内工大测试技术第五章位移测量.

第五章运动参量测量第一节电阻式传感器第一节电阻式传感器电阻式传感器是一种把被测量转换为电阻变化的传感器，分为变阻器式和电阻应变式两类。第一节电阻式传感器一、变阻器式传感器AlR如果电阻丝直径和材质一定时，则电阻值随导线长度而变化。第一节电阻式传感器常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。第一节电阻式传感器直线位移型：c点与A点之间电阻值：R=kix灵敏度：S=dR/dx=ki单位长度内的电阻值。第一节电阻式传感器回转型灵敏度：kα—单位弧度对应的电阻值。kddRS非线性型（函数电位器）第一节电阻式传感器drRxx0xSzRx第一节电阻式传感器例如，被测量z(x)＝Cx2，则有：表明，变阻器骨架应做成直角三角形，斜边的斜率为k，k=2SC。如果输出要求为z(x)＝Cx3，同理可得：r(x)＝3Cx2，则应采用抛物线形骨架。20SCxdrRxxkxSCxxr2第一节电阻式传感器pLppyxxRRxxuu10后续电路第一节电阻式传感器电阻式传感器优点：结构简单，性能稳定，使用方便。缺点：分辨力不高，很难优于20μm。有较大的噪声。用途：用于线位移、角位移测量。第二节电容式传感器第二节电容式传感器电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置。它实质上是一个具有可变参数的电容器。把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA／δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。δ、A、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。一、工作原理：第二节电容式传感器AC0分类：极距变化型、面积变化型和介质变化型三类。有的书上（A=S;δ=d）第二节电容式传感器AC0201AddCS二、极距变化型为减小线性误差，一般取1.0~02.0/0第二节电容式传感器设动极板未动时极距为，初始电容量为00C00AC当动极板上移，电容量为0000/11CACC第二节电容式传感器时，0])()(1[3020000CC时，忽略高次项当1/000CC与近似呈线性关系C%100/)/(0020一般取1.0~02.0/0非线性度误差：较大第二节电容式传感器差动式结构])()(1[])()(1[30200023020001CCCC])(2)(2[300021CCCC第二节电容式传感器忽略高次项，经整理得002CC其非线性误差为%100)(/)/(20030接成差动结构后：灵敏度提高了一倍，而且非线性误差减小了一个数量级。第二节电容式传感器第三章传感器技术将传感器接成“差动”形式，其主要优点有：①提高灵敏度；②改善非线性；③消除信号中的共模干扰，抑制温漂。第二节电容式传感器第三章传感器技术优点：可进行动态非接触式测量，对被测系统的影响小；灵敏度高，适用于较小位移(0.01μm一数百微米)的测量。缺点：有线性误差；杂散电容对灵敏度和测量精确度有影响，与之配合使用的电子线路较复杂。第二节电容式传感器第三章传感器技术三、面积变化型一般常用的有角位移型和线位移型两种。动片静片αDdLx(a)角位移式(b)平面线位移式(c)圆柱体线位移型图3-6变面积式电容传感器abx第二节电容式传感器第三章传感器技术动片静片α22rA22rC常数22rdAdCS第二节电容式传感器abx)(xabC常数bdxdCS第二节电容式传感器DdLx)/ln(20dDLC)1()/ln()(201LxCdDxLC常数LCdxdCS01变面积型优点是输出与输入成线性关系。但与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移的测量。第三节电感式传感器第三节电感式传感器电感式传感器是把被测量转换为电感量变化的一种装置。其变换是基于电磁感应原理。电感是指线圈在磁场中活动时，所能感应到的电流的强度，单位是“亨利”（H）。按照变换方式的不同可分为自感型(包括可变磁阻式与涡流式)与互感型(差动变压器式)。第三节电感式传感器自感性：当线圈中有电流通过时，线圈的周围就会产生磁场。当线圈中电流发生变化时，其周围的磁场也产生相应的变化，此变化的磁场可使线圈自身产生感应电动势（电动势用以表示有源元件理想电源的端电压）。互感性：两个电感线圈相互靠近时，一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈，这种影响就是互感。互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度。第三节电感式传感器mRNL2002AAlRm002ARm一、自感型1.可变磁阻式2002ANL第三节电感式传感器20022AWS灵敏度为了减小线性误差，通常规定在较小间隙范围内工作。第三节电感式传感器时当衔铁上移2020002200022002)/1(2)(22ANANANS。小位移的测量，约为，这种传感器适用于较成线性关系。一般取入近似于定值，输出与输时，当mmS1~001.01.0/,1/100第三节电感式传感器（a）变导磁面积型(b)差动型(c）单螺线管线圈型(d)双螺线管线圈型图3-13可变磁阻式电感传感器典型结构第三节电感式传感器第三节电感式传感器2.涡流式涡流大小与导体电阻率ρ、磁导率μ以及产生交变磁场的线圈与被测体之间距离x，线圈激励电流的频率f有关。),,,,,(xfIrfZ第三节电感式传感器fr5030涡流穿透深度涡流传感器据激励频率分为高频反射式或低频透射式两类。第三节电感式传感器（1）高频反射式涡流传传感器1234561线圈2框架3衬套4支架5电缆6插头第三节电感式传感器（2）低频透射式电涡流传感器第三节电感式传感器第三节电感式传感器电涡流的应用干净、高效的电磁炉第三节电感式传感器电磁炉内部的励磁线圈第三节电感式传感器电磁炉的工作原理第三节电感式传感器大直径电涡流探雷器•转速测量•计数•测厚度•探伤•测振动•测温•测位移第三节电感式传感器二、互感器(差动变压器)dtdiMe112M——互感(H),其大小与两线圈相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关，它表明两线圈之间的耦合程度。第三节电感式传感器第三节电感式传感器差动变压器的输出电压是交流量，其幅值与铁心位移成正比，其输出电压如用交流电压表指示，输出值只能反映铁心位移的大小，不能反映移动的方向性。其次，交流电压输出存在一定的零点残余电压。零点残余电压是由于两个次级线圈结构不对称，以及初级线圈铜损、电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成。所以，即使铁心处于中间位置时，输出也不为零。为此，差动变压器式传感器的后接电路形式，需要采用既能反映铁心位移方向性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。第三节电感式传感器图3—21是一种用于小位移测量的差动相敏检波电路工作原理。在没有输入信号时，铁心处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有输入信号时，铁心移上或移下，其输出电压经交流放大、相放检波、滤波后得到直流输出，由表头指示输入位移量大小和方向。第三节电感式传感器差动变压器式电感传感器具有精确度高(高到0.1μm数量级)，线性范围大(可扩大到±100mm)，稳定度好和使用方便的特点，被广泛应用于直线位移的测量。但其实际测量频率上限受制于传感器中所包含的机械结构。借助弹性元件可以将压力、重量等物理量转换成位移的变化，故也将这类传感器用于压力、重量等物理量的测量。电感式传感器的应用电感式传感器主要用于测量微位移，凡是能转换成位移量变化的参数，如压力、力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位等都可以用电感式传感器来进行测量。位移传感器的外形图它主要用于位移，振动，转速测量。传感器的前置放大器被集成安装在传感器壳体里，其输出信号与测量位移成正比。在传感器测量量程内线性精度优于±2%。电感接近开关应用：电感式传感器测液位差动变压器的应用•差动变压器传感器是将被测的非电量转换成线圈互感量变化，并且其次级绕组采用差动形式连接。•目前应用最多的是螺线管是差动变压器，它可以测量1～100mm范围以内的机械位移量.•测振动、厚度、应变、压力、加速度•测挠度左图所示差动变压器式力传感器：外力作用下，变形使差动变压器的铁芯微位移，变压器次极产生相应电信号。第四节光电脉冲式位移传感器（光电编码器）一、光电编码器的工作原理光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的原板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测，并输出若干脉冲信号，其原理示意图如下：光源透镜码盘转轴透镜光敏元件放大整形脉冲输出通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外为判断旋转方向，码盘可以提供相位相差900的两路脉冲信号。编码器包括码盘和码尺。码盘用于测量角度。码尺用于测量长度，测量长度的实际应用比较少。所以在这里只讨论码盘。光源透镜码盘转轴透镜光敏元件放大整形脉冲输出数字式角编码器信号航空插头其他角编码器外形其他角编码器外形（续）拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。其他角编码器外形（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）光电编码器包括增量编码器和绝对码编码器两大类。二、增量编码器增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和C相；A、B两组脉冲相位差900，从而可方便地判断出旋转方向，而C相为每转一个脉冲，用于基准点定位。增量式编码器转轴盘码及狭缝光敏元件光栏板及辨向用的A、B狭缝LEDABC零位标志ABC增量式编码器增量式码盘10码道光电绝对式码盘它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。透光区不透光区零位标志增量式光电编码器的分辨力及分辨率增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：n0360n1分辨率＝三、绝对式编码器绝对式码盘与增量式码盘有何区别？10码道光电绝对式码盘绝对式编码器按照角度直接进行编码，可直接把被测转角用数字代码表示出来。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等形式。透光区不透光区零位标志三、绝对式编码器绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否，转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进