位移的测量

合集下载

相关主题

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

上一页下一页返回
3.3 常用位移传感器测量电路
1)变隙型电感传感器其结构示意图如图3-2(a)所示。灵敏度为:
灵敏度S1与空气隙厚度的平方成反比，越小，灵敏度越高。为了保证一定的线性度，变隙型电感传感器只能在较小间隙范围内工作，因而只能用于微小位移的测量，一般为0. 001~1 mm。
导通，
b 截止。在
支路中，C点电位由于Z1增大而
比平衡时的C点电位降低;而在
支路中，D点电
位由于Z2减少而比平衡时的D点电位增高，所以D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。
上一页下一页返回
3.3 常用位移传感器测量电路
如果输入交流电压为负半周，则A点电位为负，召点电位为
正，二极管
导通，
上一页下一页返回
3.1 概述
②利用某些功能材料的效应，如压电传感器、金属应变片和半导应变电阻，通过将小的位移变换成压力，使压电传感器的晶体片表面荷电或应变电阻阻值变化等实现位移测量。
③将位移量转换成数字量。这样的方法所使用的传感器有: 光电式:光栅(直线、圆盘)和光电编码器(绝对式和增量式);
这种传感器结构简单，制作容易，但灵敏度稍低，且衔铁在螺管中部工作时，才有希望获得较好的线性关系。螺管型电感传感器适用于测量比较大的位移。
上一页下一页返回
3.3 常用位移传感器测量电路
4)差动式电感传感器以上三种电感传感器使用时，由于线圈中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起振动及附加误差，而且非线性误差较大;另外，外界的干扰如电源电压频率的变化，温度的变化都使输出产生误差。所以，在实际工作中常采用两个相同的传感器线圈共用一个衔铁，构成差动式电感传感器，这样可以提高传感器的灵敏度，减少测量误差。
上一页下一页返回
3.3 常用位移传感器测量电路
差动变压器的输出特性曲线如图3-8 (a)所示。图中，U0为差动输出电压，x表示衔铁偏离中心位置的距离。Ur为零点残余电压，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁芯位置等因素所造成的。
(2)差动变压器式传感器的测量电路差动变压器的输出电压是交流分量，它与衔铁位移成正比，
第三章位移的测量
3.1 概述 3.2 位移——数字式传感器 3.3 常用位移传感器测量电路 3.4 数字式位移传感器 3.5 物位的检测
3.1 概述
位移测量是线位移和角位移测量的统称。实际上就是长度和角度的测量。位移是矢量。它表示物体上某一点在两个不同瞬间的位置变化。因而对位移的度量，应使测量方向与位移方向重合，这样才能真实地测量出位移量的大小。
当衔铁处于中间位置时，传感器两个差动线圈的阻
抗
，电桥处于平衡状态，C点电位等于D点电位，
电表指示为零。
上一页下一页返回
3.3 常用位移传感器测量电路
当衔铁向一边移动时，传感器两个差动线圈的阻抗发生变
化，当衔铁上移时，上部线圈阻抗增大，
，下部
线圈阻抗减少，
。如果输入交流电压为正半周，
则A点电位为正，B点电位为负，二极管
上一页下一页返回
3.3 常用位移传感器测量电路
采用差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。所以，实用的电感传感器几乎全是差动的。
(2)电感传感器的测量电路电感传感器可以通过交流电桥将线圈电感的变化转换成电压
上一页下一页返回
3.2 位移——数字式传感器
3.2.2光栅式位移传感器计算公式
设P为栅距，则当主动光栅移动一个栅距时，莫尔条纹移动
的距离B为
，因较小，
，
则
，式中K为莫尔条纹的放大系数。
例如，
，
其
，表明莫尔条纹的放大倍数相当大。这样，就可
以把难以观察到的光栅位移清晰可见的移动，从而实现高灵
磁电式的:磁栅(直线圆盘)和感应同步器(直线、圆盘)。
上一页返回
3.2 位移——数字式传感器
这是将位移转换成电的数字量，检测直线和角位移的传感器，它主要有光栅、码盘、磁栅和感应同步器。
3.2.1光栅式位移传感器工作原理
计量光栅有测量直线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。光栅是在透明的玻璃上均匀地刻画线条(透射式)，或在不透明具有强反射能力的基体上均匀地刻画间距、宽度相等的条纹(反射式)。
同样道理，当衔铁向二次线圈L22一边移动时，差动输出电压U0也不为零，但由于移动方向改变，所以输出电压U0反相。
上一页下一页返回
3.3 常用位移传感器测量电路
因此，差动变压器输出电压U0的大小和相位可以反应衔铁位移量的大小和方向。输出电压的有效值为:
上式表明，当激励电压的幅值U1和角频率ω、一次线圈的有效电阻R1及电感L1为定值时，差动变压器输出电压的幅值U0与互感的变化量△M成正比。而且在衔铁上移或下移量相等时，输出电压幅值相同，但相位相差180°。
2)变面积型电感传感器其结构示意图如图3-2(b)所示。灵敏度为一常数。
上一页下一页返回
3.3 常用位移传感器测量电路
由于漏感等原因，变面积型电感传感器在A=0时，仍有一定的电感，所以其线性区较小，而且灵敏度较低。
3)螺管型电感传感器螺管型电感传感器的结构如图3-2(c) 所示。线圈电感量的大小与衔铁插人线圈的深度有关。
上一页下一页返回
3.3 常用位移传感器测量电路
2.差动变压器式传感器 (1)差动变压器式传感器原理差动变压器式传感器是互感式传感器。其工作原理是把被测
量的变化转换成线圈间的互感变化。传感器本身相当于一个互感系数可变的变压器。当一次线圈接入激励电源后，二次线圈就将产生感应电动势。当互感变化时，感应电动势也相应变化。由于在使用时采用两个二次线圈反向串联，以差动方式输出，故称为差动变压器式传感器，通常简称为差动变压器。
上一页下一页返回
3.3 常用位移传感器测量电路
差动变压器式传感器也有变气隙式和变面积式，但最多采用的是螺管式。图3-6为螺管式差动变压器的结构示意图。
差动变压器工作在理想情况下(忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等的影响)，它的等效电路如图3-7所示。图中u1为一次线圈激励电压;M1、M2分别为一次线圈与两个二次线圈间的互感；L1、R1分别为一次线圈的电感和有效电阻；L21、 L22分别为两个二次线圈的电感；R21、R22分别为两个二次线圈的有效电阻。
其输出电压如用交流电压表来测量时存在下述问题: ①总有残余电压输出，因而零点附近的小位移测量困难。 ②无法判断衔铁移动的方向。为此，常采用相敏检波电路和
差动整流电路来处理。
上一页下一页返回
1.自感式传感器 1)自感式传感器原理由电工学磁路知识可知，线圈的自感量为:
下一页返回
3.3 常用位移传感器测量电路
式中，N——线圈匝数；
Rm——磁路总磁阻(H-1)。
由于自感式电感传感器中铁芯和衔铁的磁阻比空气隙磁阻小
得多，因此铁芯和衔铁的磁阻可忽略不计，磁路总磁阻k、
近似为空气隙磁阻，即:
足
时，则总的电感变化量为:
上一页下一页返回
3.3 常用位移传感器测量电路
灵敏度为:
式中，L0——衔铁处于差动线圈中间位置时的初始电感量。比较式(3-4)和式(3-7)可以看出，差动式电感传感器灵
敏度约为非差动式电感传感器的两倍。从图3-4也可以看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度较高。
或电流信号输出。但是，为了判别衔铁位移的方向，测量电路一般采用带相敏整流的交流电桥，如图3-5所示。
上一页下一页返回
3.3 常用位移传感器测量电路
图中，电桥的两个臂Z1Z2 分别为差动式传感器中的电感线圈，另两个臂为平衡阻抗四只二极管组成相敏整流器，激励交流电压加在A、B两点之间，输出直流电压U。由C、D两点输出，测量仪表可以是零刻度居中的直流电压表或数字电压表。
3.1 概述
检测方式可以是非电或是非电转换成电，转换结果可以是模拟量或是数字量。在检测原理上差别也是很大的，下面介绍一些检测方法。
1)直接用非电检测。利用喷嘴一挡板，通过流量的变化测位移;
2)将位移量转换成模拟电量: ①位移使传感器结构发生变化，使位移变换成电量，如:电位
器式传感器(位移使滑动触头移动)、电容传感器(变d、变S 型)、差动电感、差动变压器(位移使可动铁芯移动)、电涡流传感器、霍尔传感器、强度调制型光电传感器等都能实现位移测量。
位移是指物体或其某一部分的位置对参考点产生了偏移量。位移方式可以是直线位移或角位移。位移的量值范围差异很大(微米至毫米以下，或几十至几百mm;秒、分、度以下或几度至几十度)。检测可以是接触式或非接触式，加之对检测准确度、分辨率、使用条件等要求不同，因此会有多种多样的检测方法。
上一页下一页返回
敏度的位移测量。
上一页返回
3.3 常用位移传感器测量电路
3.3.1电感式传感器
电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感量的改变这一物理现象来实现测量的。根据转换原理不同，电感式传感器可分为自感式和互感式两大类。人们习惯上讲的电感式传感器通常是指自感式传感器。而互感式传感器由于它是利用变压器原理，又往往做成差动式，故常称为差动变压器传感器。
位移测量在工程中应用很广。这不仅因为机械工程中经常要求精确地测量零部件的位移、位置和尺寸，而且许多机械量的测量往往可以先通过适当的转换变成为位移的测试，然后再换算成相应的被测物理量。例如，在对力、扭矩、速度、加速度、温度、流量等参数的测量中，常常采用这种方法。
下一页返回
3.1 概述
位移测量包括长度、厚度、高度、距离、物位、镀层厚度、表面粗糙度、角度等的测量。下面针对几种常用的位移传感器及其测量电路作较详细的介绍。
截止。在
支路中，C点电位由于Z2减少而比平衡时的C点电位降低;而
在
支路中，D点电位由于Z1增大而比平衡时
的D点电位增高，所以仍然是D点电位高于C点电位，直流电
压表正向偏转。
同样可以得出结论:当衔铁下移时，电压表总是反向偏转，输出为负。
由此可见，采用带相敏整流的交流电桥，输出电压既能反映位移量的大小，又能反映位移的方向，所以应用较为广泛。
上一页下一页返回
3.3 常用位移传感器测量电路
差动式电感传感器的结构如图3-3所示。两个完全相同的单
线圈电感传感器共用一个活动衔铁就构成了差动式电感传感
器。在变隙型差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏
离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形
成差动形式。在图3-3(a)中，假设衔铁向上移动，当满
式ห้องสมุดไป่ตู้，
——空气隙厚度; ——空气隙的有效截面积; ——真空磁导率，与空气的磁导率相近。
上一页下一页返回
3.3 常用位移传感器测量电路
因此电感线圈的电感量为：
此式表明，当被测量使 , 或发生变化时，都会引起电感L的变化，如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，电感量即为该参数的单一函数。由此，电感传感器可分为变隙型、变面积型和螺管型三种类型，如图3-2所示。
下一页返回
3.2 位移——数字式传感器
对透射式，其线纹宽为a，线纹间空为b, a:b=(1:1) ~(1.1:0.9)，称a+b=P为光栅节距(或光栅常数)，它有如图3-1(b)所示随测量位移(或长度)移动的滑尺(主光栅) 和不动的定尺(指示光栅)组成，在有如图所示的光源和透镜组成光学系统照射下，因定、滑尺的线纹间有微小的夹角，当栅距较光波长大得多的情况下，由于线纹的遮挡作用产生明暗相间的条纹一莫尔条纹，如图3-1 (b)所示，它分布在大致垂直于线纹长度方向。
上一页下一页返回
3.3 常用位移传感器测量电路
对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次线圈互感相同，因而由一次线圈激励引起的感应电动势相同。由于两个二次线圈反向串接，所以差动输出电压U0为零。
当衔铁移向二次线圈L21一边，这时互感M1大，M2小，因而二次线圈L21内感应电动势大于二次线圈L22内感应电动势，这时输出电压U0不为零。在传感器的量程内，衔铁移动越大，差动输出电压U0就越大。