傳感器第六章位移速度檢測

1、第六章 位移及速度檢測第6章 位移及速度檢測n位移及速度是描述物體運(yùn)動的量，可將其稱為運(yùn)動量。n運(yùn)動量是最基本的量，運(yùn)動量測量是最基本、最常見的測量，它是許多物理量，如力、壓力、振動等測量的前提。6.1 電感式傳感器與位移檢測n電感式傳感器是利用被測量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)的變化，導(dǎo)致線圈電感量改變來實(shí)現(xiàn)測量的。n電感式傳感器的工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng)6.1.1 電感式傳感器的工作原理及分類n電感式傳感器亦可稱為自感式傳感器或可變磁阻式傳感器。n傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。S1l1L1W23l21線 圈 ；2鐵 芯 (定 鐵 芯 )；3銜 鐵 (動 鐵 芯 )

2、S26.1.1 電感式傳感器的工作原理及分類n在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運(yùn)動部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動時，氣隙厚度發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。6.1.1 電感式傳感器的工作原理及分類線圈中的電感為：根據(jù)磁路歐姆定律：合并兩式可得：NLIImINR2mNLR6.1.1 電感式傳感器的工作原理及分類n上式中, Rm為磁路總磁阻。氣隙很小，可以認(rèn)為氣隙中的磁場是均勻的。 若忽略磁路磁損， 則磁路總磁阻為 n通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻， 即 002221112SSlSlRm002SRm6.1.

3、1 電感式傳感器的工作原理及分類n將以上各式聯(lián)立，即得到：n上式表明：當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時，電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù)，改變或S0均可導(dǎo)致電感變化，因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度的傳感器和變氣隙面積S0的傳感器。22002mNSNLR6.1.1 電感式傳感器的工作原理及分類n電感式傳感器的分類：電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型互感型互感型變面積型電感傳感器螺線管型電感傳感器變間隙型電感傳感器6.1.2 電感式傳感器的輸出特性一、變氣隙型電感傳感器6.1.2 電感式傳感器的輸出特性分析：n當(dāng)銜鐵處于初始位置時，初始電感量為n當(dāng)銜鐵上移時，傳感器氣隙減小，即=0-， 則此時輸出電感為

4、200002S NL20000002()1NSLLLL 6.1.2 電感式傳感器的輸出特性n當(dāng)/01時，進(jìn)行臺勞級數(shù)展開n可求得電感增量L和相對增量L/L0的表達(dá)式，即 30200001LLLL200001LL6.1.2 電感式傳感器的輸出特性n同理，當(dāng)銜鐵隨被測體的初始位置向下移動時，有： 3020000302000011LLLL6.1.2 電感式傳感器的輸出特性n對上列等式作線性處理，即忽略高次項(xiàng)后，可得：n靈敏度為：00LL00LLK6.1.2 電感式傳感器的輸出特性結(jié)論：n變氣隙型自感式傳感器的靈敏度較高；n但其非線性嚴(yán)重，自由行程小，制造裝配困難。n適用于測量微小位移場合。6.1.2

5、 電感式傳感器的輸出特性二、變截面型電感傳感器n保持磁導(dǎo)率和氣隙長度l固定不變，只改變氣隙有效截面積S，即以氣隙長度S作為傳感器的輸入量，可以制成變截面型自感式傳感器，常用于角位移的測量。其結(jié)構(gòu)原理如圖所示。 6.1.2 電感式傳感器的輸出特性6.1.2 電感式傳感器的輸出特性n變截面型自感式傳感器其轉(zhuǎn)換關(guān)系是線性的；同時，其靈敏度K為常數(shù)。n可見，變面積式傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條件下，輸出特性呈線性，因此可得到較大的線性范圍。與變氣隙式相比較，其靈敏度較低。2002NK6.1.2 電感式傳感器的輸出特性三、螺管式電感傳感器n磁場分布不均勻，理論上分析較困難；n由實(shí)驗(yàn)可知輸出為非線性關(guān)

6、系，且靈敏度較低；n測量范圍廣；n結(jié)構(gòu)簡單，裝配容易，且螺管可做得較長，故宜于測量較大的位移。6.1.3 差動電感傳感器原理n為了提高測量的靈敏度，減小非線性誤差，實(shí)際測量中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。 6.1.3 差動電感傳感器原理n當(dāng)銜鐵向上移動時，線圈總的電感變化量Ln對上式進(jìn)行線性處理，即忽略高次項(xiàng)得 351200002LLLL002LL6.1.3 差動電感傳感器原理靈敏度K為從上列各式可以得到：n差動變間隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式傳感器的兩倍。n單線圈是忽略 以上高次項(xiàng)，差動式是忽略 以上高次項(xiàng)，因此差動式自感式傳感器線性度得到明顯改善。002LLK20 30 6.1.3 差

7、動電感傳感器原理電感式傳感器與其它傳感器相比，具有以下特點(diǎn)：n 結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，測量力??；n 分辨率高，能測量0.1m甚至更小的機(jī)械位移，能感受0.1角秒的微小角位移；n 重復(fù)性好，線性度高。在一定位移范圍內(nèi)，輸出線性度可達(dá)0.1%，且比較穩(wěn)定。1.其主要缺點(diǎn)是存在零點(diǎn)殘余電壓，靈敏度、線性度和測量范圍相互制約，傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動態(tài)測量。 6.2 差動變壓器n把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。6.2 差動變壓器n差動變壓器結(jié)構(gòu)形式：變隙式、變面積式和螺線

8、管式等。n在非電量測量中， 應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器， 它可以測量1100mm機(jī)械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、 結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。6.2.1 差動變壓器的工作原理及特性n螺線管式互感傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示，它是由初級線圈、兩個次級線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵心等組成。 5 4 6 1 2 3 圖3.13 螺線管式互感傳感器結(jié)構(gòu)圖 6.2.1 差動變壓器的工作原理及特性n兩個次級線圈反相串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下，其等效電路如圖所示。Ur1L1aL2aL2baE2bE2r2ar2boURLI1W2bW1W2a0 xuou2bou2au2u2au2b

9、x理 論 特 性曲 線實(shí) 際 特 性 曲 線oU6.2.1 差動變壓器的工作原理及特性n由圖可以看出，當(dāng)銜鐵位于中心位置時，差動變壓器輸出電壓并不等于零。我們把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓，記作Uo，它的存在使傳感器的輸出特性不經(jīng)過零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致。6.2.1 差動變壓器的工作原理及特性零點(diǎn)殘余電壓的危害：n使傳感器輸出特性在零點(diǎn)附近的范圍內(nèi)不靈敏，限制著分辨力的提高。n零點(diǎn)殘余電壓太大，將使線性度變壞，靈敏度下降，甚至?xí)狗糯笃黠柡?，堵塞有用信號通過，致使儀器不再反映被測量的變化。6.2.1 差動變壓器的工作原理及特性產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的原因：n主要是由

10、傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等引起的。6.2.1 差動變壓器的工作原理及特性減小零點(diǎn)殘余的方法：n盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)玫磁路的對稱。磁性材料要經(jīng)過處理，消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其性能均勻穩(wěn)定。n選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路。既可判別銜鐵移動方向又可改善輸出特性，減小零點(diǎn)殘余電動勢。I.采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動勢在差動變壓器二次側(cè)串、并聯(lián)適當(dāng)數(shù)值的電阻電容元件，當(dāng)調(diào)整這些元件時，可使零點(diǎn)殘余電動勢減小。6.2.1 差動變壓器的工作原理及特性n圖所示為互感式加速度傳感器的示意圖。它由臂梁1和互感式傳感器2構(gòu)成。測量時，將臂梁底座及

11、互感式傳感器的線圈骨架固定，而將銜鐵的A端與被測振動體相連。當(dāng)被測體帶動銜鐵以x(t)運(yùn)動時，互感式傳感器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。 A 1 1 2 x(t) B 互感式加速度傳感器示意圖6.2.1 差動變壓器的工作原理及特性6.2.1 差動變壓器的工作原理及特性n厚度測量 6.2.1 差動變壓器的工作原理及特性n張力檢測6.6 碼盤式傳感器n碼盤又稱編碼器，是將機(jī)械轉(zhuǎn)動的模擬量（位移）轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號的傳感器。n優(yōu)點(diǎn)：測量精度和分辨力高，抗干擾能力強(qiáng)，能避免在讀標(biāo)尺和曲線圖時產(chǎn)生的人為誤差，便于用計算機(jī)處理。6.6 碼盤式傳感器n編碼器的種類很多， 主要分為脈沖盤式（增量編

12、碼器）和碼盤式編碼器（絕對編碼器），其關(guān)系如下所示：編碼器 脈沖盤式編碼器(增量編碼器) 碼盤式編碼器(絕對編碼器) 接觸式編碼器 電磁式編碼器 光電式編碼器 6.6.1 增量式編碼器n增量式編碼器的輸出是一系列脈沖，需要一個計數(shù)系統(tǒng)對脈沖進(jìn)行加減(正向或反向旋轉(zhuǎn)時)累計計數(shù)，一般還需要一個基準(zhǔn)數(shù)據(jù)即零位基準(zhǔn)，才能完成角位移測量。6.6.1 增量式編碼器增量式編碼器的結(jié)構(gòu)圖光源碼盤光電元件Z 零位脈沖A 增量脈沖B辨向脈沖6.6.1 增量式編碼器n圖中的信號A和B是相位差90度的方波。若A相超前于B相，對應(yīng)工作軸正向旋轉(zhuǎn)；若B相超前于A相，對應(yīng)工作軸反向旋轉(zhuǎn)。若以該方波的前沿或后沿產(chǎn)生計數(shù)脈沖

13、，可形成代表正向角位移和反向角位移的脈沖序列。n每當(dāng)工作軸旋轉(zhuǎn)一周，光電元件就產(chǎn)生一個Z相一轉(zhuǎn)基準(zhǔn)脈沖信號。6.6.2 絕對編碼器n絕對式編碼器主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤（碼盤）、 窄縫以及安裝在圓盤兩邊的光源和光敏元件等組成。基本結(jié)構(gòu)如圖所示。6.6.2 絕對編碼器n如圖所示的6位二進(jìn)制碼盤，最內(nèi)圈碼盤一半透光， 一半不透光，最外圈一共分成26=64個黑白間隔。每一個角度方位對應(yīng)于不同的編碼。n例如零位對應(yīng)于000000（全黑）；第23個方位對應(yīng)于010111。這樣在測量時，只要根據(jù)碼盤的起始和終止位置，就可以確定角位移，而與轉(zhuǎn)動的中間過程無關(guān)。一個n位二進(jìn)制碼盤的最小分辨率，即能分辨的角度為=360/2n，一個6位二進(jìn)制碼盤， 其最小分辨的角度5.6。6.6.2 絕對編碼器n采用二進(jìn)制編碼器時，任何微小的制作誤差，都可能造成讀數(shù)的粗誤差。 這主要是因?yàn)槎M(jìn)制碼當(dāng)某一較高的數(shù)碼改變時，所有比它低的各位數(shù)碼均需同時改變。如果由于刻劃誤差等原因， 某一較高位提前或延后改變，就會造成粗誤差。6.6.2 絕對編碼器n為了消除粗誤差，可用循環(huán)碼代替二進(jìn)制碼。表6.6.2 給出了四位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的對照表。從表中看出，循環(huán)碼是一種無權(quán)碼，從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時，僅有一位數(shù)碼發(fā)生變化。如果任一碼道刻劃有誤差，只要誤差不太大，且只可能有一個碼道出現(xiàn)讀數(shù)誤差，產(chǎn)生的誤差最多等