现代检测技术第八章 位移的电测法(第14周)

在高Q值条件下 (Q值是衡量电感器件的主要参数。是指电感器在某一频 率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器 的Q值越高，其损耗越小，效率越高。)
根据基尔霍夫定律：
j L I R1 I 1 1 1 jMI 2 U 1
j L I R2 I 2 2 2 jMI 1 0
第八章 几何量的电测法 ——位移的电测法
1
位移的电测法
•ຫໍສະໝຸດ Baidu
课本195页
位移是指物体的某个表面或某点相对于参考 表面或参考点位置的变化。 • 位移有线位移和角位移两种：
– 线位移是指物体沿着某一条直线移动的距离； – 角位移是指物体绕着某一定点旋转的角度。
• 测量方法：直接测量、间接测量
2
利用其 结构参 数变化
U sc

• 差动式电容式传感器有
C1 C2 U C1 C2
C1 C2 d C1 C2 d 0
公式（3-2-9）
• 带入得：
d 0.05 u sc u sr 3 sin t 0.25 sin t (V ) d0 0 .6
43
78页 3-25
当 Z1 Z 2 时，式 （１）中括号项为正， 而 U i 也为正， 故 U CD 0 ； 式（２）中括号项为负， Ui 而 也为负， 故 U CD 0 。 因此由式（１）和（２） 都可得， 。 U CD 0 同理，当 Z1 Z 2 时，由 式（１）和（２）都可 得， U CD 0 。 单向脉动电压经过阻容 滤波后得到直流输出电 压 U0 。 U0的正负决定于衔铁位 移的方向， U0的大小决定于衔铁位 44 移的大小。
M f ( x)
17
感应同步器测位移
• 在滑尺的绕组 中，施加频率 为f（一般为 2~10kHz） 的交变电流时， 定尺绕组感应 出频率为f的 感应电动势。 感应电动势的 大小与滑尺和 定尺的相对位 置有关
定尺
滑尺
18
二、感应同步器
• (1)鉴相式工作法 • 滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相 同幅值，但相位相差90o的两个电压，设
(G为精度等级，L为量程）
41
78页 3-17
提示：变介质型电容式传感器C=两种介质电容之和
• 解： • 设极板宽为b，则
C C A CB bx bx b(l x) 1 2 1 d1 d2 d1 d 2
• 令极板间无介质块时的电容为 C 0 d d 1 2
U 2 U 21 U 22
.
.
j ( M 1 M 2 ) . j ( M 1 M 2 ) I 1 U 1 15 r1 j L1
.
电涡流式传感器测位移
成块的金属置 于激励线圈产生 的交变磁场中， 金属体内就要产 生感应电流，这 种电流的流线呈 闭合曲线，类似 水涡形状，这种 现象称为电涡流 效应。 16
•掌握 例4.5-1
33
测大位移
图 8－1－5 大位移霍尔位移传感器原理图
34
利用其 结构参 数变化
位移的电测法
2．采用物性型传感器配上相应的敏感器
利用其 物理特 性变化 变化
3．速度积分法——速度传感器+积分器
35
磁电式传感器测位移
机械能
磁电式传感器
电量
36
图4-1-2
恒磁通式结构
e Bl v sin Bl v
1 1 • 推导得： C 2 C C0 0 l d1 1 d 2 2
x
1bl
42
78页 3-18
• 解（1）初始电容 C1 C2 C0
S
d
0r 2
d0
• （2）参考课本55页交流电桥由公式（3-2-25）得
30
位移的间接电测法 ——霍尔元件
• 霍尔效应：半导体薄片置于磁场中，当有电流 流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生 霍尔电动势。该半导体薄片称为霍尔片或霍尔 元件
霍尔电压
RH IB IB K H IB UH d nqd
霍尔系数
霍尔元件的灵敏度
31
RH IB IB K H IB UH d nqd
19
二、感应同步器
• 2.鉴幅工作法 • 在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率 和相同相位，但幅值不等的两个交流电压：
U s U m sin sin t U c U m cos sin t 则： U 2 U' U"
2 2
KU m sin( ) sin t
kU h U 0 k U h 2 U l 2 2 l
0 2
图 8－1－2 大量程位移传感器结构示意图
这种结构形式的位移量程可达几十毫米甚至更大。 例题：8.1-1
29
位移的间接电测法
• 应变片 导体或半导体机械形变引起阻值发生变化 （应变电阻效应） • 霍尔元件 （霍尔效应）可分别用于测量应变、磁场强 度。但本身不包含可动部分。因此不能直接用 于测量位移。需要配置适当的敏感器。组成间 接的位移传感器
21
00
01
0000
1111
11
10
例：如图四位二元码盘，只有 最靠近码盘中心的两个光电元 件受光照产生电信号，其余两 个均未受到光照。计算码盘此 时的转角。 解： 由题意可知： C1C2C3C4=1100 对应十进制数12 故转角为：
11
0
01
001
1100
0011
1011
0100
101
1
0
0 01
图3－2－4 变介质型差动结构
C
b(l0 l )
d
l C0 (1 ) l0
lb C1 C2 C0 ( 0 0 r ) 2d
C1 C 2 1 r 2 l C1 C 2 1 r l
10
自感式传感器测位移
改变的 参数 自感式 传感器 组成 方式 变气隙型 变面积型 螺管型 单一式 差动式
L 2 L0 K0 0
13
• 把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器 称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基 本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故 称差动变压器（式传感器）。
互感式传感器测位移
14
图 3－3－6 差动变压器及其等效电路
当次级开路时
.
U I1 r1 j L1
90o
e BS sin BS
37
90o
微分电路 磁电式 传感器 显示 或 记录
量程选择
前置放大
积分电路
主放大器
SW
•接入积分电路测量位移； •接入微分电路测量加速度。
• 掌握 例4.1-1
课本82页
38
作业讲解
39
27页 2-2
40
27页 2-7
根据
xmax G % L
Ui
• 电荷密度
131页 4-9
2d 31 d 33 T 2 78 10 12 190 10 12 T
34 10 12 T 34 10 12 10 10 3
组成方式
C0 0 r A / 0
8
极板形状
平板电容（平行平面型） 圆筒电容（平行曲面型）
课本50页
图3－2-1变极距型电容传感器
C0 C d d d0 d d0 (1 ) 1 d0 d0
S
S
C d 1 C 2 C d0 1 C 2
9
课本50页
图3－2-2变面积型电容传感器
精密电位器
转换元件
电信号
位移
5
课本28页
图 3－1－1 电位器式传感器工作原理
R R
x
AB
RAC f ( x)
U U
x
AC

U
R
AB
U f ( x) f ( x) R
6
电容式传感器测位移
非电量
电容元件
电容变化
C=ε0εrA/δ
真空介电常数ε0 (8.854×10－12F/m)、极板间介质的相对介电常数εr、 极板的有效面积A以及两极板间的距离δ
由于导体本身 电流的变化而产 生的电磁感应 现象
11
自感式传感器测位移 ——单一式变气隙自感式传感器
N 2 0 A 初始自感为：L0 2 0
N——线圈匝数 μ0—空气隙的磁导率； μ0=4.7*10-7H/M A——空气隙的横截面积 δ0——空气隙的长度
课本61页
当衔铁下移Δδ时，δ=δ0+Δδ，得自感L为
利用其 物理特 性变化 变化
3．速度积分法——速度传感器+积分器
24
位移的间接电测法
• 应变片 导体或半导体机械形变引起阻值发生变化 （应变电阻效应） • 霍尔元件 （霍尔效应）可分别用于测量应变、磁场强 度。但本身不包含可动部分。因此不能直接用 于测量位移。需要配置适当的敏感器。组成间 接的位移传感器
U s U m sin t ' " 则 U2 U2 U2
U c U m cos t
KU m sin t cos KU m cos t sin KU m sin(t )
从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺 的相对位移x：
x
360
o
T
360 N 4 12 22 . 5 270 2
22
10
01
1000
0111
01
10
增量编码器测位移
• 三条码道 • 计数N • 转角为 m个透光和不透光的扇形区

360 N m
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利用其 结构参 数变化
位移的电测法
2．采用物性型传感器配上相应的敏感器
25
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位移的间接电测法 ——应变片 课本196页
图 8－1－1 悬臂梁式
应变
h 2 l
27
应变
h 2 l
应变电桥电压
h R 、 2R l
——相同的应变片
3 4
R 1、 R 2
——平衡电阻
由上式可见，等强度悬臂梁的可动端位移 通过应变电桥转换为 电压，该电压由指示仪表显示，即可检测等强度悬臂梁的可动端 位移 。 该结构简单，但是体积大，量程小，安装使用也不方便。为了减 少体积，扩大量程，可用楔形块与悬臂梁配合组成大位移电测装 28 置。
N 20 A L L0 L 2 ( 0 ) L0 1
0
灵敏度：
L L0 K0 0
12
自感式传感器测位移 ——差动式变气隙自感式传感器
L2 L1 L1 L2 0
掌握推导过程
灵敏度K0为
变面积型、螺管型自感式传感器略
线圈的等效阻抗：
2 2 2 2 U M M Z 1 R1 2 R 2 j[L1 2 L] 2 2 2 I1 R2 (L2 ) R2 (L2 )
Req jLeq
品质因素：
L2 2 M 2 1 L1Z 2 2 Q Q0 R2 2 M 2 1 R1Z 2 2
位移的电测法
2．采用物性型传感器配上相应的敏感器
利用其 物理特 性变化 变化
3．速度积分法——速度传感器+积分器
3
位移的直接电测法
• • • • • • • 电位器式传感器 电容式传感器 自感式传感器 互感式传感器 电涡流式传感器 感应同步器 直接编码器、增量编码器
4
电位器式传感器测位移
机械位移信号
若被测量的变化使式中δ、A、εr三个参量中任意一个发 生变化时，都会引起电容量的变化，再通过测量电路就可 转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、 变面积型和变介质型三种类型 。
7
电容式传感器测位移
改变的 参数 电容式 传感器 被测 位移 变极距型 变面积型 变介质型 直线位移 角位移 单一式 差动式
测微位移（0.5mm)
利用UH与B的关系
霍尔式位移传感器的工作原理图
课本124页
32
• 建立一个梯度磁场，使磁感应强 度沿某一坐标轴成线性变化。 • 让被测量使霍尔元件沿该坐标轴 在梯度磁场中移动。 • 霍尔元件的霍尔电动势将与霍尔 元件的位移成正比。
B cx
RH IB IB K H IB K H Icx UH d nqd
由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦 变化。因此，可以通过测量感应电动势的幅值来测得定 尺和滑尺之间的相对位移。
20
直接编码器测位移
• 将角位移或线位移转换成以数字代码 （二元码）表示的电信号，这类传感器 称为编码器。 • 光电编码器，是一种通过光电转换将输 出轴上的位移量转换成脉冲或数字量的 传感器。