位移及速度检测.ppt
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1、 宁波工程学院机械学院宁波工程学院机械学院 李发宗制作李发宗制作 传感器与检测技术传感器与检测技术宁波工程学院交通学院汽车运用教研室宁波工程学院交通学院汽车运用教研室 李发宗制作李发宗制作本课程的总体框架本课程的总体框架第第1章章 检测技术的基础知识检测技术的基础知识第第2章章 温度检测温度检测第第3章章 压力检测压力检测第第4章章 物位及厚度检测物位及厚度检测第第5章章 流量检测流量检测第第6章章 位移及速度检测位移及速度检测第第7章章 磁场与成分参数检测磁场与成分参数检测第第8章章 视觉检测视觉检测第第9章章 多传感器信息融合技术多传感器信息融合技术第第10章章 传感器的补偿与标定传感器的
2、补偿与标定目 录目 录传感器原理传感器原理第第 6 6 章章位移及速位移及速位移及速位移及速度度度度检测检测本章的主要内容本章的主要内容本章的主要内容本章的主要内容位移位移物位位移是机械量中最重物位位移是机械量中最重要的参数,对该参数的检测不要的参数,对该参数的检测不仅为机械加工、机械设计、安仅为机械加工、机械设计、安全生产以及提高产品质量提供全生产以及提高产品质量提供了重要数据,同时也为其他参了重要数据,同时也为其他参数检测,如转子测流量、浮子数检测,如转子测流量、浮子测液位等提供了基础。测液位等提供了基础。线位移线位移线位移线位移角位移角位移角位移角位移线位移是指物体线位移是指物体线位移是
3、指物体线位移是指物体沿某一直线移动沿某一直线移动沿某一直线移动沿某一直线移动的距离,一般称的距离,一般称的距离,一般称的距离,一般称线位移的检测为线位移的检测为线位移的检测为线位移的检测为长度检测。长度检测。长度检测。长度检测。角位移是指物体角位移是指物体角位移是指物体角位移是指物体绕着某一点转动绕着某一点转动绕着某一点转动绕着某一点转动的角度,一般称的角度,一般称的角度,一般称的角度,一般称角位移的检测为角位移的检测为角位移的检测为角位移的检测为角度检测。角度检测。角度检测。角度检测。6.1 6.1 6.1 6.1 电感式传感器与位移检测电感式传感器与位移检测电感式传感器与位移检测电感式传感
4、器与位移检测电感式传感器 将被测量转换成电感(或互感)变将被测量转换成电感(或互感)变将被测量转换成电感(或互感)变将被测量转换成电感(或互感)变化的传感器,称为电感式传感器。电感化的传感器,称为电感式传感器。电感化的传感器,称为电感式传感器。电感化的传感器,称为电感式传感器。电感式传感器是建立在电磁感应定律基础上式传感器是建立在电磁感应定律基础上式传感器是建立在电磁感应定律基础上式传感器是建立在电磁感应定律基础上的,它把被测位移转换为自感系数的,它把被测位移转换为自感系数的,它把被测位移转换为自感系数的,它把被测位移转换为自感系数L L L L的的的的变化。然后将变化。然后将变化。然后将变化
5、。然后将L L L L接入一定的转换电路,接入一定的转换电路,接入一定的转换电路,接入一定的转换电路,位移变化便可变成电信号。位移变化便可变成电信号。位移变化便可变成电信号。位移变化便可变成电信号。自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器电感式传感器电感式传感器电感式传感器电感式传感器电磁电磁电磁电磁感应感应感应感应 被测非电量被测非电量被测非电量被测非电量自感系数自感系数自感系数自感系数L L L L互感系数互感系数互感系数互感系数MMMM测量测量测量测量电路电路电路电路 U UU U、I I I I、f f f f自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器互感式传感器互感式传
6、感器互感式传感器互感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器定义:定义:是一种利用线圈自感和互感的变化实现非是一种利用线圈自感和互感的变化实现非 电量电测的装置。电量电测的装置。感测量:感测量:位移、振动、压力、应变、流量、比重位移、振动、压力、应变、流量、比重 等。等。种类:种类:根据转换原理,分自感式、互感式、电涡根据转换原理,分自感式、互感式、电涡 流式三种;流式三种;根据结构型式,分气隙型、面积型和螺管根据结构型式,分气隙型、面积型和螺管 型。型。优点优点:结构简单、可靠,测量力小结构简单、可靠,测量力小分辨力高分辨力高机械位移机械位移0.1m0.1m,甚至更小
7、;角位移,甚至更小;角位移0.10.1角秒。角秒。输出信号强,电压灵敏度可达数百输出信号强,电压灵敏度可达数百mV/mm mV/mm。重复性好,线性度优良重复性好,线性度优良在几十在几十mm到数百到数百mmmm的位移范围内,输出特性的的位移范围内,输出特性的线性度较好,且比较稳定。线性度较好,且比较稳定。能实现远距离传输、记录、显示和控制。能实现远距离传输、记录、显示和控制。不足不足:存在交流零位信号,不宜高频动态测量。存在交流零位信号,不宜高频动态测量。6.1.1 6.1.1 自感式传感器的工作原理自感式传感器的工作原理总磁阻总磁阻总磁阻总磁阻线圈匝数线圈匝数线圈匝数线圈匝数两式联立得两式联
8、立得:线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁图图6-1 6-1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器I I为线圈中所通交流电的有效值。为线圈中所通交流电的有效值。空气导磁率空气导磁率空气导磁率空气导磁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而而其中其中 如果如果S S0 0保持不变,则保持不变,则L L为为 的单值函数,构成的单值函数,构成变气隙式变气隙式自感传感器自感传感器 若保持若保持 不变,使不变,使S0随被测量(如位移)变化,随被测量(如位移)变化,则构成则构成变截面式变截面式自感传感器,自感传感器,图图6-1 6-1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁图图6-2 6
9、-2 变截面式传感器变截面式传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁衔衔铁铁移移动动方方向向,SLL=f(S)L=f()图图6-3 6-3 电感传感器特性电感传感器特性衔铁下移衔铁下移 6.1.2 6.1.2 电感式传感器的输出特性电感式传感器的输出特性衔铁衔铁忽略高次项:忽略高次项:衔铁上移衔铁上移 忽略高次项:忽略高次项:例题例题 图为变气隙式电感传感器,衔铁面积为图为变气隙式电感传感器,衔铁面积为S=44mm2,每,每个气隙总长为个气隙总长为L=0.4mm,衔铁衔铁的最大位移的最大位移为为L=0.08mm,激励线圈匝数激励线圈匝数N=2500匝匝,导线直径导线直径d=0.06mm,电阻率电阻率=1
10、.7510-6cm,当激励当激励电电源源频频率率f=4000HZ时时,忽略漏磁和忽略漏磁和电电损损,要求要求计计算算(0=4107H/m)线圈的电感值线圈的电感值电感的最大变化量电感的最大变化量线圈的直流电阻值线圈的直流电阻值解解6.1.3 6.1.3 差动式自感传感器差动式自感传感器 在实际使用中,常采用两个相同的传感在实际使用中,常采用两个相同的传感线圈线圈共用一个衔铁共用一个衔铁,构成差动式自感传感器,构成差动式自感传感器,两个线圈的两个线圈的电气参数和几何尺寸电气参数和几何尺寸要求完全相要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外,对温度变
11、化、电源频率变化等的影响度外,对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿,从而减少了外界影响造成也可以进行补偿,从而减少了外界影响造成的误差。的误差。差动气隙式电感传感器由两个差动气隙式电感传感器由两个相同的电相同的电感线圈感线圈、和和磁路磁路组成组成,测量时测量时,衔铁通过衔铁通过导杆与被测位移量相连导杆与被测位移量相连,当被测体上下移动当被测体上下移动时时,导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动,使两个磁回路中使两个磁回路中磁阻磁阻发生大小相等发生大小相等,方向相方向相反的变化反的变化,导致一个线圈的电感量增加导致一个线圈的电感量增加,另一另一个线圈的电感
12、量减小个线圈的电感量减小,形成差动形式。形成差动形式。图图6-46-4是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3 3移移动时,一个线圈的电感量增加,另一个线圈的电动时,一个线圈的电感量增加,另一个线圈的电感量减少,形成差动形式。感量减少,形成差动形式。图图6-4 6-4 差动式自感传感器差动式自感传感器1-1-线圈线圈 2-2-铁芯铁芯 3-3-衔铁衔铁 4-4-导杆导杆(a a)变气隙型变气隙型432131412344(b b)变面积型变面积型 (c c)螺管型螺管型变气隙型差动式自感
13、传感器变气隙型差动式自感传感器衔铁下移:衔铁下移:忽略高次项:忽略高次项:提高一倍提高一倍 上式中不存在偶次项,显然差动式自感传感器的上式中不存在偶次项,显然差动式自感传感器的非线性误差在非线性误差在 工作范围内要比单个自感传工作范围内要比单个自感传感器的小得多。感器的小得多。差动式差动式与与单线圈单线圈电感式传感器相比,具有下电感式传感器相比,具有下列优点:列优点:线性好;线性好;灵敏度提高一倍,即衔铁位移相同时,输灵敏度提高一倍,即衔铁位移相同时,输出信号大一倍;出信号大一倍;温度变化、电源波动、外界干扰等对传感温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响,由于能互相抵消而减小;器精度
14、的影响,由于能互相抵消而减小;电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。抵消而减小。三种类型比较三种类型比较:气隙型气隙型自感传感器灵敏度高,它的主要缺自感传感器灵敏度高,它的主要缺点是非线性严重,为了限制线性误差,示值范点是非线性严重,为了限制线性误差,示值范围只能较小;它的自由行程小,因为衔铁在运围只能较小;它的自由行程小,因为衔铁在运动方向上受铁心限制,制造装配困难。动方向上受铁心限制,制造装配困难。截面型截面型自感传感器灵敏度较低,截面型的自感传感器灵敏度较低,截面型的优点是具有较好的线性,因而示但范围可取大优点是具有较好的线性,因而示但范围可
15、取大些。些。螺管型螺管型自感传感器的灵敏度比截而型的更自感传感器的灵敏度比截而型的更低,但示值范围大,线性也较好,得到广泛应低,但示值范围大,线性也较好,得到广泛应用。用。螺管式自感传感器螺管式自感传感器特点特点:测量范围大,数百毫米,灵敏度低,大量:测量范围大,数百毫米,灵敏度低,大量程直线位移。程直线位移。差动螺管式自感传感器差动螺管式自感传感器测量范围测量范围 1 200mm1 200mm线性度线性度 0.1%1%0.1%1%分辨率分辨率 0.01um 0.01um 6.3 电位器传感器被测量的变化导致电位器阻值变化的敏感元被测量的变化导致电位器阻值变化的敏感元件称为电位器传感器。件称为
16、电位器传感器。工作原理工作原理输出特性输出特性 电位计式电阻传感器在实际使用时,其输出端是接负电位计式电阻传感器在实际使用时,其输出端是接负载的,如图载的,如图 所示。图中,所示。图中,R RL L是负载电阻,可理解为测量仪是负载电阻,可理解为测量仪表的内阻或放大器的输入电阻;表的内阻或放大器的输入电阻;l l为直线电位计的全长;为直线电位计的全长;R R为电位计的总电阻;为电位计的总电阻;x x为电刷的位移量;为电刷的位移量;R RX X为随电刷位移为随电刷位移x x 而变化的电阻,其值为而变化的电阻,其值为:电位器传感器的结构电位器传感器的结构电阻丝骨架电刷电位计式位移传感器电位计式位移传
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- 位移 速度 检测
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