傳感器第八章1課件

第八章速度傳感器第一節(jié)轉(zhuǎn)速傳感器第二節(jié)加速度傳感器第三節(jié)多卜勒效應(yīng)測(cè)速第一節(jié)轉(zhuǎn)速傳感器

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，這里重點(diǎn)介紹基于角速度的傳感器。轉(zhuǎn)動(dòng)角速度等于△t時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移△θ與轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間△t之比 （8-1）當(dāng)△θ（或△t）取得極小時(shí)，稱為瞬時(shí)角速度，角速度的單位為弧度/秒即rad/s。轉(zhuǎn)速通常用單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)來表示，單位為轉(zhuǎn)/分，即r/min。每秒鐘的轉(zhuǎn)數(shù)也稱為轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，它是轉(zhuǎn)動(dòng)周期的倒數(shù)。轉(zhuǎn)速的電測(cè)法很多，按其測(cè)量原理可分為模擬式和數(shù)字式下一頁返回第一節(jié)轉(zhuǎn)速傳感器一、模擬式轉(zhuǎn)速傳感器1、測(cè)速發(fā)電機(jī)它是根據(jù)電磁感應(yīng)原理做成的專門測(cè)速的微型發(fā)電機(jī)，輸出電壓正比于輸入軸上的轉(zhuǎn)速，即（8-2）式中：B——測(cè)速發(fā)電機(jī)中磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位T； r——測(cè)速發(fā)電機(jī)繞組的平均半徑，單位m；l——測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的總有效長度，單位m；

ω——測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度，單位rad/s；n——測(cè)速發(fā)電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。測(cè)速發(fā)電機(jī)可分為直流測(cè)速發(fā)電機(jī)和交流測(cè)速發(fā)電機(jī)兩類。測(cè)速發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是線性好，靈敏度高和輸出信號(hào)大。上一頁下一頁返回第一節(jié)轉(zhuǎn)速傳感器3、離心式轉(zhuǎn)速表離心式轉(zhuǎn)速表的結(jié)構(gòu)原理如圖8-2所示，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，重錘在錘的重力和桿的張力作用下作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。連桿和拉桿的交點(diǎn)在連桿張力和拉桿拉力作用下也作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，而套筒則在重錘離心力作用下通過拉桿沿轉(zhuǎn)軸的軸向方向向上或向下移動(dòng)一個(gè)位移。套筒壓縮或拉伸彈簧，彈簧產(chǎn)生一個(gè)反彈力，從而使套筒達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。由于離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即，彈簧力與套筒位移成正比，即，，二力平衡時(shí)有（8-4）故檢測(cè)出位移量即可知道待測(cè)物的轉(zhuǎn)速。上一頁下一頁返回第一節(jié)轉(zhuǎn)速傳感器4、頻閃轉(zhuǎn)速表頻閃轉(zhuǎn)速表測(cè)量的基本原理是基于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，工作原理如圖8-3所示。頻率可調(diào)的多諧振蕩器4產(chǎn)生某一頻率的等幅信號(hào)，控制頻閃管3發(fā)出相同頻率的閃光至被測(cè)轉(zhuǎn)軸1的反光標(biāo)志2上。設(shè)和fs分fx別表示為閃光頻率和被測(cè)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。當(dāng)fx=fs時(shí)，由于人眼的視覺惰性，反光標(biāo)志看起來似乎在某一位置是靜止有動(dòng)的；當(dāng)fs＞fx時(shí)反光標(biāo)志朝與轉(zhuǎn)軸相反方向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)fs<fx時(shí)，則朝相同方向旋轉(zhuǎn)。這樣重復(fù)數(shù)次，直至看到反光標(biāo)志最亮，且似乎靜止不動(dòng)時(shí)，可從儀器指示盤上直接讀出被測(cè)的轉(zhuǎn)速。頻閃轉(zhuǎn)速表方便靈活，可隨意搬動(dòng)測(cè)試，適用于中、高速測(cè)量，精度約為0.1%～2%。上一頁下一頁返回第一節(jié)轉(zhuǎn)速傳感器二、計(jì)數(shù)式轉(zhuǎn)速傳感器1、測(cè)頻計(jì)數(shù)式測(cè)頻計(jì)數(shù)式的電測(cè)法很多，其共同特點(diǎn)是在指定時(shí)間內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)傳速感器發(fā)出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。若每轉(zhuǎn)1周傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)為同m，T（s）時(shí)間內(nèi)脈沖計(jì)數(shù)值為N，則傳感器脈沖的頻率為（8-5）每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)n為 （8-6）由上式可見，測(cè)定傳感器脈沖的頻率f即可求得轉(zhuǎn)速n。m的數(shù)值最好是60的整數(shù)倍。下面介紹幾種計(jì)數(shù)式轉(zhuǎn)速電測(cè)方法。上一頁下一頁返回第一節(jié)轉(zhuǎn)速傳感器由于感應(yīng)電勢(shì)的幅值取決于切割磁力線的速度，因而也與轉(zhuǎn)速成一定比例。當(dāng)轉(zhuǎn)速太低時(shí)，輸出電勢(shì)很小，以致無法測(cè)量。所以磁電式轉(zhuǎn)速傳感器有一個(gè)是限工作頻率為50Hz（閉磁路式的下限頻率可降到30Hz）。其上工作頻率可達(dá)100kHz。磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器采用轉(zhuǎn)速－脈沖變換電路如圖8-5所示。傳感器感應(yīng)電壓由二極管V削去負(fù)半周，送到V1進(jìn)行放大，再由射極跟隨器V2送入V3和V4組成的射極耦合觸發(fā)器進(jìn)行整形，這樣就得到方波輸出信號(hào)。上一頁下一頁返回第一節(jié)轉(zhuǎn)速傳感器(2)電渦流式和電容式轉(zhuǎn)速傳感器圖8-4（a）中的磁電式傳感器若換成電渦流式傳感器就構(gòu)成電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器。當(dāng)金屬齒輪隨被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電渦流傳感器線圈電感將周期性變化，其變化頻率也由（8-5）式?jīng)Q定。圖8-4（a）中磁電式傳感器若換成變面積式電容傳感器就構(gòu)成電容式轉(zhuǎn)速傳感器，如圖8-6所示，當(dāng)齒輪隨被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容傳感器的電容也周期性變化，其變化頻率也由（8-5）式?jīng)Q定。上一頁下一頁返回第一節(jié)轉(zhuǎn)速傳感器(3)霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器原理如圖8-7所示。圖（a）所示是將一非磁性圓盤固定在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上，圓盤的周邊上等距離地嵌裝著個(gè)永磁鐵氧體，相鄰兩鐵氧體的極性相反。由磁導(dǎo)體和置于磁導(dǎo)體間隙中的霍爾元件組成測(cè)量頭（見圖（a）右上角），磁導(dǎo)體盡可能安裝在鐵氧體邊上。當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾元件感受的磁場(chǎng)強(qiáng)度周期性變化，霍爾元件輸出正負(fù)交變的周期電勢(shì)。圖（b）是在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒輪狀的磁導(dǎo)體，對(duì)著齒輪固定著一個(gè)馬蹄形的永久磁鐵，霍爾元件粘貼在磁極的端面上。當(dāng)被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)齒輪狀磁導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)，于是霍爾元件磁路中的磁阻發(fā)生周期性變化，使霍爾元件感受的磁場(chǎng)強(qiáng)度也發(fā)生周期性變化，從而輸出一系列頻率與轉(zhuǎn)速成比例的單向電壓脈沖。上一頁下一頁返回第一節(jié)轉(zhuǎn)速傳感器透射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理如圖8-8（b）所示。固定在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)盤4的圓周上開有m道徑向透光的縫隙，不動(dòng)的指示盤3具有和旋轉(zhuǎn)盤相同間距的縫隙，兩盤縫隙重合時(shí)，光源1發(fā)出的光線便經(jīng)透鏡2照射在光電元件5上，形成光電流。當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤隨被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)過一條縫隙，光電元件接受的光線就發(fā)生一次明暗變化，因而輸出一個(gè)電脈沖信號(hào)是。由此產(chǎn)生的電脈沖的頻率f在縫隙數(shù)目m確定后與軸的轉(zhuǎn)速成正比，如式（8-5）所示。采用這種結(jié)構(gòu)可以大大增加增加旋轉(zhuǎn)盤早的縫隙數(shù)目，使被測(cè)軸每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的電脈沖數(shù)增加，從而提高轉(zhuǎn)速測(cè)量精度。上一頁下一頁返回第一節(jié)轉(zhuǎn)速傳感器(5)圓柵式轉(zhuǎn)速傳感器圓感應(yīng)同步器、圓光柵、圓磁柵均可用于轉(zhuǎn)速的精密測(cè)量。這里再介紹另一種圓柵＿柱狀圓容柵傳感器，它是由同軸安裝的定子（圓筒）和轉(zhuǎn)子（圓柱）組成，在定子內(nèi)表面和轉(zhuǎn)子外表面刻制一系列寬度相等的齒和槽，因此也稱多齒電容傳感器，如圖8-9（a）所示，（8-7）式中：m——定子和轉(zhuǎn)子的齒槽數(shù)。上一頁下一頁返回第一節(jié)轉(zhuǎn)速傳感器當(dāng)定子與轉(zhuǎn)子的齒在相對(duì)時(shí)電容量最大，錯(cuò)開時(shí)電容量最小，電容量C與轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系如圖8-9（b）所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子隨被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容變化頻率f與轉(zhuǎn)還n的關(guān)系也由（8-5）式?jīng)Q定。雖然圖8-6中電容變化也與圖8-9（b）所示曲線一樣，但其Cmax與Cmin均只有多齒電容傳感器的1/m，也就是多齒電容傳感器的電容變化幅度將是圖8-6中普通電容傳感器的倍。容柵也像光柵、磁柵、感應(yīng)同步器一樣可以采用電子細(xì)分的方法，進(jìn)一步提高對(duì)角位移的分辨率，這樣就能進(jìn)一步提高瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量的精確度。上一頁下一頁返回第一節(jié)轉(zhuǎn)速傳感器若計(jì)時(shí)脈沖的頻率為f0，△ti時(shí)間內(nèi)計(jì)入時(shí)間脈沖個(gè)數(shù)為Ni，則

通常將每轉(zhuǎn)一周均勻分為m個(gè)測(cè)點(diǎn)，每相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的間距均為，只要測(cè)出段△θ所用時(shí)間△ti的計(jì)時(shí)脈沖數(shù)Ni，據(jù)（8-9）式及（8-10）式即可求出每個(gè)測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)角速度s上一頁下一頁返回（8-10）（8-11）第一節(jié)轉(zhuǎn)速傳感器這種測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法稱為測(cè)時(shí)法，這種方法的特點(diǎn)是反轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)化為時(shí)間的測(cè)量。若被測(cè)轉(zhuǎn)軸以勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，則各瞬時(shí)角速度相等，都為（8-12）由上式可見，m和N越大，f越小，ω的測(cè)量精度越高。從電子細(xì)分觀點(diǎn)看，上式中m要視為空間細(xì)分?jǐn)?shù)，N可視為時(shí)間細(xì)是數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)速很慢時(shí)，通常是測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)周期來反映轉(zhuǎn)動(dòng)快慢，若每轉(zhuǎn)1/m周計(jì)入的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)為N，時(shí)鐘脈沖周期為T0，則轉(zhuǎn)動(dòng)周期為（8-13）上一頁返回第二節(jié)加速度傳感器一、電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖8-10所示。質(zhì)量塊4由兩根簧片3支撐置于充滿空氣的殼體2內(nèi)。當(dāng)測(cè)量垂直方向上的直線加速度時(shí)，傳感器殼體固定在被測(cè)振動(dòng)體上，振動(dòng)體的振動(dòng)使殼體相對(duì)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)，因而與殼體2固定的在一起的兩固定極板1、5相對(duì)質(zhì)量塊4運(yùn)動(dòng)，致使上固定極板5與質(zhì)量塊4的A面（磨平拋光）組成的電容Cx1值以及下固定極板1與質(zhì)量塊4的B面（磨平拋光）組成的電容Cx2值隨之改變，一個(gè)增大，一個(gè)減小，它們的差值正比于被測(cè)加速度。由于采用空氣阻尼，氣體粘度的溫度系數(shù)比液體小得多，因此這種加速度傳感器的精密較高，頻率響應(yīng)范圍寬，量程大，可以測(cè)很高的加速度值。下一頁返回第二節(jié)加速度傳感器壓阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)與圖8-12(a)相似，只不過是直接用單晶硅作懸臂梁，并在梁的根部擴(kuò)散4個(gè)電阻組成差動(dòng)電橋，梁的自由端仍裝有慣性質(zhì)量塊。圖8-12(b)為張絲式加速度傳感器，質(zhì)量塊3由彈性支承1支承在基座4上，電阻絲2連在活動(dòng)質(zhì)量塊與基座之間，作為“”系統(tǒng)中彈簧的一部分，感受質(zhì)量塊的位移。當(dāng)質(zhì)量塊相對(duì)于基座橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，一組電阻絲被拉伸，另一組電阻絲被壓縮，電阻相對(duì)變化通過電橋轉(zhuǎn)換成電壓輸出。圖8-12(a)所示用以測(cè)量垂直方向加速度；(b)所法用以測(cè)量水平方向加速度，如果把二者安裝方向轉(zhuǎn)過90°，也可以分別測(cè)量橫向加速度和豎向加速度。上一頁下一頁返回第二節(jié)加速度傳感器四、霍爾式加速度傳感器圖8-13為霍爾式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。彈簧片S的一端固定在傳感器外殼上，中總裝主有質(zhì)量塊m，末端裝有霍爾元件H，在霍爾元件上下方裝有一對(duì)永久磁鐵，它們同極性（N，N）相對(duì)安裝在傳感器外殼上。傳感器外殼固定在被測(cè)振動(dòng)體上，當(dāng)被測(cè)物體作垂直方向振動(dòng)時(shí)，其振動(dòng)速度轉(zhuǎn)換為霍爾元件在磁場(chǎng)中的位移而產(chǎn)生相應(yīng)的霍爾電勢(shì)，由霍爾電勢(shì)值可求得加速度。加速度在-14×10-3g~-14×10-3g范圍同內(nèi)，輸出霍爾電勢(shì)與加速度之間有較好的線性關(guān)系。上一頁下一頁返回第二節(jié)加速度傳感器五、壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。因其固定頻率高，高頻（幾~十幾kHz范圍）響應(yīng)好，如配以電荷放大器，低頻特性也很好（可低至0.3Hz）。壓電加速度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、缺點(diǎn)是要經(jīng)常校正靈敏度。圖8-14是一種壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。圖中壓電元件由兩片壓電片組成，采用并聯(lián)接法，一根引線接至兩片壓電片中間的金片上，另一端直接與基座相連。壓電片通常采用壓電陶瓷制成。壓電片上放一塊重金屬制成的質(zhì)量塊，用一彈簧壓緊，對(duì)壓電元件施加預(yù)負(fù)載。整個(gè)組件裝在一個(gè)有厚基座的金屬殼體中，殼體和基座約占整個(gè)傳感器重量的一半。上一頁下一頁返回第二節(jié)加速度傳感器壓電加速度傳感器的另一種結(jié)構(gòu)形式是利用壓電元件的切變效應(yīng)，它的結(jié)構(gòu)如圖8-15所示。壓電元件是一個(gè)壓電陶瓷圓筒，它在組裝前先在與圓筒軸向垂直的平面上涂上預(yù)備電極，使圓筒沿軸向極化，極化后磨去預(yù)備電極，將圓筒套在傳感器底座的圓柱上；壓電元件外面再套上慣性質(zhì)量環(huán)。當(dāng)傳感器受到振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量環(huán)的振動(dòng)由于慣性有一滯后，這樣在壓電元件上就出現(xiàn)剪切應(yīng)力，產(chǎn)生剪切形變，從而在壓電元件的內(nèi)外表面上產(chǎn)生電荷，其電場(chǎng)方向向垂直于極化方向。這種結(jié)構(gòu)有很高的靈敏度，而且橫向靈敏度小，受環(huán)境的影響也比較小。上一頁下一頁返回第二節(jié)加速度傳感器彎曲型壓電加速度計(jì)由特殊壓電懸臂梁構(gòu)成，如圖8-16所示。它有很高的靈敏度和很低的頻率響應(yīng)，主要用于醫(yī)學(xué)上和其他低頻響應(yīng)的領(lǐng)域，如地殼和建筑物的振動(dòng)等。圖8-17示出了差動(dòng)式壓電加速度傳感器斬結(jié)構(gòu)圖，它有效地消除了橫向效應(yīng)。在測(cè)量加速度時(shí)，兩組壓電元件組成差分輸出，而在橫向效應(yīng)作用時(shí)它們是同相輸出，因此相互抵消了，環(huán)境的影響也就大大削弱了。上一頁返回第三節(jié)多卜勒效應(yīng)測(cè)速一、多卜勒效應(yīng)假若發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離發(fā)生變化，則發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)的頻率與接收機(jī)收到信號(hào)的頻率不同。此現(xiàn)象是由多卜勒發(fā)現(xiàn)的，所以稱為多卜勒效應(yīng)。如果發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在同一地點(diǎn)，兩者無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而被測(cè)物體以速度v向發(fā)射機(jī)和接收機(jī)運(yùn)動(dòng)，我們可以把被測(cè)物體對(duì)信號(hào)的反射現(xiàn)象看成是一個(gè)發(fā)射機(jī)。這樣，接收機(jī)和被測(cè)物體之間因有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以就產(chǎn)生了多卜勒效應(yīng)。下一頁返回第三節(jié)多卜勒效應(yīng)測(cè)速如果把f1做為反射波向接收機(jī)發(fā)射信號(hào)，如圖8-18(b)所示。接收機(jī)接收到的信號(hào)頻率為由于被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于電磁波的傳播速度，則可認(rèn)為，那么由多卜勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻率之差稱為多卜勒頻率，即從上式可以看到被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度可以用多卜勒頻率來描述。上一頁下一頁返回第三節(jié)多卜勒效應(yīng)測(cè)速二、多卜勒雷達(dá)測(cè)速多卜勒雷達(dá)的電路原理框圖，如圖8-19所示。它由發(fā)射機(jī)、接受機(jī)、混頻器、檢波器、放大器及處理電路等組成。當(dāng)發(fā)射信號(hào)和接收到的回波信號(hào)經(jīng)混頻器混頻后，兩者產(chǎn)生差頻現(xiàn)象，差頻的頻率正好為多卜勒頻率。利用多卜勒雷達(dá)可以對(duì)被測(cè)物體的線速度和轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。圖8-20是檢測(cè)線速度的工作原理圖。多卜勒雷達(dá)產(chǎn)生的多卜勒