天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院

1、任務(wù)務(wù)要求掌握測量位移、速度傳感器的結(jié)構(gòu)掌握位移傳感器和速度傳感器的工作原理任務(wù)務(wù)六位移和速度的測測量 xAWAlAlAxWRRRWRIWIWIWILmmmm221022221111022102 (6-1) 圖6-1單磁路電感傳感器xKL1（6-2） 圖6-2 特征曲線2 2差動(dòng)式電感傳感器差動(dòng)式電感傳感器圖6-3 差動(dòng)電感傳感器 通過比較，可得到差動(dòng)式電感傳感器比單磁路電感傳感器的總電感量和靈敏度都提高了一倍。12221021021022112)(2)(2)()( xxxxLxxxAWxxAWxxAWLLLLL圖圖6-4 6-4 差動(dòng)變壓式位移傳感器差動(dòng)變壓式位移傳感器3 3差動(dòng)變壓器式傳感

2、器差動(dòng)變壓器式傳感器 差動(dòng)變壓器式傳感器是互感式電感傳感器中常見的一種。它由銜鐵1、初級(jí)線圈L1、次級(jí)線圈L21與L22和線圈架2所組成。如圖6-4所示 圖圖6-56-5鍋爐自動(dòng)連續(xù)給水控制裝置鍋爐自動(dòng)連續(xù)給水控制裝置二二 電渦流式位移測量系統(tǒng)電渦流式位移測量系統(tǒng)1 1渦流式位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理渦流式位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 圖6-6、圖6-7是渦流式位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖。由圖可知傳感器主要由探頭和檢測電路兩部分構(gòu)成。探頭主要由線圈及骨架組成，檢測電路由振蕩器、檢波器及放大器等組成。 圖6-6 渦流式位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理圖 圖6-7 渦流傳感器的等效電路

3、當(dāng)振蕩器產(chǎn)生的高頻電壓施加給靠近金屬板一側(cè)的電感線圈L時(shí)，L產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面。由于趨膚效應(yīng)，高頻磁場不能透過具有一定厚度的金屬板而僅作用于其表面的薄層內(nèi)，金屬板表面產(chǎn)生感應(yīng)渦流。渦流產(chǎn)生的磁場又反作用于線圈L上，導(dǎo)致傳感器線圈L的電感及等效阻抗發(fā)生變化。 當(dāng)被測物體和傳感器探頭被確定以后，影響傳感器線圈L阻抗Z的一些參數(shù)是不變的，此時(shí)只有線圈與被測導(dǎo)體之間的距離x的變化量與阻抗Z有關(guān)，如通過檢測電路測出阻抗Z的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測導(dǎo)體位移量的檢測。 圖6-8 電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系2被測導(dǎo)體對(duì)傳感器靈敏度的影響被測導(dǎo)體對(duì)傳感器靈敏度的影響圖6-9 被測導(dǎo)體直徑與傳感器靈敏度的

4、關(guān)系曲線圖 6-10 定頻調(diào)幅式檢測電路工 作原理圖 3 3渦流式位移傳感器的檢測電路渦流式位移傳感器的檢測電路三三 光電位置敏感器件光電位置敏感器件 PSD的基本結(jié)構(gòu)為P-N結(jié)結(jié)構(gòu)，其工作原理是基于橫向光電效應(yīng)。 圖圖6-11 6-11 一維一維PSDPSD的結(jié)構(gòu)及等效電路的結(jié)構(gòu)及等效電路 PSD為僅對(duì)入射光點(diǎn)位置敏感的器件。Px稱為一維PSD的位置輸出信號(hào)。電路L為PSD中點(diǎn)到信號(hào)電極間的距離；x為入射光點(diǎn)距PSD中點(diǎn)的距離。則得到的結(jié)果只與光點(diǎn)的位置坐標(biāo)x有關(guān)，而與入射光強(qiáng)度無關(guān) 情景二情景二 速度的測量速度的測量 物體轉(zhuǎn)動(dòng)的速度稱為轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速又有角速度和線速度之分。一、一、 轉(zhuǎn)速傳感器

5、轉(zhuǎn)速傳感器1 1光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器它分為投射式和反射式兩類。圖圖6-12 6-12 投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器投射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理的結(jié)構(gòu)原理圖圖6-136-13反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器原反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器原 理圖光敏元件理圖光敏元件 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速2 2電容式轉(zhuǎn)速傳感器電容式轉(zhuǎn)速傳感器 電容式轉(zhuǎn)速傳感器，有面積變化型面積變化型和介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型兩種。 電容式轉(zhuǎn)速傳感器由兩塊固定金屬板和與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連的可動(dòng)金屬板構(gòu)成。 介質(zhì)變化型是在電容器的兩個(gè)固定電極板之間嵌入一塊高介電常數(shù)的可動(dòng)板而構(gòu)成的。 圖圖6-14 6-14 變面積型電容式轉(zhuǎn)速傳感器變面積型電容式轉(zhuǎn)速傳感器3 3變磁阻式轉(zhuǎn)

6、速傳感器變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器 變磁阻式傳感器的三種基本類型：電感式傳感器、變壓器式傳感器和電渦流式傳感器。 圖6-15 電感式轉(zhuǎn)速傳感器原理a 開磁路式 b 閉磁路式二二 、加速度的測量、加速度的測量1 1加速度傳感器加速度傳感器 加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是個(gè)常量，比如g，也可以是變量。2 2加速度傳感器的應(yīng)用加速度傳感器的應(yīng)用 通過測量由于重力引起的加速度，你可以計(jì)算出設(shè)備相對(duì)于水平面的傾斜角度。通過分析動(dòng)態(tài)加速度，你可以分析出設(shè)備移動(dòng)的方式。但是剛開始的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)只測量傾角和加速度好像

7、不是很有用。但是，現(xiàn)在工程師們已經(jīng)想出了很多方法獲得更多的有用的信息。 加速度傳感器可以幫助你的機(jī)器人了解它現(xiàn)在身處的環(huán)境。是在爬山？還是在走下坡，摔倒了沒有？ 或者對(duì)于飛行類的機(jī)器人來說，對(duì)于控制姿態(tài)也是至關(guān)重要的。更要確保的是，你的機(jī)器人沒有帶著炸彈自己前往人群密集處。一個(gè)好的程序員能夠使用加速度傳感器來回答所有上述問題。加速度傳感器甚至可以用來分析發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。 目前最新IBM Thinkpad手提電腦里就內(nèi)置了加速度傳感器，能夠動(dòng)態(tài)的監(jiān)測出筆記本在使用中的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)智能的選擇關(guān)閉硬盤還是讓其繼續(xù)運(yùn)行，這樣可以最大程度的保護(hù)由于振動(dòng)，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔

8、了電腦做造成的硬盤損害，最大程度的保護(hù)里面的數(shù)據(jù)。另外一個(gè)用處就是目前用的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時(shí)候的手部的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)的聚焦。3 3加速度傳感器的工作原理加速度傳感器的工作原理 多數(shù)加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)的原理來工作的。所謂的壓電效應(yīng)就是 對(duì)于不存在對(duì)稱中心的異極晶體加在晶體上的外力除了使晶體發(fā)生形變以外，還將改變晶體的極化狀態(tài)，在晶體內(nèi)部建立電場，這種由于機(jī)械力作用使介質(zhì)發(fā)生極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng) 。 一般加速度傳感器就是利用了其內(nèi)部的由于加速度造成的晶體變形這個(gè)特性。由于這個(gè)變形會(huì)產(chǎn)生電壓，只要計(jì)算出產(chǎn)生電壓和所施加的加速度之間的關(guān)

9、系，就可以將加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出。當(dāng)然，還有很多其它方法來制作加速度傳感器，比如電容效應(yīng)，熱氣泡效應(yīng)，光效應(yīng)，但是其最基本的原理都是由于加速度產(chǎn)生某個(gè)介質(zhì)產(chǎn)生變形，通過測量其變形量并用相關(guān)電路轉(zhuǎn)化成電壓輸出。4 4加速度傳感器實(shí)例加速度傳感器實(shí)例電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 圖圖6-16 6-16 電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器 1 1：絕緣體；：絕緣體；2 2：固定電極；：固定電極；3 3：質(zhì)量塊；：質(zhì)量塊； 4 4：彈簧片：彈簧片壓電式加速傳感器壓電式加速傳感器 壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計(jì)。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，

10、質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化，當(dāng)傳感器向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力使壓電元件上的壓應(yīng)力增加；反之，當(dāng)傳感器向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓電元件的壓應(yīng)力減小，從而輸出與加速度成正比的電信號(hào)。圖圖6-17 MYD-13606-17 MYD-1360壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器圖圖6-18 6-18 常用的壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)常用的壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)要點(diǎn)回顧要點(diǎn)回顧 位移測量涉及的范圍較廣，位移測量是線位移和角位移測量的總稱。測量位移的傳感器有電感式位移傳感器(單磁路電感式傳感器、差動(dòng)式電感傳感器、差動(dòng)變壓器式傳感器)、電渦流式位移傳感器、光電位移傳感器。 速度的測量包括轉(zhuǎn)速和加速度，其中轉(zhuǎn)速測量

11、又包括角速度和線速度。 測量轉(zhuǎn)速的傳感器主要有光電式轉(zhuǎn)速傳感器、電容式轉(zhuǎn)速傳感器、變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器等；測量加速度的傳感器主要有電容式加速度傳感器、壓電式加速傳感器等。習(xí)題習(xí)題6 61、舉出若干測量位移、速度、加速度的傳感器。2、說明電感式傳感器測位移的原理。3、一電容式傳感器的兩個(gè)極板均為邊長為10cm的正方形，間 距為1mm，兩極板間氣隙恰好放置一邊長為10cm，厚度為1mm，相對(duì)介電常數(shù)為4的正方形介質(zhì)。該介質(zhì)可在氣隙中自由滑動(dòng)。若用該電容式傳感器測量位移，試計(jì)算當(dāng)介質(zhì)極板向某一方向移出極板相互覆蓋部分的距離分別為1cm、2cm、3cm時(shí)，該傳感器的輸出電容值分別是多少？4、一個(gè)變極距性電容式位移傳感器的有關(guān)參數(shù)為：初始極距=1mm，r=1，S=314mm2 。當(dāng)極板極距變化為=10m時(shí)，計(jì)算該電容傳感器的電容絕對(duì)變化量和相對(duì)變化量各是多少？5、哪些類型的傳感器適合于100mm