第3章 运动量传感与测量（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（西安交通大学出版社）

传感器与检测技术 第3章 运动量传感与测量 速度传感器与速度测量 加速度传感器与加速度检测 转矩传感器与转矩测量 3.1 3.2 3.3 速度是物体机械运动的重要参数，物体运动时单位时间内的位移变化量就是速度。工程中常常遇到对物体旋转速度的测量，通常称其为转速测量。在被测转速很小时，转速测量是指测量物体旋转的角速度，但在实际应用中常以测量旋转频率来代替。 3.1 速度传感器与速度测量 3 磁电感应式速度传感器 3.1.1 磁电感应式速度传感器是利用电磁感应原理，将输入的运动速度的变化转换为感应电动势输出的传感器。其特点是灵敏度较高、性能稳定，中频（10～1 000 Hz）响应好，不需要外加电源，能将被测对象的机械能转换成易于测量的感应电动势输出，可直接与通用放大器连接，配用测量电路简单，使用方便。此外，磁电感应式速度传感器具有双向转换特性，可利用其逆转换效应构成力或力矩发生器和电磁激振器。其缺点是体积、重量较大，动态特性差。 3.1 速度传感器与速度测量 电磁式速度传感器的工作原理 1. 图3.1.1 磁电感应式传感器的工作原理 1—铁心； 2—磁路； 3—永久磁铁； 4—线圈； 5—气隙 3.1 速度传感器与速度测量 其中，永久磁铁3与线圈4固定，铁心1（衔铁）运动时，使气隙5和磁路2的磁阻变化，通过线圈的磁通产生改变，由电磁感应定律得  e=NBlv （3.1.1） 或  e0=NBAω （3.1.2） 式中，N为线圈匝数；B为磁感应强度，T；l为每匝线圈的平均长度，m；v为线圈相对磁场的运动速度，m/s；ω为线圈相对磁场的运动角速度，rad/s；A为每匝线圈的平均截面积，m2；e为输出端感应电动势，V。 3.1 速度传感器与速度测量 当传感器结构选定后，B，l，N，A均为常量，所以输出电压将随输入速度（或角速度）而线性变化；当速度反向，输出电压的极性也将变号。 3.1 速度传感器与速度测量 磁电感应式速度传感器的结构 2. 磁电感应式速度传感器的结构有两种。若线圈动，磁铁不动，称为动圈式，如图3.1.2(a)所示；若线圈固定，磁铁活动，称为动铁式，如图3.1.2(b)所示。 图3.1.2 磁电感应式速度传感器的结构 3.1 速度传感器与速度测量 上述两种结构统称为恒定磁通式，它广泛应用于振动速度的测量，一般通过增加线圈的匝数（长度）来提高其灵敏度，因而导致线圈电阻增加。为了阻抗匹配，需配接高输入阻抗的放大器，把高阻抗变换为低阻抗输出，减小负载的作用。例如，一台典型的动圈式传感器，电阻值约为500 Ω，其灵敏度为0.006 V/（mm·s-1），非线性度为±1％，满刻度位移为3.8 mm。 3.1 速度传感器与速度测量 角速度的测量可采用开磁路式磁电感应式转速传感器，如图3.1.3(a)所示。在永久磁铁组成的磁路中，若改变磁阻（如气隙）的大小，则磁通量随之改变。当磁通量发生突变时，磁路通过感应线圈，感应出一定幅度的脉冲电动势，该脉冲电动势的频率等于磁阻变化的频率。将传感器固定不动，在待测轴上安装一个由软磁材料做成的齿轮盘。当待测轴转动时，齿轮盘也跟随转动，盘中的齿和间隙交替通过永久磁铁的磁场，从而不断改变磁路的磁阻，使铁心中的磁通量发生变化。在线圈内产生一个脉冲电动势，其频率与待测转轴的转速成正比。 磁电感应式转速传感器 3. 3.1 速度传感器与速度测量 10 图3.1.3(b)所示为闭磁路式磁电感应式转速传感器，转子与转轴固紧并随被测转轴转动，转子、定子和永久磁铁组成磁路系统。上述测转速的电磁感应角速度传感器又称变磁通感应式转速传感器。 图3.1.3 磁电感应式转速传感器 3.1 速度传感器与速度测量 差动变压器式速度传感器 3.1.2 图2.1.2 石英晶体 差动变压器式传感器除了可测量位移以外，还可测量速度，其工作原理如图3.1.4所示。 3.1 速度传感器与速度测量 差动变压器的初级、次级线圈同时供以交流和直流电流，即 i(t)=I0+Imsin ωt （3.1.3） 式中，I0为直流电流，A；Im为交流电流的幅值，A；ω为交流电的角频率，rad/s。 当差动变压器磁心以被测速