7速度与加速度测量.ppt

机电工程学院机电工程学院机电工程学院机电工程学院工程测试技术教研组工程测试技术教研组工程测试技术教研组工程测试技术教研组王琨琦王琨琦王琨琦王琨琦机电工程测试技术机电工程测试技术1/21/202317 速度与加速度的测量速度与加速度的测量7.1 速度的测量速度的测量7.1.1 速度测量方法速度测量方法按物理原理分：按物理原理分：机械式机械式电气式电气式光电式光电式光学式光学式1/21/202321/21/202337.1.2 7.1.2 磁电式速度传感器测速磁电式速度传感器测速 磁电式传感器是把被测量磁电式传感器是把被测量的物理量（振动、位移、转速的物理量（振动、位移、转速等）转换为感应电动势的一种等）转换为感应电动势的一种转换器。转换器。它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号于测量的电信号,是是有源传感器有源传感器。由于它输出功率大。由于它输出功率大且性能稳定且性能稳定,具有一定的工作带宽（具有一定的工作带宽（10101000 Hz1000 Hz）,所以得到普遍应用。所以得到普遍应用。1/21/20234磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。1)1)变换原理变换原理:根据电磁感应定律根据电磁感应定律,当当w w匝线圈在恒定磁场内运动时匝线圈在恒定磁场内运动时,设穿过设穿过线圈的磁通为线圈的磁通为,则线圈内的感应电势则线圈内的感应电势e e与磁通变化率与磁通变化率d/dtd/dt有如下关系有如下关系:1/21/202352)2)分类分类 根据利用被测量改变线圈速度或磁阻的方式，可将传感器根据利用被测量改变线圈速度或磁阻的方式，可将传感器分成动圈式和磁阻式。分成动圈式和磁阻式。磁磁电电式式动圈式动圈式磁阻式磁阻式线速度型线速度型角速度型角速度型N1/21/20236 动圈式工作原理动圈式工作原理 a.a.线圈在磁场中作直线运动线圈在磁场中作直线运动 其中，其中，w线圈匝数，线圈匝数，B磁感应磁感应强度，强度，l单匝线圈有效长度，单匝线圈有效长度，v线圈与磁场的相对速度。线圈与磁场的相对速度。直接测得的是线圈的运动速直接测得的是线圈的运动速度度速度传感器速度传感器经微分和积分运算可得到运经微分和积分运算可得到运动物体的加速度和位移动物体的加速度和位移1/21/20237b.b.线圈在磁场中作旋转运动线圈在磁场中作旋转运动 其中，其中，k与结构有关的系数（），与结构有关的系数（），A线圈的截面积，线圈的截面积，线圈转动的角线圈转动的角速度。速度。可测量物体转速可测量物体转速测速测速电机电机1/21/20238动圈式传声器1/21/20239由钢制圆形外壳制成,里面用铝支架将圆柱形永久磁铁与外壳固定成一体,永久磁铁中间有一小孔,穿过小孔的芯轴两端架起线圈和阻尼环,芯轴两端通过圆形膜片支撑架空。动圈式振动速度传感器动圈式振动速度传感器1、芯轴2、壳体3、弹簧片4、支架5、永磁铁6、线圈7、阻尼环8、引线1/21/202310 该传感器测量的是振该传感器测量的是振动速度参数动速度参数,若在测若在测量电路中接入积分电量电路中接入积分电路路,则输出电势与位则输出电势与位移成正比移成正比;若在测量若在测量电路中接入微分电路电路中接入微分电路,则其输出与加速度成则其输出与加速度成正比。正比。1/21/202311磁阻式传感器磁阻式传感器 动圈式：线圈在磁场中运动时切割磁力线而产生电动势法拉动圈式：线圈在磁场中运动时切割磁力线而产生电动势法拉第感应定理第感应定理磁阻式：线圈与磁铁固定不动，运动物体（导磁材料）运动来磁阻式：线圈与磁铁固定不动，运动物体（导磁材料）运动来影响磁路的磁阻，引起磁场的强弱变化，产生感应电动势。影响磁路的磁阻，引起磁场的强弱变化，产生感应电动势。1/21/202312a)a)开磁路变磁通式开磁路变磁通式:线圈、磁铁静止不动线圈、磁铁静止不动,测量齿轮安装在测量齿轮安装在被测旋转体上被测旋转体上,随之一起转动。每转动一个齿随之一起转动。每转动一个齿,齿的凹凸引齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次起磁路磁阻变化一次,磁通也就变化一次磁通也就变化一次,线圈中产生感应线圈中产生感应电势电势,其变化频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积。其变化频率等于被测转速与测量齿轮齿数的乘积。这种传感器结构简单这种传感器结构简单,但输出信号较小但输出信号较小,且因高速轴上加装且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速。齿轮较危险而不宜测量高转速。1/21/202313b)b)闭磁路变磁通式闭磁路变磁通式:它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永它由装在转轴上的内齿轮和外齿轮、永久磁铁和感应线圈组成久磁铁和感应线圈组成,内外齿轮齿数相同。当转轴连接到内外齿轮齿数相同。当转轴连接到被测转轴上时被测转轴上时,外齿轮不动外齿轮不动,内齿轮随被测轴而转动内齿轮随被测轴而转动,内、内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化,从而引起磁从而引起磁路中磁通的变化路中磁通的变化,使线圈内产生周期性变化的感生电动势。使线圈内产生周期性变化的感生电动势。其频率与被测转速成正比。其频率与被测转速成正比。1/21/202314磁电式测速传感器磁电式测速传感器1/21/2023157.1.3 7.1.3 光电传感器测速光电传感器测速 光电式传感器将光信号转换为电信号。光光电式传感器将光信号转换为电信号。光电器件的物理基础是电器件的物理基础是光电效应光电效应。光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管光敏电阻光敏电阻光电二极管光电二极管光电三极管光电三极管（1 1）基本工作原理）基本工作原理1/21/202316光电效应光电效应 光电效应通常是指物体敏感到由光电效应通常是指物体敏感到由紫外线到红外线紫外线到红外线的的光能量，并将光能转化成电信号现象。光能量，并将光能转化成电信号现象。1 1、外光电效应、外光电效应 在光线作用下，物质内的电子逸出物体表面向外发在光线作用下，物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为射的现象称为外光电效应外光电效应。基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有有光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管等。等。1/21/2023172 2、内光电效应、内光电效应 在光的照射下材料的电阻率发生改变的现象称为在光的照射下材料的电阻率发生改变的现象称为内光电效应内光电效应。半导体材料受到光照时会产生电子半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对，空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象，也称为光照后电阻率发生变化的现象，也称为光电导效光电导效应。应。基于这种效应的光电器件有基于这种效应的光电器件有光敏电阻光敏电阻(光电导光电导型型)。1/21/2023183 3、光生伏特效应、光生伏特效应 半导体材料受到光照后产生一定方向的电动半导体材料受到光照后产生一定方向的电动势的现象称为势的现象称为光生伏特效应光生伏特效应。光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。器件。常用的光生伏特型器件有常用的光生伏特型器件有光电池、光敏二极光电池、光敏二极管和光敏三极管管和光敏三极管等。等。1/21/2023191 1、光电管、光电管结构：由一个阴极和一个阳极构成，并且密封结构：由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。1/21/202320 光电阴极通常采用逸出功小的光电阴极通常采用逸出功小的光敏材光敏材料料(如铯如铯Cs)Cs)光线照射到光敏材料上便有电光线照射到光敏材料上便有电子逸出，这些电子具有正电位的阳极所吸子逸出，这些电子具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间子流，在外电路引，在光电管内形成空间子流，在外电路就产生电流。就产生电流。1/21/2023212 2、光电倍增管、光电倍增管 当入射光很微弱时，当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电普通光电管产生的光电流很小，只有零点几流很小，只有零点几AA，不易探测，不易探测常常用用光电倍增管对电流进光电倍增管对电流进行放大。行放大。光电倍增管的工作光电倍增管的工作原理建立在光电发射和原理建立在光电发射和二次发射的基础上，获二次发射的基础上，获得大的光电流。得大的光电流。1/21/2023223.3.光敏电阻光敏电阻 光敏电阻又称光敏电阻又称光导管光导管，为纯电阻元件，其工作，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。优点：优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。和寿命长等。不足：不足：需要外部电源，有电流时会发热。需要外部电源，有电流时会发热。1/21/202323 无光照时其阻值很高；当受到光照并且光辐无光照时其阻值很高；当受到光照并且光辐射能量足够大时，光导材料禁带中的电子受到能射能量足够大时，光导材料禁带中的电子受到能量大于其禁带宽度量大于其禁带宽度EgEg的光子激发，由价带越过的光子激发，由价带越过禁带而跃迁到导带，使其导带的电子和价带的空禁带而跃迁到导带，使其导带的电子和价带的空穴增加，电阻率变穴增加，电阻率变小。小。1/21/202324照相机自动测光照相机自动测光光控灯光控灯工业控制工业控制1/21/2023254.4.光电池光电池 当光照到当光照到PNPN结区时，如果光子能量足够大，将结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子在结区附近激发出电子-空穴对，在空穴对，在N N区聚积负电荷，区聚积负电荷，P P区聚积正电荷，这样区聚积正电荷，这样N N区和区和P P区之间出现电位差区之间出现电位差光生电动势。光生电动势。+-PN1/21/2023265.光电二极管和光电三极管光电二极管和光电三极管1/21/202327光电二极管使用时往往工作在光电二极管使用时往往工作在反向偏置反向偏置状态。状态。1/21/202328光电三极管光电三极管 光电三极管有光电三极管有PNPPNP型和型和NPNNPN型两种，其结构与一般三型两种，其结构与一般三极管很相似，具有极管很相似，具有电流增益电流增益；当集电极加上正电压，当集电极加上正电压，基极开路时，集电结基极开路时，集电结处于处于反向偏置反向偏置状态。状态。1/21/202329应用应用模拟式光电传感器模拟式光电传感器被测物体本身就是辐射源，直接照射在光电元件被测物体本身就是辐射源，直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。等均属于这一类。1/21/202330根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度明度、混浊度,对气体进行成分分析对气体进行成分分析,测定液测定液体中某种物质的含量等。体中某种物质的含量等。1/21/202331光源发出的光通量经被测物遮去其一部分光源发出的光通量经被测物遮去其一部分,使作使作用在光电元件上的光通量减弱用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。1/21/202332根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。面位移等。1/21/202333（2 2）光电式传感器测速系统组成）光电式传感器测速系统组成一般光电传感器测速系统的方框图一般光电传感器测速系统的方框图 1/21/202334光电测速计测量线速度光电测速计测量线速度 1/21/202335光电式转速计测量转速光电式转速计测量转速 反射型光电式转速计的工作原理反射型光电式转速计的工作原理 直射型光电式转速计的工作原理直射型光电式转速计的工作原理 1/21/202336基本测量电路基本测量电路1/21/2023377.1.4 7.1.4 其它测速装置其它测速装置（1 1）电涡流式传感器测转速）电涡流式传感器测转速1/21/202338电容式传感器测转速电容式传感器测转速 霍尔式传感器测转速霍尔式传感器测转速 1/21/202339利用多普勒雷达测量弹丸飞行速度利用多普勒雷达测量弹丸飞行速度 1/21/2023407.2 7.2 加速度的测量加速度的测量7.2.1 7.2.1 加速度测量方法加速度测量方法 依据对加速度计内检测质量所产生的惯性力的检测方式来分，加速度计可分为压电式、压阻式、应变式、电容式、振梁式、磁电感应式、隧道电流式、热电式等；按检测质量的支承方式来分，则可分为悬臂梁式、摆式、折叠梁式、简支承梁式等。1/21/2023411)1)变换原理变换原理:压电效应压电效应 某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生符号相反的电荷；当外力去掉时，又重新回到不带符号相反的电荷；当外力去掉时，又重新回到不带电的状态，电的状态，且当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。这种机械能转为电能的现象,称为“正压电效应”，相反,当在电介质极化方向施加电场,这些电介质也会产生变形,这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。F+q=DF7.2.2 7.2.2 压电式传感器测量加速度压电式传感器测量加速度1/21/202342在自然界中大多数晶体具有压电效应,但压电效应十分微弱。石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。压电材料可以分为两大类:压电晶体和压电陶瓷。1/21/202343石英晶体石英晶体天然结构的石英晶体是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。纵向轴 z光轴；x 轴电轴,y轴机械轴。沿电轴x 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”,沿机械轴y 方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴z 方向受力时不产生压电效应。1/21/202344若从晶体上沿 y 方向切下一块如图所示晶片,当在电轴方向施加作用力时,在与电轴 x 垂直的平面上将产生电荷,其大小为 qx=d11 fxd11x方向受力的压电系数;fx作用力。若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为 qy=d12 fy d12y轴方向受力的压电系数,d12=-d11;电荷qx和qy 的符号由所受力的性质决定。1/21/202345微观机理：石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子在垂直于z轴的xy平面上的投影,等效为一个正六边形排列。“+”代表Si4+离子,“”代表氧离子2O2-（3个硅离子，6个氧离子，氧离子成对出现）。当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、P2、P3。P=qLq为电荷量,L为正负电荷之间距离。此时正负电荷中心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。分子的电偶极距是衡量分子极性大小的物理量。1/21/202346当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时,晶体沿x方向将产生压缩变形,正负离子的相对位置也随之变动。此时正负电荷中心不再重合,电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零,即（P1+P2+P3）x 0。在x轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。当石英晶体受到沿x轴方向的拉力作用时,P1增大和P2、P3减小，在x轴的正向出现负电荷，y,z方向依旧不出现电荷。x1/21/202347当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,与前者情况相似,P1增大,P2、P3 减小。在x轴上出现电荷,它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。当作用力fx、fy的方向相反时,电荷的极性也随之改变。如果沿z轴方向施加作用力,因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷中心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。x1/21/202348压电陶瓷压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向,从而存在电场。-在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。-施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化.压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多,所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。1/21/202349F+q=DF D:压电常数2)2)工作原理及其测量电路工作原理及其测量电路 由压电元件的工作原理可知,压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时也是一个电容器,晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板,极板间物质等效于一种介质,则其电容量为+串联串联+并联并联结构型式结构型式1/21/202350如果施加在晶片上的外力不变，积聚在极板上的电荷无内部泄漏，外电路负载无穷大，那么在外力作用期间，电荷量将保持不变，直到外力作用终止，电荷才消失；如果负载不是无穷大，电路将按指数规律放电，电荷无法保持不变，影响测量精度。故采用压电式传感器测量静态或准静态量时，必须采用极高阻抗的负载。而动态测量时，漏电量较小，故使宜动态测量。1/21/202351在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种:并联接法，其输出电容C为单片的n倍，即C=nC，输出电压U=U，极板上的电荷量Q为单片电荷量的n倍，即Q=nQ。串联接法，这时有QQ，U=nU，C=C/n。并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压作为输出量的场合。1/21/202352压电传感器可以等效为一个电荷源，电容器上的开路电压ea,电荷量q及电容Ca关系为：压电传感器也可以等效为一个与电容相串联的电压源等效电路等效电路 1/21/202353压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接,因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc,放大器的输入电阻Ri,输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra,这样压电传感器在测量系统中的实际等效电路如图1/21/202354测量电路测量电路 压电传感器本身的内阻抗很高,而输出能量较小,给后续测量电路提出很高的要求。而压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。为顺利地进行测量，通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为:一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗;二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号,也可以是电荷信号,因此前置放大器也有两种形式:电压放大器和电荷放大器。qCaRaRa:传感器泄漏电阻，它越大，放电越慢1/21/202355电荷放大器常作为压电传感器的输入电路,由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成,当略去Ra和Ri并联电阻后,电荷放大器等效电路如下传感器部分电缆电荷放大器UiRi1/21/202356由于运算放大器输入阻抗极高,放大器输入端几乎没有分流,而从旁路（反馈电容）上流过，其输出电压Uo为Ui 放大器输入端电压；Uo放大器输出端电压;Cf反馈电容由运算放大器基本特性,可求出电荷放大器的输出电压1/21/202357通常A=104106,因此若满足（1+A）Cf Ca+c+Ci时,上式可表示为由于引入了电容负反馈，电荷放大器的输出电压仅与传感器产生的电荷量及放大器的反馈电容有关，电缆电容等其他因素对灵敏度的影响可以忽略不计。电荷放大器的输出电压Uo与电缆电容Cc无关,且与q成正比,这是电荷放大器的最大特点。1/21/202358压电变换部分由两片压电晶片并联而成。惯性质量借助于顶压弹簧紧压在晶片上，惯性接收部分将被测的加速度 接收为质量m相对于底座的相对振动位移xo,晶片受动压力P经压电效应转换为作用在晶片极面上的电荷 q，,与加速度a成正比。因此,测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。压电式加速度传感器压电式加速度传感器 1/21/202359产品产品加速度计加速度计1/21/202360