NO4速度和加速度检测系统电子课件 传感器与检测技术(第2版）.ppt

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1、目录目录速度和加速度可直接反映物体运动的快慢程度和动态受力情况，某些情况下是控制产品质量的决定性因素。例如，轧钢速度检测直接关系到钢铁生产的连续性，过快或者过慢都可能发生事故。而加速度通过牛顿第二定律可直接联系到物体所受到的合外力，是表征动态力的重要指标。另外，在振动检测中，速度和加速度是表征振动的重要参数。速度和加速度检测系统速度和加速度检测系统目录目录通过熟悉各种速度传感器，了解速度传感器检测的一般原理和使用条件，掌握各种速度传感器的量程、精度等检测性能。任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器知识目标知识目标目录目录通过实践操作和训练理解，初步认识磁电式速度传感器及其检测适应性，了解工

2、业中常用的速度检测特点及位移传感器的基本选用原则。技能目标技能目标任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器目录目录测速发电机(tachogenerator)是一种检测机械转速的电磁装置。它能把机械转速变换成电压信号，其输出电压与输入的转速成正比关系，如图4-1所示。一、测速发电机传感器的要求任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器目录目录测速发电机在自动控制系统和计算装置中通常作为测速元件、校正元件、解算元件和角加速度信号元件等。自动控制系统对测速发电机的要求，主要是精确度高、灵敏度高、可靠性好等。任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器目录目录（1）输出电压与转速保持良好的线性关系。（

3、2）剩余电压（转速为零时的输出电压）要小。（3）输出电压的极性和相位能反映被测对象的转向。（4）温度变化对输出特性的影响小。（5）输出电压的斜率大，即转速变化所引起的输出电压的变化要大。（6）摩擦转矩和惯性要小。任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器目录目录任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器测速发电机直流测速发电机电磁式永磁式交流测速发电机同步测速发电机异步测速发电机目录目录直流测速发电机实际上是一种微型直流发电机，按励磁方式可分为两种类型。图4-2所示为电磁式测速发电机原理，定子常为二极，励磁绕组由外部直流电源供电，通电时产生磁场。目前，我国生产的CD 系列直流测速发电机为电磁式

4、。二、直流测速发电机任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器目录目录永磁式测速发电机原理如图4-3所示。定子磁极由永久磁钢做成。永磁式测速发电机由于没有励磁绕组，所以可省去励磁电源，具有结构简单、使用方便等特点，近年来发展较快。任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器目录目录永磁式直流测速发电机按其应用场合不同，可分为普通速度型和低速型两种。前者的工作转速一般在每分钟几千转以上，最高可达每分钟一万转以上；而后者一般在每分钟几百转以下，最低可达每分钟一转以下。由于低速测速发电机能和低速力矩电动机直接耦合，省去了中间笨重的齿轮传动装置，消除了由于齿轮间隙带来的误差，提高了系统的精度和刚度，因而

5、在国防、科研和工业生产等各种精密自动化技术中得到了广泛应用。任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器目录目录测速发电机输出电压和转速的关系，即U=f(n)称为输出特性。直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同。根据直流电机理论，在磁极磁通量为常数时，电枢感应电动势为式中，n为转速（rpm）；Ke为转换系数（V/rpm）；为磁通量（Wb）。任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器目录目录如果外接电阻无穷大，则输出电压Ua为感生电动势Ea，按照全电路欧姆定律，则会出现如图4-4所示的变化规律。任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器目录目录影响误差的因素有以下几种。任务一任务一 认识速度

6、传感器认识速度传感器电刷位置的影响电刷接触电阻的影响温度的影响纹波的影响电枢反应的影响12345目录目录1电枢反应的影响电枢反应的影响当直流测速发电机带负载时，负载电流流经电枢，产生电枢反应的去磁作用，使电机气隙磁通减小。任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器目录目录2电刷接触电阻的影响电刷接触电阻的影响测速发电机带负载时，由于电刷与换向器之间存在接触电阻，会产生电刷的接触压降，使输出电压降低。电刷接触电阻是非线性的，它与流过的电流密度有关。任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器目录目录3电刷位置的影响电刷位置的影响当直流测速发电机带负载运行时，若电刷没有严格地位于几何中性线上，会造成

7、测速发电机正反转时输出电压不对称，即在相同的转速下，测速发电机正反向旋转时，输出电压不完全相等。任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器目录目录4温度的影响温度的影响电磁式直流测速发电机在实际工作时，由于周围环境温度的变化以及发电机本身发热（由发电机各种损耗引起），都会引起发电机中励磁绕组电阻的变化。任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器目录目录5纹波的影响纹波的影响实际上直流测速发电机，在和n为定值时，其输出电压并不是稳定的直流电压，而总是带有微弱的脉动，通常把这种脉动称为纹波。引起纹波的因素很多，主要由电机本身的固有结构及加工误差引起。电枢采用斜槽结构，可减小由于齿和槽所引起的输出电

8、压中的高次谐波，从而减小纹波。任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器目录目录三、交流异步测速发电机任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器交流测速发电机同步测速发电机永磁式感应子式脉冲式异步测速发电机鼠笼转子空心杯转子目录目录空心杯转子异步测速发电机的工作原理如图4-8所示。任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器目录目录异步测速发电机的输出特性如图4-9所示。任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器目录目录为减少上述测速发电机的非线性，可采取以下措施。为减少上述测速发电机的非线性，可采取以下措施。（1）常采用增大转子电阻的办法，来满足输出特性的线性要求。（2）异步测速发电机对励磁电

9、源电压的幅值、频率和波形要求都比较高。（3）电机温度的变化会使励磁绕组和空心杯转子的电阻以及磁性材料的磁性能发生变化，从而使输出特性发生改变。任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器目录目录表征异步测速发电机性能的技术指标主要有线性误差、相位误差和剩余电压。剩余电压是测速发电机传感器的主要误差来源。任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器目录目录减小剩余电压的措施如下任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器（1）改进电机的制造材料及工艺（2）外接补偿装置目录目录四、无刷直流测速发电机任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器霍尔无刷直流测速发电机在电机的定子铁芯上放置两个空间位置相差90

10、电角度的绕组 和，并在绕组的轴线上放置有霍尔元件 和。转子为两极永久磁钢。霍尔元件 和 的控制电流分别由定子绕组供给。将霍尔元件的输出端串联，总的输出电压为两个霍尔元件的霍尔电动势之和。目录目录任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器当转动时，若将两个霍尔元件的输出端反向串联，则总的输出电压为式中，m为绕组相数；K为灵敏度系数（V/rpm）；为转速（rpm）。目录目录任务一任务一 认识速度传感器认识速度传感器从原理上讲，霍尔无刷直流测速发电机的输出电压为一正比于转速的直流电压。这种测速发电机无剩余电压，输出电压中也不含脉动成分；转子摩擦转矩小、惯量小、寿命长、可靠性好、容易维护，近年来发展很

11、快。目录目录实训目标实训目标通过连接直流测速发电机传感器和减速电动机伸出轴，使用数显表显示转速值，深入了解测速发电机传感器的传感特性与应用规程。实训一实训一 使用测速发电机检测转轴转动速度使用测速发电机检测转轴转动速度目录目录实训一实训一 使用测速发电机检测转轴转动速度使用测速发电机检测转轴转动速度目录目录实训一实训一 使用测速发电机检测转轴转动速度使用测速发电机检测转轴转动速度目录目录注意事项注意事项（1）在使用时必须注意电机的转速不得超过规定的最高转速，负载电阻不小于给定值。在搭建检测平台的过程中，万用表和数显表头的内阻应大于负载电阻的最小值。在本项目试验平台情况下，阻值是满足要求的，但在

12、实际应用中应注意阻值问题。（2）检测过程中，不要将电机安装于强磁场周围，或安装于放射性电热元件旁，或安装于温度湿度高、振动大、有腐蚀性气体、液体等场所。实训一实训一 使用测速发电机检测转轴转动速度使用测速发电机检测转轴转动速度目录目录（3）在使用联轴器连接测速发电机输出轴时，注意不应强迫安装，如果安装精度不够时可使用法兰先安装在测速发电机上，然后将法兰固定于连接器上。（4）如果需要高精度检测，需要注意温度和周围电磁场的影响。实训一实训一 使用测速发电机检测转轴转动速度使用测速发电机检测转轴转动速度目录目录通过熟悉压电加速度传感器的使用，了解加速度传感器检测的一般原理和使用条件，掌握加速度传感器

13、的一般分类、原理和使用方法。任务二任务二 压电传感器的应用压电传感器的应用知识目标知识目标目录目录通过实践操作和训练理解，初步认识压电加速度传感器及其检测适应性，了解工业中常用的振动加速度检测特点及惯性加速度传感器的基本选用原则。技能目标技能目标任务二任务二 压电传感器的应用压电传感器的应用目录目录一般振动测试大致可分为两类知识链接知识链接（1）一类是检测设备和结构所存在的振动（2）另一类则是对设备或结构施加某种激励，使其产生振动，然后检测其振动任务二任务二 压电传感器的应用压电传感器的应用目录目录检测振动的方法检测振动的方法位移速度加速度任务二任务二 压电传感器的应用压电传感器的应用目录目录

14、压电式传感器是一种可逆式换能器，既可以将机械能转换为电能，也可以将电能转换为机械能。这种性质使它被广泛应用于力、压力和加速度等与力相关的物理量，也被应用于超声波发射装置和压电电机的驱动中。这种传感器具有体积小、质量轻、精确度和灵敏度高等优点。一、压电式传感器任务二任务二 压电传感器的应用压电传感器的应用目录目录某些物质，如石英、锆钛酸铅等，当受到外力作用时，不仅几何形状发生变化，而且内部产生极化，表面出现电荷，形成电场；当外力消失时，材料重新回复到原来状态，这种现象称作压电效应。任务二任务二 压电传感器的应用压电传感器的应用目录目录相反，如果将这些物质置于电场中，其几何形状也发生变化，这种由于

15、外电场作用导致物质的机械变形的现象，称为逆压电效应，或者称为电致伸缩效应。任务二任务二 压电传感器的应用压电传感器的应用目录目录任务二任务二 压电传感器的应用压电传感器的应用目录目录压电式压力传感器有两种形式任务二任务二 压电传感器的应用压电传感器的应用(1)一种是利用弹性膜片，通过膜片承压面积将压力转化为力(2)另外一种是利用活塞的承压面承受压力，并使活塞所受的力通过在活塞另一端的定杆作用在压电片上，检测此作用力便可推算出活塞所受到的力目录目录任务二任务二 压电传感器的应用压电传感器的应用压电元件等效电路 目录目录任务二任务二 压电传感器的应用压电传感器的应用 由于压电传感器输出信号很小，本

16、身的内阻抗很大，输出阻抗很高，因此给它的后续测量电路提出了很高的要求。为了解决这一矛盾，通常需要将传感器的输出接入一个高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换后再送入普通的放大器进行放大、检波等处理。前置放大器的作用是：一方面把传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗，另一方面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。使用电压放大器会给测量带来不稳定因素，影响传感器的灵敏度。因此，现在通常采用性能稳定的电荷放大器。目录目录任务二任务二 压电传感器的应用压电传感器的应用 电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，它由一个带

17、有反馈电容Cf的高增益运算放大器构成。由于传感器的漏电阻Ra 和电荷放大器的输入电阻Ri 很大，可以看作开路，而运算放大器输入阻抗极高，在其输入端几乎没有分流，故可略去Ra 和Ri 并联电阻，等效电路如图所示。电荷放大器等效电路目录目录任务二任务二 压电传感器的应用压电传感器的应用 在一定条件下，电荷放大器的输出电压Uo仅取决于输入电荷与反馈电容Cf，与电缆电容Cc无关，且与电荷q成正比，这是电荷放大器的最大特点。为了得到必要的测量精度，要求反馈电容Cf的温度和时间稳定性都很好。在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，Cf的容量做成可选择的，范围一般为102pF104pF。如果将Cf选择为一个高

18、精度和高稳定性的电容，则输出电压将仅仅取决于电荷量q的大小。目录目录现代技术的发展使得加速度计日趋小型化，如图4-14所示的微机械加速度计的外形比硬币要小，并且已经集成到芯片上，而检测精度也普遍显著提高，如市场上流行的智能手机中也应用了类似的加速度计，作为重力下控制显示方向的开关。这种集成化是现代加速度计的重要发展方向。二、加速度计简介与选型任务二任务二 压电传感器的应用压电传感器的应用目录目录图4-15所示为压电加速度计的外形和内部结构。一般加速度计底面需要和振动体连接，而连接的牢固程度是表征拾振能力的重要指标，如果不够牢固，有可能使某些振动无法检测到。任务二任务二 压电传感器的应用压电传感

19、器的应用目录目录在一般通用振动检测时，用户主要关心的技术指标为灵敏度、频率范围、内部结构、内置电路、现场环境与后续仪器配置等。任务二任务二 压电传感器的应用压电传感器的应用目录目录内置电路传感器灵敏度的选型计算方法为：被测加速度值（g）=最大输出电压（mV）/传感器灵敏度（mV/g）。如选用目前最为通用的100 mV/g,可测50g以内振动，如检测100g的振动，则用50mV/g的加速度计，其余以此类推。任务二任务二 压电传感器的应用压电传感器的应用目录目录某些测试现场的环境较为恶劣，具体考虑环境因素如下任务二任务二 压电传感器的应用压电传感器的应用（1）防水（3）位置限制（2）高温（4）绝缘

20、、地电回路及磁电场目录目录实训目标实训目标使用悬臂梁的悬臂端安装一个带有偏心轴的调速电机，人为控制悬臂梁的振动频率和偏心量，使用振动检测仪和磁吸式加速度传感器检测振动值，深入了解加速度计检测振动时的传感特性与应用规程。实训二实训二 使用加速度传感器使用加速度传感器目录目录实训二实训二 使用加速度传感器使用加速度传感器目录目录实训二实训二 使用加速度传感器使用加速度传感器目录目录操作步骤操作步骤实训二实训二 使用加速度传感器使用加速度传感器 1.1.2.2.3.3.装配检测平台装配检测平台电气连接电气连接检测振动值检测振动值目录目录注意事项注意事项（1）连接必须稳固可靠，否则在电动机运行过程中会

21、产生零件脱落飞溅伤人的问题。同样，铁板材料最好使用标号较低（如15#）的碳钢材料，尽可能使得材料不至于产生疲劳断裂。在检测前应注意观察各连接部位和铁板上是否有裂纹出现，如果出现则更换零件，避免产生安全问题。实训二实训二 使用加速度传感器使用加速度传感器目录目录（2）在检测时，需要运行电动机一段时间后再读取振动检测值，其原因是在振动检测中读取振动有效值时，需要一定时间进行数据采样才能稳定读数。（3）检测中需要更换测量头位置时，停止运行电动机，然后更换位置，再行开启电动机进行检测。实训二实训二 使用加速度传感器使用加速度传感器目录目录思考与练习思考与练习1.检测振动的速度传感器还有一种动圈式传感器，如图4-20所示。图中线圈环绕一个磁铁，当磁铁上下运动时，在电路回路中的电阻R会产生电流。请思考这个电流和哪些因素相关，所检测的结果为什么是振动的速度检测值。2.任务二中的振动检测，加速度测量头安置在铁板中哪一部分数显表显示值最大？为什么？思考与练习思考与练习