传感器与检测技术第4章(1).ppt

传感器与检测技术第4章(1)Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第一节第一节 速度传感器速度传感器一、测速发电机一、测速发电机v测测速速发发电电机机是是机机电电一一体体化化系系统统中中用用于于测测量量和和自动调节电机转速的一种传感器。自动调节电机转速的一种传感器。v它它由由带带有有绕绕组组的的定定子子和和转转子子构构成成。根根据据电电磁磁感感应应原原理理，当当转转子子绕绕组组供供给给励励磁磁电电压压并并随随被被测测电电动动机机转转动动向向，定定子子绕绕组组则则产产生生与与转转速速成成正比的感应电动势正比的感应电动势。2第一节第一节 速度传感器速度传感器一、测速发电机一、测速发电机v根据励磁电流的种类，测速发电机可分为：根据励磁电流的种类，测速发电机可分为：v直流测速发电机直流测速发电机v他励式他励式v永磁式永磁式v交流测速发电机交流测速发电机3第一节第一节 速度传感器速度传感器一、测速发电机一、测速发电机v在在实实际际应应用用中中，机机电电一一体体化化系系统统对对测测速速发发电电机的主要要求有：机的主要要求有：v输输出出电电压压对对转转速速应应保保持持较较精精确确的的正正比比例例关关系系v转动惯量要小转动惯量要小v灵灵敏敏度度要要高高，即即测测速速发发电电机机的的输输出出电电压压对对转速的变化反应要灵敏转速的变化反应要灵敏4第一节第一节 速度传感器速度传感器一、测速发电机一、测速发电机v由由于于测测速速发发电电机机比比较较容容易易满满足足上上述述要要求求，且且性性能能稳稳定定，故故被被广广泛泛用用于于机机电电一一体体化化系系统统中中的电动机转速的测量和自动调节的电动机转速的测量和自动调节v一般测量范围为一般测量范围为(20400)r/min。5一、测速发电机一、测速发电机1.直流测速发电机直流测速发电机v直直流流测测速速发发电电机机是是一一种种微微型型直直流流发发电电机机。它它的的定定子子、转转子子结结构构与与直直流流伺伺服服电电动动机机基基本本相相同。同。6一、测速发电机一、测速发电机1.直流测速发电机直流测速发电机v若若按按定定子子磁磁极极的的励励磁磁方方式式不不同同，可可分分为为电电磁磁式式和和永磁式永磁式两大类；两大类；v若若按按电电枢枢的的结结构构形形式式不不同同，可可分分为为无无槽槽电电枢枢、有有槽槽电电枢枢、空空心心杯杯电电枢枢和和圆圆盘盘印印刷刷绕绕组组等等几几种。种。7一、测速发电机一、测速发电机1.直流测速发电机直流测速发电机(1)直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的输出特性v直直流流测测速速发发电电机机的的工工作作原原理理与与一一般般直直流流发发电电机机相相同同。在在恒恒定定磁磁场场中中，旋旋转转的的电电枢枢绕绕组组切切割磁通，并产生感应电动势。割磁通，并产生感应电动势。8一、测速发电机一、测速发电机1.直流测速发电机直流测速发电机(1)直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的输出特性v由电刷两端引出的电枢感应电动势为由电刷两端引出的电枢感应电动势为Ke感应系数；感应系数；磁通；磁通；n转速；转速；Ce感应电动势与转速的比例系数。感应电动势与转速的比例系数。9一、测速发电机一、测速发电机1.直流测速发电机直流测速发电机(1)直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的输出特性v空空载载(即即电电枢枢电电流流Is0)时时，直直流流测测速速发发电电机机的的输输出出电电压压和和电电枢枢感感应应电电动动势势相相等等，因因而而输输出电压与转速成正比。出电压与转速成正比。10一、测速发电机一、测速发电机1.直流测速发电机直流测速发电机(1)直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的输出特性v有有负负载载(即即电电枢枢电电流流Is 0)时时，直直流流测测速速发发电电机的输出电压为机的输出电压为v式式中中 rs电电枢枢回回路路的的总总电电阻阻(包包括括电电刷刷和换向器之间的接触电阻等和换向器之间的接触电阻等)v在在理理想想情情况况下下，若若不不计计电电刷刷和和换换向向器器之之间间的接触电阻，的接触电阻，rs为电枢绕组电阻。为电枢绕组电阻。11一、测速发电机一、测速发电机1.直流测速发电机直流测速发电机(1)直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的输出特性v有负载时，电枢电流为有负载时，电枢电流为12一、测速发电机一、测速发电机1.直流测速发电机直流测速发电机(1)直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的输出特性v有负载时，有负载时，13一、测速发电机一、测速发电机1.直流测速发电机直流测速发电机(1)直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的输出特性v有负载时，有负载时，v在在理理想想情情况况下下，rs、RL和和 均均为为常常数数，系系数数C亦为一常数。亦为一常数。14一、测速发电机一、测速发电机1.直流测速发电机直流测速发电机(1)直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的输出特性15一、测速发电机一、测速发电机1.直流测速发电机直流测速发电机(2)产生误差的原因和改进方法产生误差的原因和改进方法v输出电压与转速之间不能保持比例关系输出电压与转速之间不能保持比例关系.v其其一一是是当当转转速速较较高高时时，电电枢枢电电流流增增大大，电电枢枢反反应应有有去去磁磁作作用用，使使磁磁通通减减小小，导导致致输输出出电电压不再与转速成正比。压不再与转速成正比。v遇遇到到这这种种情情况况可可以以在在定定子子磁磁极极上上安安装装补补偿偿绕绕组组，或使负载电阻大于规定值。，或使负载电阻大于规定值。16一、测速发电机一、测速发电机1.直流测速发电机直流测速发电机(2)产生误差的原因和改进方法产生误差的原因和改进方法v其二是其二是电刷接触压降电刷接触压降的影响。的影响。v这这是是因因为为电电刷刷接接触触电电阻阻是是非非线线性性的的，即即当当电电机机转转速速较较低低、相相应应的的电电枢枢电电流流较较小小时时，接接触触电电阻阻较较大大，从从而而使使输输出出电电压压很很小小。只只有有当当转转速速较较高高、电电枢枢电电流流较较大大时时，电电刷刷压压降降才才可可以以认为是常数。认为是常数。17一、测速发电机一、测速发电机1.直流测速发电机直流测速发电机(2)产生误差的原因和改进方法产生误差的原因和改进方法v其二是其二是电刷接触压降电刷接触压降的影响。的影响。v为为了了减减小小电电刷刷接接触触压压降降的的影影响响，即即缩缩小小不不灵灵敏敏区区，应应采采用用接接触触压压降降较较小小的的铜铜-石石墨墨电电极极或或铜铜电电极极，并并在在它它与与换换向向器器相相接接触触的的表表面面上上镀银镀银。18一、测速发电机一、测速发电机1.直流测速发电机直流测速发电机(2)产生误差的原因和改进方法产生误差的原因和改进方法v其三是其三是温度温度的影响的影响v这这是是因因为为励励磁磁绕绕组组中中长长期期流流过过电电流流易易发发热热，其其电电阻阻值值也也相相应应增增大大，从从而而使使励励磁磁电电流流减减小小的缘故。的缘故。19一、测速发电机一、测速发电机1.直流测速发电机直流测速发电机(2)产生误差的原因和改进方法产生误差的原因和改进方法v其三是温度的影响其三是温度的影响v可可在在直直流流测测速速发发电电机机的的绕绕组组回回路路中中串串联联一一个个电电阻阻值值较较大大的的附附加加电电阻阻，再再接接到到励励磁磁电电源源上上。这这样样，当当励励磁磁绕绕组组温温度度升升高高时时，其其电电阻阻虽虽有有增增加加，但但励励磁磁回回路路总总电电阻阻的的变变化化却却较较小小，故故可保持励磁电流几乎不变。可保持励磁电流几乎不变。20一、测速发电机一、测速发电机1.直流测速发电机直流测速发电机例例：已已知知某某他他励励直直流流测测速速发发电电机机的的电电枢枢绕绕组组电电阻阻rs=1，在在n=300r/min时，测得得测速速发电机的机的输出出电压VCF=3V。求。求当当负载电阻阻RL=25时时，该发电该发电机的机的Ce和和C 当当RL，n=300r/min时，发电机的机的输出出电压VCF当当RL=10，n=300r/min时，发电机机的的输出出电压VCF。此此时，Ce是否是否发生生变化？（不考化？（不考虑电枢反枢反应的去磁作用）的去磁作用）当当RL=25，n=1000r/min时，电枢枢电流流Is及及测速速发电机机的的输入功率（不考入功率（不考虑效率）效率）Is及及测速速发电机机的的输入入功功率率过大大有有何何危危害害？如如何何减减少少发电机机的的输入功率及入功率及电枢枢电流。流。21一、测速发电机一、测速发电机2.交流测速发电机交流测速发电机v交交流流测测速速发发电电机机可可分分为为永永磁磁式式、感感应应式式和和脉脉冲式冲式三种。三种。22一、测速发电机一、测速发电机2.交流测速发电机交流测速发电机v永磁式交流测速发电机永磁式交流测速发电机v实实质质上上是是单单向向永永磁磁转转子子同同步步发发电电机机，定定子子绕绕组组感感应应的的交交变变电电动动势势的的大大小小和和频频率率都都随随输输入入信号信号(转速转速)而变化而变化23一、测速发电机一、测速发电机2.交流测速发电机交流测速发电机v永磁式交流测速发电机永磁式交流测速发电机K常系数，常系数，p电机极对数；电机极对数；N定子绕组每相匝数；定子绕组每相匝数；Kw定子绕组基波绕组系数；定子绕组基波绕组系数；m电机每极基波磁通的幅值。电机每极基波磁通的幅值。24一、测速发电机一、测速发电机2.交流测速发电机交流测速发电机v永磁式交流测速发电机永磁式交流测速发电机v这这种种测测速速发发电电机机尽尽管管结结构构简简单单，也也没没有有滑滑动动接接触触，但但由由于于感感应应电电动动势势的的频频率率随随转转速速而而改改变变，致致使使电电动动机机本本身身的的阻阻抗抗和和负负载载阻阻抗抗均均随随转转速速而而变变化化，故故其其输输出出电电压压不不与与转转速速成成正正比比关系。关系。v通常这种电机只作为指示式转速计使用。通常这种电机只作为指示式转速计使用。25一、测速发电机一、测速发电机2.交流测速发电机交流测速发电机v感应式交流测速发电机感应式交流测速发电机v感感应应式式测测速速发发电电机机与与脉脉冲冲式式测测速速发发电电机机的的工工作原理基本相同作原理基本相同v利利用用定定子子、转转子子齿齿槽槽相相互互位位置置的的变变化化，使使输输出出绕绕组组中中的的磁磁通通产产生生脉脉动动，从从而而感感应应出出电电动动势。这种工作原理称为势。这种工作原理称为感应子式发电机原理感应子式发电机原理。26一、测速发电机一、测速发电机2.交流测速发电机交流测速发电机v感应式交流测速发电机感应式交流测速发电机27一、测速发电机一、测速发电机2.交流测速发电机交流测速发电机v感应式交流测速发电机感应式交流测速发电机v定定子子、转转子子铁铁心心均均为为硅硅钢钢片片冲冲制制叠叠成成，定定子子内圆周和转子外圆周上都有均布的齿槽。内圆周和转子外圆周上都有均布的齿槽。v在在定定子子槽槽中中放放置置节节距距为为一一个个齿齿距距的的输输出出绕绕组组，通通常常组组成成三三相相绕绕组组，定定子子、转转子子的的齿齿数数应应符符合一定的配合关系。合一定的配合关系。28一、测速发电机一、测速发电机2.交流测速发电机交流测速发电机v感应式交流测速发电机感应式交流测速发电机v当当转转子子不不转转时时，永永久久磁磁铁铁在在电电动动机机气气隙隙中中产产生生的的磁磁通通不不变变，所所以以定定子子输输出出绕绕组组中中没没有有感感应电动势。应电动势。v当当转转子子以以一一定定速速度度旋旋转转时时，定定、转转子子齿齿之之间间的的相相对对位位置置发发生生了了周周期期性性变变化化，定定子子绕绕组组中中有交变电动势产生。有交变电动势产生。29一、测速发电机一、测速发电机2.交流测速发电机交流测速发电机v感应式交流测速发电机感应式交流测速发电机v转转子子一一个个齿齿的的中中线线与与定定子子某某一一齿齿的的中中线线位位置置一一致致时时，该该定定子子齿齿对对应应的的气气隙隙磁磁导导为为最最大大，当当转转子子转转过过1/2齿齿距距时时，转转子子槽槽的的中中线线与与定定子子齿齿的的中中线线位位置置一一致致，该该定定子子齿齿对对应应的的气气隙隙磁导又为最小，以后的过程重复进行。磁导又为最小，以后的过程重复进行。v在在上上述述过过程程中中，该该定定子子齿齿上上均均输输出出绕绕组组所所匝匝链链的的磁磁通通大大小小相相应应发发生生周周期期性性变变化化，输输出出绕绕组组中就有中就有交流的感应电动势交流的感应电动势。30一、测速发电机一、测速发电机2.交流测速发电机交流测速发电机v感应式交流测速发电机感应式交流测速发电机v每每当当转转子子转转过过一一个个齿齿距距，输输出出绕绕组组的的感感应应电电动动势势也也变变化化一一个个周周期期，因因此此，输输出出电电动动势势的的频率应为频率应为Zr转子齿数；转子齿数；n电动机转速电动机转速(r/min)。31一、测速发电机一、测速发电机2.交流测速发电机交流测速发电机v感应式交流测速发电机感应式交流测速发电机v由由于于感感应应电电动动势势频频率率和和转转速速之之间间有有严严格格的的关关系系，相相应应感感应应电电动动势势的的大大小小也也与与转转速速成成正正比比，故可作为测速发电机用。故可作为测速发电机用。v它它和和永永磁磁式式测测速速发发电电机机一一样样，由由于于电电动动势势的的频频率率随随转转速速而而变变化化，致致使使负负载载阻阻抗抗和和电电动动机机本身的内阻抗本身的内阻抗大小均随转速而改变。大小均随转速而改变。32一、测速发电机一、测速发电机2.交流测速发电机交流测速发电机v感应式交流测速发电机感应式交流测速发电机v采采用用二二极极管管对对这这种种测测速速发发电电机机的的三三相相输输出出电电压压进进行行桥桥式式整整流流后后，可可取取其其直直流流输输出出电电压压作作为速度信号用于机电一体化系统的自动控制。为速度信号用于机电一体化系统的自动控制。v感感应应子子式式测测速速发发电电机机和和整整流流电电路路结结合合后后，可可以作为性能良好的直流测速发电机使用。以作为性能良好的直流测速发电机使用。33一、测速发电机一、测速发电机2.交流测速发电机交流测速发电机v脉冲式测速发电机脉冲式测速发电机v以以脉脉冲冲频频率率作作为为输输出出信信号号。由由于于输输出出电电压压的的脉脉冲冲频频率率和和转转速速保保持持严严格格的的正正比比关关系系，所所以以也属于同步发电机类型。也属于同步发电机类型。34一、测速发电机一、测速发电机2.交流测速发电机交流测速发电机v脉冲式测速发电机脉冲式测速发电机v其其特特点点是是输输出出信信号号的的频频率率相相当当高高，即即使使在在较较低低转转速速下下(如如每每分分钟钟几几转转或或几几十十转转)，也也能能输输出出较较多多的的脉脉冲冲数数，因因而而以以脉脉冲冲个个数数显显示示的的速速度度分分辨辨力力比比较较高高，适适用用于于速速度度比比较较低低的的调调节节系统系统，特别适用于，特别适用于鉴频锁相鉴频锁相的速度控制系统。的速度控制系统。35二、线振动速度传感器二、线振动速度传感器36二、线振动速度传感器二、线振动速度传感器v当当一一个个绕绕有有N匝匝的的线线圈圈作作垂垂直直于于磁磁场场方方向向相相对对运运动动时时，线线圈圈切切割割磁磁力力线线，由由法法拉拉第第电电磁磁感应定律可知，线圈产生感应电动势感应定律可知，线圈产生感应电动势EE=NBlvB线圈所在磁场的磁感应强度线圈所在磁场的磁感应强度(T)；l每匝线圈的平均长度每匝线圈的平均长度(m)；v线圈磁场的运动速度线圈磁场的运动速度(m/s)。37二、线振动速度传感器二、线振动速度传感器v当当一一个个绕绕有有N匝匝的的线线圈圈作作垂垂直直于于磁磁场场方方向向相相对对运运动动时时，线线圈圈切切割割磁磁力力线线，由由法法拉拉第第电电磁磁感应定律可知，线圈产生感应电动势感应定律可知，线圈产生感应电动势EE=NBlvv当当传传感感器器结结构构选选定定后后，其其N、B、l均均为为常常量量，因因此此感感应应式式传传感感器器的的感感应应电电动动势势正比于被测速度正比于被测速度。38二、线振动速度传感器二、线振动速度传感器v磁磁电电式式线线速速度度传传感感器器的的线线圈圈平平均均直直径径D=25mm,气气隙隙的的磁磁感感应应强强度度B为为6000Gs。希希望望传传感感器器的的灵灵敏敏度度k=600mV/(cm/s)，求工作线圈的匝数应为多少？，求工作线圈的匝数应为多少？解：解：E=NBlv 39二、线振动速度传感器二、线振动速度传感器v恒定磁通感应式线振动速度传感器恒定磁通感应式线振动速度传感器40二、线振动速度传感器二、线振动速度传感器v恒定磁通感应式线振动速度传感器恒定磁通感应式线振动速度传感器v当当壳壳体体随随被被测测振振动动体体一一起起振振动动时时，运运动动部部件件（线圈线圈）与）与磁铁磁铁产生相对运动产生相对运动v并并且且永永久久磁磁铁铁与与线线圈圈之之间间的的相相对对运运动动速速度度接接近于近于振动体振动速度振动体振动速度v因因此此在在传传感感器器线线圈圈中中产产生生与与振振动动速速度度成成正正比比的的感应电动势感应电动势并输出。并输出。41二、线振动速度传感器二、线振动速度传感器v恒定磁通感应式线振动速度传感器恒定磁通感应式线振动速度传感器v为为了了使使同同一一型型号号的的传传感感器器有有相相同同的的灵灵敏敏度度，常常在在传传感感器器线线圈圈两两端端并并联联一一个个可可调调电电阻阻，经经标定标定后固定其阻值。后固定其阻值。421.变磁通式变磁通式v变变磁磁通通式式又又称称(变变)磁磁阻阻式式或或变变气气隙隙式式，常常用用来测量旋转物体的来测量旋转物体的角速度角速度。v开磁路式开磁路式v闭磁路式闭磁路式三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器43三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器1.变磁通式变磁通式v开磁路式开磁路式44三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器1.变磁通式变磁通式v开开磁磁路路式式工工作作时时，其其传传感感器器不不动动，将将导导磁磁材材料料制制成成的的测测量量齿齿轮轮1安安装装在在被被测测旋旋6体体上上。传传感感器器软软铁铁3与与齿齿轮轮轮轮齿齿的的间间隙隙约约为为0.10.7mm。间间隙隙小小，输输出出电电压压幅幅值值大大，但但太太小小时时会会因因齿齿轮轮安安装装偏偏心心而而发发生生齿齿轮轮和和传传感感器器卡卡死死现现象象。所所以以应应在在不不影影响响齿齿轮轮正正常常转转动动情情况况下下尽尽可可能能调调整整到到间间隙隙最最小小，以以获获得得最最大大的的输出电压幅值。输出电压幅值。45三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器1.变磁通式变磁通式v测测量量时时，齿齿轮轮随随被被测测旋旋转转体体一一起起转转动动，每每转转一一个个齿齿，传传感感器器磁磁路路磁磁阻阻变变化化一一次次，磁磁通通亦亦变变化化一一次次，因因此此线线圈圈产产生生感感应应电电动动势势的的变变化化频率等于齿轮的齿数与转速的乘积。频率等于齿轮的齿数与转速的乘积。46三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器1.变磁通式变磁通式47三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器1.变磁通式变磁通式v闭磁路式闭磁路式48三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器1.变磁通式变磁通式v闭磁路式闭磁路式v闭闭磁磁路路式式工工作作时时，转转子子与与转转轴轴固固紧紧并并随随被被测测轴轴转转动动，转转子子、定定子子和和永永久久磁磁铁铁组组成成磁磁路路系系统统。在在转转子子和和定定子子的的环环形形端端面面上上铣铣有有均均匀匀分分布的齿和槽，且两者的齿、槽数对应相等。布的齿和槽，且两者的齿、槽数对应相等。49三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器1.变磁通式变磁通式v闭磁路式闭磁路式v当当转转子子的的齿齿与与定定子子的的齿齿相相对对时时，气气隙隙最最小小，磁磁路路系系统统的的磁磁通通最最大大。而而齿齿与与槽槽相相对对时时，则则气气隙隙最最大大，磁磁通通最最小小。因因此此测测量量转转速速时时，磁磁通通周周期期变变化化，线线圈圈产产生生感感应应电电动动势势的的频频率率与与转速成正比。转速成正比。50三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器1.变磁通式变磁通式v变磁通式的转速变磁通式的转速 n=60f/z f输出感应电动势的频率输出感应电动势的频率(Hz)z为齿数为齿数 n被测转数被测转数v则角速度则角速度 (2/z)f (rad/s)。51三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器1.变磁通式变磁通式v开开磁磁路路式式结结构构简简单单，体体积积较较小小，但但输输出出信信号号弱，不易测量高转速。弱，不易测量高转速。v闭闭磁磁路路式式测测量量范范围围大大，为为(504000)r/min，可连续使用，且方便、可靠。可连续使用，且方便、可靠。52三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器1.变磁通式变磁通式例例：变变磁磁通通式式转转速速传传感感器器，若若测测得得输输出出电电动动势势的的交交变变频频率率为为24Hz，求求被被测测轴轴的的转转速速为为多多少少?在在其其条条件下，最大测量误差是多少件下，最大测量误差是多少?解：解：n=60f/zz=18n=60f/z=6024/18=80r/min误误差差读读数数为为 1个个数数字字，所所以以是是1/18转转n=80 1/18 r/min53三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器2.霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器v利利用用霍霍尔尔效效应应的的传传感感元元件件，既既可可测测量量位位移移也也可测量转速可测量转速(角速度角速度)54三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器2.霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器v霍尔效应霍尔效应v金金属属或或半半导导体体薄薄片片置置于于磁磁场场中中，当当有有电电流流流流过过时时，在在垂垂直直于于电电流流和和磁磁场场的的方方向向上上将将产产生生电动势，这种物理现象称为电动势，这种物理现象称为霍尔效应霍尔效应。55三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器2.霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器v霍尔效应霍尔效应在磁场不太强时，电位差在磁场不太强时，电位差UH与电流强度与电流强度I和磁感应强度和磁感应强度B成正成正比，与板的厚度比，与板的厚度d成反比，即成反比，即 RH霍尔系数霍尔系数kH霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度 56三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器2.霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器v霍尔元件霍尔元件v基基于于霍霍尔尔效效应应工工作作的的半半导导体体器器件件称称为为霍霍尔尔元元件件，霍霍尔尔元元件件多多采采用用N型型半半导导体体材材料料。霍霍尔尔元元件件越越薄薄(d越越小小)，kH就就越越大大，薄薄膜膜霍霍尔尔元元件厚度只有件厚度只有1m左右。左右。57三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器2.霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器v利利用用霍霍尔尔元元件件组组成成的的传传感感器器称称为为霍霍尔尔式式传传感感器。器。58三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器2.霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器v利利用用霍霍尔尔元元件件组组成成的的传传感感器器称称为为霍霍尔尔式式传传感感器。器。59三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器2.霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器v在在被被测测物物上上粘粘有有多多对对小小磁磁钢钢，霍霍尔尔元元件件固固定定于小磁钢附近。于小磁钢附近。v当当被被测测物物转转动动时时，每每当当一一个个小小磁磁钢钢转转过过霍霍尔尔元元件件(通通以以电电流流)，霍霍尔尔元元件件输输出出一一个个相相应应的的脉脉冲冲。测测得得单单位位时时间间内内的的脉脉冲冲个个数数，即即可可求求得被测物的转速和角速度。得被测物的转速和角速度。60三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器2.霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器v转速转速 n=60f/z f传感器输出周期信号的频率传感器输出周期信号的频率(Hz)z被测物上标记被测物上标记(齿齿)数数 n被测转数（被测转数（r/min）v角速度角速度 2 f/z (rad/s)。61三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器2.霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器v霍霍尔尔元元件件由由半半导导体体材材料料制制成成，体体积积小小，结结构构简单。简单。62三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器3.电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器 v利利用用电电涡涡流流式式位位移移传传感感器器对对转转速速和和角角速速度度进进行测量行测量63三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器3.电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器 64三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器3.电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器 v传传感感器器靠靠近近在在被被测测物物上上设设定定的的等等距距标标记记(如如凸凸齿齿)安安装装，当当被被测测物物转转动动时时，传传感感器器输输出出频率与转速成正比的信号。频率与转速成正比的信号。65三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器三、变磁通式、霍尔式和电涡流式速度传感器3.电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器 v转速转速 n=60f/z f传感器输出周期信号的频率传感器输出周期信号的频率(Hz)z被测物上标记被测物上标记(齿齿)数数 n被测转数（被测转数（r/min）v角速度角速度 2 f/z (rad/s)。66四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器v陀陀螺螺在在旋旋转转的的时时候候，不不但但围围绕绕本本身身的的轴轴线线转转动动，而而且且还还围围绕绕一一个个垂垂直直轴轴作作锥锥形形运运动动。也也就就是是说说，陀陀螺螺一一面面围围绕绕本本身身的的轴轴线线作作“自自转转”，一面围绕垂直轴作，一面围绕垂直轴作“公转公转”。v陀陀螺螺围围绕绕自自身身轴轴线线作作“自自转转”运运动动速速度度的的快快慢慢，决决定定着着陀陀螺螺摆摆动动角角的的大大小小。转转得得越越慢慢，摆摆动动角角越越大大，稳稳定定性性越越差差；转转得得越越快快，摆摆动动角越小，因而稳定性也就越好。角越小，因而稳定性也就越好。67四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器v陀陀螺螺高高速速自自转转时时，在在重重力力偶偶作作用用下下，不不沿沿力力偶偶方方向向翻翻倒倒，而而绕绕道道支支点点的的垂垂直直轴轴作作圆圆锥锥运运动的现象，就是陀螺原理。动的现象，就是陀螺原理。68四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器v陀陀螺螺式式角角速速度度传传感感器器包包括括转转子子陀陀螺螺、压压电电陀陀螺螺、激光陀螺激光陀螺和和光纤陀螺光纤陀螺。69四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器1.转子陀螺式角速度传感器转子陀螺式角速度传感器v转子陀螺式角速度传感器利用陀螺原理工作转子陀螺式角速度传感器利用陀螺原理工作 70四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器1.转子陀螺式角速度传感器转子陀螺式角速度传感器v当当壳壳体体绕绕y轴轴旋旋转转时时，电电位位器器输输出出与与角角速速度度 成正比的电压信号。成正比的电压信号。71四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器1.转子陀螺式角速度传感器转子陀螺式角速度传感器v转转子子陀陀螺螺式式角角速速度度传传感感器器是是一一种种惯惯性性传传感感器器，安安装装简简单单，使使用用方方便便，但但是是有有机机械械活活动动部部件件，被被测测角角速速度度范范围围为为 30 120/s，质质量量较较大大(0.5kg左右左右)，成本高，寿命低。，成本高，寿命低。72四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器1.转子陀螺式角速度传感器转子陀螺式角速度传感器v转转子子陀陀螺螺的的y轴轴称称为为测测量量轴轴或或输输入入轴轴，x轴轴称称为为输出轴输出轴。v测测量量时时，将将陀陀螺螺壳壳体体固固定定在在被被测测物物体体上上，要要注注意意陀陀螺螺的的安安装装方方位位，使使被被测测物物带带动动壳壳体体绕绕y轴转动。轴转动。73四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器2.压电陀螺式角速度传感器压电陀螺式角速度传感器v压电陀螺利用压电晶体的压电效应工作。压电陀螺利用压电晶体的压电效应工作。v这这种种角角速速度度传传感感器器有有振振梁梁型型、双双晶晶片片型型和和圆圆管型管型三类三类74四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器2.压电陀螺式角速度传感器压电陀螺式角速度传感器v振梁型振梁型75四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器2.压电陀螺式角速度传感器压电陀螺式角速度传感器v振梁型振梁型v矩形振梁矩形振梁的四个面上贴有的四个面上贴有两对压电元件两对压电元件。v当当其其中中一一对对驱驱动动压压电电元元件件加加上上电电信信号号时时，由由于于逆逆压压电电效效应应，使使梁梁在在驱驱动动平平面面内内产产生生基基波波弯曲振动弯曲振动。v当当绕绕z轴轴输输入入被被测测角角速速度度时时，在在读读出出平平面面内内产生产生惯性力惯性力76四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器2.压电陀螺式角速度传感器压电陀螺式角速度传感器v振梁型振梁型v使使读读出出平平面面内内的的一一对对压压电电元元件件振振动动，因因正正压压电效应电效应而输出与角速度成正比例的而输出与角速度成正比例的电压信号电压信号。77四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器2.压电陀螺式角速度传感器压电陀螺式角速度传感器v双晶片型双晶片型78四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器2.压电陀螺式角速度传感器压电陀螺式角速度传感器v双晶片型双晶片型v双双晶晶片片型型压压电电陀陀螺螺式式角角速速度度传传感感器器采采用用四四块块弯曲振动模式的弯曲振动模式的压电元件压电元件，两端成，两端成90 相接相接v固固定定在在基基座座上上的的两两个个驱驱动动压压电电元元件件以以相相反反方方向给以其向给以其基波频率驱动基波频率驱动。79四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器2.压电陀螺式角速度传感器压电陀螺式角速度传感器v双晶片型双晶片型v当当敏敏感感轴轴处处于于零零角角速速度度时时，敏敏感感元元件件不不产产生生弯曲振动，没有信号输出。弯曲振动，没有信号输出。v当当有有角角速速度度时时，两两敏敏感感元元件件则则以以180 相相位位差差振振动动，输输出出电电信信号号之之差差的的幅幅值值正正比比于于角角速速度度，而其极性与旋转方向有关。，而其极性与旋转方向有关。80四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器2.压电陀螺式角速度传感器压电陀螺式角速度传感器v圆管型圆管型 81四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器2.压电陀螺式角速度传感器压电陀螺式角速度传感器v圆管型圆管型 v金金属属或或陶陶瓷瓷圆圆管管一一端端封封闭闭，并并固固定定在在轴轴座座上上，另另端在圆管外壁径向放置八片压电元件端在圆管外壁径向放置八片压电元件v其其中中两两片片压压电电元元件件作作驱驱动动，对对圆圆管管进进行行激激励励，产生产生弯曲振动弯曲振动。82四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器2.压电陀螺式角速度传感器压电陀螺式角速度传感器v圆管型圆管型 v当当圆圆管管以以角角速速度度 绕绕其其中中心心旋旋转转时时，与与驱驱动动压压电电元元件件呈呈45 径径向向放放置置在在管管外外壁壁上上的的两两片片压压电电元元件件，感感受受输输入入角角速速度度，而而输输出出电电信信号号。83四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器2.压电陀螺式角速度传感器压电陀螺式角速度传感器v圆管型圆管型 v管管外外壁壁垂垂直直于于驱驱动动压压电电元元件件的的两两片片敏敏感感压压电电元元件件用用作作敏敏感感振振动动频频率率，并并通通过过锁锁相相回回路路使使驱动信号频率稳定。驱动信号频率稳定。v另外两片压电元件用作阻尼。另外两片压电元件用作阻尼。84四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器3.激光陀螺式角速度传感器激光陀螺式角速度传感器v激光陀螺式角速度传感器的结构图激光陀螺式角速度传感器的结构图85四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器3.激光陀螺式角速度传感器激光陀螺式角速度传感器v利利用用单单晶晶硅硅块块或或石石英英块块中中开开孔孔制制成成三三角角环环形形激激光光腔腔，腔腔内内充充有有氦氦氖氖混混合合气气体体，并并装装有有电极，反射镜和分光镜用胶合法固定。电极，反射镜和分光镜用胶合法固定。86四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器3.激光陀螺式角速度传感器激光陀螺式角速度传感器v激激光光陀陀螺螺式式角角速速度度传传感感器器利利用用环环形形干干涉涉原原理理测量角速度。测量角速度。87四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器3.激光陀螺式角速度传感器激光陀螺式角速度传感器v由由氦氦氖氖激激光光器器发发出出的的光光经经分分光光镜镜分分成成顺顺、逆逆时时针针方方向向并并有有一一相相位位差差的的两两束束激激光光，经经反反射射镜镜后后在在分分光光镜镜处处产产生生干干涉涉，由由光光电电器器件件转转换换为电信号输出。为电信号输出。88四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器3.激光陀螺式角速度传感器激光陀螺式角速度传感器v当当环环形形干干涉涉系系统统绕绕轴轴o以以角角速速度度 转转动动时时，根根据据相相对对原原理理，沿沿转转动动方方向向的的激激光光通通过过环环路路所所需需时时间间增增大大，而而相相反反方方向向(图图中中为为逆逆时时针针方方向向)的的激激光光通通过过环环路路所所需需时时间间减减少少，因因此此改改变变了了两两路路光光的的相相位位差差，使使干干涉涉条条纹纹移移动动，移动频率正比于角速度移动频率正比于角速度。v测测得得干干涉涉条条纹纹的的移移动动频频率率，便便可可测测出出被被测测角角速度。速度。89四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器4.光纤陀螺式角速度传感器光纤陀螺式角速度传感器v光纤是利用光的全反射原理。光纤是利用光的全反射原理。90四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器4.光纤陀螺式角速度传感器光纤陀螺式角速度传感器91四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器4.光纤陀螺式角速度传感器光纤陀螺式角速度传感器v光纤陀螺由光纤陀螺由光导纤维匝环光导纤维匝环构成。构成。v激激光光经经半半透透镜镜进进入入光光纤纤匝匝环环1，形形成成左左、右右回回旋旋的的两两路路相相干干光光，并并在在半半透透镜镜3处处汇汇合合产产生干涉，经光电器件转换成电信号输出。生干涉，经光电器件转换成电信号输出。92四、陀螺式角速度传感器四、陀螺式角速度传感器4.光纤陀螺式角速度传感器光纤陀螺式角速度传感器v当当光光纤纤陀陀螺螺相相对对惯惯性性空空间间以以角角速速度度 旋旋转转时时，由由塞塞古古纳纳克克(Sagnac)效效应应，两两路路光光的的相相位位差差 (rad)为为 N光纤环的匝数光纤环的匝数A光纤匝环面积光纤匝环面积(m2)0真空中光波长真空中光波长(m)C0真空中光速真空中光速(m/s)被测角速度被测角速度(rad/