位移與轉速測量(經典版)

1、2022-6-162022-6-16位移與轉速的測量位移測量位移測量 第第9 9章章 位移與轉速測量位移與轉速測量9.1電感式位移計電感式位移計 電阻式位移計電阻式位移計9.1.1轉速測量轉速測量光電式轉速計光電式轉速計 磁電式轉速計磁電式轉速計 轉速脈沖測量方法轉速脈沖測量方法9.29.1.29.2.19.2.29.2.319.1 9.1 位移測量位移測量線位移 比如：車身剛度、大梁剛度、路面不平度、懸架剛度等角位移 比如：方向盤轉角、制動踏板位移、車身側傾角、轉向角、車輪轉角等位移位移29.1 9.1 位移測量位移測量同位素傳感器（用同位素輻射反映位移同位素傳感器（用同位素輻射反映位移S)

2、S)互感式傳感器（用感應電勢互感式傳感器（用感應電勢e e反映位移反映位移S S）電阻式位移計（用電阻變化量反映位移電阻式位移計（用電阻變化量反映位移S S）電感式位移計（用電感變化量電感式位移計（用電感變化量L L反映位移反映位移S S）電容式傳感器（用電容變化量電容式傳感器（用電容變化量C C反映位移反映位移S S）位移常用測量方法位移常用測量方法下面介紹應用較廣泛的兩種傳感器：電阻式位移計和電下面介紹應用較廣泛的兩種傳感器：電阻式位移計和電感式位移計感式位移計9.1.1 9.1.1 電阻式位移計電阻式位移計3電阻式位移計是一種把被測量轉換為電阻變化的傳感器。電阻式位移計是一種把被測量轉換

3、為電阻變化的傳感器。按其工作原理可分為按其工作原理可分為變阻器式變阻器式和和電阻應變式電阻應變式兩類。兩類。 1 1變阻器式位移計變阻器式位移計 a a）直線位移型）直線位移型 b b）角位移型）角位移型 c c）非線性型）非線性型 4 變阻器式位移計變阻器式位移計通過改變電位器觸頭位置，實通過改變電位器觸頭位置，實現(xiàn)將位移轉換為電阻的變化。其表達式為現(xiàn)將位移轉換為電阻的變化。其表達式為 ：AlR直線位移型直線位移型 xkR11kdxdRS靈敏度靈敏度 角位移型角位移型 kR 靈敏度靈敏度kddRS9.1.1 9.1.1 電阻式位移計電阻式位移計5非線性型非線性型2)(kxxf為了使輸出電阻值

4、為了使輸出電阻值 與與 呈呈線性關系線性關系，變阻器骨架，變阻器骨架應做成直角三角形。應做成直角三角形。 )(xR)(xf3)(kxxf變阻器骨架應做成拋物線形。變阻器骨架應做成拋物線形。 變阻器式傳感器的后變阻器式傳感器的后接電路一般采用電阻接電路一般采用電阻分壓電路。分壓電路。 )1)(0pLPpexxRRxxuu優(yōu)點：優(yōu)點：結構簡單、性能穩(wěn)定、使用方便。結構簡單、性能穩(wěn)定、使用方便。缺點：缺點：分辨力不高，因為受到電阻絲直徑的限制。分辨力不高，因為受到電阻絲直徑的限制。9.1.1 9.1.1 電阻式位移計電阻式位移計6應用：應用：用于線位移、角位移測量，在測量儀器中用于伺服記錄儀器或用于

5、線位移、角位移測量，在測量儀器中用于伺服記錄儀器或電子電位差計等。電子電位差計等。 2 2電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器 電阻應變式傳感器可分為電阻應變式傳感器可分為金屬電阻應變片式金屬電阻應變片式與與半導體應變片式半導體應變片式兩類兩類。 工作原理：工作原理：應變片發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化。應變片發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化。 l 金屬絲電阻應變片金屬絲電阻應變片 11電阻絲電阻絲 22基片基片 3 3一覆蓋層一覆蓋層 44引出線引出線 9.1.1 9.1.1 電阻式位移計電阻式位移計7l 金屬箔式應變片金屬箔式應變片 AlR電阻絲的電阻值電阻絲的電阻值 電阻絲即隨同物體一起變

6、形，其電阻值發(fā)生相應變化電阻絲即隨同物體一起變形，其電阻值發(fā)生相應變化 dRdAARdllRdR2rAdrdrldlRdR2或或9.1.1 9.1.1 電阻式位移計電阻式位移計8ldlEdldlrdrEERdR)21(2 是由電阻絲幾何尺寸改變所引起的，對于同一種材料，是由電阻絲幾何尺寸改變所引起的，對于同一種材料，項是常數(shù)。項是常數(shù)。)21( E 項則是由于電阻絲的電阻率隨應變的改變而引起的，對于金屬絲項則是由于電阻絲的電阻率隨應變的改變而引起的，對于金屬絲來說，是很小的，可忽略。上式可簡化為來說，是很小的，可忽略。上式可簡化為 )21( RdR靈敏度靈敏度 常數(shù)21ldlRdRSg9.1.

7、1 9.1.1 電阻式位移計電阻式位移計9 一般市售電阻應變片的標準阻值有一般市售電阻應變片的標準阻值有6060、120120、350350、600600和和10001000等。其中以等。其中以120120最為常用。應變片的尺寸可根據(jù)使用要求來選定。最為常用。應變片的尺寸可根據(jù)使用要求來選定。 優(yōu)點：優(yōu)點：體積小、動態(tài)響應快、測量精確度高、使用簡便等。體積小、動態(tài)響應快、測量精確度高、使用簡便等。應用：應用：用于應變、力、位移、加速度、扭矩等參數(shù)的測量。用于應變、力、位移、加速度、扭矩等參數(shù)的測量。 缺點：缺點：溫度穩(wěn)定性能差，在較大應變作用下，非線性誤差大等。溫度穩(wěn)定性能差，在較大應變作用下

8、，非線性誤差大等。 l 半導體應變片半導體應變片 11膠膜襯底膠膜襯底 2P-Si 2P-Si 33內引線內引線 44焊接板焊接板 55外引線外引線 9.1.1 9.1.1 電阻式位移計電阻式位移計10工作原理工作原理: :是基于半導體材料的是基于半導體材料的壓阻效應壓阻效應。壓阻效應壓阻效應是指單晶半導體材料在沿某一軸向受到外力作用時，是指單晶半導體材料在沿某一軸向受到外力作用時，原子點陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導致載流子遷移率及載流子濃度原子點陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導致載流子遷移率及載流子濃度的變化，從而引起電阻率的變化，從而引起電阻率 變化的現(xiàn)象。變化的現(xiàn)象。 在電阻相對變化的表達式中，在電阻相

9、對變化的表達式中， 項是由幾何尺寸變項是由幾何尺寸變化引起的，化引起的， 是由于電阻率變化而引起的。對半導體而言，是由于電阻率變化而引起的。對半導體而言， 項遠遠大于項遠遠大于 項，它是半導體應變片的主要部分，故項，它是半導體應變片的主要部分，故電電阻相對變化的表達式阻相對變化的表達式可簡化為可簡化為 )21 ( EE)21 ( ERdR靈敏度靈敏度ERdRSg9.1.1 9.1.1 電阻式位移計電阻式位移計11優(yōu)點：優(yōu)點：靈敏度高，機械滯后小、橫向效應小靈敏度高，機械滯后小、橫向效應小、體積小等特點體積小等特點。 缺點：缺點：溫度穩(wěn)定性能差、靈敏度離散度大，非線性誤差大等。溫度穩(wěn)定性能差、靈

10、敏度離散度大，非線性誤差大等。 應用：應用：用于壓力、加速度等參數(shù)的測量。用于壓力、加速度等參數(shù)的測量。 電阻應變式傳感器有以下兩種電阻應變式傳感器有以下兩種應用方式：應用方式： 1)1)直接用來測定結構的應變或應力。直接用來測定結構的應變或應力。 2 2）將應變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加）將應變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。速度等物理參數(shù)的傳感器。 3 3固態(tài)壓阻式傳感器固態(tài)壓阻式傳感器 工作原理工作原理: :是基于半導體材料的是基于半導體材料的電阻效應電阻效應。9.1.1 9.1.1 電阻式位移計電阻式位移計12 固態(tài)壓阻式傳感器是以

11、單晶硅為基底材料，按一定晶向固態(tài)壓阻式傳感器是以單晶硅為基底材料，按一定晶向將將P P型雜質擴散到型雜質擴散到N N型硅底層上，形成一層極薄的導電型硅底層上，形成一層極薄的導電P P型層。型層。此此P P型層就相當于半導體應變片中的電阻條，連接引線后就型層就相當于半導體應變片中的電阻條，連接引線后就構成了擴散型半導體應變片。由于基底構成了擴散型半導體應變片。由于基底( (硅片硅片) )與敏感元件與敏感元件( (導電層導電層) )互相滲透，結合緊密，所以基本上為一體。在生產互相滲透，結合緊密，所以基本上為一體。在生產時可以根據(jù)傳感器結構形成制成各種形狀，如圓形杯或長方時可以根據(jù)傳感器結構形成制成

12、各種形狀，如圓形杯或長方形梁等。這時基底就是形梁等。這時基底就是彈性元件彈性元件，導電層就是，導電層就是敏感元件敏感元件。當。當有機械力作用時，硅片產生應變，使導電層發(fā)生電阻變化。有機械力作用時，硅片產生應變，使導電層發(fā)生電阻變化。一般這種元件做成按一定晶向擴散、四個電阻組成的全橋形一般這種元件做成按一定晶向擴散、四個電阻組成的全橋形式，在外力作用下，電橋產生相應的不平衡輸出。式，在外力作用下，電橋產生相應的不平衡輸出。 應用：應用：固態(tài)壓阻式傳感器主要用于測量壓力與加速度。固態(tài)壓阻式傳感器主要用于測量壓力與加速度。 9.1.1 9.1.1 電阻式位移計電阻式位移計139.1.2 9.1.2

13、電感式位移計電感式位移計 9.1.29.1.2電感位移計原理與分類電感位移計原理與分類 線圈線圈鐵芯銜鐵銜鐵(a)(b)(c)電感式傳感器的結構原理電感式傳感器的結構原理 14三、電感式傳感器三、電感式傳感器 電感式傳感器電感式傳感器是把被測量轉換為電感量變化的一種裝置，是把被測量轉換為電感量變化的一種裝置，其變換是基于其變換是基于電磁感應原理電磁感應原理。按照變換方式的不同，可分為自。按照變換方式的不同，可分為自感型感型( (包括可變磁阻式與渦流式包括可變磁阻式與渦流式) )與互感型與互感型( (差動變壓器式差動變壓器式) )。 1 1自感型自感型 （1 1）可變磁阻式）可變磁阻式 a a）

14、可變磁阻結構）可變磁阻結構 b b）特性曲線）特性曲線1 1一線圈一線圈 22鐵心鐵心 3 3一銜鐵一銜鐵 22002NARNLm22002NAS 9.1.2 9.1.2 電感式位移計電感式位移計 15a a）可變導磁面積型）可變導磁面積型 b b）差動型）差動型 c c）單螺管線圈型）單螺管線圈型 d d）雙螺管線圈差動型）雙螺管線圈差動型 9.1.2 9.1.2 電感式位移計電感式位移計 16a a）電橋電路）電橋電路 b b）輸出特性）輸出特性 雙螺管線圈差動型，較之單螺管型有較高靈敏度及線性，雙螺管線圈差動型，較之單螺管型有較高靈敏度及線性，被用于電感測微計上，常用測量范圍為被用于電感

15、測微計上，常用測量范圍為0 0300m300m，最小分辨，最小分辨力為力為0 05m5m。 9.1.2 9.1.2 電感式位移計電感式位移計 172 2互感型互感型差動變壓器式電感傳感器差動變壓器式電感傳感器 工作原理：工作原理：這種傳感器利用了電磁感應中的互感現(xiàn)象，實質上就是這種傳感器利用了電磁感應中的互感現(xiàn)象，實質上就是一個一個變壓器變壓器。其一次側線圈接入穩(wěn)定交流電源，二次側線圈感應產。其一次側線圈接入穩(wěn)定交流電源，二次側線圈感應產生生輸出電壓。當被測參數(shù)使互感輸出電壓。當被測參數(shù)使互感 變化時，二次側線圈輸出電壓變化時，二次側線圈輸出電壓也產生相應變化。由于常常采用兩個二次側線圈組成差

16、動式，故又也產生相應變化。由于常常采用兩個二次側線圈組成差動式，故又稱為稱為差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器。實際應用較多的是螺管形差動變壓器。實際應用較多的是螺管形差動變壓器。 M9.1.2 9.1.2 電感式位移計電感式位移計 18MLjREjIMMjE112102)(傳感器開路輸出電壓為兩次級線圈感應電動勢之差傳感器開路輸出電壓為兩次級線圈感應電動勢之差測量電路：測量電路：一般采用反串電路和橋路兩種。下圖是一種用于一般采用反串電路和橋路兩種。下圖是一種用于小位移測量的差動相敏檢波電路工作原理圖。小位移測量的差動相敏檢波電路工作原理圖。 9.1.2 9.1.2 電感式位移計電感式位移計

17、 19優(yōu)點：優(yōu)點：精確度高（最高分辨力可達精確度高（最高分辨力可達0 01m1m）、線性范圍大（可）、線性范圍大（可擴展到擴展到100mm100mm）、穩(wěn)定性好和使用方便。）、穩(wěn)定性好和使用方便。 缺點：缺點：實際測量頻率上限受到傳感器機械結構的限制。實際測量頻率上限受到傳感器機械結構的限制。 應用：應用：廣泛用于直線位移測定。借助于彈性元件可以將壓力、廣泛用于直線位移測定。借助于彈性元件可以將壓力、重量等物理量轉換為位移的變化，故也將這類傳感器用于壓力、重量等物理量轉換為位移的變化，故也將這類傳感器用于壓力、重量等物理量的測量。重量等物理量的測量。 9.1.2 9.1.2 電感式位移計電感式

18、位移計 9.2 9.2 轉速測量轉速測量20 在機械和汽車的動力系統(tǒng)研究中經常測量轉在機械和汽車的動力系統(tǒng)研究中經常測量轉速，如測發(fā)動機轉速、汽車傳動軸轉速、半軸轉速，如測發(fā)動機轉速、汽車傳動軸轉速、半軸轉速、車輪轉速、汽車行駛速度等。速、車輪轉速、汽車行駛速度等。 轉速的基本測量方法有：轉速的基本測量方法有：數(shù)字式測速數(shù)字式測速將轉速直接轉變成相應的脈沖輸出；將轉速直接轉變成相應的脈沖輸出；模擬式測速模擬式測速將轉速變換成相應的模擬量輸出；將轉速變換成相應的模擬量輸出；同步式測速同步式測速利用人眼的暫留特性進行觀察比較；利用人眼的暫留特性進行觀察比較；下面主要介紹數(shù)字式測速中的電測法。下面主

19、要介紹數(shù)字式測速中的電測法。9.2.1 9.2.1 光電式轉速計光電式轉速計 21 光電傳感器是將光信號轉換為電信號的傳感器。若用這種光電傳感器是將光信號轉換為電信號的傳感器。若用這種傳感器測量其他非電量時，只需將這些非電量的變化先轉換為傳感器測量其他非電量時，只需將這些非電量的變化先轉換為光信號的變化。這種測量方法具有結構簡單、可靠性高、精度光信號的變化。這種測量方法具有結構簡單、可靠性高、精度高、非接觸和反應快等優(yōu)點，被廣泛用于各種自動檢測系統(tǒng)中。高、非接觸和反應快等優(yōu)點，被廣泛用于各種自動檢測系統(tǒng)中。 一、光電測量原理一、光電測量原理 光電傳感器的物理基礎是光電傳感器的物理基礎是光電效應

20、光電效應。用光照射某一物體，。用光照射某一物體，即為光子與物體的能量交換過程，這一過程中產生的電效應稱即為光子與物體的能量交換過程，這一過程中產生的電效應稱為為光電效應光電效應。光電效應按其作用原理分為。光電效應按其作用原理分為外光電效應外光電效應、內光電內光電效應效應和和光生伏打效應光生伏打效應。 在光照作用下，物體內的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象稱為在光照作用下，物體內的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應外光電效應。在這一過程中光子所攜帶的電磁能轉換為光電子。在這一過程中光子所攜帶的電磁能轉換為光電子的動能。的動能。 外光電效應器件有光電管和光電倍增管等。外光電效應器件有光電管和光電倍增管

21、等。 9.2.1 9.2.1 光電式轉速計光電式轉速計 22 在光照作用下，物體內部的原子吸收光能量，獲得能量在光照作用下，物體內部的原子吸收光能量，獲得能量的電子擺脫原子束縛成為物體內部的自由電子，從而使物體的電子擺脫原子束縛成為物體內部的自由電子，從而使物體的導電性能如電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱的導電性能如電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱內光電效應內光電效應( (光導效光導效應應) )。 內光電效應器件主要為光敏電阻以及由光敏電阻制成的內光電效應器件主要為光敏電阻以及由光敏電阻制成的光導管。光導管。 光線照射在半導體的光線照射在半導體的P-NP-N結上時，在結附近激發(fā)出電子結上時，在結附近激發(fā)出電子空穴

22、對，在結電場的作用下，電子向空穴對，在結電場的作用下，電子向N N區(qū)運動，使區(qū)運動，使P P區(qū)剩下空區(qū)剩下空穴，從而穴，從而N N區(qū)帶負電，區(qū)帶負電，P P區(qū)帶正電，形成光生電動勢。這種現(xiàn)區(qū)帶正電，形成光生電動勢。這種現(xiàn)象稱為象稱為光生伏打效應光生伏打效應。 光生伏打效應器件主要有光電池，光敏三極管，二極管光生伏打效應器件主要有光電池，光敏三極管，二極管等。等。9.2.1 9.2.1 光電式轉速計光電式轉速計 23二、光電元件二、光電元件1.1.真空光電管真空光電管陰極由光電材料（銻化銫，銫氯銀等）制成，當光從透鏡照射到陰極由光電材料（銻化銫，銫氯銀等）制成，當光從透鏡照射到陰極時，其表面逸出

23、電子，由帶正電位陰極的吸引作用，電子形陰極時，其表面逸出電子，由帶正電位陰極的吸引作用，電子形成定向流動，外電路也產生了電流。成定向流動，外電路也產生了電流。光電陰極電子陽極+-I光光電管工作原理AImL0.50.40.30.20.120608040光通量阻極電流陰極電壓陽極電壓1V2V光電管光照特性 2. 2.光敏電阻光敏電阻 某些半導體材料在光照射下，吸收一部分光能，使其某些半導體材料在光照射下，吸收一部分光能，使其 內部載流子數(shù)目增多，材料電阻減小。內部載流子數(shù)目增多，材料電阻減小。 無光照時電阻無光照時電阻1.0100M1.0100M 有光照時電阻小于有光照時電阻小于1.0K1.0K

24、3. 3.光電池光電池 半導體半導體p-np-n結按接合面受光照時，結按接合面受光照時， 發(fā)生電子和空穴的分離現(xiàn)象，在發(fā)生電子和空穴的分離現(xiàn)象，在 接觸面兩端產生電勢。接觸面兩端產生電勢。9.2.1 9.2.1 光電式轉速計光電式轉速計 24+-PN光+-I光電池9.2.1 9.2.1 光電式轉速計光電式轉速計 254 4光敏晶體管光敏晶體管 光敏二極管光敏二極管的的PNPN結安裝在管子頂部，可直接接受光照，結安裝在管子頂部，可直接接受光照，在電路中一般處于反向工作狀態(tài)。在無光照時，暗電流很小。在電路中一般處于反向工作狀態(tài)。在無光照時，暗電流很小。當有光照時，光子打在當有光照時，光子打在PNP

25、N結附近，從而在結附近，從而在PNPN結附件產生電子結附件產生電子- -空穴對。它們在內電場作用下作定向運動，形成光電流。光空穴對。它們在內電場作用下作定向運動，形成光電流。光電流隨光照度的增加而增加。因此在無光照時，光敏二極管電流隨光照度的增加而增加。因此在無光照時，光敏二極管處于截止狀態(tài)，當有光照時，二極管導通。處于截止狀態(tài)，當有光照時，二極管導通。 a a）光敏二極管符號）光敏二極管符號 b b）光敏二極管的連接）光敏二極管的連接 9.2.1 9.2.1 光電式轉速計光電式轉速計 261.1.直射型光電轉速傳感器直射型光電轉速傳感器直射型光電轉速計工作原理直射型光電轉速計工作原理11被測

26、軸；被測軸；22圓盤；圓盤；33光源；光源； 44光電管光電管 此類傳感器又光源、光電元件、此類傳感器又光源、光電元件、分度盤組成。機械轉速經刻度盤或分度盤組成。機械轉速經刻度盤或者標記的明暗在光電器件上的輸入者標記的明暗在光電器件上的輸入端構成光的明暗輸入，在經過光電端構成光的明暗輸入，在經過光電器件根據(jù)光的輸入輸出相應的電壓器件根據(jù)光的輸入輸出相應的電壓或電流。對電脈沖放大整形后，觀或電流。對電脈沖放大整形后，觀察察t t內的脈沖數(shù)。內的脈沖數(shù)。 反射型光電轉速傳感器主要是由反射型光電轉速傳感器主要是由被測旋轉部件、反光片（或反光貼被測旋轉部件、反光片（或反光貼紙）、反射型光電傳感器組成，

27、在可紙）、反射型光電傳感器組成，在可以進行精確定位的情況下，在被測部以進行精確定位的情況下，在被測部件上對稱安裝多個反光片或反光貼紙件上對稱安裝多個反光片或反光貼紙會取得較好的測量效果。當旋轉部件會取得較好的測量效果。當旋轉部件上的反光貼紙通過光電傳感器前時，上的反光貼紙通過光電傳感器前時，光電傳感器的輸出就會跳變一次。通光電傳感器的輸出就會跳變一次。通過測出這個跳變頻率過測出這個跳變頻率f f，就可以知道，就可以知道轉速轉速n n。n=fn=f 如果被測部件上對稱安裝多個反如果被測部件上對稱安裝多個反光片或反光貼紙，那么光片或反光貼紙，那么n=f/Nn=f/N。N N為反為反光片或反光貼紙色數(shù)量光片或反光貼紙色數(shù)量9.2.1 9.2.1 光電式轉速計光電式轉速計 27