第14章位移速度加速度测量.ppt
2019/4/15,学习要求,1. 了解常用的位移、速度、加速度测量方法及其分类； 2. 熟悉常用的位移、速度、加速度测量用传感器原理； 3. 掌握位移、速度、加速度测量系统的组建方法及相关注意事项； 4. 了解位移、速度、加速度测量系统的标定方法。,2019/4/15,位移是一种常见的运动量，是线位移和角位移的总称。 位移是向量。,14.1 位移测量,2019/4/15,按位移测量原理来分有： 机械式位移测量法 如浮子式油量表、水箱液位计等都是利用浮子来感受液面的位移，达到指示油量的大小和水位的高低。 特点：机械惯性大，动态特性较差，不能远距离传送。,2019/4/15,电气式位移测量法 位移量通过位移传感器转换为电量，再经相应的测试电路处理后，传递到显示或记录装置。 特点：动态范围大，接触式测量时，传感器对被测对象有一定影响。,火炮自动机位移测量仪,2019/4/15,光电式位移测量法 将机械位移量通过光电式位移传感器转换为电量再进行测量的方法。 特点：应用于需进行非接触测量的场合，对被测对象无不良影响，具有较高的频响精度。,2019/4/15,位移传感器,信号调理电路,记录仪器,电感式位移测量系统 电容式位移测量系统 光电式位移测量系统,位移测量系统组成,2019/4/15,测量原理:电感式位移测量系统 是变磁阻类测量装置。电感线圈 中输入的是交流电流，当被测位 移量引起铁芯与衔铁之间的磁阻 变化时，线圈中的自感系数L或互 感系数M产生变化。,14.1.1电感式位移测量系统,2019/4/15,电感式传感器的几个特点： 结构简单，工作中没有活动电接触点，因而，比电位器工作可靠，寿命长。 灵敏度高，分辨率高，能测出0.1m甚至更小的机械位移变化，能感受小至的微小角度变化。传感器的输出信号强。 电压灵敏度高，有利于信号的传输与放大。 重复性好，线性度优良，在一定位移范围内，输出特性的线性度好，并且比较稳定。,2019/4/15,。,自感式传感器（电感式） 互感式传感器（差动变压器式）,变磁阻式传感器 变压器式传感器 涡流式传感器,电感式传感器可分为两大类：,根据工作原理亦可分为：,2019/4/15,1单磁路自感式电感传感器 1) 工作原理,由衔铁、铁芯和线圈三部分组成，衔铁和铁芯之间有空隙，传感器的运动部分与衔铁相连，当传感器测量物理量时，衔铁运动部分产生位移，导致气隙厚度变化，从而使线圈的电感值发生变化。,14.1.1.1变磁阻式电感传感器,2019/4/15,当线圈中有电流通过时，线圈中就会产生磁通，若电流随时间变化，则磁通亦随时间变化，有：,线圈的自感系数：,在线圈中，磁通与电流I的关系：,常数,磁通,线圈匝数,2019/4/15,即：,磁链,线圈中电感L等于单位电流所产生的磁链，磁通取决于磁路中磁阻RM及磁动势WI，即,，代入L中,线圈电感值计算 ：,式中 W线圈的匝数； Rm磁路的总磁阻。,总磁阻,2019/4/15,若气隙厚度较小，可认为空气隙磁场是均匀的，忽略磁路铁损，则总磁阻为磁路中铁芯，空气隙和衔铁的磁阻之和，,式中 磁通通过铁芯的长度； 铁芯横截面积； 铁芯在磁感应值为时的磁导率； 衔铁横截面积； 衔铁在磁感应值为时的磁导率；,2019/4/15,空气隙长度； 空气隙横截面积； 空气的磁导率 ；,有：,因为铁芯和衔铁为导磁性材料，其磁阻与空气隙磁阻相比很小，计算时可忽略不计，,有：,线圈匝数W确定后，只要空气隙长度和空气隙截面二者之一发生变化，传感器的电感量都会发生变化。,2019/4/15,变气隙厚度的电感式传感器 变气隙面积S的电感式传感器 变磁导率的电感式传感器,变磁阻式传感器的类型：,2019/4/15,假设初始气隙为0，则初始电感为,当 ，电感量为：,L与的关系为双曲线,2）特性分析,2019/4/15,电感的变化量L为,有：,当 1时，可将上式展开成级数,2019/4/15,当,电感变化量为,有,可见，不若考虑包括2次项以上的高次项，则 与 成比例关系，因此，高次项的存在是造成非线性的主要原因。但当空气隙相对变化 越小时，高次项将迅速减小，非线性可以得到改善。然而，这导致传感器的测量范围（即衔铁的允许工作位移）变小.,一般对于变气隙式电感传感器，取 =0.10.2。,2019/4/15,由两只完全对称的单磁路自感电感传感器合用一个活动衔铁组成。 其结构特点是上下两个导磁体的几何尺寸完全相同，材料相同，上下两只线圈的电气参数也完全一致。,（b）螺管型,（a） E型,2自感式差动电感传感器,1）结构特点,2019/4/15,上图为差动电感传感器电桥接线图。传感器的两只电感线圈接成交流电桥的相邻两臂，另外两个桥臂由电阻组成。,2019/4/15,在起始位置时，衔铁处于中间位置，两边的空隙相等，因此，两只电感线圈的电感量在理论上相等，电桥的输出电压 ，电桥处于平衡状态。 当衔铁偏离中间位置向上或向下移动时，造成两边气隙不一样，使两只电感线圈的电感量一增一减，电桥就不平衡。电桥输出电压的幅值大小与衔铁移动量的大小成比例，其相位则反相180º。因此，如果测量出输出电压的大小和相位，就能确定位移量的大小和方向。,2）工作原理,2019/4/15,3）E型差动电感传感器接入电桥后的输出特性 输出特性是指电桥输出电压与传感器衔铁位移量之间的关系。,当衔铁在中间位置时，两边的气隙长度相等，有：,2019/4/15,单个电感线圈的铜电阻； 单个电感线圈的交流阻抗（在 时）； 电源电压的角频率。,当衔铁偏离中间位置时，设向上偏移 ，磁路上半部气隙磁导增加，下半部气隙磁导减少，于是电桥对角端有电压输出。假定电桥输出端的负载阻抗为无穷大，则输出电压为,（14-8）,2019/4/15,由于上下两边气隙不相等，阻抗也有了改变，上边增加 ，下边减少 ，即 。其中， ， 。电桥的另两臂是电阻， 即 。将这些关系代入式（14-8）可得,式中 Z0衔铁在中间位置时单个电感线圈的阻抗； Rc衔铁在中间位置时单个线圈的铜电阻； L0衔铁在中间位置时单个线圈的起始电感量。,2019/4/15,单个电感传感器的 和 的关系是非线性的，但当构成差动电感传感器且接成电桥以后，电桥输出电压将与 有关。,图14-4,2019/4/15,差动电感传感器衔铁的线性工作范围一般可取为 。,采用差动式电感传感器不仅可以减少非线性，同时还可以提高灵敏度。,优点：,2019/4/15,与变压器不同之处：变压器是闭合磁路，差动变压器是开磁路；前者原、副边间的互感系数是常数，而后者的互感系数随衔铁移动有相应变化。,图14-5,1工作原理 简称差动变压器，如图14-5所示。由铁芯、衔铁和线圈组成。差动变压器上下两只铁芯均有一个初级线圈1（又称激励线圈）和一个次级线圈2（也称输出线圈）。上下两只初级线圈串联后接交流激励电压 。两只次级线圈按电势反相串接。,14.1.1.2差动变压器式传感器,2019/4/15,当衔铁处于中间时，1=2，线圈1中产生交变磁通为1和2，在线圈2中产生交流感应电势，由于两边气隙相等，磁阻相等，所以1=2，次级线圈中感应电势 ，输出电压 。当衔铁偏离中间位置时， 两边气隙不相等，两线圈之间的互感M发生变化，次级线圈中感应电势不再相等 ，便有电压 输出。 的大小和相位取决于衔铁移动量的大小和方向。,2019/4/15,图14-6,衔铁均为板形，灵敏度高，范围则较窄，测量几到几百微米,圆柱形衔铁的螺管型,测量转角的差动变压器,圆柱形衔铁的螺管型,2差动变压器式传感器的结构类型和主要特性,1).结构类型,2019/4/15,在初始状态时，元件1与元件2一致，它们的初级线圈电感为,初级线圈的匝数； 初始状态时磁路磁阻。,初级线圈中的电流为,式中 初级线圈的直流电阻。,2).主要特性,2019/4/15,当有空气隙变化为 时，两个初级线圈的电感分别为,初级线圈的阻抗分别为,2019/4/15,此时初级线圈的电流为,次级线圈的输出电压 为两个线圈感应电势之差,而感应电势分别为,2019/4/15,M1及M2为初级与次级之间的互感系数，其值分别为,式中 W2次级线圈的匝数； 1 、2分别为上下两个磁系统中的磁通。,综上有:,2019/4/15,一般情况下 ，所以 可忽略不计，可求得输出电压 为,传感器的灵敏度,可见，差动变压器式传感器的特性几乎完全是线性的，其灵敏度不仅取决于磁系统的结构参数，同时也取决于初级、次级线圈的匝数比及激励电源电压的大小。 可以通过改变匝数比及提高电源电压来提高灵敏度。,2019/4/15,差动变压器的输出电压是调幅波，为辨别衔铁的移动方向，要进行解调。常用解调电路有：差动相敏检波与差动整流电路。,（1）差动相敏检波电路。相敏检波电路要求参考电压与差动变压器次级输出电压频率相同，相位相同或相反；因此常接入移相电路。为提高检波效率，参考电压幅值取为信号的35倍。,3)差动变压器的测量电路,2019/4/15,（2）差动整流电路。,辨别移动方向、消除零点残存电压,2019/4/15,14.1.1.3电涡流式传感器,2019/4/15,1 感应电涡流位移传感器的工作原理,2019/4/15,2)电涡流产生一个电磁场 电涡流产生一个电磁场，作用于传感器的线圈上，由楞次定律，这个磁场的特点是它将反抗原来磁场的变化，总的平均效应是使空间的磁场受到削弱（电涡流产生的磁通的方向与原来线圈的磁通方向相反）。,1)在平板上产生电涡流 当金属平板置于交变的磁场中或有在磁场中运动时，金属板内就要产生感应电流，这种电流在金属体内是自己闭合的环状电流，称之为涡流。涡流回路是以线圈为中心线的圆心的同心圆。,2019/4/15,3)电涡流有热效应 电涡流在金属板中流动，回路将呈现一定的电阻，因此，要产生焦耳楞次热，要消耗一部分能量。 4)对铁磁材料要磁化，产生附加的磁场 若金属平板是由磁性材料做成的，在线圈磁场的作用下，金属板将被磁化，产生一个附加磁场又增强了线圈中的磁场。 5)铁磁材料由于存在磁滞损耗，要发热 金属板是磁性材料，交变的高频磁场使它反复磁化，由于磁性材料的磁滞特性，反复磁化要消耗能量，也就是存在磁滞损耗。在实际工作中，经常使用铝板，可避免此现象。,2019/4/15,2 物理模型,2019/4/15,将线圈和金属板看成是一个空心变压器 传感器线圈初级； 金属板次级 由于存在热效应，金属板具有电感L和电阻r，两线圈间有互感M，显然M与两线圈之间的距离有关。 设初级线圈中有电流i1，由于互感作用，次级回路中有电流i2。 由回路电压定律：沿回路所升高的电位必等于沿此回路所降低的电位）。,2019/4/15,取拉氏变换，然后令 中，,（1）,（2）,由（2）求出 代入（1）,2019/4/15,则有线圈中有效阻抗,实部,虚部,电阻分量,线圈本身电阻,涡流热效应产生的电阻,实部,2019/4/15,虚部 感抗分量,本身电感,电涡流效应造成的,由此可知，等效阻抗 中，电阻分量 和等效电感 的表示式中都包含有互感M这个量，而M和线圈与金属板之间的距离有关，金属板的材料有关。,2019/4/15,3影响传感器性能的因素 1).线圈结构的影响 我们希望灵敏度高，线性范围大，对电涡流式传感器，灵敏度和线性范围受线圈产生的磁场分布情况影响。要使线性范围增大则线圈的磁场轴向分布范围要大，要使灵敏度越高，则需被测导体向轴向移动时，磁场强度变化梯度越大。 分析结果： 线圈薄时，灵敏度高。线圈外径大时，传感器线性范围大，线性范围增大，但灵敏度降低。传感器的线性范围一般为线圈外径的1/31/5。,2019/4/15,2).被测体的材料、尺寸、形状对灵敏度的影响 电涡流式传感器是利用线圈与被测金属导体之间的磁性耦合程度的变化进行的。所以传感器的线圈仅为传感器的一半，另一半则是被测物体，被测物体的物理性质、几何形状及尺寸都会影响灵敏度的测量结果。 一般： 被测物体电导率越高则灵敏度越高。 被测物体磁导率越高则灵敏度越低。,被测物体的平板半径应大于线圈半径的1.8倍，否则不能全部利用所能产生的电涡流效应，致使灵敏度降低。,2019/4/15,4 测量电路 介绍一种用途较为广泛的阻抗分压调幅测量电路的工作原理。（实际上是测量的阻抗 的变化）,测量电路框图如下：,2019/4/15,传感器与电容C并联，组成一个LC并联谐振电路。 所谓谐振：在一定条件下，感抗和容抗消失，呈现为纯电阻性的交流电路。 可将其等效为下图：,2019/4/15,由图可得回路方程：,i为总电流， 、 为两条并联电路上的电流。, 上电压降， 为电感上电压降。,2019/4/15,取拉氏变换，令 ，（0初始条件）,(1),(3),(2),由此可求出电路的复导纳阻抗之倒数。,2019/4/15,若虚部为0，则电流矢量与电压矢量同相，电路呈纯电阻性，此时为谐振。 因此电路产生谐振的条件是,可解出,谐振频率,所以,2019/4/15,一般有Re是很小的，对一定的线圈来讲，,则有,此时电路的纯电阻,即,2019/4/15,若仅考虑阻抗大小，其频率特性可用图示表示：,无论激励频率大于还是小于谐振频率，回路中阻抗将下降。,2019/4/15,从测量电路框图中还可看到，电阻R与谐振回路的阻抗对于石英振荡器输出来讲构成了一个分压关系，两者是串联的。 一般来讲，对于非磁性材料有如图关系：,2019/4/15,对磁性材料而言有下图关系：,2019/4/15,1、电感测微仪,14.1.1.4 应用举例,2019/4/15,变气隙式电感测微仪,动态测量范围：±1mm 分辨率：1um 精度：3%,2019/4/15,2019/4/15,变气隙式差动压力传感器,2019/4/15,电感式油压传感器 液压传动的各种机械装置,2019/4/15,3.低频透射式涡流传感器,测量板材厚度,L1产生的磁力线切割M在被测体M中产生电涡流i，涡流损耗部分能量，使通过L2的磁力线减少，引起L2电势E下降。,2019/4/15,4.涡流转速计,齿轮齿数,2019/4/15,5.涡流探伤仪,金属材料的表面裂纹 电缆传输线 热处理裂纹 焊缝等, 检查金属表面裂纹、焊接部位的探伤,传感器与被测体距离不变，裂纹将引起金属的电阻率、磁导率变化，综合引起传感器参数变化。,2019/4/15,6 测量位移,（2）汽轮机主轴的轴向窜动,量程：0 30mm 分辨率：0.1%,2019/4/15,水箱,旁通阀,省煤器,电感传感器,M 调节阀,控制器,输出,锅筒,电磁 线圈,玻璃 板液 位计,传感器,浮 球,离心水泵,7.自动连续给水控制装置,2019/4/15,电容式传感器是以电容器为敏感元件，将被测非电量转化为电容量的变化，进而实现非电量到电量的转换。,14.1.2 电容式位移测量系统,2019/4/15,优点： 高阻抗，小功率。 灵敏度高，具有较高的信噪比和系统稳定性。 良好的动态特性。 结构简单，适应性强。 可进行非接触测量。 本身发热影响小。 缺点： 变间隙电容传感器非线性较严重。 输出阻抗很高。 寄生电容大,电容式传感器的特点,2019/4/15,应用：可用于位移、压力、厚度、液位、湿度、振动、转速、流量的测量 。,电容式传感器的应用,2019/4/15,在忽略边缘效应时，平板电容器的电容为,C 电容量； d 两平行极板间的距离； 介质的相对介电常数； 真空的介电常数， =8.85×10-12F/m； A 极板面积。,电容式传感器的工作原理,2019/4/15,在进行非电量电测时，可把力、加速度、位移及转速等力学量转换成d、A或 的变化，从而转换成电容量的变化。 1)边缘效应产生的原因：电场均匀分布于两极板所围成的空间; 2)后果：边缘效应相当于传感器并联一个电容,引起传感器灵敏度下降和非线性增加。,3)消除边缘效应的方法： 应增大初始电容量，即可适当增大极板面积、减小极板间距。 也可采用等位环的方法,边缘效应：,2019/4/15,电容式传感器分为三个类型，即变极距（d）型、变面积（A）型和变介电常数（）型。,电容式传感器的结构类型及主要特性,结构类型,2019/4/15,平板电容器,2019/4/15,图中一个电极板固定不动，称为固定极板，另一极板可左右移动，引起极板间距离 x 相应变化，从而引起电容量的变化。因此，只要测出电容变化量C，便可测得极板间距的变化量，即动极板的位移量x。 变极距式电容传感器改成差动式，不仅非线性误差大大减少，灵敏度也可提高了一倍。,2. 变极距式电容传感器,2019/4/15,3. 变面积式电容传感器,由两个电极板构成，一个固定极板，一个为可动极板，两极板均呈半圆形。假定极板间的电介质不变，当两极板完全正对时，其电容量C0为,2019/4/15,电容式位移传感器 的位移测量范围为 1m10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%，变面积式电容传感器的分辨率可达0.3m。,当可动极板绕轴转动一个角时，两极板的对应面积要减少A。则传感器的电容量就要减少C，将电容量的变化检测出来，可实现角位移的测量。,2019/4/15,电容式传感器桥式电路,4. 电容式传感器的测量电路 测量电路将电容量转换成电压、电流或频率信号。常用的测量电路有。 （1）桥式电路,2019/4/15,（2）运算放大器电路 变极距型电容传感器的极距变化与电容量成非线性关系，这一缺点使电器传感器的应用受到一定限制，而采用运算放大器电路可得到输出电压与输入位移的线性关系。如图14-15所示，C0为固定电容，Cx为反馈电容且为电容式传感器。根据运算放大器的运算关系，有,2019/4/15,半导体光电位置敏感器件（position Sensitive Detector简称PSD）是一种对其感光面上入射光点位置敏感的光电器件，即当入射光点落在器件感光面的不同位置时，将对应输出不同的电信号，通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光点在器件感光面上的位置。 PSD可分为一维和二维PSD。,14.1.4 光电位置敏感器件,2019/4/15,线阵光位置传感器,面阵光位置传感器,2019/4/15,PSD测量系统具有非接触、测量范围较大、响应速度快、精度高等优点，近年来广泛用于位移、物体表面振动、物体厚度等参数的检测。,通过检测电流检测光照射的位置,2019/4/15,作业,6-1 试分析比较变磁阻式自感传感器、差动变压器式互感传感器和涡流传感器的工作原理和灵敏度。 6-2 差动变压器式传感器有几种结构形式？各有什么特点？ 6-3 差动变压器式传感器的零点残余电压产生的原因是什么？怎样减小和消除它的影响？ 6-4 电涡流的形成范围包括哪些内容？它们的主要特点是什么？,2019/4/15,6-5 电涡流传感器常用测量电路有几种？其测量原理如何？各有什么特点？ 6-6 已知一差动整流电桥电路如题6-7图所示。电路由差动电感传感器Z1、Z2及平衡电阻R1、R2（R1=R2）组成。桥路的一个对角接有交流电源 ，另一个对角线为输出端Uo，试分析该电路的工作原理。,2019/4/15,6-7 电涡流式传感器有何特点？画出应用于测板材厚度的原理框图。 6-8 一个铁氧体环形磁芯，平均长度为12cm，截面积为1.5cm2，平均相对磁导率 ，求： (1) 在上面均匀绕线500匝时的电感值是多少？ (2) 匝数增加一倍时电感值是多少？ 6-9 电涡流传感器线圈的外径、内径和厚度分别为8mm、3mm和2mm。用它检测铜材的厚度，若以X=2mm为零点，测量范围为±0.2mm，试求用端点连线法求线性度相对误差为多少？,2019/4/15,物体的运动速度分为线速度和角速度(转速)。 速度是位移对时间的微分，对加速度的积分，可通过位移传感器的输出电信号通过微分电路进行微分，或者把加速度传感器的输出电信号通过积分电路进行积分，就可以得到速度随时间的变化关系。 存在的问题： 1) 微分处理 2) 积分处理 因此速度测量最好采用直接测量法。,14.2 速度测量,测速电机,2019/4/15,平均速度法适用于测量运动较平稳的物体的速度。 通过已知的位移x和相应的时间间隔t来测量平均速度 。,14.2.1 平均速度法,2019/4/15,常用的区截装置有： 线圈靶 光幕靶 天幕靶 网靶 铝箔靶 钢板靶,14.2.1 平均速度法,2019/4/15,线圈靶的类型 感应线圈靶 感应线圈靶：要求被测物体带有磁性 结构特点：仅有一组感应线圈 励磁线圈靶 励磁线圈靶：要求运动体是磁导体。 结构特点：两组线圈，外层为感应线圈，内层为励磁线圈,1、线圈靶,2019/4/15,感应线圈靶的工作原理 基于电磁感应原理,p为点磁偶极子的磁矩 n为线圈靶的有效圈数 0运动体的磁导率 a为线圈的有效半径,1、线圈靶,2019/4/15,em为感应电势的峰值 p为点磁偶极子的磁矩 n为线圈靶的有效圈数 0运动体的磁导率 a为线圈的有效半径,1、线圈靶,2019/4/15,使用注意事项： 使用感应线圈需对运动体进行磁化； 线圈中心应与运动体的运行方向尽量重合,特征点： 1)类似于正弦的区截信号对应于线圈靶的中性平面; 2) em为信号的峰值点电势。,1、线圈靶,2019/4/15,天幕靶是一种光电靶，利用太阳光在大气中散射而形成的自然光为光源。也可以使用直流光源。 特点：对运动体材料没有特殊要求，对运动体飞行没有干扰。,2、天幕靶,2019/4/15,根据透镜成象原理，发光体ab所成的象为ab。如在象前装一个光阑，则只有光阑上狭缝所允许通过的光才能成象于cd。,如对准cd安装一个光敏元件，它所接收的只是垂直于纸面方向(与光阑狭缝平行)，宽度为cd的一条光幕的光。当弹丸飞过该光幕时，弹丸的影像将使照射到光敏元件上的光通量发生变化，使光敏元件产生的电信号发生变化，发出区截信号。,天幕靶的工作原理,2019/4/15,（本课程仅介绍永磁感应测速传感器的工作原理） 1、结构特点,1 运动体上嵌入的永久磁铁 2和5 铁芯 3和6 速度线圈 7 位移线圈,14.2.2 瞬时速度测量,2019/4/15,永磁感应测速传感器结构特点： 速度线圈均匀密绕，采用串联连接方式 位移线圈：相邻两个位移绕组的绕向相反，相邻绕组之间距离称为节距。,2019/4/15,2、永磁感应测速传感器工作原理 基于电磁感应原理 1）两组速度线圈绕组串联的目的 提高传感器灵敏度； 消除运动体振动,B是恒定的，确保了输出信号的线性关系，同时消除了振动。,14.2.2 瞬时速度测量,2019/4/15,2）位移线圈绕组 原因：目前国内外没有线速度标准源，无法对速度信号进行标定。 目的：对速度进行标定或标记。,永磁感应测速传感器工作原理,2019/4/15,输出信号特点：,锯齿波的峰谷、 谷峰为运动体运动了一个节距的距离。 疏密程度：可以判断运动体速度大小： 疏速度慢 密速度快 可利用此信号对速度信号进行标定,永磁感应测速传感器工作原理,2019/4/15,3）铁芯材料 采用软磁材料，同时采取防涡流措施。 铁芯材料：剩磁强度和矫顽力尽可能小，以防永久磁铁对其磁化，以提高传感器的线性度。 一般选用：坡莫合金经特殊热处理后的铁镍合金。 结构形式：采取扁平的薄片状铁芯，以尽可能减少铁芯中产生的电涡流。,永磁感应测速传感器工作原理,2019/4/15,4)永久磁铁 永久磁铁具有较强的矫顽力，要抗冲击，选用硬磁材料， 以提高传感器灵敏度。 结构要求：永久磁铁的宽度要小于节距。 5）磁头件与运动物体连接的要求 连接件的要求： 重量轻； 刚度大； 连接牢靠,永磁感应测速传感器工作原理,2019/4/15,3测量系统 1）测量系统组成,永磁感应速度测量系统,将被测的运动体的速度转换成电信号,将被对信号进行放大，并具有阻抗变换作用。,2019/4/15,2）传感器对测量放大器的要求 系统等效电路,永磁感应速度测量系统,L传感器的电感 RL传感器的内阻 Rg放大器输入阻抗 e感应电势,由基尔霍夫定律：,2019/4/15,该模型是一阶线性系统的数学模型，测量电路的动态特性取决于时间常数，且有,永磁感应速度测量系统,结论：愈小，则测量电路的动态特性愈好；反之，愈大，则测量电路的动态特性越差。为改善测量电路的动态特性，要求电路中的L应当小些，R应当大些。对于一定的感应传感器，L和RL是一定的，要改善测量电路的动态特性，就需要测量仪器的输入电阻Rg大一些。,2019/4/15,积分标定法,图解积分法 数值积分法,图解积分法：适用于输出信号为模拟信号的系统 数值积分法：适用于输出信号为数字信号的系统,采用积分标定法,4、速度灵敏度求取方法,2019/4/15,4、速度灵敏度求取方法,图解积分法,方法：要在速度曲线上找一段近似匀变速运动的段。,2019/4/15,数值积分法,4、速度灵敏度求取方法,2019/4/15,14.2.3 转速测量举例,2019/4/15,线加速度是指物体质心沿其运动轨迹方向的加速度，是描述物体在空间运动本质的一个基本量。 线加速度的单位是m/s2，而习惯上常以重力加速度g作为计量单位。对于加速度，常用惯性测量法，即把惯性型测量装置安装在运动体上进行测量。,14.3 加速度测量,2019/4/15,牵连运动：和被测运动体一起运动 惯性运动：质量体相对于运动体的运动,1 惯性式加速度计的工作原理,2019/4/15,由牛顿运动定律，有： 经整理后得：,坐标x表示传感器基座的位移 坐标y表示质量块相对于传感器基座的位移,2019/4/15,该物理模型是一个典型的二阶线性测量系统，引入无阻尼固有圆频率n及无阻尼阻尼比：,以待测物体的加速度a为激励，以质量块的相对位移y为响应，对上式取拉氏变换，有：,1 惯性式加速度计的工作原理,2019/4/15,频率响应函数为,拉氏传递函数Ha（S）为：,1 惯性式加速度计的工作原理,2019/4/15,幅频特性为:,相频特性为:,1 惯性式加速度计的工作原理,2019/4/15,结论： 惯性式加速度计必须工作在低于其固有频率的频域内。因此，惯性式加速度计有尽可能宽的工作频域，它的固有频率应尽可能高一些，也就是弹簧的刚度k应尽可能大一些，质量m应尽可能小。,1 惯性式加速度计的工作原理,2019/4/15,应变式加速度计是以应变片为机电转换元件的加速度传感器。,被测加速度a ma R U,等效质量块m,电桥,等强度梁,应变片,2 应变式加速度计,2019/4/15,压电加速度计是一种惯性式传感器，它的输出电荷与被测的加速度成正比,1) 结构特点： 基座：加厚基座或刚度较大的材料； 质量块m：具有一定的重量，以提高传感器的灵敏度； 引线：直接焊接在晶体表面的金属片上，一般采用镀银电极； 预加载荷：由硬弹簧、螺栓、螺母对质量块、晶片预加载荷,3 压电加速度计,2019/4/15,被测加速度a ma F(惯性力) Q U,等效质量块m,晶片,电荷放大器,3 压电加速度计,2)工作原理,2019/4/15,采用正弦运动法进行标定 可分为绝对标定法和相对标定法（比较标定法） 1) 绝对标定法 以振动的位移和频率作为基本量值。,特点： 要记录振动的振幅 振动的频率 进行数据处理算出标准加速度值。,4 加速度传感器系统的标定方法,2019/4/15,2) 比较标定法,4 加速度传感器系统的标定方法,特点： 有一只标准加速度计（参考加速度计） 由标准加速度计测出振动体的加速度值 根据标准加速度值与被标加速度计的输出信号进行换算。,2019/4/15,(2) 瞬态运动法 加速度由两个质量间的撞击产生,4 加速度传感器系统的标定方法,2019/4/15,4 加速度传感器系统的标定方法,也可以采用瞬态比较法。,2019/4/15,作 业,1下表列出了用电涡流测振仪测量物体振动时的静标数据，表中x为位移，u为电表输出读数。 X(mm) 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 4.8 5.2 5.6 6.0 U(mv) 2.02 2.47 3.02 3.60 4.23 4.87 5.52 6.16 6.78 7.37 7.93 2.45 8.93 9.36 9.75 10.10 问题：（1）简述电涡流测振传感器输出灵敏度与被测试件的电导率及磁导率的定性关系。 （2）根据上表数据试确定传感器的最佳安装位置及其线性测量范围。,2019/4/15,2.为改善永磁式测速传感器的动态特性，讨论与其相连的放大器应具有何种要求。 （1）写出其运动微分方程，画等效电路 （2）求传递函数及频率响应 （3）讨论要求的系统参数值 3.用简图说明压电式加速度计的工作原理，并说明用压电式加速度计构成的加速度测量系统的工作频率下限有那些因素决定。,
