《機電一體化系統(tǒng)設計》課件 第3次課位移傳感器及其應用

溫故知新?lián)尨穑簽槭裁床顒幼儤O距型電容位移傳感器的精度是普通的變極距電容傳感器的2倍？差動式的電容傳感器，其原理結(jié)構(gòu)如圖所示。1.電容傳感器的類型2.變極距差動電容式傳感器的靈敏度K′3.變極距差動電容傳感器的非線性誤差

′L近似為4.變面積型電容位移傳感器溫故知新5.變介質(zhì)型電容位移傳感器輸出特性是線性的，靈敏度K為常數(shù)。新課導入位移傳感器在工業(yè)中的應用比較多。4一、機械量傳感器分類傳感器通常是非電物理量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應關(guān)系的電量輸出的器件或裝置。

3.1傳感器的分類及特性5按被測物理量分為：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感、力傳感器、力矩傳感器等。壓力傳感器扭矩傳感器角位移傳感器位移傳感器一、機械量傳感器分類光柵位移傳感器63.2位移測量傳感器

3.2.1模擬式位移傳感器 電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，電阻式位移傳感器。

電感式位移傳感器電感式位移傳感器工作原理把被測位移變化轉(zhuǎn)變?yōu)榫€圈自感系數(shù)變化的傳感器稱作自感式位移傳感器。因為自感系數(shù)常稱作電感系數(shù)，所以自感式位移傳感器也常稱作電感式位移傳感器。由物理學磁知識知，一個匝數(shù)為N的線圈，其自感系數(shù)L為式中，Rm為線圈磁路總磁阻。式(7?3)表明，當匝數(shù)N確定后，自感系數(shù)L僅是磁阻Rm的函數(shù)。而自感式位移傳感器就是通過改變磁路的磁阻來實現(xiàn)自感系數(shù)變化的，故又把它稱作變磁阻式位移傳感器。(7-3)如右圖所示，當鐵芯與銜鐵之間有很小空氣隙δ時可以認為氣隙間磁場是均勻的，磁路是封閉的。不考慮磁路損失時，總磁阻是第一項為導磁材料的磁阻（）；第二項為氣隙的磁阻（）；li-鐵磁材料各段長度（mm）Si-相應各段的截面積（mm2）μi-各段磁導率δ-氣隙厚度（mm）；S-氣隙截面積（mm2）；μ0-空氣磁導率由于μi>>μ0，所以，根據(jù)被測位移改變磁阻的方式，它又分為變氣隙型、變面積型和螺線管型三種。圖3-4是單自感式位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。在這三種類型中最常用的是變氣隙型和螺線管型兩種，現(xiàn)分別介紹如下。圖3-4單自感式位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)示意圖1.變氣隙型自感式位移傳感器變氣隙型單自感式位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖3-4(a)所示。該傳感器的自感系數(shù)L為(3-4)圖3-4(a)變氣隙型式中，N為線圈的匝數(shù)；δ為氣隙磁路的長度；A0為中間氣隙磁路的橫截面積；μ0為空氣的磁導率（μ0=4π×10-7H/m）。假設該傳感器的初始氣隙為δ0，則初始電感量L0為當被測運動部件與銜鐵剛性相連時，若被測運動部件使銜鐵向上移動了x，即δ=δ0–x，將它代入式(3-4)整理得電感系數(shù)L為當x/δ0<<1時，分母1-(x/δ0)2≈1，忽略分母中的(x/δ0)2項得式(3-7)表明，變氣隙型單自感式位移傳感器的電感L與位移x呈近似線性關(guān)系。因此，它適合于測量微小位移的場合。(3-5)(3-6)(3-7)為了提高靈敏度和減小非線性誤差，通常把它做成差動形式。變氣隙型差動自感式位移傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。它由兩個相同的線圈和磁路組成，當位于中間的銜鐵上下移動時，上下兩個線圈的電感量，一個增加一個減少，形成差動形式。變氣隙型差動自感式位移傳感器與變氣隙型單自感式位移傳感器相比，靈敏度提高了一倍，并且非線性誤差也大大減少。圖7-5變氣隙型差動自感傳感器結(jié)構(gòu)變氣隙型自感式傳感器的最大優(yōu)點是：靈敏度高；其主要缺點是：線性范圍小、自由行程小、制造裝配困難、互換性差，因而限制了它的應用。3.螺線管型自感式位移傳感器螺線管型自感式位移傳感器的結(jié)構(gòu)也有單自感和差動式兩種，圖3-4(c)是螺線管型單自感式位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。假設螺線管的內(nèi)半徑為rs，長度為ls，活動銜鐵的半徑為r0，插入螺線管線圈的長度為l，當ls>>rs時，可認為螺線管內(nèi)為勻強磁場，忽略邊沿效應，則螺線管電感L的計算公式為式中，V為螺線管內(nèi)空間的體積；n為線圈單位長度上的匝數(shù)；μ為螺線管內(nèi)空間介質(zhì)的磁導率。(3-8)根據(jù)式(3-8)可推導出圖(c)中螺線管線圈的電感系數(shù)L為式中，μ0為空氣的磁導率；μr為活動銜鐵的相對磁導率；N為螺線管線圈的匝數(shù)。若活動銜鐵插入線圈的初始深度為l0，當銜鐵在螺線管線圈中向上移動了x，即l=l0+x時，將它代入式(3-9)得由式(3-10)可知，當螺線管的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，自感L與位移x呈線性關(guān)系。但由于實際螺線管內(nèi)磁場不完全均勻及存在邊沿效應等因素，所以實際的自感L與位移x呈近似線性關(guān)系。(3-10)

圖3-6螺線管型差動自感式位移傳感器結(jié)構(gòu)為了減少非線性誤差，實際制作時通常取l0=ls/2。這種傳感器的優(yōu)點是量程大、結(jié)構(gòu)簡單、便于制作；缺點是靈敏度比較低，且有一定的非線性。一般用于測量精度要求不是很高，且檢測量程比較大的線位移情況。為了提高靈敏度，減少非線性誤差，通常把它做成差動形式，圖3-6是螺線管型差動自感式位移傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它由兩個完全相同的螺線管組合而成。顯然，當銜鐵處于兩個螺線管相連的中心位置時，兩邊的螺線管電感量相等。當銜鐵偏離中心位置時，左右兩個線圈的電感量，一個增加一個減少，形成差動形式。同樣可以證明，螺線管型差動自感式位移傳感器與螺線管型單自感式位移傳感器相比，靈敏度提高了一倍，并且非線性誤差也大大減少。圖3-6螺線管型差動自感式位移傳感器結(jié)構(gòu)電感傳感器的應用1.電感測微儀圖3-19為差動自感測微儀方框圖，它的主要部件是螺線管型差動自感式位移傳感器、電阻式差動交流電橋測量電路、交流放大器，相敏檢波器、振蕩器、穩(wěn)壓電源及顯示器等。圖3-19差動自感測微儀方框圖2.電感式紙頁厚度測量儀自感式紙張厚度測量儀結(jié)構(gòu)如圖3-20所示。圖中E形鐵芯和線圈構(gòu)成電感測量頭，銜鐵實際上是一塊鐵質(zhì)或鋼質(zhì)的平板，在工作過程中板狀銜鐵是固定不動的，被測紙張位于E形鐵芯與板狀銜鐵之間，磁力線從上部的E形鐵芯通過紙張而到達下部的銜鐵。。圖3-20自感式紙張厚度測量儀結(jié)構(gòu)圖可以證明，該交流毫安表的讀數(shù)與鐵芯與銜鐵之間的氣隙大小成正比關(guān)系，亦即與紙張的厚度成正比關(guān)系。

光柵位移傳感器由大量等寬等間距的平行狹縫組成的光學器件稱為光柵，如圖4-9所示。光柵的刻痕密度一般為每毫米10、25、50、100、250線。刻痕之間的距離稱為柵距W。設刻痕寬度為a，狹縫寬度為b，則，一般情況下取圖4-9光柵

光柵的概念20用玻璃制成的光柵稱為透射光柵，它是在透明玻璃上刻出大量等寬等間距的平行刻痕，每條刻痕處是不透光的，而兩刻痕之間是透光的21用不銹鋼制成的光柵稱為反射式光柵22光柵位移傳感器的工作原理—莫爾條紋莫爾條紋——如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ，這時光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，如圖4-10所示。莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成，圖4-10中d-d線區(qū)所示。f-f線區(qū)則是由于光柵的遮光效應形成的。

圖4-10莫爾條紋23θW莫爾條紋演示指示光柵主光柵24圖4-10莫爾條紋25例如θ=30′，則K=115，表明莫爾條紋的放大倍數(shù)相當大。當θ=0.1o時，K=573這樣，就可以把肉眼看不到的光柵位移變成為清晰可見的莫爾條紋移動，可以用測量條紋的位移來檢測光柵的位移，從而實現(xiàn)高靈敏度的位移測量。26課堂練習光柵的條紋密度是50條/mm，光柵條紋間的夾角θ=0.001孤度，則莫爾條紋的寬度是20mm光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖4-11所示。它主要由主光柵、指示光柵、光源和光電器件等組成，其中主光柵和被測物體相連，它隨被測物體的直線位移而產(chǎn)生移動。當主光柵產(chǎn)生位移時，莫爾條紋便隨著產(chǎn)生位移，若用光電器件記錄莫爾條紋通過某點的數(shù)目，便可知主光柵移動的距離，也就測得了被測物體的位移量。利用上述原理，通過多個光敏器件對莫爾條紋信號的內(nèi)插細分，便可檢測出比光柵距還小的位移量及被測物體的移動方向。圖4-11光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖28

圖4-11b）光柵位移傳感器外形圖29

光柵位移傳感器的特點及應用由于莫爾條紋是明暗交替的，當莫爾條紋上下移動時，只要用光敏元件檢測出來明、暗的變化，就可得知位移的大小，實現(xiàn)測量結(jié)果的二值化。另外莫爾條紋是由光柵的大量刻線形成的，對刻線誤差有平均作用，能在很大程度上消除刻線不均勻引起的誤差。由于光柵位移傳感器測量精度高（分辨率為0.1μm）、動態(tài)測量范圍廣（0～1000mm），可進行無接觸測量，而且容易實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和數(shù)字化，因而在機械工業(yè)中得到了廣泛的應用，特別是在量具、數(shù)控機床的閉環(huán)反饋控制、工作主機的坐標測量等方面，光柵位移傳感器都起著重要的作用。圖3-12所示為光柵位移傳感器在機床加工方面的應用實例。30

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學習內(nèi)容一、常見的速度傳感器1.磁電感應式速度傳感器2.測速發(fā)電機3.電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器

二、光電編碼器

333.4速度、加速度傳感器

3.4.1速度傳感器

能感受被測速度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。A.從物體運動的形式來看，速度的測量分為線速度測量和角速度測量；B.從運動速度的參考基準來看分為絕對速度測量和相對速度的測量；C.從速度的數(shù)值特征來看分為平均速度測量和瞬時速度測量；D.從獲取物體運動速度的方式來看分為直接速度測量和間接速度測量。

線速度的計量單位通常用m/s；在工程上通常用km/s。常見的速度傳感器1.磁電感應式速度傳感器2.測速發(fā)電機3.電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器4.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器PARTTWO1.磁電感應式速度傳感器根據(jù)工作原理的不同：（1）動圈式結(jié)構(gòu)類型磁電感應式傳感器（2）動鐵式結(jié)構(gòu)類型磁電感應式傳感器磁電式傳感器簡稱感應式傳感器，也成為電動式傳感器。利用導體和磁場發(fā)生相對運動產(chǎn)生感應電動勢，是一種將機械能轉(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)換器，不需要外部供電電源。磁電式傳感器的工作原理法拉第電磁感應定律：k為比例系數(shù)，E為感應電勢，Φ為磁通。k＝1，這時感應電勢為：

整個線圈中所產(chǎn)生的電動勢為：B：穩(wěn)恒均勻磁場的磁感應強度A、l導體有效橫截面積及長度v、ω導體相對磁場的運動速度根據(jù)工作原理的不同：（1）動圈式結(jié)構(gòu)類型磁電感應式傳感器（2）動鐵式結(jié)構(gòu)類型磁電感應式傳感器動圈式結(jié)構(gòu)類型磁電感應式傳感器原理如果在線圈運動部分的磁場強度B是均勻的，則當線圈與磁場的相對速度為υ時，線圈的感應電動勢：

式中B為磁場的磁感應強度，為單匝線圈有效長度，N為線圈匝數(shù)，α為運動方向與磁場方向間夾角當α＝90°，線圈的感應電動勢為：圖5.1.1動圈式磁電傳感器原理圖（2）動鐵式結(jié)構(gòu)類型磁電感應式傳感器原理與動磁式磁電感應傳感器相同，但是由于相對運動的機構(gòu)不同，有式中：B為磁場的磁感應強度la為單匝線圈有效長度N為線圈匝數(shù)α為運動方向與磁場方向間夾角磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理

當安裝在被測轉(zhuǎn)軸上的齒輪旋轉(zhuǎn)時，其齒依次通過永久磁鐵兩磁極間的間隙，使磁路的磁阻和磁通發(fā)生周期性變化，從而在線圈上感應出頻率和幅值均與軸轉(zhuǎn)速成此例的交流電壓信號u0。優(yōu)點：它只適合進行動態(tài)測量，電路簡單，輸出功率較大，零位及性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應范圍。缺點：尺寸以及重量較大。適用范圍：可以用于振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。優(yōu)缺點及使用范圍2.測速發(fā)電機測速發(fā)電機測速發(fā)電機結(jié)構(gòu)和直流伺服電動機基本相似。NS+-n直流電機定子轉(zhuǎn)子空氣隙定子鐵心勵磁繞組機殼端蓋電刷電樞繞組電樞鐵心換向器轉(zhuǎn)軸

導體在磁場中的運動，電刷兩端的感應電勢：一、工作原理B：穩(wěn)恒均勻磁場的磁感應強度l導體有效橫截面積及長度v轉(zhuǎn)子相對磁場的運動速度

由上可知：1.電刷兩端的感應電勢與電機的轉(zhuǎn)速成正比。2.直流發(fā)電機能夠把轉(zhuǎn)速信號換成電勢信號，從而用來測速。?直流測速發(fā)電機在自動控制系統(tǒng)和計算裝置中可以作為測速元件、校正元件、解算元件和角加速度信號元件。如：由于該發(fā)電機發(fā)出的電壓和轉(zhuǎn)速有關(guān)，所以檢測出它的電壓就可達到測電機速度的目的;同時該電壓送去解碼后，用于對該電機的恒速控制。3.電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器電渦流測轉(zhuǎn)速傳感器是在速度分析測量中，特別是對非接觸的轉(zhuǎn)動、位移信號，能連續(xù)準確地采集到振動、轉(zhuǎn)動等軌跡運動的多種參數(shù)的一種傳感器。電渦流測轉(zhuǎn)速傳感器

光電編碼器

光電編碼器分為絕對式編碼器和增量式編碼器兩種。光電編碼器是按光學和光電原理制成的器件，它由光源、碼盤、光敏元件及電路部分組成。碼盤上有若干透光部分和不透光部分，當光通過碼盤上的透光部分時，光敏元件便接收到光信號，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，而在不透光部分則接收不到光信號，如圖2-22所示。當碼盤旋轉(zhuǎn)時，便可接收到一系列的脈沖或數(shù)字信號，這些信號就反映了旋轉(zhuǎn)的運動參數(shù)。圖2-22

編碼器的碼盤1.絕對式編碼器絕對式編碼器是一種能直接測量角位移的傳感器，圖2-22（a）為4位絕對式二進制編碼器的碼盤。在碼盤的圓周方向上有4條由透光和不透光部分組成的碼道，而在徑向上將碼盤分成了16個扇區(qū)，在碼盤的一側(cè)有4個光敏元件，每個光敏元件對應一條碼道。當光電編碼器處于某一位置時，該扇區(qū)上的不透明部分對應的光敏元件輸出1（設不透明部分為1），而透明部分對應的光敏元件輸出0。則這4位二進制數(shù)字就表示了該扇區(qū)的位置?？梢钥闯龈鱾€扇區(qū)分別代表了0000，0001，…，1110，1111這16個角度。2.增量式編碼器增量式編碼器利用計數(shù)裝置將旋轉(zhuǎn)碼盤產(chǎn)生的脈沖進行計數(shù)來獲取運動參數(shù)。圖2-22（b）為增量式編碼器的碼盤。相對于絕對式編碼器而言，增量式編碼器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，所以應用更為廣泛。其原理和光柵相同，在碼盤的圓周方向上刻有若干條透明的線條，當光線通過時便可產(chǎn)生相應的電脈沖，計數(shù)裝置只要完成計數(shù)即可。增量式編碼器有兩種，一種只有一條碼道，通常用來測量旋轉(zhuǎn)速度，但無法辨別方向；另一種能夠分辨旋轉(zhuǎn)方向和零點參考位置。增量式碼盤上通?？逃?條碼道，分別為A相、B相和Z相，其中A相和B相碼道相位上相差π/2，用來檢測方向，而Z相用來檢測零點參考位置，這種增量式編碼器可以用來測量位移、速度等運動參數(shù)。因此圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件就輸出與圓盤縫隙數(shù)相等的電脈沖，據(jù)測量單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)N，則可測出轉(zhuǎn)速為式中：Z—圓盤上的縫隙數(shù)；

n—轉(zhuǎn)速（rad/min）；

T—測量時間（s）。一般取Z=60×10m（m=0，1，2·····），利用兩組縫隙間距W相同，位置相差，i=0，1，2······的指示縫隙和兩個電光器件，則可辨別出圓盤的旋轉(zhuǎn)方向。壓電式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器電容式加速度傳感器伺服式加速度傳感器加速度傳感器的分類某些晶體在一定方向上受力變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去除后，又重新恢復到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應”。具有“壓電效應”的晶體稱為壓電晶體。常用的壓電晶體有石英、壓電陶瓷等。壓電式加速度傳感器工作原理壓電式加速度傳感器是基于壓電晶體的壓電效應工作的。圖4壓電效應原理圖壓電式加速度傳感器優(yōu)缺點它的優(yōu)點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和重量輕等。缺點是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。圖6壓電式j加速度傳感器壓電式加速度傳感器在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中被應用于許許多多的方面，如提電腦的硬盤抗摔保護，目前用的數(shù)碼相機和攝像機里，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時候的手部的振動，并根據(jù)這些振動，自動調(diào)節(jié)相機的聚焦壓電式加速度傳感器應用圖7攝像機圖8電腦硬盤壓阻式加速度傳感器是最早開發(fā)的硅微加速度傳感器（基于MEMS硅微加工技術(shù)），壓阻式加速度傳感器的彈性元件一般采用硅梁外加質(zhì)量塊，質(zhì)量塊由懸臂梁支撐，并在懸臂梁上制作電阻，連接成測量電橋。在慣性力作用下質(zhì)量塊上下運動，懸臂梁上電阻的阻值隨應力的作用而發(fā)生變化，引起測量電橋輸出電壓變化，以此實現(xiàn)對加速度的測量。壓阻式加速度傳感器原理圖9壓阻式加速度傳感器原理圖壓阻式加速度傳感器優(yōu)缺點

優(yōu)點：體積小、頻率范圍寬、測量加速度的范圍寬，直接輸出電壓信號，不需要復雜的電路接口，大批量生產(chǎn)時價格低廉，可重復生產(chǎn)性好，可直接測量連續(xù)的加速度和穩(wěn)態(tài)加速度.缺點：對溫度的漂移較大，對安裝和其它應力也較敏感，它不具備某些低gn值測量時所需的準確度。圖12壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器已用在步進電機作為動力機械的控制系統(tǒng)中。廣泛應用于汽車碰撞實驗、測試儀器、設備振動監(jiān)測等領域。壓阻式加速度傳感器應用圖13步進電機圖14繪圖機電容式加速度傳感器，具有電路結(jié)構(gòu)簡單，頻率范圍寬約為0～450Hz，線性度小于1%，靈敏度高，輸出穩(wěn)定，溫度漂移小，測量誤差小，穩(wěn)態(tài)響應，輸出阻抗低，輸出電量與振動加速度的關(guān)系式簡單方便易于計算等優(yōu)點，具有較高的實際應用價值。但不足之處表現(xiàn)在信號的輸入與輸出為非線性，量程有限，受電纜的電容影響，以及電容傳感器本身是高阻抗信號源，因此電容傳感器的輸出信號往往需通過后繼電路給于改善電容式加速度傳感器優(yōu)缺點圖17電容式加速度傳感器在某些領域無可替代，如安全氣囊，手機移動設備等。

電容式加速度傳感器應用圖19手機圖18安全氣囊當被測振動物體通過加速度計殼體有加速度輸入時，質(zhì)量塊偏離靜平衡位置，位移傳感器檢測出位移信號，經(jīng)伺服放大器放大后輸出電流，該電流流過電磁線圈，從而在永久磁鐵的磁場中產(chǎn)生電磁恢復力，迫使質(zhì)量塊回到原來的靜平衡位置，即加速度計工作在閉環(huán)狀態(tài)，傳感器輸出與加速度計成一定比例的模擬信號，它與加速度值成正比關(guān)系。伺服式加速度傳感器原理圖20伺服式加速度傳感器原理圖主要由質(zhì)量塊、彈簧、電磁線圈、永久磁鐵、位移傳感器、伺服放大器、殼體等部分組成。伺服式加速度傳感器構(gòu)成圖21伺服式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖優(yōu)點是測量精度和穩(wěn)定性、低頻響應等都得到提高，還有分辨率高，高精度，自檢功能，高可靠性等。缺點是體積和質(zhì)量比壓電式加速度計大很多，價格昂貴。伺服式加速度傳感器優(yōu)缺點圖22伺服式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖由于有