第七章机械量的测量

每次只有一位变化→转换
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角度
0.0 22.5 45.0 67.5 90.0 112.5 135.0 157.5 180.0 202.5 225.0 247.5 270.0 292.5 315.0 337.5
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4位绝对码光电编码器码制
位置
二进制码
十进制码
A
0000
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位移检测
电涡流传感器应用
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厚度检测
电涡流传感器应用
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三、光栅传感器
1. 光栅传感器原理 (莫尔条纹)
构成： 主光栅---标尺光栅，定光栅； 指示光栅---动光栅
主光栅 指示光栅
叠合Baidu Nhomakorabea
夹角 移动 明暗相间条纹
莫尔条纹
条纹宽度： B W W
2sin(/2)
光源：LED → 光学系统 → 平行光 → 投影精确 光电元件：硅光电池，光电晶体管 滞后 → 响应速度 码道：位数→每个码道对应一个光电元件→分辨率
角度分辨率：α=360º/2n n-码道数（位数）
提高精度
增加码道、增大码盘尺寸 → 有限
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光学细分 → 附加码道
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四、角度及角位移检测（补充）
光栅：两块，切向刻线，切向相同，栅距角相同 ，基圆半径不同，栅线面相对同心叠合，
条纹：是以光栅中心为圆心的同心圆簇， 宽度也不是定值，随位置不同而不同。
特点：具有全光栅平均效应，用于高精度角度测量和分度。 (c) 环形光栅 --- 辐射形莫尔条纹
光栅：两块完全相同，环形刻线，偏心叠合， 条纹：近似直线并成辐射方向，称为辐射形莫尔
当金属导体置于交变磁场或在磁场
电涡流效应演示
中运动时，在导体中会产生感生电 流，这种电流在导体中自行闭合
电涡流
当电涡流线圈
与金属板的距离x 减 小时，电涡流线圈
的等效电感L 减小， 等效电阻R 增大。 感抗XL 的变化比 R 的变化 大 得 多，流
过电涡流线圈的电
流 i1 增大。
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W-栅距， a-线宽， b-缝宽 W=a+b ，a=b=W/2
三、光栅传感器
莫尔条纹特性：
方向性：垂直于角平分线 → 与光栅移动方向垂直 同步性：光栅移动一个栅距 → 莫尔条纹移动一个间距 放大性：夹角θ很小 → B>>W → 光学放大 → 提高灵敏度 准确性：误差平均效应 → 克服个别/局部误差 → 提高精度
测量电路：放大 → 足够电平 ，驱动 整形 → 接近理想方波 细分 → 提高分辨率（光学+电路）
编码码制：十进制码 --- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 读数直观，不易电路处理
二进制码 --- 0000 0001 0010 0011 0100 直观，易于后续电路和计算机处理
多位码同时动作→同步误差→错码 格 雷 码---循环码：相邻两数只有一位不同
4
工作原理:
输出信号 交变电流 交变磁场H2
参数变化(电感、阻抗、
品质因素等)
传感器线圈
交变磁场H1
电涡流
被测导体
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电涡流的应用 ——在我们日常生活中经常可以遇到
干净、 高效的 电磁炉
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2、等效阻抗分析
电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的 函数表达式为：
4. 代表性产品：
德国Heidenhain（海德汉）： 封闭式：量程3000mm，分辨力0.1 m
开放式：量程270mm 分辨力1nm
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开放式：量程1440mm，分辨力0.01m
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三、光栅传感器
英国Renishaw（雷尼绍）：
量程：任意 分辨力： 0.1 m 0.01 m
例：直线 → 旋转 < 360º x D
360
编码器
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摩擦轮
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2、增量码光电编码器
结构： 与绝对编码器类似
码道：最外 --- 增量码道：透光扇形区→分辨率 中间 --- 辨向码道：错开半个扇形区 最内 --- 零位码道：透光狭缝→基准脉冲
特点：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好， 脉冲数字输出，测量范围无限 速度不高（最高几千转/分） 怕振动 --- 丢数
第七章 机械量的测量
本章学习位移、速度、加 速度、机械震动、力及力矩等 机械量。
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第七章 机械量的测量
第一节 位移的测量 第二节 转速的测量 第三节 加速度的测量
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第一节 位移的测量
1. 常用位移传感器的性能和特点（P121）
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二、电涡流传感器
Z=R+jω L=f（ρ 、、x、ω 、i1、r） （7-6）
如果控制上式中的i1、f、、、r不变，电
涡流线圈的阻抗Z就成为哪个非电量的单值函数？ 属于接触式测量还是非接触式测量？
检测深度与激励源频率有何关系？
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等效阻抗与非电量的测量
检测深度的控制：由于存在集肤效应，电 涡流只能检测导体表面的各种物理参数。改变f， 可控制检测深度。激励源频率一般设定在 100kHz~1MHz。频率越低，检测深度越深。
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电磁炉内部的励磁线圈
电磁炉的工作原理
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高频电 流通过励磁 线圈，产生 交变磁场， 在铁质锅底 会产生无数 的电涡流， 使锅底自行 发热，烧开 锅内的食 物。
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电涡流传感器结构及特性
高频反射式、低频投射式
交变磁场
电涡流探头外形
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高频反射式电涡流探头内部结构
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大直径电涡流探雷器
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3、电涡流测量转换电路
（1）电桥电路
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3、电涡流测量转换电路
（2）谐振调幅式（AM）电路
石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz~1MHz） 用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引
1—电涡流线圈 2—探头壳体 3—壳体上的位置调节螺纹 4—印制线路板 5—夹持螺母 6—电源指示灯
7—阈值指示灯 8—输出屏蔽电缆线 9—电缆插头
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CZF-1系列传感器的性能
分析上表请得出结论：
探头的直径与测量范围及分辨力之间 有何关系？
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低频投射式
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光敏二极管外形
中国长春光机所：
量 程：1000mm 分辨力：0.01 m 精 度：2 m
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四、角度及角位移检测（补充）
1、绝对码光电编码器
组成：光源、码盘、光电元件
原理：平行光源→码盘→ 光电元件→电信号输出 码盘：光学玻璃，透光/不透光→ 照相腐蚀
要求：分度准确（工艺）、明暗交替边缘陡峭（工艺、材质）
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3. 光栅传感器结构
透射式结构：1 – 主光栅尺（定光栅）
2 – 指示光栅（动光栅） 3 – 光电元件 4 – 透镜 5 – 光源 光源 → 指示光栅 → 透射 → 主光栅 →光电元件
反射式结构：
光源 →主光栅 → 反射 →指示光栅 →光电元件
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三、光栅传感器
当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时，电涡流 线圈的电感量L 也随之改变，引起LC 振荡器的输出 频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模
拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将f转 换为电压Uo 。
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（3）谐振调频（FM）式电路(100kHz~1MHz）
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并联谐振回路的谐振频率
1 f
2 LC0
4-3
设电涡流线圈的电感量L=0.8mH， 微调电容C0=200pF，求振荡器的频率f 。
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鉴频器特性
使用 鉴频器可 以将f 转 换为电压 Uo
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鉴频器的输出电压与输入频率成正比
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0
B
0001
1
C
0010
2
D
0011
3
E
0100
4
F
0101
5
G
0110
6
H
0111
7
I
1000
8
J
1001
9
K
1010
10
L
1011
11
M
1100
12
N
1101
13
O
1110
14
p
1111
15
格雷码
0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000
外光电效应：在光线的作用下 能使电子逸出物体表面的现象称为 外光电效应，基于外光电效应的光 电元件有紫外光电管、光电倍增管、 光电摄像管等。
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光电效应及光电元件
内光电效应：半导体材料受到光照时，其中处 于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带， 使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光 生电子－空穴对。
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四、角度及角位移检测（补充）
特点：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，
直接数字量输出 --- 数字传感器， 绝对码 --- 绝对角位置传感器 测量范围有限（360º）， 速度不高（最高几千转/分），怕振动 --- 丢数 连接 --- 弹性连轴结
应用：小范围绝对位置测量---角度、直线位置
小范围位移、速度检测
内光电效应按工作原理可分为：光电导效应和 光生伏特效应。
基于光电导效应的光电元件有光敏电阻、光敏 二极管、光敏三极管等。
基于光生伏特效应的光电元件有光电池。
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紫外管外形
当入射紫外 线照射在紫外管 阴极板上时，电 子克服金属表面 对它的束缚而逸 出金属表面，形 成电子发射。紫 外管多用于紫外 线测量、火焰监 测等。
起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最
终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如 两者之间的距离等参数）。
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部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数
人的手、泥土或装满水的玻璃杯能对振荡 器的振幅产生明显的衰减吗？为什么？
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（3）谐振调频（FM）式电路(100kHz~1MHz）
间距x的测量：如果控制上式中的i1、f、、、r不
变，电涡流线圈的阻抗Z就成为间距x的单值函数，这 样就成为非接触地测量位移的传感器。
多种用途：如果控制x、i1、f不变，就可以用来检 测与表面电导率ρ 有关的表面温度、表面裂纹等参数，
或者用来检测与材料磁导率有关的材料型号、表面硬
度等参数。
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应用：相对位置测量---角度、直线位置， 位移、速度测量
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3、圆光栅传感器
光栅工作原理：莫尔条纹技术
类型： (1) 直线莫尔条纹：条纹 ---直线
RENISHAW 圆光栅：角度分辨率为0.01″ 系统精度为± 0.7″
(2) 圆型莫尔条纹：条纹 --- 圆型
(a) 径向光栅 --- 圆弧形莫尔条纹 光栅：两块，径向刻线，栅距角相同，偏心叠合
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2. 光栅传感器特点
①精度高：测长±(0.2+2×10-6L)μ m，测角±0.1″
②量程大：透射式---光栅尺长（<1米），反射式--->几 十米
③响应快：可用于动态测量 ④增量式：增量码测量 → 计数 断电→数据消失 ⑤要求高：对环境要求高→温度、湿度、灰尘、振动、
移动精度 ⑥成本高：电路复杂
紫外线
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光敏电阻
当光敏电阻受到 光照时， 阻值减小。
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光敏电阻演示
当光敏 电阻受到光 照时，光生 电子—空穴 对增加，阻 值减小，电 流增大。
光敏电阻光照特性 P133 图7-19(a)
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暗电流（越小越好）
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光敏二极管
将光敏二极管的 PN 结设置在透明管 壳顶部的正下方，光 照射到光敏二极管的 PN结时，电子-空穴 对数量增加，光电流 与照度成正比。
条纹：在不同区域栅线的交角不同，不同曲率半径 圆弧
条纹宽度不是定值，随位置不同而不同。
在位于偏心的垂直位置上，条纹近似垂直于栅线，称横向莫尔条纹
在沿着偏心方向上，条纹近似地平行于栅线，称纵向莫尔条纹
其他位置上上，称为斜向莫尔条纹
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四、角度及角位移检测（补充）
(b) 切向光栅 --- 环形莫尔条纹
条纹。
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第二节 转速的测量
一、概述
1.常用速度传感器性能和特点（P130）
二、光电式传感器
1.光电效应
外光电效应 内光电效应
光电导效应 光生伏特效应
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光电效应及光电元件
用光照射某一物体，可以看作物体受到一
连串能量为hf 的光子的轰击，组成这物体的
材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现 象称为光电效应。