8机械量的测量概论

差动式自感位移传感器
两个结构完全相同的自感线圈组合在一起形成差动结构，可 提高灵敏度，改善输出特性的非线性。 结构原理图 4-10
特性曲线～L1， ～L2， ～L1 +L2
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灵敏度K
K
L 2 L0
0
差动式自感传感器的特性：
➢
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变面积式自感传感器
灵敏度
K dL W 2 0 const dS 2 0
2
机械量测量仪表一般由传感器、测量电路、显 示(或记录)器和电源组成。
测量电路包括变换、放大等，把传感器的输出信号转 换成电信号；显示单元以模拟形式、数字形式，或以图像 形式给出被测量的数值。
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机械量测量仪表可按测量对象和测量原理分类。 按测量对象可分为位移测量仪表、厚度测量仪表、 转矩测量仪表等。按测量原理位移测量仪表可分为 电容式、电感式、光电式、超声波式、射线式等。
3、电涡流式位移传感器
I1
～
电涡流效应：根据法拉第电磁
感应定律，当传感器线圈通以正 弦交变电流 I1 时，线圈周围空 间将产生正弦交变磁场 H1，被 测金属导体内产生呈涡旋状的交 变感应电流I2 。
被测导体 H2
I2
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电涡流产生的交变磁场H2与H1方 向相反， H2反作用于线圈，使 线圈的等效阻抗发生变化：
一般0=0.1～1mm左右。
•电容量C与极距呈非线性关系，为减小非线性误差，
通常极距变化范围/00.01～0.1。
•此类电容传感器仅适于微小位移的测量
（ 0.01m～数百微米，非接触测量）
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2、变面积式电容变位面移积传式感电器容传感器
输入输出特性： C A
角位移式：C r2
2
r - 动极板半径， - 转角变化，以弧度为单位
输入输出特性都是线性的
灵敏度：
直线位移式：
C C C0
b(a x) ba
a–极板宽度， b–极板长度，
x-动极板移动量
bx
S C const A
灵敏度都是常数
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原理：将被测介质的物(液)位转换为
电容的变化
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当结被论测液：体电的容液量面的在变传化感与器液的位两高电度极x成正比。此法是利
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分类: 根据转换原理：
自感式、互感式、 电涡流式 按结构形式：
变间隙式、变面积式、螺管式
铁芯
线圈
L
I
变面积式
衔铁
拉簧
变间隙式
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螺管式
1、自感式传感器
基础知识 ➢自感L ➢磁阻RM ➢互感M
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变气隙式自感位移传感器
铁芯
线圈
L
I
L W 2 0s 2
W — 线圈匝数，
0 — 空气磁导率， —空气间隙 。
1
ln
0
D2
x
D1
1–液体的介电常数，
2–空气的介电常数，
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C0-初始电容
二、电感式位移传感器
原理：基于电磁感应原理，将被测位移量的变化转换 为电感元件的自感系数L或互感系数M的变化，再由 测量电路转换为电压或电流信号
还可用于测量压力、振动、流量等参数
特点：结构简单、可靠，寿命长，灵敏度高，分辨 力高（可测直线位移<0.1m，角位移<0.1rads），重 复性和线性度好。但频率响应低，不适宜动态测量， 分辨能力与测量范围成反比。
使用时保持三个参数中的两个不变而改变另一个参 数使电容量发生变化，故其可分成三类：变极距式、
变面积式、变介电常数式。
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1、变极距式电容位移传感器
C0
C
0
A
输入输出特性：
0 1, C 0 C0
灵敏度：
S
C
C0
0
A
2 0
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C
工作特性：
ຫໍສະໝຸດ Baidu
0
δ
•灵敏度S与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度
越高，但极距减小受电容极板间击穿电压电限制。
衔铁
拉簧
原理图
注意
当线圈匝数为常数时，自感L与气隙长度δ成反比，而与
气隙导磁截面积S成正比。
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—L关系曲线
灵敏度K
K
注意
L L0 W 2 0S
0
2
2 0
为获得较好的线性关系，必须选取合适的初始0，且将 测量范围限制在较小的范围内，通常:(0.1～0.2)0
为获得较高的灵敏度，初始0不宜过大，且需增加匝数W 17 和截面积S
第八章 机械量测量
8.1 概述 8.2 位移测量 8.3 转速测量 8.4 振动和加速度的测量
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8.1 概述
机械量通常包括各种几何量和力学量，如尺 寸（长度、厚度）、位移（直线位移、角位移）、 速度（线速度、角速度、转速）、力学量（力、 力矩、加速度、 振动）等。
本章主要讨论常用的位移、转速、振动和加 速度的测量方法及测量仪表。
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螺管式自感传感器
特点：
也可认为是有效线圈匝数 变化引起自感变化。
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2、互感式传感器
工作原理：利用电磁感应中的互感现象，
将被测量(位移)转换成感应电势的变化。
工作过程
输入输出特性曲线
相敏检波电路
连接相敏检波电 路后，传感器输 出电压反映了位 移的大小及方向
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H1 传感器激励电流
间 质 生用进两变的变被行极化高化测工间时度，介作的，发从质，距由生而的（离于变测介越极化量1电小-间出，系，2不液引）数仪同位起值表1介的极越与越电变间大空灵常化电，气敏数。容仪介。发介表电越系灵数敏2不。等电的容原器理
两圆筒间的电容量：
C
2 L
ln D
d
电容式液位计
两电极间的总电容量为
C
C0
+
2
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一、电容式位移传感器
原理：被测位移量的变化转换为电容 量的变化
特点：结构简单，动态响应好，能实现 无接触测量，灵敏度高，分辨力强，能 测量0.01m甚至更小的位移。
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平行板电容器的电容值为：
C A
-极板间介质的介电常数； A-两平行极板相互覆盖的范围； -两极板间距离
A
δ 介电常数ε
电容式传感器结构图
电涡流传感器原理图
其中：ρ 金属电阻率， μ金属磁导率，
Z F(, , r, f , x)
r 线圈与被测物体的尺寸因子，
f 激磁电流频率， x 线圈与导体 23
间的距离
工作原理：利用电涡流效应，将被测量(位移)转换成线圈等
效阻抗的变化。
应用：
x——位移、厚度、振幅； ρ——表面温度、电解质浓度、材质判别等； μ，ρ——无损探伤等。
温标的传递
各种机械量检测参数可采用的测量原理
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8.2 位移的测量
一、电容式位移传感器 二、电感式位移传感器 三、电涡流式位移传感器 四、光纤传感器 五、霍尔式传感器
重点：各种位移传感器的原理、特点、使用。
难点：霍尔式位移传感器。
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8.2 位移测量
位移测量分为线位移和角位移。 常用位移传感器有电容式、电感式、电 涡流式、光纤式、CCD图像传感器等。