了大量论文，并都能生产高水平的涡流检测设备。第十四页，共七十四页。涡流检测的发展史我国开展涡流检测的研究工作始于60年代、并先后研制成功了一系列检测系统。在我国的航空航天、冶金、机械、电力、化工、核能等领域中正在发挥着愈来愈重要的作用。初期的YY-11型管材探伤仪后来YY-17、TC-2000、ED-251、NE-30现在用途极为广泛的EEC-96数字涡流检测设备。第十五页，共七十四页。涡流阻抗检测法涡流检测的信号来自于线圈的阻抗或次级线圈的感应电压的变化。但因为影响阻抗和电压的因素很多。在发展过程中曾提出过多种消干扰的方法，但直到阻抗分析法的引进才使涡流检测技术由重大的突破。直到目前为止，阻抗检测法依然是涡流检测中应用最广的方法。第十六页，共七十四页。高频反射式电涡流传感器的结构如图所示，主要由一个安置在框架上的扁平线圈构成。线圈外径大、线性范围就大，但灵敏度低；反之，线圈外径小，灵敏度高，但线性范围就小。为了小型化，也可在线圈内加磁心，提高线圈的品质因数值

高频反射式的结构高频反射式电涡流传感器结构1-线圈2-框架3-框架衬套4-支座5-电缆6-插头第十七页，共七十四页。高频反射式电涡流传感器是利用线圈与被测导体之间的电磁耦合进行工作的，因而被测导体材料的物理性质、尺寸与形状都关系到传感器的特性。一般来说，1.被测导体的电导率越高，灵敏度也越高；而磁导率对灵敏度的影响则相反。2.被测体的大小也会影响到灵敏度，若被测体为平面，在电涡流环的直径等于线圈直径处的电涡流密度最大；在电涡流直径为线圈直径的1.8倍处，电涡流密度已衰减为最大值的5%。为了充分利用电涡流效应，被测体环的半径不应小于线圈外半径的1.8倍。第十八页，共七十四页。高频反射式德国米铱测试技术公司开发生产的multiNCDT100非接触电涡流位移传感器。适用于测量铝材料（非铁磁体被测体），或者钢ST37（铁磁材料）量程：0～0.5mm和0～15mm。其线性度小于±0.5%，动态分辨率为0.5μm，静态分辨率可达0.05μm，工作极限频率为10kHz（-3dB）

高频反射式电涡流传感器第十九页，共七十四页。低频透射式在上述高频反射式电涡流传感器中，为了使金属导体内电涡流所产生的磁场“反射”效果好，必须提高激励电流的频率，减小贯穿深度。反之，若将激励电流频率减低，涡流的贯穿深度将加深。采用低频激励的电涡流传感器有较大的贯穿深度，适合于测量金属材料的厚度。低频透射涡流测厚原理第二十页，共七十四页。低频透射式在L1和L2

间放置金属材料M后，L1产生的磁力线必然透过M，并在其中产生电涡流。涡流损耗了部分磁场能量，使到达L2的磁力线减少，引起e下降。M的厚度越大，涡流越大，涡流引起的损耗也越大，e就越小。由此，e的大小反映了材料厚度δ的变化。低频透射涡流测厚原理第二十一页，共七十四页。低频透射式输出电势E与厚度δ及贯穿深度t的关系为贯穿深度t与√

（ρ/f）成正比，ρ为被测材料电阻率，f

为励磁频率。材料固定，t与f相关。频率较低时，线性较好、测量范围t较大，测厚板应选较低的频率频率较高时，线性差，测薄板应选较高的频率。

第二十二页，共七十四页。除了测位移和厚度外的重大应用：涡流探伤第二十三页，共七十四页。DWS系列电涡流测功器

利用励磁线圈的定子，与转子相对运动时，产生涡流。在电磁作用下，实现制动功能。此时，吸收功率发热，需要水内冷却热平衡。它适用于对发动机及各种动力机有效功率，转矩测定和性能试验，并可对齿轮箱、油泵、油嘴、调速器等内燃机附件作负荷下的磨损试验和性能测定试验。第二十四页，共七十四页。

当控制仪供给一直流电流于测功器制动器上的励磁线圈时，通过励磁体、涡流环、空气隙和感应子形成一闭合磁通回路感应子旋转时，该磁场也随之旋转，并且在涡流环上产生涡电流。涡流产生对转子制动的力矩，该力矩使测功器的外壳转动。测力机构部件主要有制动臂、活节螺栓、拉压力传感器等组成。测功器产生的制动力臂与制动臂上拉压力传感器的反向力矩相平衡，由显示仪器显示制动力矩的大小。DWS系列电涡流测功器第二十五页，共七十四页。DWS系列电涡流测功器该电流与产生它的磁场相互作用形成与原动机反向的制动力矩，使架于摆动轴承上的电枢体摆动，通过力臂将力矩传给拉压传感器一拉力，测量出力矩大小。原动机的功率全部被测功器吸收转变为电涡流，并转化为热能，由冷却水带走。第二十六页，共七十四页。励磁加载，负荷响应敏捷标准砝码，静态标定功率曲线优良电涡流测功器的基本工作原理是：第二十七页，共七十四页。位移测量（电涡流）1转速测量（霍尔方式）2主要内容第二十八页，共七十四页。2.1概述

磁电式转子陀螺交流测速发电机、直流测速发电机离心式转速表、频闪式转速表光电式：反射式转速表、直射式转速表激光式：测频法转速仪、测周法转速仪霍尔元件—成熟的方式、现成的产品第二十九页，共七十四页。2.2光电式传感器

光电传感器根据受光照或无光照的条件作出电信号“有”、“无”输出的反应，将被测量转换成通与断的开关信号。右图电机的转轴上涂黑白两种颜色。轴每转一周，反射光投射到光电元件上的强弱发生一次改变，故光电元件可产生一脉冲信号。第三十页，共七十四页。2.2光电式传感器当电机轴上固装一齿数为z的调制盘（或电机轴上黑白相间涂色），频率计的计数频率为，则有

据上式，可测得转轴转速。若齿数z为60，则n=f，单位是(r/min)第三十一页，共七十四页。2.3霍尔元件1霍尔效应

--霍尔效应于1879年德国人霍尔(Hall)发现2材料与基本参数3霍尔元件的特性4霍尔元件的应用技术5霍尔元件的应用电路第三十二页，共七十四页。2.3.1霍尔效应霍尔效应产生的原因:洛伦兹力FL=evB的作用,使电子沿Z方向运动,并积累形成霍尔电场;霍尔电场又反过来阻碍电子的继续积累.当FE=eEH=-

FLEH霍尔电场的电场强度此时达到了动态平衡，FL+FE=0，形成了稳定的霍尔电势：eEH=evB

EH=vB霍尔效应原理第三十三页，共七十四页。2.3.1霍尔效应EH=vB在A与B两点间建立的电势差即霍尔电压，可以推算（物理学公式）第三十四页，共七十四页。2.3.2霍尔元件的材料和基本参数霍尔元件的输出与灵敏度KH有关，KH越大，VH越大。而霍尔灵敏度又取决于元件的材料性质RH和尺寸。霍尔系数 RH= 材料的电阻率和电子迁移率大，

RH就大，输出的VH也就大。在选用霍尔元件的材料时，为提高霍尔灵敏度，1）要求材料的RH尽可能地大，2）厚度d小。厚度d越小，KH越大，VH也越大．通常霍尔元件的厚度都比较小，但d太小，会使元件的输入输出电阻增大．第三十五页，共七十四页。2.3.2霍尔元件的材料和基本参数霍尔元件常采用的半导体材料有N型锗(Ge)、锑化铟(InSb)、砷化铟InAs)、砷化镓(GaAs)、受磷砷化铟(InAsP)、N型硅(Si)等。锑化铟元件的输出较大，受温度的影响也较大（-0.2%/℃）铟和锗元件输出虽然不如锑化铟大，但温度系数小，线性度也好砷化镓元件的温度特性（-0.06%/℃）和输出线性好，但价格贵。第三十六页，共七十四页。2.3.2霍尔元件的材料和基本参数霍尔元件a)外形b）结构c）符号d）基本电路第三十七页，共七十四页。2.3.2霍尔元件的材料和基本参数霍尔元件的结构与其制造工艺有关。体形霍尔元件是将半导体单晶材料定向研磨抛光，然后用蒸发合金法或其他方法制作欧姆接触电极，最后焊上引线并封装．膜式霍尔元件是在一块极薄(0.2mm)的基片上用蒸发或外延的方法制成半导体薄膜，然后再制作欧姆接触电极，焊上引线，并加以封装．注：霍尔元件的几何尺寸及电极的位置和大小等均直接影响它输出的霍尔电势，制作时有很严格的要求．第三十八页，共七十四页。2.3.2霍尔元件的材料和基本参数12345寄生电势输入、输出电阻灵敏度输出功率

温度系数霍尔元件的基本参数——输入、输出电阻，灵敏度，寄生电势，温度系数，输出功率。

第三十九页，共七十四页。2.3.2霍尔元件的材料和基本参数①输入电阻RIN和输出电阻ROUT

RIN为控制电流极间电阻，单位为欧姆；

ROUT为输出霍尔电势极间电阻，单位为欧姆。②灵敏度：灵敏度包括霍尔灵敏度KH和磁灵敏度SB，其中，KH又称乘积灵敏度，它是指霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度作用下，输出极开路时的霍尔电压：VH=KHIHB由此式，可以测定KH的值。SB是指在额定控制电流和单位磁感应强度作用下，输出极开路时的霍尔电压：VH=SBB第四十页，共七十四页。2.3.2霍尔元件的材料和基本参数③寄生电势Vo：指控制电流为交流，在不加磁场时，霍尔电势极间产生的直流电势。④温度系数：霍尔电势温度系数和内阻温度系数霍尔电势温度系数：在一定的磁感应强度和规定控制电流下，温度每变化1℃时，霍尔电压值变化的百分率；（0.04%/℃）内阻温度系数：温度每变化1℃时霍尔材料的变化率。（0.5%/℃）锑化铟元件HZ-1,2,3等型号,在80℃时温度系数由正变负。锑化铟元件控制电流采用恒压供应，霍尔元件的温度特性可以提高。对于正温度系数的元件，利用负载电阻Rfz，使Rfz/Rsc=/,，可以实现温度补偿第四十一页，共七十四页。2.3.3霍尔元件的特性VH–I特性R–B特性TitleAB不平衡电压D温度特性C（磁阻效应--R随磁场B）物理磁阻效应、几何磁阻效应VH=KHIHB输出特性：在控制电流一定的条件下，霍尔电压VH与磁感应强度B之间的关系第四十二页，共七十四页。2.3.3霍尔元件的特性（1)霍尔元件的输出特性输出特性：在一定条件下（控制电流一定），霍尔电压VH与磁感应强度B之间的关系。其输出特性曲线有两种：一种是在宽范围内呈线性特性，即A特性，磁通计中的传感器等主要使用这种特性。另一种是非线性特性，即B特性，在低磁场时有较高的输出灵敏度，用于无刷电机的磁极传感器。第四十三页，共七十四页。2.3.3霍尔元件的特性（2）霍尔元件的VH-I特性在磁场和环境温度恒定时，霍尔电势VH与控制电流I之间呈线性关系。直线的斜率称为控制电流灵敏度。

（3）R-B特性R-B特性是指温度一定时元件的输入电阻RIN和输出电阻ROUT，随磁场B的变化。由于磁阻效应原因，随磁场B的增加，RIN和ROUT将会增加。第四十四页，共七十四页。（3）R–B特性内阻与B的关系温度一定时，输入电阻、输出电阻都随了磁场B变化。原因是：磁阻效应载流子在磁场作用下受到洛伦兹力,移动路径产生偏移,路径加长,受晶格震动和杂质原子散射概率增大,致使电阻发生变化。载流子的迁移率越大,电阻变化就越明显。第四十五页，共七十四页。2.3.3霍尔元件的特性4.温度特性霍尔元件与一般半导体器件一样,对温度十分敏感.迁移率和载流子浓度随温度明显变化,从而电阻率,霍尔系数,灵敏度系数均随温度变化具体表现为内阻与霍尔电势有明显的温度特性.温度系数与霍尔电压的变化的关系，选用时要引起充分的注意。第四十六页，共七十四页。2.3.3霍尔元件的特性各种材料内阻与温度关系第四十七页，共七十四页。该电桥的四个桥臂均为等值的锰铜电阻，基本不受温度变化影响，桥臂R3并联热敏电阻Rt。当温度变化时，Rt发生变化，补偿电桥的输出电压则相应改变，使所得的霍尔电势与温度基本无关。温度补偿电桥温度补偿原理图第四十八页，共七十四页。霍尔元件的不平衡电压霍尔元件的不平衡电压：也称剩余电压磁场B为零，仅由霍尔元件流过电流时产生的电压。不平衡电压VHe主要是元件制造时由于几何的不对称性引起的。对于磁性套管型一般为几mV左右（在IH为10mA时）该特性，用不平衡率VHe/VH来描述。不平衡率越小越好，GaAs元件一般为10%左右。第四十九页，共七十四页。霍尔元件的不平衡电压其补偿补偿电路—在霍尔元件的输出端d与输入端a—b间接入电位器RP，调整电位器RP使端子c-d间均衡。（补偿电路也可接在霍尔元件的c端）书本P137有推荐的图消除不等位电势，还可采用不改变控制电流大小和方向，而将霍尔元件翻转180°，由两次霍尔电势之差就可消除不等位电势。第五十页，共七十四页。2.3.4霍尔元件的应用技术(1)霍尔元件的驱动方式恒流驱动是使流过元件内的电流保持恒定恒压驱动是使加在元件输入端的电压保持恒定两种驱动方法各有优缺点,视使用目的以及电路设计的要求而定。第五十一页，共七十四页。2.3.4霍尔元件的应用技术恒压驱动方法适合于以InSb为主要材料的霍尔元件理由：输出电压的温度变化与内阻的温度变化有同向的作用，具有互补的效果，输出电压的温度系数小，即温度特性变好。第五十二页，共七十四页。2.3.4霍尔元件的应用技术恒流驱动方法的特点是可克服因电源波动对UH的影响但温度特性变坏。适合于GaAs霍尔元件因为，GaAs霍尔元件的温度系数非常小，为-0.06%/℃，因此，要求较高的温度特性时，温度特性往往不是主要矛盾，而电源波动对UH的影响是主要矛盾。第五十三页，共七十四页。霍尔元件的串并联霍尔元件间的连接第五十四页，共七十四页。霍尔元件的串并联分立元件都有串并联应用方式：晶体管、热电偶…图中示出3个霍尔元件的并、串联方式，任何连接方式都可具有作为3相无刷电机磁极传感器的功能。在串联电路中，霍尔元件流过的为同一电流，在并联电路中，若霍尔元件特性相同，各自流过的电流为总电流的l／N。并联使用，霍尔电流大，受磁阻效应影响小串联使用，霍尔电流小，受磁阻效应影响大。第五十五页，共七十四页。为确保每个元件有同样的霍尔电流，并联时总电流是串联时N倍，电池驱动的消耗过大。串联时若1个霍尔元件断线，则失去全部功能；而并联时1个霍尔元件断线，对其他元件无影响。因此，要根据使用目的不同选用适宜的连接方式。并联使用有利于提高检测的可靠性。船舶控制系统的使用常强调系统独立和工作的可靠性。应用时可以采用单个传感器检测信号，然后进行信号隔离与分离。也可以采用串并联方式，直接得到多个独立的信号。霍尔元件的串并联第五十六页，共七十四页。5霍尔元件的应用电路

(1)采用运放恒流驱动电路电路中，基准电压(电流)采用稳压管获得，霍尔电流IH由稳压管的稳定电压和电阻RE决定，即IH=稳压管的稳定电压／RE =5.lV／lk另外，晶体管VT的VBE包含在运放电路的深度反馈环节内，VBE温度特性受到抑制，温度特性好。采用运放的恒流驱动电路实例第五十七页，共七十四页。5霍尔元件的应用电路(2)采用运放的恒压驱动电路它与上图的电路类似，但霍尔元件接在晶体管VT的发射极，因此，电路构成上为恒压电路，电路的设定电压可通过更换稳压二极管改变。采用运放的恒压驱动电路实例第五十八页，共七十四页。5霍尔元件的应用电路（3）开关电路右图为两个VBE特性对称晶体管构成的电流开关电路霍尔电压输出有一定幅度时，晶体管导通，而无B时输出幅度很低，晶体管截止。形式为差动式。A、B端的信号输出相位差互为180°。该电路需要200mV左右的VH输出电压，一般采用InSb霍尔元件。至于A端输出或B端输出取决于被检测磁场的方向采用晶体管的电流开关电路实例（a）电路（b）输出波形第五十九页，共七十四页。5霍尔元件的应用电路（4）霍尔元件的转速检测电路带有磁性材料的转子旋转同时，使霍尔元件感应到磁通的变化（0或1），从而检测转子的转速（见图7-28）从霍尔元件结构上看，输出端包含共模电压Vc电压，Vc与霍尔电压毫无关系，使用时此电压必须除去，一般采用差动输入的运算放大器。霍尔元件的输出端接到差动放大器的输入端，在无磁场时尽管c点和d点对地有电压，c点电压等于d点电压，运放无输出。第六十页，共七十四页。霍尔元件的应用电路--转速检测电路

c点电压大于d点电压或小于d点电压时，有差动信号输入，这时，运放输出端有较大的输出电压。输出为矩形波，电路中的反馈电阻Rf小时，也能获得平稳的输出波形。运放的应用，即使霍尔元件输出很小也不会有问题。一般采用输出电压小，温度特性非常好的GaAs的霍尔元件。采用霍尔元件的转速检测电路第六十一页，共七十四页。5霍尔元件的应用电路采用两个运算放大器消除共模电压的电路A1用于除去霍尔元件的共模电压A2同相放大器，用于放大VT1构成霍尔元件的恒流驱动电路采用2个运放除去共模电压的电路实例第六十二页，共七十四页。霍尔元件应用于转速检测安装方法之一：转子旋转的同时，霍尔元件检测到磁极(N，S)交替变化，从而测量出转子的转速。下图输出是脉冲波形：第六十三页，共七十四页。霍尔元件的安装方法之二

被测物上粘贴了多块磁钢，每当一个小磁钢转过霍尔开关，就产生一个相应的脉冲。增加检测点数目提高精度霍尔转速传感器的结构原理第六十四页，共七十四页。霍尔元件的安装方法之三

对齿轮计数的方法霍尔元件固定安装在磁钢上，一般60个齿，测得的每秒脉冲数正好反映RPM的值。第六十五页，共七十四页。霍尔元件的安装方法之四下面的方法，永磁体安装在转轴端，输出为类似正弦的波形。第六十六页，共七十四页。位移检测

霍尔元件可对很小范围（如1.5mm以内）的位移进行检测。检测的主要关键是建立一个对位置