位移及速度檢測(cè)素材課件

第6章

位移及速度檢測(cè)位移及速度是描述物體運(yùn)動(dòng)的量，可將其稱為n運(yùn)動(dòng)量。運(yùn)動(dòng)量是最基本的量，運(yùn)動(dòng)量測(cè)量是最基本、n最常見(jiàn)的測(cè)量，它是許多物理量，如力、壓力、振動(dòng)等測(cè)量的前提。位移分線位移和角位移。n按位移結(jié)果分:將位移轉(zhuǎn)化為模擬量；將位移轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；?按位移大小分:微小位移檢測(cè)；小位移檢測(cè)；大位移檢測(cè)；?速度分線速度和角速度。n6.1電感式傳感器電感式傳感器是利用被測(cè)量的變化引起線圈自n感或互感系數(shù)的變化，導(dǎo)致線圈電感量改變來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。電感式傳感器的工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng)定律n6.1.1電感式傳感器的工作原理及分類電感式傳感器亦可稱為自感式傳感器或可變磁n阻式傳感器。傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯n和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。6.1.1電感式傳感器的工作原理及分類工作原理：鐵芯和銜鐵n之間有氣隙，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度δ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，線圈中的電感為：因此只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定根據(jù)磁路歐姆定律：銜鐵位移量的大小和方向。合并兩式可得：6.1.1電感式傳感器的工作原理及分類上式中,R

為磁路總磁阻。氣隙很小，可以認(rèn)為氣隙中nm的磁場(chǎng)是均勻的。

若忽略磁路磁損，

則磁路總磁阻為通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，

即n6.1.1電感式傳感器的工作原理及分類將以上各式聯(lián)立，即得到：n上式表明：當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí)，電感L僅僅n是磁路中磁阻R

的函數(shù)，改變?chǔ)幕駻

均可導(dǎo)致m0電感變化。變磁阻式傳感器可分為變氣隙厚度δ(變間隙式)n的傳感器和變氣隙截面積A

的傳感器以及0同時(shí)改變?chǔ)暮虯

的電感傳感器(螺管式)。06.1.1電感式傳感器的工作原理及分類電感式傳感器的分類：n變間隙型電感傳感器電感式傳感器自感型互感型變面積型電感傳感器螺線管型電感傳感器6.1.2電感式傳感器的輸出特性一、變氣隙型電感傳感器n

當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí)，初始電感量為n

當(dāng)銜鐵上移Δδ時(shí)，傳感器氣隙減小Δδ，即δ=δ

-Δδ，

則0此時(shí)輸出電感為6.1.2電感式傳感器的輸出特性當(dāng)Δδ/δ

<<1時(shí)，進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)n0可求得電感增量ΔL和初始電感L

的相對(duì)增量n0ΔL/L

的表達(dá)式，即06.1.2電感式傳感器的輸出特性同理，當(dāng)銜鐵隨被測(cè)體的初始位置向下移動(dòng)Δδ時(shí)，有：n對(duì)上列等式作線性處理，可得：n靈敏度為：n6.1.2電感式傳感器的輸出特性結(jié)論：變氣隙型自感式傳感器的靈敏度較高；n非線性嚴(yán)重，自由行程小，制造裝配困難。n適用于測(cè)量微小位移場(chǎng)合。n6.1.2電感式傳感器的輸出特性二、變截面型電感傳感器保持磁導(dǎo)率μ和氣隙長(zhǎng)度l固定不變，只改變氣n隙有效截面積S，即以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(cè)量。其結(jié)構(gòu)原理如上圖所示。6.1.2電感式傳感器的輸出特性變截面型自感式傳感器其轉(zhuǎn)換關(guān)系是線性的；同時(shí)，其靈敏度K為常數(shù)。n變面積式傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條n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。6.1.2電感式傳感器的輸出特性三、螺管式電感傳感器磁場(chǎng)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)系,且靈敏度較低；n測(cè)量范圍廣；n結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配容易，且螺管可做得較長(zhǎng)，故n宜于測(cè)量較大的位移。6.1.3差動(dòng)電感傳感器原理為了提高測(cè)量的靈敏度，減小非線性誤差，實(shí)n際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器。6.1.3差動(dòng)電感傳感器原理當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，線圈總的電感變化量ΔLn對(duì)上式進(jìn)行線性處理，即忽略高次項(xiàng)得n6.1.3差動(dòng)電感傳感器原理靈敏度K為從上列各式可以得到：差動(dòng)變間隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈n式傳感器的兩倍。單線圈是忽略

以上高次項(xiàng)，差動(dòng)式是忽n略

以上高次項(xiàng)，因此差動(dòng)式自感式傳感器線性度得到明顯改善。6.1.3差動(dòng)電感傳感器原理與單邊式相比，差動(dòng)電感傳感器有如下優(yōu)點(diǎn)：n1.靈敏度提高一倍；2.具有溫度自補(bǔ)償作用，抗外磁場(chǎng)干擾能力強(qiáng)；3.電磁吸力相互抵消，線性度高。6.1.4電感式位移計(jì)一、軸向電感式位移計(jì)的結(jié)構(gòu)二、電感式位移計(jì)的測(cè)量電路1導(dǎo)線2固定磁通3銜鐵4線圈5彈簧6防轉(zhuǎn)銷7鋼球?qū)к?測(cè)桿9密封套10可換測(cè)頭A、B兩點(diǎn)的電位差即輸出電壓n1.銜鐵處于中間位置時(shí)，輸出電壓為2.銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，輸出電壓為3.銜鐵向下移動(dòng)時(shí)，輸出電壓為由上面兩個(gè)式子可知，當(dāng)測(cè)桿的鐵心，由平衡位置上下移動(dòng)相同的距離、產(chǎn)生相同電感增量時(shí)，電橋空載輸出電壓大小相等而符號(hào)相反，由此測(cè)得位移大小和方向。6.1電感式傳感器電感式傳感器與其它傳感器相比，具有以下特點(diǎn)：1.

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，測(cè)量力??；2.

分辨率高，能測(cè)量0.1μm甚至更小的機(jī)械位移，能感受0.1角秒的微小角位移；3.

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。4.

其主要缺點(diǎn)是存在零點(diǎn)殘余電壓，靈敏度、線性度和測(cè)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(dòng)態(tài)測(cè)量。6.2差動(dòng)變壓器位移計(jì)把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感系數(shù)變化n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(jí)繞組用差動(dòng)形式連接，故稱差動(dòng)變壓器式傳感器。6.2.1差動(dòng)變壓器工作原理及特性差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)如圖所示。n6.2.1差動(dòng)變壓器工作原理及特性當(dāng)鐵芯處于中間位置時(shí)，輸出電壓:n當(dāng)鐵芯向右移動(dòng)時(shí)，則輸出電壓:n當(dāng)鐵芯向左移動(dòng)時(shí)，則輸出電壓:n?

輸出電壓的方向反映了鐵芯的運(yùn)動(dòng)方向，大小反映了鐵芯的位移大小。6.2.1差動(dòng)變壓器工作原理及特性輸出特性如圖所示。n當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí)，n差動(dòng)變壓器輸出電壓并不等于零。我們把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓，記作U

，它的存在零點(diǎn)殘余電壓的危害：δ使傳感器的輸出特性不給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)誤差；nn經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致。使零位附近變得不靈敏。6.2.1

差動(dòng)變壓器的工作原理及特性減小零點(diǎn)殘余的方法：I.盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)及磁路的對(duì)稱。磁性材料要經(jīng)過(guò)處理，消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其性能均勻穩(wěn)定。II.選用合適的測(cè)量電路，如采用相敏整流電路。既可判別銜鐵移動(dòng)方向又可改善輸出特性，減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。III.采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)在差動(dòng)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(shí)，可使零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)減小。6.2.2差動(dòng)變壓器位移計(jì)總行程：2

～

7mm測(cè)量力：0.9～1.2N示值變動(dòng)性：0.5μm總行程：100mm線性度：0.15%6.2.2差動(dòng)變壓器位移計(jì)一、差動(dòng)變壓器位移計(jì)的結(jié)構(gòu)1測(cè)頭；2軸套；3測(cè)桿；4活動(dòng)鐵心；5線圈架；6導(dǎo)線；7屏蔽筒；8圓片彈簧；9彈簧；10防塵罩6.2.2

差動(dòng)變壓器位移計(jì)二、差動(dòng)變壓器位移計(jì)的測(cè)量電路1.大位移測(cè)量電路電路如圖所示。只測(cè)位移大小時(shí)，?用圖a、b電路；大小、方向都測(cè)?時(shí)，用圖c、d的相敏檢波電路。6.2.2

差動(dòng)變壓器位移計(jì)2.微小位移測(cè)量電路DGS—20C/A型測(cè)微儀的框圖如示。6.3電位器傳感器被測(cè)量的變化導(dǎo)致電位器阻值變化的敏感元件稱為電位n器傳感器。6.3.1電位器傳感器基本工作原理電位計(jì)式電阻傳感器的結(jié)構(gòu)如圖，圖(a)為直線式電位計(jì)，可測(cè)線位移；(b)為旋轉(zhuǎn)式電位計(jì)，可測(cè)角位移。6.3.2

電位器傳感器輸出特性（R

>20R，RL非線性誤差小于1.5%）6.3.3電位器傳感器結(jié)構(gòu)1.電阻絲：對(duì)電阻絲的要求是：電阻系數(shù)大，溫度系數(shù)小，對(duì)銅的熱電勢(shì)應(yīng)盡可能小，常用材料有：銅鎳合金類、銅錳合金類、鎳鉻絲等。2.骨架：對(duì)骨架材料要求形狀穩(wěn)定表面絕緣電阻高，有較好的散熱能力。常用的有陶瓷、酚醛樹(shù)脂和工程塑料等。3.電刷：電刷與電阻絲材料應(yīng)配合恰當(dāng)、接觸電勢(shì)小，并有一定的接觸壓力。這能使噪聲降低。6.3.4電位計(jì)式位移傳感器YHD型電位計(jì)式位移傳感器的結(jié)構(gòu)如圖。n測(cè)量軸1與被測(cè)物體接觸，當(dāng)有位移輸入n時(shí)，測(cè)量從軸便沿導(dǎo)軌5運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)電刷3移動(dòng)。6.5

光柵位移測(cè)試光柵式位移傳感器，也稱計(jì)量光柵，主要用于長(zhǎng)n度和角度的精密測(cè)量。6.5.1光柵的基本結(jié)構(gòu)一、光柵：光柵是在透明的玻璃上刻有大量平行等寬等距的刻線構(gòu)成的，結(jié)構(gòu)如圖。1.柵線：平行等距的刻線2.光柵柵距(光柵節(jié)距或光柵常數(shù))：d=a+b6.5

光柵位移測(cè)試二、光柵的分類光柵按其用途分長(zhǎng)光柵和圓光柵兩類。計(jì)量光柵分類見(jiàn)圖。6.5.2光柵傳感器的工作原理一、光柵傳感器的組成光柵傳感器的組成如圖所示。光柵傳感器由光柵、光路、光電元件和轉(zhuǎn)換電路等組成。指示光柵應(yīng)置于主光柵的費(fèi)涅耳第一焦面上，其間的距離為：W為柵距；λ為波長(zhǎng)6.5.2

光柵傳感器的工作原理二、莫爾條紋1.莫爾條紋：光柵式傳感器的基本工作原理是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。莫爾條紋如圖所示。在刻線重合處，光從縫隙透過(guò)形成亮帶；在刻?線錯(cuò)開(kāi)的地方，形成黑帶。6.5.2

光柵傳感器的工作原理2.莫爾條紋的特征(1)運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系：莫爾條紋的移動(dòng)量和移動(dòng)方向與主光柵相對(duì)于指示光柵的位移量和方向有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如圖所示。6.5.2

光柵傳感器的工作原理(2)減小誤差：莫爾條紋對(duì)光柵的刻線誤差有平均作用，能在很大程度上消除柵距局部誤差和短周期誤差影響。(3)位移放大：莫爾條紋的間距隨著光柵線紋交角而改變，其關(guān)系如下：從上式可知，θ越小，條紋間距B將變得越大，莫爾條紋有放大作用，其放大倍數(shù)為：6.5.2

光柵傳感器的工作原理三、光柵的信號(hào)輸出主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋變化一個(gè)周期，莫爾條紋的變化近似為正弦波形，可看成是在一個(gè)直流分量上的疊加，即：x—主光柵與指示光柵間瞬時(shí)位移6.6碼盤式傳感器碼盤又稱角數(shù)字編碼器，是將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的模n擬量（位移）轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號(hào)的傳感器。碼盤式傳感器是以編碼器為基礎(chǔ)的，它是測(cè)n量軸角位置和位移的方法之一。優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度和分辨力高，抗干擾能力強(qiáng)，n能避免在讀標(biāo)尺和曲線圖時(shí)產(chǎn)生的人為誤差，便于用計(jì)算機(jī)處理。6.6碼盤式傳感器編碼器的種類很多，

主要分為脈沖盤式（增n量編碼器）和碼盤式編碼器（絕對(duì)編碼器），其關(guān)系如下所示：脈沖盤式編碼器(增量編碼器)編碼器接觸式編碼器電磁式編碼器光電式編碼器碼盤式編碼器(絕對(duì)編碼器)6.6.1增量式編碼器增量式編碼器的輸出是一系列脈沖，需要一個(gè)n計(jì)數(shù)系統(tǒng)對(duì)脈沖進(jìn)行加減(正向或反向旋轉(zhuǎn)時(shí))累計(jì)計(jì)數(shù)，一般還需要一個(gè)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)即零位基準(zhǔn)，才能完成角位移測(cè)量。碼盤光源光電元件Z零位脈沖A增量脈沖B辨向脈沖增量式編碼器的結(jié)構(gòu)圖6.6.1增量式編碼器圖中的信號(hào)A和B是相位差90度的方波。若A相n超前于B相，對(duì)應(yīng)工作軸正向旋轉(zhuǎn)；若B相超前于A相，對(duì)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(jì)數(shù)脈沖，可形成代表正向角位移和反向角位移的脈沖序列。每當(dāng)工作軸旋轉(zhuǎn)一周，光電元件就產(chǎn)生一個(gè)Zn相一轉(zhuǎn)基準(zhǔn)脈沖信號(hào)。碼盤光電元件光源Z零位脈沖A增量脈沖B辨向脈沖增量式編碼器的結(jié)構(gòu)圖6.6.2碼盤式傳感器(光電碼盤式)用光電方法把被測(cè)角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號(hào)的傳感器。n光電碼盤式傳感器主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤(碼盤)、狹縫以及安裝在圓盤兩邊的光源、柱面鏡和光敏元件組成。基本結(jié)構(gòu)如圖所示。n6.6.2

碼盤式傳感器(光電碼盤式)一、二進(jìn)制碼盤如圖所示是一個(gè)四位二進(jìn)制碼盤，涂黑部分輸出為

0，空白部分輸出為

1。共

4圈碼道，從內(nèi)到外依次為C

、C

、C

、C

碼道。4

3

2

16.6.2

碼盤式傳感器(光電碼盤式)如圖所示的4位二進(jìn)制碼盤，最內(nèi)圈n碼盤一半透光，

一半不透光，最外圈一共分成2

=16個(gè)黑白間隔。每一4個(gè)角度方位對(duì)應(yīng)于不同的編碼。例如零位a對(duì)應(yīng)于0000（全黑）；第7個(gè)方位h對(duì)應(yīng)于0111。這樣在測(cè)量時(shí)，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(dòng)的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。一個(gè)n位二進(jìn)制碼盤的最小n分辨率，即能分辨的角度為α=360°/2一個(gè)4位二進(jìn)制碼盤，

其最小分辨的角度α=22.5°。n，6.6.2

碼盤式傳感器(光電碼盤式)二進(jìn)制碼盤的特點(diǎn)為：n1.n位的二進(jìn)制碼盤具有2n種不同編碼，其容量為2n，分辨角度為：2.二進(jìn)碼為有權(quán)碼，編碼Cn

Cn-1…C1對(duì)應(yīng)于零位算起的轉(zhuǎn)角為:6.6.2

碼盤式傳感器(光電碼盤式)二進(jìn)制碼盤的誤差：n原因：信號(hào)檢測(cè)元件不同步或碼道制作中不精確。誤差：由于刻劃誤差等原因，

某一較高位提前或延后改變，就會(huì)造成粗誤差(非單值性誤差)。h位置時(shí)，若碼道C

黑區(qū)做得太短，4就會(huì)誤讀為1111。i位置時(shí)，若碼道C4黑區(qū)做得太長(zhǎng)，就會(huì)誤讀為0000。6.6.2

碼盤式傳感器(光電碼盤式)為了消除粗誤差，可用循環(huán)碼代替二進(jìn)制碼。n循環(huán)碼是一種無(wú)權(quán)碼，從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時(shí)，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(gè)碼道出現(xiàn)讀數(shù)誤差，產(chǎn)生的誤差最多只是最低的一位數(shù)。6.6.2

碼盤式傳感器(光電碼盤式)二、循環(huán)碼碼盤圖是一個(gè)四位的循環(huán)碼盤，表

是十進(jìn)制數(shù)、二進(jìn)制數(shù)及四位循環(huán)碼的對(duì)照表。二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成循環(huán)碼的規(guī)則是：二進(jìn)制碼與其本身右移一位后并舍去末位的數(shù)作不位加法得循6.6.2

碼盤式傳感器(光電碼盤式)表6.6.2

碼盤式傳感器(光電碼盤式)若R表示循，C二制，：n循環(huán)碼變成二進(jìn)制碼的關(guān)系式為：n6.6.2

碼盤式傳感器(光電碼盤式)二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換電路如圖。n6.6.2

碼盤式傳感器(光電碼盤式)二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換電路如圖。n6.6.3光電碼盤的應(yīng)用增量編碼器除直接用于測(cè)量相對(duì)角位移外，常n用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。最簡(jiǎn)單的方法就是在給定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)編碼器的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，它所測(cè)量的是平均轉(zhuǎn)速。6.6.3光電碼盤的應(yīng)用在某些場(chǎng)合，用旋轉(zhuǎn)式光電增量編碼器來(lái)測(cè)n量線位是一種有效的方法。這時(shí)，須利用一套機(jī)械裝置把線位移轉(zhuǎn)換成角位移。測(cè)量系統(tǒng)的精度將主要取決于機(jī)械裝置的精度。6.6.3光電碼盤的應(yīng)用6.7.1激光式傳感器1.定由于激光器、光學(xué)零件和光器件所構(gòu)成的激光量裝置能將被量(如度、流量、速度等)信號(hào)。因此廣上也可將激光量裝置稱激光感器。2.激光的特性(1)方向性強(qiáng)(2)色性好(3)亮度高(4)相干性好3.激光干涉感器原理的基本公式n——空氣折射率——真空中光波波N——干涉條明暗化的數(shù)目6.8磁電感應(yīng)式速度傳感器磁電感應(yīng)式傳感器也稱為感應(yīng)式傳感器或電動(dòng)式n傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理（導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)），將輸入運(yùn)動(dòng)速度變換成感應(yīng)電勢(shì)輸出的傳感器。n把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)（機(jī)-電能量變換型傳感器）。nn具有雙向轉(zhuǎn)換特性，利用其逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)可構(gòu)成力（矩）發(fā)生器和電磁激振器等。6.8.1傳感器工作原理及測(cè)量電路一、磁電感應(yīng)式傳感器工作原理根據(jù)電磁感應(yīng)定律,當(dāng)N匝線圈在均恒磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)n時(shí),設(shè)穿過(guò)線圈的磁通為Φ,則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)e與磁通變化率有如下關(guān)系:導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)切割磁場(chǎng)：e

=Blvn6.8.1傳感器工作原理及測(cè)量電路磁電感應(yīng)式傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。n1線圈；2運(yùn)動(dòng)部分；3永久磁鐵6.8.1傳感器工作原理及測(cè)量電路線圈在磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，它所產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)為：n線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為：n綜上可知，磁電傳感器可用來(lái)測(cè)定線速度和角速度。n6.8.1傳感器工作原理及測(cè)量電路二、磁電感應(yīng)式傳感器測(cè)量電路位移、速度和加速度測(cè)量電路如圖所示。開(kāi)關(guān)置2，測(cè)速度，置1，接積分裝置，輸出為位移，置3，接微分環(huán)節(jié)，輸出為加速度。6.8.2電感應(yīng)式傳感器的靈敏度K直線運(yùn)動(dòng)的磁電感應(yīng)式傳感器，其靈敏度為：n旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的磁電感應(yīng)式傳感器，其靈敏度為：n可見(jiàn)，要提高系統(tǒng)靈敏度，總是希望增加線圈匝數(shù)Nn和導(dǎo)線長(zhǎng)度。但必須注意：線圈電阻和負(fù)載電阻的匹配；線圈的發(fā)熱和溫度影響（耗散功率）。6.8.3磁電式速度傳感器一、相對(duì)速度傳感器圖為國(guó)產(chǎn)CD－2型磁電式相對(duì)速度傳感器的結(jié)n構(gòu)示意圖。磁鋼5通過(guò)殼體3構(gòu)成磁n回路，線圈4置于磁回路的氣隙中，當(dāng)被測(cè)物體振動(dòng)通過(guò)頂桿1使線圈運(yùn)動(dòng)時(shí)，因切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的大小與被測(cè)物體之間的相對(duì)振動(dòng)速度成正比。6.8.3

磁電式速度傳感器二

、絕對(duì)速度傳感器國(guó)產(chǎn)CD－1型磁電式絕對(duì)速度傳感器的結(jié)構(gòu)及工作過(guò)n程由圖所示。當(dāng)傳感器的殼體與被測(cè)物體n一起振動(dòng)時(shí)，如振動(dòng)的頻率較大，由于芯桿組件的質(zhì)量較大，故慣性大，可以阻礙芯桿與殼體一起振動(dòng)，可以認(rèn)為只有殼體隨被測(cè)物體一起振動(dòng)。這時(shí)，線圈以物體的振動(dòng)速度切割磁力線，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。6.9光電效應(yīng)及光電器件光電傳感器是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件將光能轉(zhuǎn)換成n電能的傳感器。6.9.1外光電效應(yīng)及器件在光的作用下使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。光電管和光電倍增管。6.9.1外光電效應(yīng)及器件一、光電管及其特性真空光電管的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖所示。1.伏安特性入射光一定時(shí)，陽(yáng)極電流與陽(yáng)極電壓之間的關(guān)系稱為伏安特性。當(dāng)陰極發(fā)射的電子全部到達(dá)陽(yáng)極時(shí)，陽(yáng)極電流便很n穩(wěn)定，稱為飽和狀態(tài)。6.9.1

外光電效應(yīng)及器件2.光電特性陽(yáng)極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系稱為光電特性。3.光譜特性光電管對(duì)光譜的選擇性稱為光譜特性。光電特性光譜特性6.9.1

外

光電效應(yīng)及器件二、光電倍增管圖為光電倍增管的工作原理圖。具有一定能量的電子轟擊倍增極，便產(chǎn)生二n次電子。最后到達(dá)陽(yáng)極，并輸出電壓脈沖。6.9.2內(nèi)光電效應(yīng)及器件在光線作用下使物體的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱n為內(nèi)光電效應(yīng)。光敏電阻，光導(dǎo)管等。一、光敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)圖為光敏電阻的原理結(jié)構(gòu)。有些半導(dǎo)體在黑暗的環(huán)境下，n電阻很高，當(dāng)有光線照射時(shí)，如光子能量大于本征半導(dǎo)體禁帶寬度，則禁帶中的電子吸收一個(gè)光子后就足以躍遷禁帶，激發(fā)出電子空穴對(duì)，從而加強(qiáng)導(dǎo)電性。6.9.2

內(nèi)光電效應(yīng)及器件二、光敏電阻的主要參數(shù)1.暗電阻和暗電流

2.亮電阻和亮電流3.光電流三、光敏電阻的基本特性1.光敏電阻的伏安特性光敏電阻的兩端所加電壓和電流的關(guān)系曲稱為光敏電阻的伏安特性。6.9.2

內(nèi)光電效應(yīng)及器件2.光敏電阻的光照特性光敏電阻光電流和光強(qiáng)的關(guān)系曲線，稱為光敏電阻的光照特性。3.光敏電阻的光譜特性對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光，光敏電阻相對(duì)靈敏度不同。各種不同材料的光譜特性曲線如圖所示。光敏電阻的光照特性nn光敏電阻的光譜特性6.9.3阻擋層光電效應(yīng)及器件阻擋層光電效應(yīng)是在光線作用下使物體產(chǎn)生一定n方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。光電池、光敏晶體管。一、

光電池及特性1.結(jié)構(gòu)及原理硅光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖所示。P型區(qū)表面吸收的光子越多，激發(fā)的電子空穴對(duì)越多。越向n內(nèi)部電子空穴對(duì)越少，由于濃度差，便會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散，空穴是p區(qū)的多子，電子是N區(qū)的多子，便在p區(qū)形成正電荷，N區(qū)形成負(fù)電荷。6.9.3

阻擋層光電效應(yīng)及器件2.光電池的基本特性n(1)光電池的光譜特性圖所示曲線為硒光電池和硅光電池的光

譜特性曲線，即相對(duì)靈敏度Kr和入射光波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系曲線?？梢?jiàn)不同材料的光電池的光譜峰值位置是不同的，故在實(shí)際使用時(shí)要根據(jù)光源性質(zhì)選擇光電池。n6.9.3

阻擋層光電效應(yīng)及器件(2)光電池的光照特性圖為硅光電池的光照特性曲線。二、光敏晶體管及特性1.光敏晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理光敏二極管的符號(hào)及接線法如圖所示。開(kāi)路電壓與光照度非線性，而短路電流則與光照度成線性即應(yīng)該把光電池n當(dāng)成電流源使用。6.9.3

阻擋層光電效應(yīng)及器件光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，它比光敏二極管具有更高的靈敏度。其符號(hào)如圖所示。n6.9.3

阻擋層光電效應(yīng)及器件2.光敏晶體管的基本特性(1)光敏晶體管的光譜特性見(jiàn)圖。n(2)光敏晶體管的伏安特性曲線見(jiàn)圖。6.9.3

阻擋層光電效應(yīng)及器件(3)光敏晶體管的光照特性曲線見(jiàn)圖。n6.9.4光電式轉(zhuǎn)速計(jì)一、

工作原理光電式轉(zhuǎn)速計(jì)是利用光電效應(yīng)原理制成的。光電管構(gòu)成的轉(zhuǎn)速計(jì)分反射型和直射型兩種。n反射型光電式轉(zhuǎn)速計(jì)n光源1發(fā)射的光線經(jīng)透n鏡2成為平行光，照射到模片3上。部分透射部分反射，經(jīng)聚光鏡4聚成一點(diǎn)，照射在黑白相間的光柵上，黑色吸收白色反射，再透過(guò)模片聚在光電元件上，形成光脈沖使光電管產(chǎn)生相應(yīng)電脈沖。6.9.4

光電式轉(zhuǎn)速計(jì)直射型光電式轉(zhuǎn)速計(jì)n被測(cè)軸1上裝有帶孔的圓盤2，圓盤的一端設(shè)置光源3，另一邊設(shè)置光電管4，，圓盤隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，光電管就輸出一系列與轉(zhuǎn)速及圓盤上的孔數(shù)成正比的電脈沖。6.9.4光電式轉(zhuǎn)速計(jì)二、測(cè)量電路

光電式轉(zhuǎn)速計(jì)一般應(yīng)用光敏電阻、光敏電池和光敏晶體管三類光電器件作傳感元件，相應(yīng)的基本測(cè)量電路如下圖所示，其中晶體管都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。光敏電阻可以通過(guò)較大電流，故在一般情況下，可直接把光敏電阻看成具有電阻突變特性的電位計(jì)，組成電位計(jì)式測(cè)量電路，而無(wú)須采用放大器，如圖中(a)所示。6.9.4

光電式轉(zhuǎn)速計(jì)二、測(cè)量電路在要求有大功率出，可采用(b)所示路。當(dāng)無(wú)光照射，光敏阻呈極高的阻，晶體管和通，u低位，反0之，u高平。0采用光敏池作感元件，即使在強(qiáng)光照射下，光敏池出有0.6

V，不足以使晶體管和通，故需光敏池兩端施加正向偏，如(c)所示。當(dāng)無(wú)光照射，光敏池?zé)o出，U阻分整到使晶體管成截止?fàn)睿瑄出高平。當(dāng)有光照射，光敏池出加上由U得的分能足以使晶體管和通，此u出低平。00采用光敏晶體管作感元件，路如(d)所示，當(dāng)無(wú)光照射，光敏晶體管截止，晶體管基極于

正

向

偏

置

而

和

通

，u出低平；當(dāng)有光照射，光敏晶體管通，晶體管基極于低0位，由原來(lái)的通

狀

截

止

狀

，u出高平。0由上述分析可知，u0位的高低與光照的有無(wú)成關(guān)系，量路可以把光脈沖脈沖，當(dāng)光束（光脈沖）來(lái)自被，便可根據(jù)脈沖的多少算出被的速。紅外線吸收式氣敏傳感器紅外線吸收式氣敏傳感器是應(yīng)用氣體對(duì)紅外線的吸收原理而制成的，具有精度高、選擇性好、氣敏濃度范圍寬等特點(diǎn)。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，可用于測(cè)量爐氣或煙氣SO

、CO

、CO等大氣的含量。22紅外線及其特征紅外線是一種電磁波，它的波長(zhǎng)介于可見(jiàn)光和無(wú)線電波之間,紅外線在可見(jiàn)光紅光的外面而得到名。所有高于絕對(duì)零度(-273.15℃)的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線。紅外線感應(yīng)器是通過(guò)紅外線反射原理，當(dāng)人體的某一部分在紅外線區(qū)域內(nèi)，紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外線由于人體摭擋反射到