位移与转速测量.ppt

位移与位移与转速的速的测量量2024/2/27周二周二1.位移位移测量量 第第9 9章章 位移与位移与转速速测量量9.1电感式位移感式位移计 电阻式位移阻式位移计9.1.1转速速测量量光光电式式转速速计 磁磁电式式转速速计 转速脉冲速脉冲测量方法量方法9.29.1.29.2.19.2.29.2.32.9.1 9.1 位移位移测量量位位移移3.9.1 9.1 位移位移测量量同位素同位素传感器（用同位素感器（用同位素辐射反映位移射反映位移S)S)互感式互感式传感器（用感感器（用感应电势e e反映位移反映位移S S）电阻式位移阻式位移计（用（用电阻阻变化量反映位移化量反映位移S S）电感式位移感式位移计（用（用电感感变化量化量L L反映位移反映位移S S）电容式容式传感器（用感器（用电容容变化量化量C C反映位移反映位移S S）位位移移常常用用测量量方方法法下面介下面介绍应用用较广泛的两种广泛的两种传感器：感器：电阻式位移阻式位移计和和电感式位移感式位移计4.9.1.1 9.1.1 电阻式位移阻式位移计电阻式位移阻式位移计是一种把被是一种把被测量量转换为电阻阻变化的化的传感器。感器。按其工作原理可分按其工作原理可分为变阻器式阻器式和和电阻阻应变式式两两类。1 1变阻器式位移阻器式位移计 a a）直）直线位移型位移型 b b）角位移型）角位移型 c c）非）非线性型性型 5.变阻器式位移阻器式位移计通通过改改变电位器触位器触头位置，位置，实现将位移将位移转换为电阻的阻的变化。其表达式化。其表达式为 ：直直线位移型位移型 灵敏度灵敏度 角位移型角位移型 灵敏度灵敏度9.1.1 9.1.1 电阻式位移阻式位移计6.非非线性型性型为了使了使输出出电阻阻值 与与 呈呈线性关系性关系，变阻器骨架阻器骨架应做成做成直角三角形。直角三角形。变阻器骨架阻器骨架应做成抛物做成抛物线形。形。变阻器式阻器式传感器的后感器的后接接电路一般采用路一般采用电阻阻分分压电路。路。优点：点：结构构简单、性能、性能稳定、使用方便。定、使用方便。缺点：缺点：分辨力不高，因分辨力不高，因为受到受到电阻阻丝直径的限制。直径的限制。9.1.1 9.1.1 电阻式位移阻式位移计7.应用：用：用于用于线位移、角位移位移、角位移测量，在量，在测量量仪器中用于伺服器中用于伺服记录仪器或器或电子子电位差位差计等。等。2 2电阻阻应变式式传感器感器 电阻阻应变式式传感器可分感器可分为金属金属电阻阻应变片式片式与与半半导体体应变片式片式两两类。工作原理：工作原理：应变片片发生机械生机械变形形时，其，其电阻阻值发生生变化。化。l金属金属丝电阻阻应变片片 11电阻阻丝 22基片基片 3 3一覆盖一覆盖层 44引出引出线 9.1.1 9.1.1 电阻式位移阻式位移计8.l金属箔式金属箔式应变片片 电阻阻丝的的电阻阻值 电阻阻丝即随同物体一起即随同物体一起变形，其形，其电阻阻值发生相生相应变化化 或或9.1.1 9.1.1 电阻式位移阻式位移计9.是由是由电阻阻丝几何尺寸改几何尺寸改变所引起的，所引起的，对于同一种材料，于同一种材料，项是常数。是常数。项则是由于是由于电阻阻丝的的电阻率随阻率随应变的改的改变而引起的，而引起的，对于金属于金属丝来来说，是很小的，可忽略。上式可，是很小的，可忽略。上式可简化化为 灵敏度灵敏度 9.1.1 9.1.1 电阻式位移阻式位移计10.一般市售一般市售电阻阻应变片的片的标准阻准阻值有有6060、120120、350350、600600和和10001000等。其中以等。其中以120120最最为常用。常用。应变片的尺寸可根据使用要求来片的尺寸可根据使用要求来选定。定。优点：点：体体积小、小、动态响响应快、快、测量精确度高、使用量精确度高、使用简便等。便等。应用：用：用于用于应变、力、位移、加速度、扭矩等参数的、力、位移、加速度、扭矩等参数的测量。量。缺点：缺点：温度温度稳定性能差，在定性能差，在较大大应变作用下，非作用下，非线性性误差大等。差大等。l半半导体体应变片片 11胶膜胶膜衬底底 2P-Si 2P-Si 33内引内引线 44焊接板接板 55外引外引线 9.1.1 9.1.1 电阻式位移阻式位移计11.工作原理工作原理:是基于半是基于半导体材料的体材料的压阻效阻效应。压阻效阻效应是指是指单晶半晶半导体材料在沿某一体材料在沿某一轴向受到外力作用向受到外力作用时，原子点原子点阵排列排列规律律发生生变化，化，导致致载流子迁移率及流子迁移率及载流子流子浓度度的的变化，从而引起化，从而引起电阻率阻率 变化的化的现象。象。在在电阻相阻相对变化的表达式中，化的表达式中，项是由几何尺寸是由几何尺寸变化引化引起的，起的，是由于是由于电阻率阻率变化而引起的。化而引起的。对半半导体而言，体而言，项远远大于大于 项，它是半，它是半导体体应变片的主要部分，故片的主要部分，故电阻相阻相对变化的表达式化的表达式可可简化化为 灵敏度灵敏度9.1.1 9.1.1 电阻式位移阻式位移计12.优点：点：灵敏度高，机械滞后小、横向效灵敏度高，机械滞后小、横向效应小小、体体积小等特点小等特点。缺点：缺点：温度温度稳定性能差、灵敏度离散度大，非定性能差、灵敏度离散度大，非线性性误差大等。差大等。应用：用：用于用于压力、加速度等参数的力、加速度等参数的测量。量。电阻阻应变式式传感器有以下两种感器有以下两种应用方式：用方式：1)1)直接用来直接用来测定定结构的构的应变或或应力。力。2 2）将）将应变片片贴于于弹性元件上，作性元件上，作为测量力、位移、量力、位移、压力、加力、加速度等物理参数的速度等物理参数的传感器。感器。3 3固固态压阻式阻式传感器感器 工作原理工作原理:是基于半是基于半导体材料的体材料的电阻效阻效应。9.1.1 9.1.1 电阻式位移阻式位移计13.固固态压阻式阻式传感器是以感器是以单晶硅晶硅为基底材料，按一定晶向基底材料，按一定晶向将将P P型型杂质扩散到散到N N型硅底型硅底层上，形成一上，形成一层极薄的极薄的导电P P型型层。此此P P型型层就相当于半就相当于半导体体应变片中的片中的电阻条，阻条，连接引接引线后就后就构成了构成了扩散型半散型半导体体应变片。由于基底片。由于基底(硅片硅片)与敏感元件与敏感元件(导电层)互相渗透，互相渗透，结合合紧密，所以基本上密，所以基本上为一体。在生一体。在生产时可以根据可以根据传感器感器结构形成制成各种形状，如构形成制成各种形状，如圆形杯或形杯或长方方形梁等。形梁等。这时基底就是基底就是弹性元件性元件，导电层就是就是敏感元件敏感元件。当。当有机械力作用有机械力作用时，硅片，硅片产生生应变，使，使导电层发生生电阻阻变化。化。一般一般这种元件做成按一定晶向种元件做成按一定晶向扩散、四个散、四个电阻阻组成的全成的全桥形形式，在外力作用下，式，在外力作用下，电桥产生相生相应的不平衡的不平衡输出。出。应用：用：固固态压阻式阻式传感器主要用于感器主要用于测量量压力与加速度。力与加速度。9.1.1 9.1.1 电阻式位移阻式位移计14.9.1.2 9.1.2 电感式位移感式位移计 9.1.29.1.2电感位移感位移计原理与分原理与分类 电感式感式传感器的感器的结构原理构原理 15.三、三、电感式感式传感器感器 电感式感式传感器感器是把被是把被测量量转换为电感量感量变化的一种装置，化的一种装置，其其变换是基于是基于电磁感磁感应原理原理。按照。按照变换方式的不同，可分方式的不同，可分为自自感型感型(包括可包括可变磁阻式与磁阻式与涡流式流式)与互感型与互感型(差差动变压器式器式)。1 1自感型自感型（1 1）可）可变磁阻式磁阻式 a a）可）可变磁阻磁阻结构构 b b）特性曲）特性曲线1 1一一线圈圈 22铁心心 3 3一一衔铁 9.1.2 9.1.2 电感式位移感式位移计 16.a a）可）可变导磁面磁面积型型 b b）差）差动型型 c c）单螺管螺管线圈型圈型 d d）双螺管）双螺管线圈差圈差动型型 9.1.2 9.1.2 电感式位移感式位移计 17.a a）电桥电路路 b b）输出特性出特性 双螺管双螺管线圈差圈差动型，型，较之之单螺管型有螺管型有较高灵敏度及高灵敏度及线性，性，被用于被用于电感感测微微计上，常用上，常用测量范量范围为0 0300m300m，最小分辨力，最小分辨力为0 05m5m。9.1.2 9.1.2 电感式位移感式位移计 18.2 2互感型互感型差差动变压器式器式电感感传感器感器 工作原理：工作原理：这种种传感器利用了感器利用了电磁感磁感应中的互感中的互感现象，象，实质上就是上就是一个一个变压器器。其一次。其一次侧线圈接入圈接入稳定交流定交流电源，二次源，二次侧线圈感圈感应产生生输出出电压。当被。当被测参数使互感参数使互感 变化化时，二次，二次侧线圈圈输出出电压也也产生相生相应变化。由于常常采用两个二次化。由于常常采用两个二次侧线圈圈组成差成差动式，故又称式，故又称为差差动变压器式器式传感器感器。实际应用用较多的是螺管形差多的是螺管形差动变压器。器。9.1.2 9.1.2 电感式位移感式位移计 19.传感器开路感器开路输出出电压为两次两次级线圈感圈感应电动势之差之差测量量电路：路：一般采用反串一般采用反串电路和路和桥路两种。下路两种。下图是一种用于是一种用于小位移小位移测量的差量的差动相敏相敏检波波电路工作原理路工作原理图。9.1.2 9.1.2 电感式位移感式位移计 20.优点：点：精确度高（最高分辨力可达精确度高（最高分辨力可达0 01m1m）、）、线性范性范围大（可大（可扩展到展到100mm100mm）、）、稳定性好和使用方便。定性好和使用方便。缺点：缺点：实际测量量频率上限受到率上限受到传感器机械感器机械结构的限制。构的限制。应用：用：广泛用于直广泛用于直线位移位移测定。借助于定。借助于弹性元件可以将性元件可以将压力、力、重量等物理量重量等物理量转换为位移的位移的变化，故也将化，故也将这类传感器用于感器用于压力、力、重量等物理量的重量等物理量的测量。量。9.1.2 9.1.2 电感式位移感式位移计 21.9.2 9.2 转速速测量量 在机械和汽在机械和汽车的的动力系力系统研究中研究中经常常测量量转速，如速，如测发动机机转速、汽速、汽车传动轴转速、半速、半轴转速、速、车轮转速、汽速、汽车行行驶速度等。速度等。转速的基本速的基本测量方法有：量方法有：数字式数字式测速速将将转速直接速直接转变成相成相应的脉冲的脉冲输出；出；模模拟式式测速速将将转速速变换成相成相应的模的模拟量量输出；出；同步式同步式测速速利用人眼的利用人眼的暂留特性留特性进行行观察比察比较；下面主要介下面主要介绍数字式数字式测速中的速中的电测法。法。22.9.2.1 9.2.1 光光电式式转速速计 光光电传感器是将光信号感器是将光信号转换为电信号的信号的传感器。若用感器。若用这种种传感器感器测量其他非量其他非电量量时，只需将，只需将这些非些非电量的量的变化先化先转换为光信号的光信号的变化。化。这种种测量方法具有量方法具有结构构简单、可靠性高、精度、可靠性高、精度高、非接触和反高、非接触和反应快等快等优点，被广泛用于各种自点，被广泛用于各种自动检测系系统中。中。一、光一、光电测量原理量原理 光光电传感器的物理基感器的物理基础是是光光电效效应。用光照射某一物体，。用光照射某一物体，即即为光子与物体的能量交光子与物体的能量交换过程，程，这一一过程中程中产生的生的电效效应称称为光光电效效应。光。光电效效应按其作用原理分按其作用原理分为外光外光电效效应、内光内光电效效应和和光生伏打效光生伏打效应。在光照作用下，物体内的在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出的子从物体表面逸出的现象称象称为外光外光电效效应。在。在这一一过程中光子所携程中光子所携带的的电磁能磁能转换为光光电子子的的动能。能。外光外光电效效应器件有光器件有光电管和光管和光电倍增管等。倍增管等。23.9.2.1 9.2.1 光光电式式转速速计 在光照作用下，物体内部的原子吸收光能量，在光照作用下，物体内部的原子吸收光能量，获得能量得能量的的电子子摆脱原子束脱原子束缚成成为物体内部的自由物体内部的自由电子，从而使物体子，从而使物体的的导电性能如性能如电阻率阻率发生改生改变的的现象称象称内光内光电效效应(光光导效效应)。内光内光电效效应器件主要器件主要为光敏光敏电阻以及由光敏阻以及由光敏电阻制成的阻制成的光光导管。管。光光线照射在半照射在半导体的体的P-NP-N结上上时，在，在结附近激附近激发出出电子空子空穴穴对，在，在结电场的作用下，的作用下，电子向子向N N区运区运动，使，使P P区剩下空穴，区剩下空穴，从而从而N N区区带负电，P P区区带正正电，形成光生，形成光生电动势。这种种现象称象称为光生伏打效光生伏打效应。光生伏打效光生伏打效应器件主要有光器件主要有光电池，光敏三极管，二极管池，光敏三极管，二极管等。等。24.9.2.1 9.2.1 光光电式式转速速计 二、光二、光电元件元件1.1.真空光真空光电管管阴极由光阴极由光电材料（材料（锑化化铯，铯氯银等）制成，当光从透等）制成，当光从透镜照射到照射到阴极阴极时，其表面逸出，其表面逸出电子，由子，由带正正电位阴极的吸引作用，位阴极的吸引作用，电子形子形成定向流成定向流动，外，外电路也路也产生了生了电流。流。光电阴极电子阳极+-I光光电管工作原理0.50.40.30.20.120608040光通量阻极电流阴极电压阳极电压光电管光照特性25.2.2.光敏光敏电阻阻 某些半某些半导体材料在光照射下，吸收一部分光能，使其体材料在光照射下，吸收一部分光能，使其 内部内部载流子数目增多，材料流子数目增多，材料电阻减小。阻减小。无光照无光照时电阻阻1.0100M1.0100M 有光照有光照时电阻小于阻小于1.0K1.0K 3.3.光光电池池 半半导体体p-np-n结按接合面受光照按接合面受光照时，发生生电子和空穴的分离子和空穴的分离现象，在象，在 接触面两端接触面两端产生生电势。9.2.1 9.2.1 光光电式式转速速计 +-PN光+-I光电池26.9.2.1 9.2.1 光光电式式转速速计 4 4光敏晶体管光敏晶体管 光敏二极管光敏二极管的的PNPN结安装在管子安装在管子顶部，可直接接受光照，在部，可直接接受光照，在电路中一般路中一般处于反向工作状于反向工作状态。在无光照。在无光照时，暗，暗电流很小。当流很小。当有光照有光照时，光子打在，光子打在PNPN结附近，从而在附近，从而在PNPN结附件附件产生生电子子-空空穴穴对。它。它们在内在内电场作用下作定向运作用下作定向运动，形成光，形成光电流。光流。光电流流随光照度的增加而增加。因此在无光照随光照度的增加而增加。因此在无光照时，光敏二极管，光敏二极管处于截于截止状止状态，当有光照，当有光照时，二极管，二极管导通。通。a a）光敏二极管符号）光敏二极管符号 b b）光敏二极管的）光敏二极管的连接接 27.9.2.1 9.2.1 光光电式式转速速计 1.1.直射型光直射型光电转速速传感器感器直射型光直射型光电转速速计工作原理工作原理11被被测轴；22圆盘；33光源；光源；44光光电管管 此此类传感器又光源、光感器又光源、光电元件、元件、分度分度盘组成。机械成。机械转速速经刻度刻度盘或或者者标记的明暗在光的明暗在光电器件上的器件上的输入入端构成光的明暗端构成光的明暗输入，在入，在经过光光电器件根据光的器件根据光的输入入输出相出相应的的电压或或电流。流。对电脉冲放大整形后，脉冲放大整形后，观察察t t内的脉冲数。内的脉冲数。28.反射型光反射型光电转速速传感器主要是由感器主要是由被被测旋旋转部件、反光片（或反光部件、反光片（或反光贴纸）、反射型光、反射型光电传感器感器组成，在可以成，在可以进行精确定位的情况下，在被行精确定位的情况下，在被测部件上部件上对称安装多个反光片或反光称安装多个反光片或反光贴纸会取会取得得较好的好的测量效果。当旋量效果。当旋转部件上的部件上的反光反光贴纸通通过光光电传感器前感器前时，光，光电传感器的感器的输出就会跳出就会跳变一次。通一次。通过测出出这个跳个跳变频率率f f，就可以知道，就可以知道转速速n n。n=fn=f 如果被如果被测部件上部件上对称安装多个反称安装多个反光片或反光光片或反光贴纸，那么，那么n=f/Nn=f/N。N N为反反光片或反光光片或反光贴纸色数量色数量9.2.1 9.2.1 光光电式式转速速计 2.2.反射型光反射型光电转速速传感器感器反射型光反射型光电转速速传感器工作原理感器工作原理29.9.2.2 9.2.2 磁磁电式式转速速计 一、磁一、磁电式式传感器感器 工作原理：工作原理：根据根据电磁感磁感应定理，一个匝数定理，一个匝数为W W的的线圈，当穿圈，当穿过该线圈圈的磁通的磁通发生生变化化时，其感，其感应电动势的大小的大小为：线圈感圈感应电动势的大小，取决于匝数和穿的大小，取决于匝数和穿过线圈的磁通圈的磁通变化率。化率。磁通磁通变化率与化率与磁磁场强度度、磁路磁阻磁路磁阻、线圈的运圈的运动速度速度有关，故若改有关，故若改变其中一个因素，都会改其中一个因素，都会改变线圈的感圈的感应电动势。按照。按照结构不同，磁构不同，磁电式式传感器可分感器可分为动圈式圈式与与磁阻式磁阻式。1 1动圈式圈式 动圈式又可分圈式又可分为线速度型速度型与与角速度型角速度型。30.9.2.2 9.2.2 磁磁电式式转速速计 a a）线速度型速度型 b b）角速度型）角速度型线速度型速度型角速度型角速度型31.9.2.2 9.2.2 磁磁电式式转速速计 测量量电路路 传感器感器输出出电压注意：注意：上面所上面所讨论的的速度速度指的是指的是线圈与磁圈与磁场（壳体）的（壳体）的相相对速度速度，而不是壳体本身的，而不是壳体本身的绝对速度。速度。32.9.2.2 9.2.2 磁磁电式式转速速计 2 2磁阻式磁阻式 工作原理：工作原理：一般通一般通过改改变传感器到被感器到被测对象象间的的气隙厚度气隙厚度等方法来等方法来改改变磁路磁阻磁路磁阻。a a）测频数数 b b）测转速速 c c）偏心）偏心测量量 d d）振）振动测量量 33.9.2.3转转速脉冲速脉冲测测量方法量方法34.9.2.3转转速脉冲速脉冲测测量方法量方法35.谢 谢！36.