位移与转速测量(经典版)

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9.2.1 光电式转速计
二、光电元件
1.真空光电管 阴极由光电材料（锑化铯，铯氯银等）制成，当光从透镜照射到 阴极时，其表面逸出电子，由带正电位阴极的吸引作用，电子形 成定向流动，外电路也产生了电流。
电子 光电阴极 光 阳极
I A
阻 极60 电40 流20
0.1
80
阴极电压
V2 V1
阳极电压
5
9.1.1 电阻式位移计
应用：用于线位移、角位移测量，在测量仪器中用于伺服记录仪器或 电子电位差计等。 2．电阻应变式传感器 电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类。 工作原理：应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。
金属丝电阻应变片
1—电阻丝
2—基片
6
3一覆盖层
4—引出线
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9.1.1 电阻式位移计
固态压阻式传感器是以单晶硅为基底材料，按一定晶向 将P型杂质扩散到N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层。 此P型层就相当于半导体应变片中的电阻条，连接引线后就 构成了扩散型半导体应变片。由于基底(硅片)与敏感元件 (导电层)互相渗透，结合紧密，所以基本上为一体。在生产 时可以根据传感器结构形成制成各种形状，如圆形杯或长方 形梁等。这时基底就是弹性元件，导电层就是敏感元件。当 有机械力作用时，硅片产生应变，使导电层发生电阻变化。 一般这种元件做成按一定晶向扩散、四个电阻组成的全桥形 式，在外力作用下，电桥产生相应的不平衡输出。
0 A0 N 2 N2 L Rm 2
0 A0 N 2 S 2 2
a）可变磁阻结构 b）特性曲线 1一线圈 2—铁心 3一衔铁
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9.1.2 电感式位移计
a）可变导磁面积型 c）单螺管线圈型
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b）差动型 d）双螺管线圈差动型
9.1.2 电感式位移计
双螺管线圈差动型，较之单螺管型有较高灵敏度及线性， 被用于电感测微计上，常用测量范围为0～300µm，最小分辨 力为0．5µm。
dR (1 2 ) R dR R Sg 1 2 常数 dl l
8
灵敏度
9.1.1 电阻式位移计
一般市售电阻应变片的标准阻值有60Ω 、120Ω 、350Ω 、600Ω 和 1000Ω 等。其中以120Ω 最为常用。应变片的尺寸可根据使用要求来选定。 优点：体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等。 缺点：温度稳定性能差，在较大应变作用下，非线性误差大等。 应用：用于应变、力、位移、加速度、扭矩等参数的测量。 半导体应变片 1—胶膜衬底 2—P-Si 3—内引线 4—焊接板 5—外引线
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9.2.1 光电式转速计
在光照作用下，物体内部的原子吸收光能量，获得能量 的电子摆脱原子束缚成为物体内部的自由电子，从而使物体 的导电性能如电阻率发生改变的现象称内光电效应(光导效 应)。 内光电效应器件主要为光敏电阻以及由光敏电阻制成的 光导管。 光线照射在半导体的P-N结上时，在结附近激发出电子 空穴对，在结电场的作用下，电子向N区运动，使P区剩下空 穴，从而N区带负电，P区带正电，形成光生电动势。这种现 象称为光生伏打效应。 光生伏打效应器件主要有光电池，光敏三极管，二极管 等。
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9.1.2 电感式位移计
传感器开路输出电压为两次级线圈感应电动势之差
2 E j (M M ) I j E M 0 1 2 R1 jL1
测量电路：一般采用反串电路和桥路两种。下图是一种用于 小位移测量的差动相敏检波电路工作原理图。
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9.1.2 电感式位移计
在机械和汽车的动力系统研究中经常测量转 速，如测发动机转速、汽车传动轴转速、半轴转 速、车轮转速、汽车行驶速度等。 转速的基本测量方法有： 数字式测速—将转速直接转变成相应的脉冲输出； 模拟式测速—将转速变换成相应的模拟量输出； 同步式测速—利用人眼的暂留特性进行观察比较； 下面主要介绍数字式测速中的电测法。
dR E R
灵敏度
Sg
dR R

10
E
9.1.1 电阻式位移计
优点：灵敏度高，机械滞后小、横向效应小、体积小等特点。 缺点：温度稳定性能差、灵敏度离散度大，非线性误差大等。 应用：用于压力、加速度等参数的测量。 电阻应变式传感器有以下两种应用方式： 1)直接用来测定结构的应变或应力。 2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加 速度等物理参数的传感器。 3．固态压阻式传感器 工作原理:是基于半导体材料的电阻效应。
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+
I
+ + + +
-
光电池
9.2.1 光电式转速计
4．光敏晶体管
光敏二极管的PN结安装在管子顶部，可直接接受光照， 在电路中一般处于反向工作状态。在无光照时，暗电流很小。 当有光照时，光子打在PN结附近，从而在PN结附件产生电子空穴对。它们在内电场作用下作定向运动，形成光电流。光 电流随光照度的增加而增加。因此在无光照时，光敏二极管 处于截止状态，当有光照时，二极管导通。
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9.2.1 光电式转速计
光电传感器是将光信号转换为电信号的传感器。若用这种 传感器测量其他非电量时，只需将这些非电量的变化先转换为 光信号的变化。这种测量方法具有结构简单、可靠性高、精度 高、非接触和反应快等优点，被广泛用于各种自动检测系统中。 一、光电测量原理
光电传感器的物理基础是光电效应。用光照射某一物体， 即为光子与物体的能量交换过程，这一过程中产生的电效应称 为光电效应。光电效应按其作用原理分为外光电效应、内光电 效应和光生伏打效应。 在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出的现象称为 外光电效应。在这一过程中光子所携带的电磁能转换为光电子 的动能。 外光电效应器件有光电管和光电倍增管等。
1
9.1
位 移 常 用 测 量 方 法
位移测量
电阻式位移计（用电阻变化量反映位移S） 电感式位移计（用电感变化量△L反映位移S）
电容式传感器（用电容变化量△C反映位移S） 同位素传感器（用同位素辐射反映位移S) 互感式传感器（用感应电势e反映位移S） 下面介绍应用较广泛的两种传感器：电阻式位移计和电 感式位移计
位移与转速的测量
2016/8/17
第9章 位移与转速测量
9.1
9.1.1 9.1.2
位移测量
电阻式位移计 电感式位移计
9.2
9.2.1 9.2.2
转速测量
光电式转速计
磁电式转速计
9.2.3 转速脉冲测量方法
9.1
位移测量
线位移
位 移
比如：车身刚度、大梁刚度、路面 不平度、悬架刚度等
角位移
比如：方向盘转角、制动踏板位移、 车身侧倾角、转向角、车轮转角等
9
9.1.1 电阻式位移计
工作原理:是基于半导体材料的压阻效应。 压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时， 原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度 的变化，从而引起电阻率 变化的现象。
(1 2 ) 项是由几何尺寸变 在电阻相对变化的表达式中， 化引起的， E 是由于电阻率变化而引起的。对半导体而言， E 项远远大于 (1 2 ) 项，它是半导体应变片的主要部分，故电 阻相对变化的表达式可简化为
直射型光电转速计工作原理
1—被测轴；2—圆盘； 3—光源； 4—光电管
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9.2.1 光电式转速计
2.反射型光电转速传感器
反射型光电转速传感器主要是由 被测旋转部件、反光片（或反光贴 纸）、反射型光电传感器组成，在可 以进行精确定位的情况下，在被测部 件上对称安装多个反光片或反光贴纸 会取得较好的测量效果。当旋转部件 上的反光贴纸通过光电传感器前时， 光电传感器的输出就会跳变一次。通 过测出这个跳变频率f，就可以知道 转速n。n=f 如果被测部件上对称安装多个反 光片或反光贴纸，那么n=f/N。N为反 光片或反光贴纸色数量 27
2
9.1.1 电阻式位移计
电阻式位移计是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。 按其工作原理可分为变阻器式和电阻应变式两类。 1．变阻器式位移计
a）直线位移型
b）角位移型
3
c）非线性型
9.1.1 电阻式位移计
变阻器式位移计通过改变电位器触头位置，实 现将位移转换为电阻的变化。其表达式为 ： l R A
d

E
dr dl r l
பைடு நூலகம்dR 2 E (1 2 ) E R
(1 2 )——是由电阻丝几何尺寸改变所引起的，对于同一种材料， 项是常数。
E 项则是由于电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的，对于金属丝 来说，是很小的，可忽略。上式可简化为
优点：精确度高（最高分辨力可达0．1µm）、线性范围大（可 扩展到±100mm）、稳定性好和使用方便。 缺点：实际测量频率上限受到传感器机械结构的限制。 应用：广泛用于直线位移测定。借助于弹性元件可以将压力、 重量等物理量转换为位移的变化，故也将这类传感器用于压力、 重量等物理量的测量。
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9.2 转速测量
0.2 0.3 0.4 0.5
L
m
光通量
I
光电管光照特性
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光电管工作原理
+
-
9.2.1 光电式转速计
2.光敏电阻 某些半导体材料在光照射下，吸收一部分光能，使其 内部载流子数目增多，材料电阻减小。 无光照时电阻1.0—100MΩ 光 有光照时电阻小于1.0KΩ P N
3.光电池 半导体p-n结按接合面受光照时， 发生电子和空穴的分离现象，在 接触面两端产生电势。
▲直线位移型
灵敏度
R k1 x
dR S k1 dx
▲角位移型 灵敏度
R k
dR S k d