中國科學技術大學自動化系傳感器課件—第五章運動量測量技術

1、第五章第五章 運動量測量技術運動量測量技術5.1 位移測量位移測量 5.2 速度測量速度測量5.3 加速度測量加速度測量 5.1位移測量位移測量 運動量是描述物體運動的量，包括位位移移、速度速度和加速度加速度。 運動量是最基本的量，運動量測量是最基本、最常見的測量，它是許多物理量，如力、壓力、溫度、振動等測量的前提，也是慣性導航、制導技術的基礎。5.1.1 位移測量方法位移測量方法 位移測量包括線位移測量和角位位移測量包括線位移測量和角位移測量移測量。位移測量的方法多種多樣，常用的有下述幾種。（1 1）積分法）積分法 （2 2）線位移和角位移相互轉換）線位移和角位移相互轉換 （3 3）位移傳感

2、器法）位移傳感器法（1 1）積分法）積分法 測量運動體的速度或加速度，經(jīng)過積分或二次積分求得運動體的位移。 例如在慣性導航中，就是通過測量載體的加速度，經(jīng)過二次積分而求得載體的位移。（2 2）線位移和角位移相互轉換）線位移和角位移相互轉換 被測量是線位移時，若測量角位移更方被測量是線位移時，若測量角位移更方便，則可用間接測量方法，通過測角位移再便，則可用間接測量方法，通過測角位移再換算成線位移。換算成線位移。同樣，被測量是角位移時，也可先測線位移再進行轉換。 例如汽車的里程表，是通過測量車輪轉數(shù)再乘以周長而得到汽車的里程的。（3 3）位移傳感器法）位移傳感器法 通過位移傳感器，將被測位移量的變

3、化通過位移傳感器，將被測位移量的變化轉換成電量（電壓、電流、阻抗等）、流量、轉換成電量（電壓、電流、阻抗等）、流量、光通量、磁通量等的變化。光通量、磁通量等的變化。位移傳感器法是目前應用最廣泛的一種方法。 一般來說，在進行位移測量時，要充分利用被測對象所在場合和具備的條件來設計、選擇測量方法。5.1.2 常用的位移傳感器常用的位移傳感器 在很多情況下，位移可以通過位移傳感器在很多情況下，位移可以通過位移傳感器直接測得。直接測得。 用于線位移測量的傳感器的種類很多，較常見的線位移傳感器的主要特點及使用性能列于表5.1中。表表5.1 5.1 常用線位移傳感器的性能與特點常用線位移傳感器的性能與特點

4、 型型 式式測量范圍測量范圍精確度精確度線性度線性度特特 點點變變阻阻式式滑滑 線線1300mm0.1%0.1%分辨力較高，機械結分辨力較高，機械結構不牢固，大位移時構不牢固，大位移時在電刷上加杠桿機構在電刷上加杠桿機構變阻變阻器器11000mm0.5%0.5%結構牢固，壽命長，結構牢固，壽命長，分辨力較差，電噪聲分辨力較差，電噪聲大大電電阻阻應應變變式式不粘不粘貼貼0.15%應應變變0.1%1%不牢固不牢固粘粘 貼貼0.3%應應變變(23)%1%牢固，使用方便，需牢固，使用方便，需溫度補償和高絕緣電溫度補償和高絕緣電阻阻半導半導體體0.25%應應變變(23)%滿刻度滿刻度2%輸出幅值大，溫度

5、靈輸出幅值大，溫度靈敏性高敏性高電電感感式式差動差動變變壓壓 器器0.15mm(13)%0.5%分辨力高，壽命長，分辨力高，壽命長，后續(xù)電路較復雜后續(xù)電路較復雜螺管螺管式式0.2100mn(0.13)%0.5%測量范圍寬，使用測量范圍寬，使用方便可靠，壽命長，方便可靠，壽命長，動態(tài)性能較差動態(tài)性能較差渦流渦流式式0.25250mm(13)%3%結構簡單，耐油污、結構簡單，耐油污、水，被測對象材料，水，被測對象材料，靈敏度不同，線性靈敏度不同，線性范圍須重校范圍須重校電電容容式式變面變面積積(10-3 10)mm0.005%1%線性范圍大，精確線性范圍大，精確度高，受介質常數(shù)度高，受介質常數(shù)影響

6、大（溫度，濕影響大（溫度，濕度）度）變間變間隙隙(10-8 100)mm0.1%1%分辨力高，非線性分辨力高，非線性較大較大霍爾元件霍爾元件1.5mm0.5% 結構簡單，動態(tài)特性結構簡單，動態(tài)特性好，對溫度敏感好，對溫度敏感感應同步感應同步器器10-3 10000mm2.5m/250mm 模、數(shù)混合測量系統(tǒng)，模、數(shù)混合測量系統(tǒng)，數(shù)顯數(shù)顯長光柵長光柵10-3 1000mm3m/1m 同 上 ， 分 辨 力 高同 上 ， 分 辨 力 高(0.11m)長磁柵長磁柵10-3 10000mm5m/1m 制造簡單，使用方便，制造簡單，使用方便，分辨力分辨力15m霍爾電勢可用下式表示霍爾電勢可用下式表示:

7、金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應?；魻栃?。 （1）霍爾傳感器）霍爾傳感器(2)感應同步器感應同步器 直線式感應同步器的定尺和滑尺，直線式感應同步器的定尺和滑尺， 都由圖中的基板、都由圖中的基板、 絕緣層和繞組構成，絕緣層和繞組構成， 繞組的外面包有一層與繞組絕緣的接繞組的外面包有一層與繞組絕緣的接地屏蔽層，地屏蔽層， 如圖所示。如圖所示。 定尺安裝在靜止的機械設備上，與定尺安裝在靜止的機械設備上，與導軌母線平行；導軌母

8、線平行； 滑尺安裝在活動的機械部件上，與定尺之滑尺安裝在活動的機械部件上，與定尺之間保持均勻的狹小氣隙。間保持均勻的狹小氣隙。 滑尺相對定尺而移動。滑尺相對定尺而移動。感應同步器結構感應同步器結構4l(3)光柵尺光柵尺光柵尺測量原理光柵尺測量原理ddffddBffddW/2WddW/2指示光柵標尺光柵(4)磁柵尺磁柵尺 磁柵傳感器由磁柵（簡稱磁尺）、磁柵傳感器由磁柵（簡稱磁尺）、 磁頭和檢測電路磁頭和檢測電路組成。組成。 磁尺是用非導磁性材料做尺基，磁尺是用非導磁性材料做尺基， 在尺基的上面鍍在尺基的上面鍍一層均勻的磁性薄膜，一層均勻的磁性薄膜， 然后錄上一定波長的磁信號而制然后錄上一定波長的

9、磁信號而制成的。成的。 磁信號的波長磁信號的波長（周期）又稱節(jié)距，（周期）又稱節(jié)距， 用用W表示。表示。 磁信號磁信號的極性是首尾相接，的極性是首尾相接， 在在N、 N重疊處為重疊處為正的最強，正的最強， 在在S、S重疊處為負的最強。重疊處為負的最強。 磁尺的斷面和磁化磁尺的斷面和磁化圖形如圖所示。圖形如圖所示。 磁柵的工作原理磁柵的工作原理以靜態(tài)磁頭為例，它有兩組繞組以靜態(tài)磁頭為例，它有兩組繞組N1和和N2。 其中，其中， N1為勵磁繞組，為勵磁繞組，N2為感應輸出繞組。在勵磁為感應輸出繞組。在勵磁繞組中通入交變的勵磁電流，一般頻率為繞組中通入交變的勵磁電流，一般頻率為5 kHz或或25 k

10、Hz， 幅值約為幅值約為200 mA。 勵磁電流使磁芯的可飽和部分（截面較勵磁電流使磁芯的可飽和部分（截面較小）在每周期內發(fā)生兩次磁飽和。磁飽和時磁芯的磁阻很小）在每周期內發(fā)生兩次磁飽和。磁飽和時磁芯的磁阻很大，磁柵上的漏磁通不能通過鐵芯，輸出繞組不產(chǎn)生感應大，磁柵上的漏磁通不能通過鐵芯，輸出繞組不產(chǎn)生感應電動勢。只有在勵磁電流每周兩次過零時，可飽和磁芯才電動勢。只有在勵磁電流每周兩次過零時，可飽和磁芯才能導磁，磁柵上的漏磁通使輸出繞組產(chǎn)生感應電動勢能導磁，磁柵上的漏磁通使輸出繞組產(chǎn)生感應電動勢e?？??？梢姼袘妱觿莸念l率為勵磁電流頻率的兩倍，而見感應電動勢的頻率為勵磁電流頻率的兩倍，而e的包

11、絡線的包絡線反映了磁頭與磁尺的位置關系，其幅值與磁柵到磁芯漏磁反映了磁頭與磁尺的位置關系，其幅值與磁柵到磁芯漏磁通的大小成正比。通的大小成正比。表表5.2部分測量角位移的傳感器的性能及特點。部分測量角位移的傳感器的性能及特點。型型 式式測量范圍測量范圍精精 確確 度度線性度線性度特特 點點滑線變阻式滑線變阻式03600.1%0.1%結構簡單，測量范圍廣，結構簡單，測量范圍廣，存在接觸摩擦，動態(tài)響應存在接觸摩擦，動態(tài)響應差差變阻器變阻器060轉轉0.5%0.5%耐磨性好，阻值范圍寬，耐磨性好，阻值范圍寬，接觸電阻和噪聲大，附加接觸電阻和噪聲大，附加力矩較大力矩較大差動變壓器式差動變壓器式0120

12、(0.22.0)%0.25%分辨力高，耐用，可測位分辨力高，耐用，可測位移頻率只是激勵頻率的移頻率只是激勵頻率的1/10，后續(xù)電路復雜，后續(xù)電路復雜應變計式應變計式1801% 性能穩(wěn)定可靠，利用應變性能穩(wěn)定可靠，利用應變片和彈性體結合測量角位片和彈性體結合測量角位移移自整角機自整角機3600.170.5%對環(huán)境要求低，有標準系對環(huán)境要求低，有標準系列，使用方便，抗干擾能列，使用方便，抗干擾能力 強 ， 性 能 穩(wěn) ， 可 在力 強 ， 性 能 穩(wěn) ， 可 在1200r/min下工作，精度低，下工作，精度低，線性范圍小線性范圍小旋轉變壓器旋轉變壓器36025小角度時小角度時0.1%微動同步器微動

13、同步器540(0.41)%0.05%分辨力高，無接觸，分辨力高，無接觸，測量范圍小，電路較測量范圍小，電路較復雜復雜電電 容容 式式7025 分辨力高，靈敏度高，分辨力高，靈敏度高，耐惡劣環(huán)境，需屏蔽耐惡劣環(huán)境，需屏蔽圓 感 應 同 步圓 感 應 同 步器器03600.5 分辨力高，可數(shù)顯分辨力高，可數(shù)顯圓光柵圓光柵03600.5 分辨力高，可數(shù)顯分辨力高，可數(shù)顯圓磁柵圓磁柵03601 磁信號可重錄磁信號可重錄角度角度編編碼碼 器器接 觸接 觸式式036010-6/r 分辨力高，可靠性高分辨力高，可靠性高光 電光 電式式036010-8/r （1）圓感應同步器）圓感應同步器 簡稱旋變是一種輸出

14、電壓隨轉子轉角變化的信號元件。簡稱旋變是一種輸出電壓隨轉子轉角變化的信號元件。當勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，輸出繞組的電當勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，輸出繞組的電壓幅值與轉子轉角成正弦、余弦函數(shù)關系，或保持某一比壓幅值與轉子轉角成正弦、余弦函數(shù)關系，或保持某一比例關系，或在一定轉角范圍內與轉角成線性關系。它主要例關系，或在一定轉角范圍內與轉角成線性關系。它主要用于坐標變換、三角運算和角度數(shù)據(jù)傳輸，也可以作為兩用于坐標變換、三角運算和角度數(shù)據(jù)傳輸，也可以作為兩相移相器用在角度相移相器用在角度-數(shù)字轉換裝置中。數(shù)字轉換裝置中。 （2）旋轉變壓器）旋轉變壓器旋轉變壓器一般做成兩極電機

15、旋轉變壓器一般做成兩極電機的形式的形式在定子上有激磁繞組和輔助繞在定子上有激磁繞組和輔助繞組，它們的軸線相互成組，它們的軸線相互成90。在轉子上有兩個輸出繞組在轉子上有兩個輸出繞組正弦輸出繞組和余弦輸出繞組，正弦輸出繞組和余弦輸出繞組，這兩個繞組的軸線也互成這兩個繞組的軸線也互成90.當以一定頻率（頻率通常為當以一定頻率（頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz及及5000Hz等幾種）的激磁電壓加等幾種）的激磁電壓加于定子繞組時，轉子繞組的電于定子繞組時，轉子繞組的電壓幅值與轉子轉角成正弦、余壓幅值與轉子轉角成正弦、余弦函數(shù)關系。弦函數(shù)關系。Z12ZDD21UD13U24DZ3U3Z4

16、當定子繞組中分別通以幅值和頻率相同、相位相當定子繞組中分別通以幅值和頻率相同、相位相差為差為90的交變激磁電壓時，便可在轉子繞組中的交變激磁電壓時，便可在轉子繞組中得到感應電勢得到感應電勢U3，根據(jù)線性疊加原理，根據(jù)線性疊加原理，U3值為激值為激磁電壓磁電壓U1和和U2的感應電勢之和，即的感應電勢之和，即tUUmsin1tUUmcos2)cos()90sin(sin213tkUkUkUUmo（3）編碼器）編碼器格雷碼盤格雷碼盤5.2 速度測量速度測量 5.2.1 速度測量方法速度測量方法速度測量分為線速度測量線速度測量和角速度測量角速度測量。 線速度的計量單位通常用m/s（米/秒）來表示。 角

17、速度測量分為轉速測量轉速測量和角速率測量角速率測量。轉速的計量單位常用r/min（轉/分）來表示，而角速率的計量單位則常用/s（度/秒）或/h（度/小時）來表示。常用的速度測量方法有下述幾種： 微積分法微積分法 線速度和角速度相互轉換測速法線速度和角速度相互轉換測速法 速度傳感器法速度傳感器法（1）微積分法）微積分法 對運動體的加速度信號對運動體的加速度信號a進行積分運算，進行積分運算，得到運動體的運動速度，或者將運動體的位得到運動體的運動速度，或者將運動體的位移信號進行微分也可以得到運動體的速度移信號進行微分也可以得到運動體的速度 例如在振動測量時，應用加速度計測得振動體的振動信號，或應用振

18、幅計測得振動體的位移信號，再經(jīng)過電路進行積分或微分運算而得到振動速度。（2 2）線速度和角速度相互轉換測速法）線速度和角速度相互轉換測速法 線速度和角速度在同一個運動體上是有線速度和角速度在同一個運動體上是有固定關系的，這和線位移和角位移在同一運動固定關系的，這和線位移和角位移在同一運動體上有固定關系一樣。體上有固定關系一樣。在測量時可采取互換的方法測量。 例如測火車行駛速度時，直接測線速度不方便，可通過測量車輪的轉速，換算出火車的行駛速度。（3）速度傳感器法）速度傳感器法 利用各種速度傳感器，將速度信號變利用各種速度傳感器，將速度信號變換為電信號、光信號等易測信號。換為電信號、光信號等易測信

19、號。 速度傳感器法是最常用的一種方法。 磁電式傳感器是利用電磁感應原理，將輸入運動速度變換成感應電勢輸出的傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機械能轉換成易于測量的電信號，是一種有源傳感器。 磁電式傳感器有時也稱作電動式或感應式傳感器， 它只適合進行動態(tài)測量。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡單；零位及性能穩(wěn)定；工作頻帶一般為101000Hz。5.2.2 磁電式速度測量傳感器磁電式速度測量傳感器 磁電式傳感器具有雙向轉換特性，利用其逆轉換效應可構成力(矩)發(fā)生器和電磁激振器等。 根據(jù)電磁感應定律，當W匝線圈在均恒磁場內運動時，設穿過線圈的磁通為，則線圈內的感應電勢e與磁通變化率d/d

20、t有如下關系：dtdWe 根據(jù)這一原理，可以設計成變磁通式和恒磁通式兩種結構型式，構成測量線速度或角速度的磁電式傳感器。下圖所示為分別用于旋轉角速度及振動速度測量的變磁通式結構。 變磁通式結構(a)旋轉型（變磁）； (b)平移型（變氣隙） 其中永久磁鐵1(俗稱“磁鋼”)與線圈4均固定，動鐵心3(銜鐵)的運動使氣隙5和磁路磁阻變化，引起磁通變化而在線圈中產(chǎn)生感應電勢，因此又稱變磁阻式結構。 在恒磁通式結構中，工作氣隙中的磁通恒定，感應電勢是由于永久磁鐵與線圈之間有相對運動線圈切割磁力線而產(chǎn)生。這類結構有兩種，如下圖所示。恒磁通式結構 (a)動圈式；(b)動鐵式 圖中的磁路系統(tǒng)由圓柱形永久磁鐵和極

21、掌、圓筒形磁軛及空氣隙組成。氣隙中的磁場均勻分布，測量線圈繞在筒形骨架上，經(jīng)膜片彈簧懸掛于氣隙磁場中。 當線圈與磁鐵間有相對運動時，線圈中產(chǎn)生的感應電勢e為Blve B氣隙磁通密度(T)； l氣隙磁場中有效匝數(shù)為W的線圈總長度(m) 為llaW(la為每匝線圈的平均長度) v線圈與磁鐵沿軸線方向的相對運動速度(ms-1)。 當傳感器的結構確定后，式中B、la、W都為常數(shù)，感應電勢e僅與相對速度v有關。傳感器的靈敏度為 為提高靈敏度，應選用具有磁能積較大的永久磁鐵和盡量小的氣隙長度，以提高氣隙磁通密度B；增加la和W也能提高靈敏度，但它們受到體積和重量、內電阻及工作頻率等因素的限制。 為了保證傳

22、感器輸出的線性度，要保證線圈始終在均勻磁場內運動。設計者的任務是選擇合理的結構形式、材料和結構尺寸，以滿足傳感器基本性能要求。 BlveS5.3 加速度測量加速度測量 加速度測量是基于測試儀器檢測質量加速度測量是基于測試儀器檢測質量敏感加速度產(chǎn)生慣性力的測量，是一種全敏感加速度產(chǎn)生慣性力的測量，是一種全自主的慣性測量。自主的慣性測量。 加速度的計量單位為m/s2(米/秒2) 。在工程應用中常用重力加速度g=9.81m/s2作計量單位。5.3.1 5.3.1 伺服式加速度測量伺服式加速度測量 伺服式加速度測量是一種按力平衡反饋原理構成的閉環(huán)測試系統(tǒng)。圖5.16(a)是其工作原理圖，圖5.16(b

23、)是其原理框圖。 它由檢測質量m、彈簧k、阻尼器c、位置傳感器Sd、伺服放大器Ss、力發(fā)生器SF和標準電阻RL等主要部分組成。 當殼體固定在載體上感受被測加速度a 后，檢測質量m相對殼體作位移z，此位移由位置傳感器檢測并轉換成電壓，經(jīng)伺服放大器放大成電流，供給力發(fā)生器產(chǎn)生電恢復力，使檢測質量返回到初始平衡位置。系統(tǒng)的力平衡方程為: 其中F為磁電式力發(fā)生器輸出的力 B為磁路氣隙的磁感應強度（T）; L為動圈導線的有效長度（m）。LRBLUBLIFma/靈敏度為: 即Sa僅決定于m、RL、B和L等結構參數(shù)，而與位置傳感器、伺服放大器、彈簧等特性無關。若能采取措施使這些參數(shù)穩(wěn)定和不受溫度等外界環(huán)境的影響，便可達到很高的性能。 伺服加速度測量由于有反饋作用，增強了抗干擾能力，提高了測量精度，擴大了測量范圍。BLmRS