第14章-位移、速度、加速度测量-检测技术与仪器-工程测试技术-教学课件.ppt

第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 14.1 位移测量位移测量u位移是一种常见的运动量，是线位移和角位移的总称。u机械工程中经常要求精确地测量零部件的位移或位置，在力、压力、扭矩、速度、加速度、温度、流量、物位等参数的许多测量中，常以位移测量为基础的。u位移是向量。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 按位移测量原理来分有：机械式位移测量法，如浮子式油量表、水箱液位计等都是利用浮子来感受液面的位移，达到指示油量的大小和水位的高低。特点：机械惯性大，动态特性较差，不能远距离传送。电气式位移测量法，位移量通过位移传感器转换为电量，再经相应的测试电路处理后，传递到显示或记录装置。特点：动态范围大，接触式测量时，传感器对被测对象有一定影响。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 光电式位移测量法，将机械位移量通过光电式位移传感器转换为电量再进行测量的方法。特点：应用于需进行非接触测量的场合，对被测对象无不良影响，具有较高的频响精度。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 位移测量系统组成位移传感器信号调理电路记录仪器u电感式位移测量系统u电容式位移测量系统u光电式位移测量系统第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 电感式传感器的几个特点：结构简单，工作中没有活动电接触点，因而，比电位器工作可靠，寿命长。灵敏度高，分辨率高，能测出0.01”甚至更小的机械位移变化，能感受小至的微小角度变化。传感器的输出信号强。电压灵敏度高，有利于信号的传输与放大。重复性好，线性度优良，在一定位移范围内，输出特性的线性度好，并且比较稳定。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 。电感式传感器可分为两大类：自感式传感器（电感式）互感式传感器（差动变压器式）根据工作原理亦可分为：变磁阻式传感器变压器式传感器涡流式传感器第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 14.1.1.1变磁阻式电感传感器1单磁路自感式电感传感器1)工作原理 由由衔铁、铁芯和线圈衔铁、铁芯和线圈三部三部分组成，衔铁和铁芯之间有空分组成，衔铁和铁芯之间有空隙，传感器的运动部分与衔铁隙，传感器的运动部分与衔铁相连，当传感器测量物理量时，相连，当传感器测量物理量时，衔铁运动部分产生位移，导致衔铁运动部分产生位移，导致气隙厚度气隙厚度变化，从而使线圈变化，从而使线圈的电感值发生变化。的电感值发生变化。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 即：磁链磁链 线圈中电感线圈中电感L等于单位电流所产生的磁链，磁通等于单位电流所产生的磁链，磁通取决于磁取决于磁路中磁阻路中磁阻RM及磁动势及磁动势WI，即，即，代入L中 线圈电感值计算线圈电感值计算：式中式中 W线圈的匝数；线圈的匝数；Rm磁路的总磁阻。磁路的总磁阻。总磁阻总磁阻总磁阻总磁阻第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 若气隙厚度若气隙厚度较小，可认为空气隙磁场是均匀的，忽略磁较小，可认为空气隙磁场是均匀的，忽略磁路铁损，则总磁阻为磁路中铁芯，空气隙和衔铁的磁阻之和，路铁损，则总磁阻为磁路中铁芯，空气隙和衔铁的磁阻之和，式中 磁通通过铁芯的长度；磁通通过铁芯的长度；铁芯横截面积；铁芯横截面积；铁芯在磁感应值为时的磁导率；铁芯在磁感应值为时的磁导率；衔铁横截面积；衔铁横截面积；衔铁在磁感应值为时的磁导率；衔铁在磁感应值为时的磁导率；磁导率磁导率磁导率磁导率导磁率导磁率导磁率导磁率H/mH/m第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 压磁效应：压磁效应：当铁磁材料受到力作用时，在物体内部产生应力，当铁磁材料受到力作用时，在物体内部产生应力，从而引起磁导率从而引起磁导率发生变化，适用于各种力的测量。发生变化，适用于各种力的测量。变磁阻式传感器的类型：变磁阻式传感器的类型：变气隙厚度变气隙厚度的电感式传感器的电感式传感器变气隙面积变气隙面积S S的电感式传感器的电感式传感器变磁导率变磁导率的电感式传感器的电感式传感器第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 电感的变化量电感的变化量L L为为 有：有：当当 1 1时，可将上式展开成级数时，可将上式展开成级数 第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 当电感变化量为电感变化量为 有有 可见，不若考虑包括可见，不若考虑包括2 2次项以上的高次项，则次项以上的高次项，则 与与 成比例关系，因此，高次项的存在是造成非线性的主成比例关系，因此，高次项的存在是造成非线性的主要原因。但当空气隙相对变化要原因。但当空气隙相对变化 越小时，高次项将迅速减越小时，高次项将迅速减小，非线性可以得到改善。然而，这导致传感器的测量范围小，非线性可以得到改善。然而，这导致传感器的测量范围（即衔铁的允许工作位移）变小（即衔铁的允许工作位移）变小.一般对于变气隙式电感传感器，取一般对于变气隙式电感传感器，取 =0.1=0.10.20.2。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 上图为差动电感传感器电桥接线图。传感器的两上图为差动电感传感器电桥接线图。传感器的两只电感线圈接成交流电桥的相邻两臂，另外两个桥臂只电感线圈接成交流电桥的相邻两臂，另外两个桥臂由电阻组成。由电阻组成。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 2 2）工作原理）工作原理 在起始位置时，衔铁处于中间位置，两边的空隙在起始位置时，衔铁处于中间位置，两边的空隙相等，因此，两只电感线圈的电感量在理论上相等，相等，因此，两只电感线圈的电感量在理论上相等，电桥的输出电压电桥的输出电压 ，电桥处于平衡状态。，电桥处于平衡状态。当衔当衔铁偏离中间位置向上或向下移动时，造成两边气隙铁偏离中间位置向上或向下移动时，造成两边气隙不一样，使两只电感线圈的电感量一增一减，电桥不一样，使两只电感线圈的电感量一增一减，电桥就不平衡。电桥输出电压的幅值大小与衔铁移动量就不平衡。电桥输出电压的幅值大小与衔铁移动量的大小成比例，其相位则反相的大小成比例，其相位则反相180180。因此，如果测量。因此，如果测量出输出电压的大小和相位，就能确定位移量的大小出输出电压的大小和相位，就能确定位移量的大小和方向。和方向。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 3）E E型差动电感传感器接入电桥后的输出特性型差动电感传感器接入电桥后的输出特性 输出特性是指电桥输出电压与传感器衔铁位移量输出特性是指电桥输出电压与传感器衔铁位移量之间的关系。之间的关系。当衔铁在中间位置时，两边的气隙长度相等，当衔铁在中间位置时，两边的气隙长度相等，有：有：第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 单个电感线圈的铜电阻；单个电感线圈的铜电阻；单个电感线圈的交流阻抗（在单个电感线圈的交流阻抗（在 时）；时）；电源电压的角频率。电源电压的角频率。当衔铁偏离中间位置时，设向上偏移当衔铁偏离中间位置时，设向上偏移 ，磁路上半部气隙，磁路上半部气隙磁导增加，下半部气隙磁导减少，于是电桥对角端有电压输出。磁导增加，下半部气隙磁导减少，于是电桥对角端有电压输出。假定电桥输出端的负载阻抗为无穷大，则输出电压为假定电桥输出端的负载阻抗为无穷大，则输出电压为 （14-8）第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 由于上下两边气隙不相等，阻抗也有了改变，上边增由于上下两边气隙不相等，阻抗也有了改变，上边增加加 ，下边减少，下边减少 ，即，即 ，。其中，。其中，。电桥的另两臂是电阻，。电桥的另两臂是电阻，即即 。将这些关系代入式（。将这些关系代入式（14-814-8）可得）可得式中式中 Z Z0 0衔铁在中间位置时单个电感线圈的阻抗；衔铁在中间位置时单个电感线圈的阻抗；R Rc c衔铁在中间位置时单个线圈的铜电阻；衔铁在中间位置时单个线圈的铜电阻；L L0 0衔铁在中间位置时单个线圈的起始电感量。衔铁在中间位置时单个线圈的起始电感量。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 差动电感传感器衔铁的线性工作范围一般可取为差动电感传感器衔铁的线性工作范围一般可取为 。优点：采用差动式电感传感器不仅可以减少非线采用差动式电感传感器不仅可以减少非线性，同时还可以提高灵敏度。性，同时还可以提高灵敏度。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 与变压器不同之处：变压器是闭合磁路，差动变压器是开磁路；与变压器不同之处：变压器是闭合磁路，差动变压器是开磁路；前者原、副边间的互感系数是常数，而后者的互感系数随衔铁前者原、副边间的互感系数是常数，而后者的互感系数随衔铁移动有相应变化，移动有相应变化，图14-514.1.1.214.1.1.2差动变压器式传感器差动变压器式传感器1 1工作原理工作原理简称差动变压器，如图简称差动变压器，如图14-514-5所示。所示。由铁芯、衔铁和线圈组成。差动由铁芯、衔铁和线圈组成。差动变压器上下两只铁芯均有一个初变压器上下两只铁芯均有一个初级线圈级线圈1 1（又称激励线圈）和一（又称激励线圈）和一个次级线圈个次级线圈2 2（也称输出线圈）。（也称输出线圈）。上下两只初级线圈串联后接交流上下两只初级线圈串联后接交流激励电压激励电压 。两只次级线圈按。两只次级线圈按电势反相串接。电势反相串接。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 当衔铁处于中间时，当衔铁处于中间时，1 1=2 2，线圈，线圈1 1中产生交变磁通为中产生交变磁通为1 1和和2 2，在线圈，在线圈2 2中产生交流感应电势，由于两边气隙相等，磁阻相中产生交流感应电势，由于两边气隙相等，磁阻相等，所以等，所以1 1=2 2，次级线圈中感应电势，次级线圈中感应电势 ，输出电压，输出电压 。当衔铁偏离中间位置时，两边气隙不相等，。当衔铁偏离中间位置时，两边气隙不相等，两线圈之，两线圈之间的互感间的互感MM发生变化，次级线圈中感应电势不再相等，发生变化，次级线圈中感应电势不再相等，便有电压便有电压 输出。输出。的大小和相位取决于衔铁移动量的大小和方向。的大小和相位取决于衔铁移动量的大小和方向。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 2).主要特性 在初始状态时，元件在初始状态时，元件1 1与元件与元件2 2一致，它们的初级线圈电感一致，它们的初级线圈电感为为 初级线圈的匝数；初级线圈的匝数；初始状态时磁路磁阻。初始状态时磁路磁阻。初级线圈中的电流为初级线圈中的电流为 式中式中 初级线圈的直流电阻。初级线圈的直流电阻。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 当有空气隙变化为当有空气隙变化为 时，两个初级线圈的电感分时，两个初级线圈的电感分别为别为初级线圈的阻抗分别为初级线圈的阻抗分别为第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 MM1 1及及MM2 2为初级与次级之间的为初级与次级之间的互感系数，其值分别为互感系数，其值分别为 式中式中 W2W2次级线圈的匝数；次级线圈的匝数；1 1、2 2分别为上下两个磁系统中的磁通。分别为上下两个磁系统中的磁通。综上有综上有:第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 一般情况下一般情况下 ，所以，所以 可忽略不计，可求得输出电压可忽略不计，可求得输出电压 为为传感器的灵敏度传感器的灵敏度 可见，差动变压器式传感器的特性几乎完全是线性的，其可见，差动变压器式传感器的特性几乎完全是线性的，其灵敏度不仅取决于磁系统的结构参数，同时也取决于初级、次灵敏度不仅取决于磁系统的结构参数，同时也取决于初级、次级线圈的匝数比及激励电源电压的大小。级线圈的匝数比及激励电源电压的大小。可以通过改变匝数比及提高电源电压来提高灵敏度。可以通过改变匝数比及提高电源电压来提高灵敏度。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 3)3)差动变压器的测量电路差动变压器的测量电路 差动变压器的输出电压是调幅波，为辨别衔铁的移差动变压器的输出电压是调幅波，为辨别衔铁的移动方向，要进行解调。常用解调电路有：差动相敏检动方向，要进行解调。常用解调电路有：差动相敏检波与差动整流电路。波与差动整流电路。（1 1）差动相敏检波电路。相敏检波电路要求参考电）差动相敏检波电路。相敏检波电路要求参考电压与差动变压器次级输出电压频率相同，相位相同或压与差动变压器次级输出电压频率相同，相位相同或相反；因此常接入移相电路。为提高检波效率，参考相反；因此常接入移相电路。为提高检波效率，参考电压幅值取为信号的电压幅值取为信号的3 35 5倍。倍。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 （2）差动整流电路。辨别移动方向、消除零点残存电压辨别移动方向、消除零点残存电压辨别移动方向、消除零点残存电压辨别移动方向、消除零点残存电压第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 14.1.1.314.1.1.3电涡流式传感器电涡流式传感器 电涡流式传感器是基于电涡流效应工作的，由于结电涡流式传感器是基于电涡流效应工作的，由于结构简单，灵敏度高，频率响应范围宽，抗干扰能力强，构简单，灵敏度高，频率响应范围宽，抗干扰能力强，不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量等优点而不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量等优点而备受重视和采用。备受重视和采用。所谓电涡流就是金属导体中的磁通发生变化时，在所谓电涡流就是金属导体中的磁通发生变化时，在导体中就会产生感应电流，此电流在导体中自行闭合，导体中就会产生感应电流，此电流在导体中自行闭合，称它为电涡流。电涡流的产生要消耗一部分磁场能量，称它为电涡流。电涡流的产生要消耗一部分磁场能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，电涡流式传感器从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，电涡流式传感器就是利用这种效应制成的。就是利用这种效应制成的。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 1 感应电涡流位移传感器的工作原理 从结构上讲，感应电涡流传感器是一个绕在硬塑料框架上的扁平线圈实际上就是一个电感线圈。在传感器工作的时候，传感器的线圈里通有高频电流在线圈的周围空间就会产生交变的高频磁场，这时如果有一块和线圈的中心线垂直的金属板接近传感器，分析一下线圈将产生以下一些物理现场。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 2).电涡流产生一个电磁场 电涡流产生一个电磁场，作用于传感器的线圈上，电涡流产生一个电磁场，作用于传感器的线圈上，由楞次定律，这个磁场的特点是它将反抗原来磁场的由楞次定律，这个磁场的特点是它将反抗原来磁场的变化，总的平均效应是使空间的磁场受到削弱（电涡变化，总的平均效应是使空间的磁场受到削弱（电涡流产生的磁通的方向与原来线圈的磁通方向相反）。流产生的磁通的方向与原来线圈的磁通方向相反）。1).1).在平板上产生电涡流在平板上产生电涡流 当金属平板置于交变的磁场中当金属平板置于交变的磁场中或有在磁场中运动时，金属板内或有在磁场中运动时，金属板内就要产生感应电流，这种电流在就要产生感应电流，这种电流在金属体内是自己闭合的环状电流，金属体内是自己闭合的环状电流，称之为涡流。涡流回路是以线圈称之为涡流。涡流回路是以线圈为中心线的圆心的同心圆。为中心线的圆心的同心圆。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 3).3).电涡流有热效应电涡流有热效应 电涡流在金属板中流动，回路将呈现一定的电阻，因此，电涡流在金属板中流动，回路将呈现一定的电阻，因此，要产生焦耳要产生焦耳楞次热，要消耗一部分能量。楞次热，要消耗一部分能量。4).4).对铁磁材料要磁化，产生附加的磁场对铁磁材料要磁化，产生附加的磁场 若金属平板是由磁性材料做成的，在线圈磁场的作用下，若金属平板是由磁性材料做成的，在线圈磁场的作用下，金属板将被磁化，产生一个附加磁场又增强了线圈中的磁场。金属板将被磁化，产生一个附加磁场又增强了线圈中的磁场。5).5).铁磁材料由于存在磁滞损耗，要发热铁磁材料由于存在磁滞损耗，要发热 金属板是磁性材料，交变的高频磁场使它反复磁化，由于金属板是磁性材料，交变的高频磁场使它反复磁化，由于磁性材料的磁滞特性，反复磁化要消耗能量，也就是存在磁滞磁性材料的磁滞特性，反复磁化要消耗能量，也就是存在磁滞损耗。在实际工作中，经常使用铝板，可避免此现象。损耗。在实际工作中，经常使用铝板，可避免此现象。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 2 2 物理模型物理模型M MRr初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈i2i1u1MHZ第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 将线圈和金属板看成是一个空心变压器将线圈和金属板看成是一个空心变压器 传感器线圈传感器线圈初级初级 金属板金属板次级次级 由于存在热效应，金属板具有电感由于存在热效应，金属板具有电感L L和电阻和电阻r r，两线圈间有，两线圈间有互感互感MM，显然，显然MM与两线圈之间的距离有关。与两线圈之间的距离有关。设初级线圈中有电流设初级线圈中有电流i i1 1，由于互感作用，次级回路中有电流由于互感作用，次级回路中有电流i i2 2。由回路电压定律：沿回路所升高的电位必等于沿此回路所由回路电压定律：沿回路所升高的电位必等于沿此回路所降低的电位）。降低的电位）。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 取拉氏变换，然后令取拉氏变换，然后令 中中 ，（1）（2）由（由（2 2）求出）求出 代入（代入（1 1）第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 则有线圈中有效阻抗则有线圈中有效阻抗实部实部虚部虚部电阻分量电阻分量线圈本身电阻线圈本身电阻涡流热效应产生的电阻涡流热效应产生的电阻第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 虚部虚部 感抗分量感抗分量本身电感本身电感电涡流效应造成的电涡流效应造成的 由此可知，等效阻抗由此可知，等效阻抗 中，电阻分量中，电阻分量 和等效电感和等效电感 的表示式中都包含有互感的表示式中都包含有互感MM这个量，而这个量，而MM和线圈与金属板之间和线圈与金属板之间的的距离距离有关，有关，金属板的材料金属板的材料有关。有关。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 3 3影响传感器性能的因素影响传感器性能的因素1).1).线圈结构的影响线圈结构的影响 我们希望灵敏度高，线性范围大，对电涡流式传感器，灵敏我们希望灵敏度高，线性范围大，对电涡流式传感器，灵敏度和线性范围受线圈产生的磁场分布情况影响。要使线性范围度和线性范围受线圈产生的磁场分布情况影响。要使线性范围增大则线圈的磁场轴向分布范围要大，要使灵敏度越高，则需增大则线圈的磁场轴向分布范围要大，要使灵敏度越高，则需被测导体向轴向移动时，磁场强度变化梯度越大。被测导体向轴向移动时，磁场强度变化梯度越大。经过大量分析：经过大量分析：线圈薄时，灵敏度高。线圈薄时，灵敏度高。线圈外径大时，传感器线性范围大，线性范围增大，线圈外径大时，传感器线性范围大，线性范围增大，但灵敏度降低。但灵敏度降低。传感器的线性范围一般为线圈外径的传感器的线性范围一般为线圈外径的1/31/51/31/5。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 2).2).被测体的材料、尺寸、形状对灵敏度的影响被测体的材料、尺寸、形状对灵敏度的影响 电涡流式传感器是利用线圈与被测金属导体之间的磁性耦合电涡流式传感器是利用线圈与被测金属导体之间的磁性耦合程度的变化进行的。所以传感器的线圈仅为传感器的一半，另程度的变化进行的。所以传感器的线圈仅为传感器的一半，另一半则是被测物体，被测物体的物理性质、几何形状及尺寸都一半则是被测物体，被测物体的物理性质、几何形状及尺寸都会影响灵敏度的测量结果。会影响灵敏度的测量结果。一般：一般：被测物体电导率越高被测物体电导率越高则灵敏度越高。则灵敏度越高。被测物体磁导率越高被测物体磁导率越高则灵敏度越低。则灵敏度越低。被测物体的平板半径应大于线圈半径的被测物体的平板半径应大于线圈半径的1.81.8倍，否则不能全倍，否则不能全部利用所能产生的电涡流效应，致使灵敏度降低。部利用所能产生的电涡流效应，致使灵敏度降低。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 4 4 测量电路测量电路 介绍一种用途较为广泛的阻抗分压调幅测量电路的工作原介绍一种用途较为广泛的阻抗分压调幅测量电路的工作原理。（实际上是测量的阻抗理。（实际上是测量的阻抗 的变化）的变化）测量电路框图如下：测量电路框图如下：第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 传感器与电容传感器与电容C C并联，组成一个并联，组成一个LCLC并联谐振电路。并联谐振电路。所谓谐振：在一定条件下，感抗和容抗消失，呈现为纯电阻所谓谐振：在一定条件下，感抗和容抗消失，呈现为纯电阻性的交流电路。性的交流电路。可将其等效为下图：可将其等效为下图：第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 由图可得回路方程：由图可得回路方程：i i为总电流，为总电流，、为两条并联电路上的电流。为两条并联电路上的电流。上电压降，上电压降，为电感上电压降。为电感上电压降。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 取拉氏变换，令取拉氏变换，令 ，（，（0 0初始条件）初始条件）(1)(3)(2)由此可求出电路的复导纳由此可求出电路的复导纳阻抗之倒数。阻抗之倒数。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 若虚部为若虚部为0 0，则电流矢量与电压矢量同相，电路呈纯电阻，则电流矢量与电压矢量同相，电路呈纯电阻性，此时为谐振。性，此时为谐振。因此电路产生谐振的条件是因此电路产生谐振的条件是可解出可解出谐振频率谐振频率所以所以第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 一般有一般有ReRe是很小的，对一定的线圈来讲，是很小的，对一定的线圈来讲，则有则有此时电路的纯电阻此时电路的纯电阻即即第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 若仅考虑阻抗大小，其频率特性可用图示表示：若仅考虑阻抗大小，其频率特性可用图示表示：无论激励频率大于还是小于谐振频率，回路中阻抗将下降。无论激励频率大于还是小于谐振频率，回路中阻抗将下降。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 从测量电路框图中还可看到，电阻从测量电路框图中还可看到，电阻R R与谐振回路的阻抗对与谐振回路的阻抗对于石英振荡器输出来讲构成了一个分压关系，两者是串联的。于石英振荡器输出来讲构成了一个分压关系，两者是串联的。一般来讲，对于非磁性材料有如图关系：一般来讲，对于非磁性材料有如图关系：第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 对磁性材料而言有下图关系：对磁性材料而言有下图关系：第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 14.1.1.4 14.1.1.4 应用举例应用举例1 1、电感测微仪、电感测微仪探头探头测量测量电桥电桥交流交流放大放大相敏相敏检波检波指示器指示器振荡器振荡器第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 变气隙式电感测微仪变气隙式电感测微仪动态测量范围：动态测量范围：动态测量范围：动态测量范围：1mm1mm1mm1mm分辨率：分辨率：分辨率：分辨率：1um1um1um1um精度：精度：精度：精度：3%3%3%3%第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 F F2 2、电感压力传感器 变气隙式结构第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 变气隙式差动压力传感器第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 电感式油压传感器 液压传动的各种机械装置第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 3.低频透射式涡流传感器测量板材厚度测量板材厚度测量板材厚度测量板材厚度L1产生的磁力线切割产生的磁力线切割M在被测体在被测体M中产生电涡中产生电涡流流i，涡流损耗部分能量，使通过，涡流损耗部分能量，使通过L2的磁力线减少，的磁力线减少，引起引起L2电势电势E下降。下降。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 4.4.涡流转速计涡流转速计齿轮齿齿轮齿数数第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 5.涡流探伤仪金属材料的表面裂纹金属材料的表面裂纹 电缆传输线电缆传输线热处理裂纹热处理裂纹焊缝等焊缝等 检查金属表面裂纹、焊接部位的探伤检查金属表面裂纹、焊接部位的探伤检查金属表面裂纹、焊接部位的探伤检查金属表面裂纹、焊接部位的探伤传感器与被测体距离不变，裂纹将引起金属的电阻率、传感器与被测体距离不变，裂纹将引起金属的电阻率、传感器与被测体距离不变，裂纹将引起金属的电阻率、传感器与被测体距离不变，裂纹将引起金属的电阻率、磁导率变化，综合引起传感器参数变化。磁导率变化，综合引起传感器参数变化。磁导率变化，综合引起传感器参数变化。磁导率变化，综合引起传感器参数变化。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 6 测量位移（2 2 2 2）汽轮机主轴的轴向窜动）汽轮机主轴的轴向窜动）汽轮机主轴的轴向窜动）汽轮机主轴的轴向窜动量程：量程：量程：量程：0 30mm0 30mm0 30mm0 30mm分辨率：分辨率：分辨率：分辨率：0.1%0.1%0.1%0.1%（1 1）液位监控系统）液位监控系统）液位监控系统）液位监控系统第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 水箱水箱旁通阀旁通阀省煤器省煤器电感传感器电感传感器M 调节阀调节阀控制器控制器输出输出锅筒锅筒电磁电磁线圈线圈玻璃玻璃板液板液位计位计传感器传感器 浮浮 球球离心水泵离心水泵7.自动连续给水控制装置第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 电容式传感器是电容式传感器是以电容器为敏感元件，以电容器为敏感元件，将被测将被测非电量转化为电容量的变化，进而实现非电量到电非电量转化为电容量的变化，进而实现非电量到电量的转换。量的转换。14.1.2 电容式位移测量系统电容式位移测量系统电容元件电容元件电容元件电容元件 非电量非电量非电量非电量电容量变化电容量变化电容量变化电容量变化第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 优点：优点：高阻抗，小功率。高阻抗，小功率。灵敏度高，具有较高的信噪比和系统稳定性。灵敏度高，具有较高的信噪比和系统稳定性。良好的动态特性。良好的动态特性。结构简单，适应性强。结构简单，适应性强。可进行非接触测量。可进行非接触测量。本身发热影响小。本身发热影响小。缺点：缺点：变间隙电容传感器非线性较严重。变间隙电容传感器非线性较严重。输出阻抗很高。输出阻抗很高。寄生电容大寄生电容大电容式传感器的特点电容式传感器的特点第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 应用：应用：可用于位移、压力、厚度、液位、湿度、振动、可用于位移、压力、厚度、液位、湿度、振动、转速、流量的测量转速、流量的测量。电容式传感器的应用电容式传感器的应用 19201925 19201925 电容传感器用于测量电容传感器用于测量电容传感器用于测量电容传感器用于测量 7080 7080年代，应用广泛年代，应用广泛年代，应用广泛年代，应用广泛 集成电容传感器集成电容传感器集成电容传感器集成电容传感器第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理在忽略边缘效应时，平板电容器的电容为在忽略边缘效应时，平板电容器的电容为 C 电容量；电容量；d 两平行极板间的距离；两平行极板间的距离；介质的相对介电常数；介质的相对介电常数；真空的介电常数，真空的介电常数，=8.8510-12F/m；A 极板面积。极板面积。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 在进行非电量电测时，可把力、加速度、位移及转在进行非电量电测时，可把力、加速度、位移及转速等力学量转换成速等力学量转换成d、A或或 的变化，从而转换成电容的变化，从而转换成电容量的变化。量的变化。边缘效应：边缘效应：1)边缘效应产生的原因：边缘效应产生的原因：2)后果：边缘效应将使电容量增大，灵敏度降低。后果：边缘效应将使电容量增大，灵敏度降低。3)消除边缘效应的方法：消除边缘效应的方法：应增大初始电容量，即可应增大初始电容量，即可适当增大极板面积、减小极板适当增大极板面积、减小极板间距。间距。也可采用等位环的方法也可采用等位环的方法第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 结构类型结构类型 电容式传感器分为三个类型，即电容式传感器分为三个类型，即变极距（变极距（d）型、）型、变面积（变面积（A）型和变介电常数（）型和变介电常数（）型）型。电容式传感器的结构类型及主要特性电容式传感器的结构类型及主要特性第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 1 1 1 1、基本工作原理、基本工作原理、基本工作原理、基本工作原理C C 电容量，单位：电容量，单位：电容量，单位：电容量，单位：F F 法拉法拉法拉法拉 真空介电常数，真空介电常数，真空介电常数，真空介电常数，8.85108.8510-12-12F/mF/m 极板间介质的相对介电常数极板间介质的相对介电常数极板间介质的相对介电常数极板间介质的相对介电常数A A 极板的有效面积（极板的有效面积（极板的有效面积（极板的有效面积（mm2 2）两平行极板间的距离（两平行极板间的距离（两平行极板间的距离（两平行极板间的距离（mm）平板电容器平板电容器平板电容器平板电容器第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 x固定极板可动极板 x输出C0 x0 xCdC 图中一个电极板固定不动，称为固定极板，另一极板可左图中一个电极板固定不动，称为固定极板，另一极板可左右移动，引起极板间距离右移动，引起极板间距离 x x 相应变化，从而引起电容量的变相应变化，从而引起电容量的变化。因此，只要测出电容变化量化。因此，只要测出电容变化量C C，便可测得极板间距的，便可测得极板间距的变化量，即动极板的位移量变化量，即动极板的位移量x x。变极距式电容传感器改成差动式，不仅非线性误差大大减变极距式电容传感器改成差动式，不仅非线性误差大大减少，灵敏度也可提高了一倍。少，灵敏度也可提高了一倍。2.2.变极距式电容传感器变极距式电容传感器第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 3.3.变面积式电容传感器变面积式电容传感器由两个电极板构成，一个固定极板，一个为可动极板，两由两个电极板构成，一个固定极板，一个为可动极板，两极板均呈半圆形。假定极板间的电介质不变，当两极板完极板均呈半圆形。假定极板间的电介质不变，当两极板完全正对时，其电容量全正对时，其电容量C0为为变面积式电容传感器变面积式电容传感器固定极板固定极板可动电极可动电极当可动极板绕轴转动一个当可动极板绕轴转动一个 角时，角时，两极板的对应面积要减少两极板的对应面积要减少A。则。则传感器的电容量就要减少传感器的电容量就要减少C，将，将电容量的变化检测出来，可实现角电容量的变化检测出来，可实现角位移的测量。位移的测量。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 电容式位移传感器的位移测量范围为电容式位移传感器的位移测量范围为1m10mm1m10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%2%，变面积式电容传感器的测量精度较高，其分，变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可达辨率可达0.3m0.3m。第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 电容式传感器桥式电路电容式传感器桥式电路单臂接法UscCxC1C2C3Usr差动接法UscC0+CC0CUsr4.4.电容式传感器的测量电路电容式传感器的测量电路测量电路将电容量转换成电压、电流或频率信号。测量电路将电容量转换成电压、电流或频率信号。常用的测量电路有。常用的测量电路有。（1 1）桥式电路）桥式电路第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 （2 2）运算放大器电路）运算放大器电路变极距型电容传感器的极距变化与电容量成非线性关变极距型电容传感器的极距变化与电容量成非线性关系，这一缺点使电器传感器的应用受到一定限制，而系，这一缺点使电器传感器的应用受到一定限制，而采用运算放大器电路可得到输出电压与输入位移的线采用运算放大器电路可得到输出电压与输入位移的线性关系。如图性关系。如图14-1514-15所示，所示，C C0 0为固定电容，为固定电容，CxCx为反馈电为反馈电容且为电容式传感器。根据运算放大器的运算关系，容且为电容式传感器。根据运算放大器的运算关系，有有 Cx运算放大器电路运算放大器电路C0UsckUsr第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 半导体光电位置敏感器件（半导体光电位置敏感器件（position Sensitive Detector简称简称PSD）是一种对其感光面上入射光点）是一种对其感光面上入射光点位置敏感的光电器件，即当入射光点落在器件感位置敏感的光电器件，即当入射光点落在器件感光面的不同位置时，将对应输出不同的电信号，光面的不同位置时，将对应输出不同的电信号，通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光点通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光点在器件感光面上的位置。在器件感光面上的位置。PSD可分为一维和二维可分为一维和二维PSD。14.1.4 14.1.4 光电位置敏感器件光电位置敏感器件第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 线阵光位置传感器线阵光位置传感器线阵光位置传感器线阵光位置传感器面阵光位置传感器面阵光位置传感器面阵光位置传感器面阵光位置传感器二维面阵光位置传感器二维面阵光位置传感器二维面阵光位置传感器二维面阵光位置传感器第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 PSDPSD测量系统具有非接触、测量范围较大、响应速测量系统具有非接触、测量范围较大、响应速度快、精度高等优点，近年来广泛用于位移、物体度快、精度高等优点，近年来广泛用于位移、物体表面振动、物体厚度等参数的检测。表面振动、物体厚度等参数的检测。光位置传感器的结构光位置传感器的结构光位置传感器的结构光位置传感器的结构通过检测电流检测光照射的位置通过检测电流检测光照射的位置通过检测电流检测光照射的位置通过检测电流检测光照射的位置第第1414章章 位移、速度、加速度测量位移、速度、加速度测量 作业作业6-1 试分析比较变磁阻式自感传感器、差动变压器式试分析比较变磁阻式自感传感器、差动变压器式互感传感器和涡流传感器的工作原理