2024/8/262024/8/26位移与转速的测量位移测量位移测量 第第9 9章章 位移与转速测量位移与转速测量9.1电感式位移计电感式位移计 电阻式位移计电阻式位移计9.1.1转速测量转速测量光电式转速计光电式转速计 磁电式转速计磁电式转速计 转速脉冲测量方法转速脉冲测量方法9.29.1.29.2.19.2.29.2.319.1 9.1 位移测量位移测量线位移线位移 比如：车身刚度、大梁刚度、路面比如：车身刚度、大梁刚度、路面不平度、悬架刚度等不平度、悬架刚度等角位移角位移 比如：方向盘转角、制动踏板位移、比如：方向盘转角、制动踏板位移、车身侧倾角、转向角、车轮转角等车身侧倾角、转向角、车轮转角等位位移移29.1 9.1 位移测量位移测量同位素传感器（用同位素辐射反映位移同位素传感器（用同位素辐射反映位移S)S)互感式传感器（用感应电势互感式传感器（用感应电势e e反映位移反映位移S S）电阻式位移计（用电阻变化量反映位移电阻式位移计（用电阻变化量反映位移S S）电感式位移计（用电感变化量电感式位移计（用电感变化量L L反映位移反映位移S S）电容式传感器（用电容变化量电容式传感器（用电容变化量C C反映位移反映位移S S）位位移移常常用用测测量量方方法法下面介绍应用较广泛的两种传感器：电阻式位移计和电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感式位移计9.1.1 9.1.1 电阻式位移计电阻式位移计3电阻式位移计是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。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按其工作原理可分为变阻器式变阻器式和和电阻应变式电阻应变式两类。两类。 1 1变阻器式位移计变阻器式位移计 a a）直线位移型）直线位移型 b b）角位移型）角位移型 c c）非线性型）非线性型 4 变阻器式位移计变阻器式位移计通过改变电位器触头位置，实通过改变电位器触头位置，实现将位移转换为电阻的变化。其表达式为现将位移转换为电阻的变化。其表达式为 ：直线位移型直线位移型 灵敏度灵敏度 角位移型角位移型 灵敏度灵敏度9.1.1 9.1.1 电阻式位移计电阻式位移计5非线性型非线性型为了使输出电阻值为了使输出电阻值 与与 呈呈线性关系线性关系，变阻器骨架，变阻器骨架应做成直角三角形。应做成直角三角形。 变阻器骨架应做成抛物线形。变阻器骨架应做成抛物线形。 变阻器式传感器的后变阻器式传感器的后接电路一般采用电阻接电路一般采用电阻分压电路。分压电路。 优点：优点：结构简单、性能稳定、使用方便。结构简单、性能稳定、使用方便。缺点：缺点：分辨力不高，因为受到电阻丝直径的限制。分辨力不高，因为受到电阻丝直径的限制。9.1.1 9.1.1 电阻式位移计电阻式位移计6应用：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。电子电位差计等。 2 2电阻应变式传感器电阻应变式传感器 电阻应变式传感器可分为电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式金属电阻应变片式与与半导体应变片式半导体应变片式两类两类。 工作原理：工作原理：应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。 l金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片 1 1电阻丝电阻丝 2 2基片基片 3 3一覆盖层一覆盖层 4 4引出线引出线 9.1.1 9.1.1 电阻式位移计电阻式位移计7l金属箔式应变片金属箔式应变片 电阻丝的电阻值电阻丝的电阻值 电阻丝即随同物体一起变形，其电阻值发生相应变化电阻丝即随同物体一起变形，其电阻值发生相应变化 或或9.1.1 9.1.1 电阻式位移计电阻式位移计8 是由电阻丝几何尺寸改变所引起的，对于同一种材料，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。项是常数。 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。上式可简化为来说，是很小的，可忽略。上式可简化为 灵敏度灵敏度 9.1.1 9.1.1 电阻式位移计电阻式位移计9 一般市售电阻应变片的标准阻值有一般市售电阻应变片的标准阻值有6060、120120、350350、600600和和10001000等。其中以等。其中以120120最为常用。应变片的尺寸可根据使用要求来选定。最为常用。应变片的尺寸可根据使用要求来选定。 优点：优点：体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等。体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等。应用：应用：用于应变、力、位移、加速度、扭矩等参数的测量。用于应变、力、位移、加速度、扭矩等参数的测量。 缺点：缺点：温度稳定性能差，在较大应变作用下，非线性误差大等。温度稳定性能差，在较大应变作用下，非线性误差大等。 l半导体应变片半导体应变片 1 1胶膜衬底胶膜衬底 2 2P-Si P-Si 3 3内引线内引线 4 4焊接板焊接板 5 5外引线外引线 9.1.1 9.1.1 电阻式位移计电阻式位移计10工作原理工作原理: :是基于半导体材料的是基于半导体材料的压阻效应压阻效应。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，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，从而引起电阻率的变化，从而引起电阻率 变化的现象。变化的现象。 在电阻相对变化的表达式中，在电阻相对变化的表达式中， 项是由几何尺寸变项是由几何尺寸变化引起的，化引起的， 是由于电阻率变化而引起的。对半导体而言，是由于电阻率变化而引起的。对半导体而言， 项远远大于项远远大于 项，它是半导体应变片的主要部分，故项，它是半导体应变片的主要部分，故电电阻相对变化的表达式阻相对变化的表达式可简化为可简化为 灵敏度灵敏度9.1.1 9.1.1 电阻式位移计电阻式位移计11优点：优点：灵敏度高，机械滞后小、横向效应小灵敏度高，机械滞后小、横向效应小、体积小等特点体积小等特点。 缺点：缺点：温度稳定性能差、灵敏度离散度大，非线性误差大等。温度稳定性能差、灵敏度离散度大，非线性误差大等。 应用：应用：用于压力、加速度等参数的测量。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电阻应变式传感器有以下两种应用方式：应用方式： 1)1)直接用来测定结构的应变或应力。直接用来测定结构的应变或应力。 2 2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加）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。速度等物理参数的传感器。 3 3固态压阻式传感器固态压阻式传感器 工作原理工作原理: :是基于半导体材料的是基于半导体材料的电阻效应电阻效应。9.1.1 9.1.1 电阻式位移计电阻式位移计12 固态压阻式传感器是以单晶硅为基底材料，按一定晶向固态压阻式传感器是以单晶硅为基底材料，按一定晶向将将P P型杂质扩散到型杂质扩散到N N型硅底层上，形成一层极薄的导电型硅底层上，形成一层极薄的导电P P型层。型层。此此P P型层就相当于半导体应变片中的电阻条，连接引线后就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。由于基底构成了扩散型半导体应变片。由于基底( (硅片硅片) )与敏感元件与敏感元件( (导电层导电层) )互相渗透，结合紧密，所以基本上为一体。在生产互相渗透，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。这时基底就是形梁等。这时基底就是弹性元件弹性元件，导电层就是，导电层就是敏感元件敏感元件。当。当有机械力作用时，硅片产生应变，使导电层发生电阻变化。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。式，在外力作用下，电桥产生相应的不平衡输出。 应用：应用：固态压阻式传感器主要用于测量压力与加速度。固态压阻式传感器主要用于测量压力与加速度。 9.1.1 9.1.1 电阻式位移计电阻式位移计139.1.2 9.1.2 电感式位移计电感式位移计 9.1.29.1.2电感位移计原理与分类电感位移计原理与分类 电感式传感器的结构原理电感式传感器的结构原理 14三、电感式传感器三、电感式传感器 电感式传感器电感式传感器是把被测量转换为电感量变化的一种装置，是把被测量转换为电感量变化的一种装置，其变换是基于其变换是基于电磁感应原理电磁感应原理。按照变换方式的不同，可分为自。按照变换方式的不同，可分为自感型感型( (包括可变磁阻式与涡流式包括可变磁阻式与涡流式) )与互感型与互感型( (差动变压器式差动变压器式) )。 1 1自感型自感型 （1 1）可变磁阻式）可变磁阻式 a a）可变磁阻结构）可变磁阻结构 b b）特性曲线）特性曲线1 1一线圈一线圈 2 2铁心铁心 3 3一衔铁一衔铁 9.1.2 9.1.2 电感式位移计电感式位移计 15a a）可变导磁面积型）可变导磁面积型 b b）差动型）差动型 c c）单螺管线圈型）单螺管线圈型 d d）双螺管线圈差动型）双螺管线圈差动型 9.1.2 9.1.2 电感式位移计电感式位移计 16a a）电桥电路）电桥电路 b b）输出特性）输出特性 双螺管线圈差动型，较之单螺管型有较高灵敏度及线性，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，常用测量范围为被用于电感测微计上，常用测量范围为0 0300300 m m，最小分辨力，最小分辨力为为0 05 5 m m。 9.1.2 9.1.2 电感式位移计电感式位移计 172 2互感型互感型差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器 工作原理：工作原理：这种传感器利用了电磁感应中的互感现象，实质上就是这种传感器利用了电磁感应中的互感现象，实质上就是一个一个变压器变压器。其一次侧线圈接入稳定交流电源，二次侧线圈感应产。其一次侧线圈接入稳定交流电源，二次侧线圈感应产生生输出电压。当被测参数使互感输出电压。当被测参数使互感 变化时，二次侧线圈输出电压变化时，二次侧线圈输出电压也产生相应变化。由于常常采用两个二次侧线圈组成差动式，故又也产生相应变化。由于常常采用两个二次侧线圈组成差动式，故又称为称为差动变压器式传感器差动变压器式传感器。实际应用较多的是螺管形差动变压器。实际应用较多的是螺管形差动变压器。 9.1.2 9.1.2 电感式位移计电感式位移计 18传感器开路输出电压为两次级线圈感应电动势之差传感器开路输出电压为两次级线圈感应电动势之差测量电路：测量电路：一般采用反串电路和桥路两种。下图是一种用于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。小位移测量的差动相敏检波电路工作原理图。 9.1.2 9.1.2 电感式位移计电感式位移计 19优点：优点：精确度高（最高分辨力可达精确度高（最高分辨力可达0 01 1 m m）、线性范围大（可）、线性范围大（可扩展到扩展到100mm100mm）、稳定性好和使用方便。）、稳定性好和使用方便。 缺点：缺点：实际测量频率上限受到传感器机械结构的限制。实际测量频率上限受到传感器机械结构的限制。 应用：应用：广泛用于直线位移测定。借助于弹性元件可以将压力、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。重量等物理量的测量。 9.1.2 9.1.2 电感式位移计电感式位移计 9.2 9.2 转速测量转速测量20 在机械和汽车的动力系统研究中经常测量转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，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。速、车轮转速、汽车行驶速度等。 转速的基本测量方法有：转速的基本测量方法有：数字式测速数字式测速将转速直接转变成相应的脉冲输出；将转速直接转变成相应的脉冲输出；模拟式测速模拟式测速将转速变换成相应的模拟量输出；将转速变换成相应的模拟量输出；同步式测速同步式测速利用人眼的暂留特性进行观察比较；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。下面主要介绍数字式测速中的电测法。9.2.1 9.2.1 光电式转速计光电式转速计 21 光电传感器是将光信号转换为电信号的传感器。若用这种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。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、光电测量原理一、光电测量原理 光电传感器的物理基础是光电传感器的物理基础是光电效应光电效应。用光照射某一物体，。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为光电效应光电效应。光电效应按其作用原理分为。光电效应按其作用原理分为外光电效应外光电效应、内光电内光电效应效应和和光生伏打效应光生伏打效应。 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。在这一过程中光子所携带的电磁能转换为光电子的动能。的动能。 外光电效应器件有光电管和光电倍增管等。外光电效应器件有光电管和光电倍增管等。 9.2.1 9.2.1 光电式转速计光电式转速计 22 在光照作用下，物体内部的原子吸收光能量，获得能量在光照作用下，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的导电性能如电阻率发生改变的现象称内光电效应内光电效应( (光导效应光导效应) )。 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。光导管。 光线照射在半导体的光线照射在半导体的P-NP-N结上时，在结附近激发出电子空结上时，在结附近激发出电子空穴对，在结电场的作用下，电子向穴对，在结电场的作用下，电子向N N区运动，使区运动，使P P区剩下空穴，区剩下空穴，从而从而N N区带负电，区带负电，P P区带正电，形成光生电动势。这种现象称区带正电，形成光生电动势。这种现象称为为光生伏打效应光生伏打效应。 光生伏打效应器件主要有光电池，光敏三极管，二极管光生伏打效应器件主要有光电池，光敏三极管，二极管等。等。9.2.1 9.2.1 光电式转速计光电式转速计 23二、光电元件二、光电元件1.1.真空光电管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。成定向流动，外电路也产生了电流。光电阴极电子阳极+-I光光电管工作原理0.50.40.30.20.120608040光通量阻极电流阴极电压阳极电压光电管光照特性 2. 2.光敏电阻光敏电阻 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。内部载流子数目增多，材料电阻减小。 无光照时电阻无光照时电阻1.0100M1.0100M 有光照时电阻小于有光照时电阻小于1.0K1.0K 3. 3.光电池光电池 半导体半导体p-np-n结按接合面受光照时，结按接合面受光照时， 发生电子和空穴的分离现象，在发生电子和空穴的分离现象，在 接触面两端产生电势。接触面两端产生电势。9.2.1 9.2.1 光电式转速计光电式转速计 24+-PN光+-I光电池9.2.1 9.2.1 光电式转速计光电式转速计 254 4光敏晶体管光敏晶体管 光敏二极管光敏二极管的的PNPN结安装在管子顶部，可直接接受光照，在结安装在管子顶部，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，光子打在有光照时，光子打在PNPN结附近，从而在结附近，从而在PNPN结附件产生电子结附件产生电子- -空空穴对。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。止状态，当有光照时，二极管导通。 a a）光敏二极管符号）光敏二极管符号 b b）光敏二极管的连接）光敏二极管的连接 9.2.1 9.2.1 光电式转速计光电式转速计 261.1.直射型光电转速传感器直射型光电转速传感器直射型光电转速计工作原理直射型光电转速计工作原理11被测轴；被测轴；22圆盘；圆盘；33光源；光源； 44光电管光电管 此类传感器又光源、光电元件、此类传感器又光源、光电元件、分度盘组成。机械转速经刻度盘或分度盘组成。机械转速经刻度盘或者标记的明暗在光电器件上的输入者标记的明暗在光电器件上的输入端构成光的明暗输入，在经过光电端构成光的明暗输入，在经过光电器件根据光的输入输出相应的电压器件根据光的输入输出相应的电压或电流。对电脉冲放大整形后，观或电流。对电脉冲放大整形后，观察察t t内的脉冲数。内的脉冲数。 反射型光电转速传感器主要是由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）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、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。通过测传感器的输出就会跳变一次。通过测出这个跳变频率出这个跳变频率f f，就可以知道转速，就可以知道转速n n。n=fn=f 如果被测部件上对称安装多个反如果被测部件上对称安装多个反光片或反光贴纸，那么光片或反光贴纸，那么n=f/Nn=f/N。N N为反为反光片或反光贴纸色数量光片或反光贴纸色数量9.2.1 9.2.1 光电式转速计光电式转速计 272.2.反射型光电转速传感器反射型光电转速传感器反射型光电转速传感器工作原理反射型光电转速传感器工作原理9.2.2 9.2.2 磁电式转速计磁电式转速计 28一、磁电式传感器一、磁电式传感器 工作原理：工作原理：根据电磁感应定理，一个匝数为根据电磁感应定理，一个匝数为W W的线圈，当穿过该线圈的线圈，当穿过该线圈的磁通的磁通发生变化时，其感应电动势的大小为：发生变化时，其感应电动势的大小为： 线圈感应电动势的大小，取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率。线圈感应电动势的大小，取决于匝数和穿过线圈的磁通变化率。磁通变化率与磁通变化率与磁场强度磁场强度、磁路磁阻磁路磁阻、线圈的运动速度线圈的运动速度有关，故若改变有关，故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。按照结构不同，磁电式其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。按照结构不同，磁电式传感器可分为传感器可分为动圈式动圈式与与磁阻式磁阻式。 1 1动圈式动圈式 动圈式又可分为动圈式又可分为线速度型线速度型与与角速度型角速度型。 9.2.2 9.2.2 磁电式转速计磁电式转速计 29a a）线速度型）线速度型 b b）角速度型）角速度型线速度型线速度型角速度型角速度型9.2.2 9.2.2 磁电式转速计磁电式转速计 30测量电路测量电路 传感器输出电压传感器输出电压注意：注意：上面所讨论的上面所讨论的速度速度指的是线圈与磁场（壳体）的指的是线圈与磁场（壳体）的相对相对速度速度，而不是壳体本身的绝对速度。，而不是壳体本身的绝对速度。 9.2.2 9.2.2 磁电式转速计磁电式转速计 312 2磁阻式磁阻式 工作原理：工作原理：一般通过改变传感器到被测对象间的一般通过改变传感器到被测对象间的气隙厚度气隙厚度等方法来等方法来改变磁路磁阻改变磁路磁阻。a a）测频数）测频数 b b）测转速）测转速 c c）偏心测量）偏心测量 d d）振动测量）振动测量 329.2.3转速脉冲测量方法转速脉冲测量方法339.2.3转速脉冲测量方法转速脉冲测量方法谢谢 谢！谢！