1、第四章 速度、加速度傳感器第1頁，共115頁。第一節(jié) 速度傳感器一、測速發(fā)電機測速發(fā)電機是機電一體化系統(tǒng)中用于測量和自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的一種傳感器。它由帶有繞組的定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。根據(jù)電磁感應原理，當轉(zhuǎn)子繞組供給勵磁電壓并隨被測電動機轉(zhuǎn)動向，定子繞組則產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速成正比的感應電動勢。2第2頁，共115頁。第一節(jié) 速度傳感器一、測速發(fā)電機根據(jù)勵磁電流的種類，測速發(fā)電機可分為：直流測速發(fā)電機他勵式永磁式交流測速發(fā)電機3第3頁，共115頁。第一節(jié) 速度傳感器一、測速發(fā)電機在實際應用中，機電一體化系統(tǒng)對測速發(fā)電機的主要要求有：輸出電壓對轉(zhuǎn)速應保持較精確的正比例關(guān)系轉(zhuǎn)動慣量要小靈敏度要高，即測速發(fā)電機的輸出電

2、壓對轉(zhuǎn)速的變化反應要靈敏4第4頁，共115頁。第一節(jié) 速度傳感器一、測速發(fā)電機由于測速發(fā)電機比較容易滿足上述要求，且性能穩(wěn)定，故被廣泛用于機電一體化系統(tǒng)中的電動機轉(zhuǎn)速的測量和自動調(diào)節(jié)一般測量范圍為(20400)r/min。5第5頁，共115頁。一、測速發(fā)電機1.直流測速發(fā)電機直流測速發(fā)電機是一種微型直流發(fā)電機。它的定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與直流伺服電動機基本相同。6第6頁，共115頁。一、測速發(fā)電機1.直流測速發(fā)電機若按定子磁極的勵磁方式不同，可分為電磁式和永磁式兩大類；若按電樞的結(jié)構(gòu)形式不同，可分為無槽電樞、有槽電樞、空心杯電樞和圓盤印刷繞組等幾種。7第7頁，共115頁。一、測速發(fā)電機1.直流測速發(fā)電

3、機(1)直流測速發(fā)電機的輸出特性直流測速發(fā)電機的工作原理與一般直流發(fā)電機相同。在恒定磁場中，旋轉(zhuǎn)的電樞繞組切割磁通，并產(chǎn)生感應電動勢。8第8頁，共115頁。一、測速發(fā)電機1.直流測速發(fā)電機(1)直流測速發(fā)電機的輸出特性由電刷兩端引出的電樞感應電動勢為Ke感應系數(shù)；磁通；n轉(zhuǎn)速；Ce感應電動勢與轉(zhuǎn)速的比例系數(shù)。9第9頁，共115頁。一、測速發(fā)電機1.直流測速發(fā)電機(1)直流測速發(fā)電機的輸出特性空載(即電樞電流Is0)時，直流測速發(fā)電機的輸出電壓和電樞感應電動勢相等，因而輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。10第10頁，共115頁。一、測速發(fā)電機1.直流測速發(fā)電機(1)直流測速發(fā)電機的輸出特性有負載(即電樞電流

4、Is0)時，直流測速發(fā)電機的輸出電壓為式中 rs電樞回路的總電阻(包括電刷和換向器之間的接觸電阻等)在理想情況下，若不計電刷和換向器之間的接觸電阻，rs為電樞繞組電阻。11第11頁，共115頁。一、測速發(fā)電機1.直流測速發(fā)電機(1)直流測速發(fā)電機的輸出特性有負載時，電樞電流為12第12頁，共115頁。一、測速發(fā)電機1.直流測速發(fā)電機(1)直流測速發(fā)電機的輸出特性有負載時，13第13頁，共115頁。一、測速發(fā)電機1.直流測速發(fā)電機(1)直流測速發(fā)電機的輸出特性有負載時，在理想情況下，rs、RL和均為常數(shù)，系數(shù)C亦為一常數(shù)。14第14頁，共115頁。一、測速發(fā)電機1.直流測速發(fā)電機(1)直流測速發(fā)

5、電機的輸出特性15第15頁，共115頁。一、測速發(fā)電機1.直流測速發(fā)電機(2)產(chǎn)生誤差的原因和改進方法輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間不能保持比例關(guān)系.其一是當轉(zhuǎn)速較高時，電樞電流增大，電樞反應有去磁作用，使磁通減小，導致輸出電壓不再與轉(zhuǎn)速成正比。遇到這種情況可以在定子磁極上安裝補償繞組，或使負載電阻大于規(guī)定值。16第16頁，共115頁。一、測速發(fā)電機1.直流測速發(fā)電機(2)產(chǎn)生誤差的原因和改進方法其二是電刷接觸壓降的影響。這是因為電刷接觸電阻是非線性的，即當電機轉(zhuǎn)速較低、相應的電樞電流較小時，接觸電阻較大，從而使輸出電壓很小。只有當轉(zhuǎn)速較高、電樞電流較大時，電刷壓降才可以認為是常數(shù)。17第17頁，共115

6、頁。一、測速發(fā)電機1.直流測速發(fā)電機(2)產(chǎn)生誤差的原因和改進方法其二是電刷接觸壓降的影響。為了減小電刷接觸壓降的影響，即縮小不靈敏區(qū)，應采用接觸壓降較小的銅-石墨電極或銅電極，并在它與換向器相接觸的表面上鍍銀。18第18頁，共115頁。一、測速發(fā)電機1.直流測速發(fā)電機(2)產(chǎn)生誤差的原因和改進方法其三是溫度的影響這是因為勵磁繞組中長期流過電流易發(fā)熱，其電阻值也相應增大，從而使勵磁電流減小的緣故。19第19頁，共115頁。一、測速發(fā)電機1.直流測速發(fā)電機(2)產(chǎn)生誤差的原因和改進方法其三是溫度的影響可在直流測速發(fā)電機的繞組回路中串聯(lián)一個電阻值較大的附加電阻，再接到勵磁電源上。這樣，當勵磁繞組溫

7、度升高時，其電阻雖有增加，但勵磁回路總電阻的變化卻較小，故可保持勵磁電流幾乎不變。20第20頁，共115頁。一、測速發(fā)電機1.直流測速發(fā)電機例：已知某他勵直流測速發(fā)電機的電樞繞組電阻rs=1，在n=300r/min時，測得測速發(fā)電機的輸出電壓VCF=3V。求當負載電阻RL=25時，該發(fā)電機的Ce和C 當RL，n=300r/min時，發(fā)電機的輸出電壓VCF當RL=10，n=300r/min時，發(fā)電機的輸出電壓VCF 。此時， Ce是否發(fā)生變化？（不考慮電樞反應的去磁作用）當RL=25，n=1000r/min時，電樞電流Is及測速發(fā)電機的輸入功率（不考慮效率） Is及測速發(fā)電機的輸入功率過大有何危

8、害？如何減少發(fā)電機的輸入功率及電樞電流。21第21頁，共115頁。一、測速發(fā)電機2.交流測速發(fā)電機交流測速發(fā)電機可分為永磁式、感應式和脈沖式三種。22第22頁，共115頁。一、測速發(fā)電機2.交流測速發(fā)電機永磁式交流測速發(fā)電機實質(zhì)上是單向永磁轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機，定子繞組感應的交變電動勢的大小和頻率都隨輸入信號(轉(zhuǎn)速)而變化23第23頁，共115頁。一、測速發(fā)電機2.交流測速發(fā)電機永磁式交流測速發(fā)電機K常系數(shù)，p電機極對數(shù)；N定子繞組每相匝數(shù)；Kw定子繞組基波繞組系數(shù)；m電機每極基波磁通的幅值。24第24頁，共115頁。一、測速發(fā)電機2.交流測速發(fā)電機永磁式交流測速發(fā)電機這種測速發(fā)電機盡管結(jié)構(gòu)簡單，也

9、沒有滑動接觸，但由于感應電動勢的頻率隨轉(zhuǎn)速而改變，致使電動機本身的阻抗和負載阻抗均隨轉(zhuǎn)速而變化，故其輸出電壓不與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。通常這種電機只作為指示式轉(zhuǎn)速計使用。25第25頁，共115頁。一、測速發(fā)電機2.交流測速發(fā)電機感應式交流測速發(fā)電機感應式測速發(fā)電機與脈沖式測速發(fā)電機的工作原理基本相同利用定子、轉(zhuǎn)子齒槽相互位置的變化，使輸出繞組中的磁通產(chǎn)生脈動，從而感應出電動勢。這種工作原理稱為感應子式發(fā)電機原理。26第26頁，共115頁。一、測速發(fā)電機2.交流測速發(fā)電機感應式交流測速發(fā)電機27第27頁，共115頁。一、測速發(fā)電機2.交流測速發(fā)電機感應式交流測速發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子鐵心均為硅鋼片沖制疊成，

10、定子內(nèi)圓周和轉(zhuǎn)子外圓周上都有均布的齒槽。在定子槽中放置節(jié)距為一個齒距的輸出繞組，通常組成三相繞組，定子、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)應符合一定的配合關(guān)系。28第28頁，共115頁。一、測速發(fā)電機2.交流測速發(fā)電機感應式交流測速發(fā)電機當轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時，永久磁鐵在電動機氣隙中產(chǎn)生的磁通不變，所以定子輸出繞組中沒有感應電動勢。當轉(zhuǎn)子以一定速度旋轉(zhuǎn)時，定、轉(zhuǎn)子齒之間的相對位置發(fā)生了周期性變化，定子繞組中有交變電動勢產(chǎn)生。29第29頁，共115頁。一、測速發(fā)電機2.交流測速發(fā)電機感應式交流測速發(fā)電機轉(zhuǎn)子一個齒的中線與定子某一齒的中線位置一致時，該定子齒對應的氣隙磁導為最大，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/2齒距時，轉(zhuǎn)子槽的中線與定子齒的中線位

11、置一致，該定子齒對應的氣隙磁導又為最小，以后的過程重復進行。在上述過程中，該定子齒上均輸出繞組所匝鏈的磁通大小相應發(fā)生周期性變化，輸出繞組中就有交流的感應電動勢。30第30頁，共115頁。一、測速發(fā)電機2.交流測速發(fā)電機感應式交流測速發(fā)電機每當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距，輸出繞組的感應電動勢也變化一個周期，因此，輸出電動勢的頻率應為Zr轉(zhuǎn)子齒數(shù)；n電動機轉(zhuǎn)速(r/min)。31第31頁，共115頁。一、測速發(fā)電機2.交流測速發(fā)電機感應式交流測速發(fā)電機由于感應電動勢頻率和轉(zhuǎn)速之間有嚴格的關(guān)系，相應感應電動勢的大小也與轉(zhuǎn)速成正比，故可作為測速發(fā)電機用。它和永磁式測速發(fā)電機一樣，由于電動勢的頻率隨轉(zhuǎn)速而變化，

12、致使負載阻抗和電動機本身的內(nèi)阻抗大小均隨轉(zhuǎn)速而改變。32第32頁，共115頁。一、測速發(fā)電機2.交流測速發(fā)電機感應式交流測速發(fā)電機采用二極管對這種測速發(fā)電機的三相輸出電壓進行橋式整流后，可取其直流輸出電壓作為速度信號用于機電一體化系統(tǒng)的自動控制。感應子式測速發(fā)電機和整流電路結(jié)合后，可以作為性能良好的直流測速發(fā)電機使用。33第33頁，共115頁。一、測速發(fā)電機2.交流測速發(fā)電機脈沖式測速發(fā)電機以脈沖頻率作為輸出信號。由于輸出電壓的脈沖頻率和轉(zhuǎn)速保持嚴格的正比關(guān)系，所以也屬于同步發(fā)電機類型。34第34頁，共115頁。一、測速發(fā)電機2.交流測速發(fā)電機脈沖式測速發(fā)電機其特點是輸出信號的頻率相當高，即使

13、在較低轉(zhuǎn)速下(如每分鐘幾轉(zhuǎn)或幾十轉(zhuǎn))，也能輸出較多的脈沖數(shù)，因而以脈沖個數(shù)顯示的速度分辨力比較高，適用于速度比較低的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，特別適用于鑒頻鎖相的速度控制系統(tǒng)。35第35頁，共115頁。二、線振動速度傳感器36第36頁，共115頁。二、線振動速度傳感器當一個繞有N匝的線圈作垂直于磁場方向相對運動時，線圈切割磁力線，由法拉第電磁感應定律可知，線圈產(chǎn)生感應電動勢EE=NBlvB線圈所在磁場的磁感應強度(T)；l每匝線圈的平均長度(m)；v線圈磁場的運動速度(m/s)。37第37頁，共115頁。二、線振動速度傳感器當一個繞有N匝的線圈作垂直于磁場方向相對運動時，線圈切割磁力線，由法拉第電磁感應定律可

14、知，線圈產(chǎn)生感應電動勢EE=NBlv當傳感器結(jié)構(gòu)選定后，其N、B、l均為常量，因此感應式傳感器的感應電動勢正比于被測速度。38第38頁，共115頁。二、線振動速度傳感器磁電式線速度傳感器的線圈平均直徑D=25mm,氣隙的磁感應強度B為6000Gs。希望傳感器的靈敏度k=600mV/(cm/s)，求工作線圈的匝數(shù)應為多少？解：E=NBlv 39第39頁，共115頁。二、線振動速度傳感器恒定磁通感應式線振動速度傳感器40第40頁，共115頁。二、線振動速度傳感器恒定磁通感應式線振動速度傳感器當殼體隨被測振動體一起振動時，運動部件（線圈）與磁鐵產(chǎn)生相對運動并且永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振

15、動體振動速度因此在傳感器線圈中產(chǎn)生與振動速度成正比的感應電動勢并輸出。41第41頁，共115頁。二、線振動速度傳感器恒定磁通感應式線振動速度傳感器為了使同一型號的傳感器有相同的靈敏度，常在傳感器線圈兩端并聯(lián)一個可調(diào)電阻，經(jīng)標定后固定其阻值。42第42頁，共115頁。1.變磁通式變磁通式又稱(變)磁阻式或變氣隙式，常用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。開磁路式閉磁路式三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器43第43頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器1.變磁通式開磁路式44第44頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器1.變磁通式開磁路式工作時，其傳感器不動，將導磁材

16、料制成的測量齒輪1安裝在被測旋6體上。傳感器軟鐵3與齒輪輪齒的間隙約為0.10.7mm。間隙小，輸出電壓幅值大，但太小時會因齒輪安裝偏心而發(fā)生齒輪和傳感器卡死現(xiàn)象。所以應在不影響齒輪正常轉(zhuǎn)動情況下盡可能調(diào)整到間隙最小，以獲得最大的輸出電壓幅值。45第45頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器1.變磁通式測量時，齒輪隨被測旋轉(zhuǎn)體一起轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)一個齒，傳感器磁路磁阻變化一次，磁通亦變化一次，因此線圈產(chǎn)生感應電動勢的變化頻率等于齒輪的齒數(shù)與轉(zhuǎn)速的乘積。46第46頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器1.變磁通式47第47頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流

17、式速度傳感器1.變磁通式閉磁路式48第48頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器1.變磁通式閉磁路式閉磁路式工作時，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸固緊并隨被測軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子、定子和永久磁鐵組成磁路系統(tǒng)。在轉(zhuǎn)子和定子的環(huán)形端面上銑有均勻分布的齒和槽，且兩者的齒、槽數(shù)對應相等。49第49頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器1.變磁通式閉磁路式當轉(zhuǎn)子的齒與定子的齒相對時，氣隙最小，磁路系統(tǒng)的磁通最大。而齒與槽相對時，則氣隙最大，磁通最小。因此測量轉(zhuǎn)速時，磁通周期變化，線圈產(chǎn)生感應電動勢的頻率與轉(zhuǎn)速成正比。50第50頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器1.變磁通式變

18、磁通式的轉(zhuǎn)速 n=60f/z f輸出感應電動勢的頻率(Hz) z為齒數(shù) n被測轉(zhuǎn)數(shù)則角速度 (2/z)f (rad/s)。51第51頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器1.變磁通式開磁路式結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，但輸出信號弱，不易測量高轉(zhuǎn)速。閉磁路式測量范圍大，為(504000)r/min，可連續(xù)使用，且方便、可靠。52第52頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器1.變磁通式例：變磁通式轉(zhuǎn)速傳感器，若測得輸出電動勢的交變頻率為24Hz，求被測軸的轉(zhuǎn)速為多少?在其條件下，最大測量誤差是多少?解： n=60f/zz=18n=60f/z=6024/18=80r/mi

19、n誤差讀數(shù)為1個數(shù)字，所以是1/18轉(zhuǎn)n=80 1/18 r/min53第53頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器2.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器利用霍爾效應的傳感元件，既可測量位移也可測量轉(zhuǎn)速(角速度)54第54頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器2.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾效應金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。55第55頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器2.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾效應在磁場不太強時，電位差UH與電流強度I和磁感應強度B成正比，與板的厚度d成反比，即 RH霍

20、爾系數(shù)kH霍爾元件的靈敏度 56第56頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器2.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾元件基于霍爾效應工作的半導體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用N型半導體材料?；魻栐奖?d越小)，kH就越大，薄膜霍爾元件厚度只有1m左右。57第57頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器2.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器利用霍爾元件組成的傳感器稱為霍爾式傳感器。58第58頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器2.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器利用霍爾元件組成的傳感器稱為霍爾式傳感器。59第59頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器2.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感

21、器在被測物上粘有多對小磁鋼，霍爾元件固定于小磁鋼附近。當被測物轉(zhuǎn)動時，每當一個小磁鋼轉(zhuǎn)過霍爾元件(通以電流)，霍爾元件輸出一個相應的脈沖。測得單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)，即可求得被測物的轉(zhuǎn)速和角速度。60第60頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器2.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速 n=60f/z f傳感器輸出周期信號的頻率(Hz) z被測物上標記(齒)數(shù) n被測轉(zhuǎn)數(shù)（r/min）角速度 2f /z (rad/s)。61第61頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器2.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾元件由半導體材料制成，體積小，結(jié)構(gòu)簡單。62第62頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和

22、電渦流式速度傳感器3.電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 利用電渦流式位移傳感器對轉(zhuǎn)速和角速度進行測量63第63頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器3.電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 64第64頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器3.電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 傳感器靠近在被測物上設(shè)定的等距標記(如凸齒)安裝，當被測物轉(zhuǎn)動時，傳感器輸出頻率與轉(zhuǎn)速成正比的信號。65第65頁，共115頁。三、變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器3.電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 轉(zhuǎn)速 n=60f/z f傳感器輸出周期信號的頻率(Hz) z被測物上標記(齒)數(shù) n被測轉(zhuǎn)數(shù)（r/min）角速度 2f /z (rad/s)。6

23、6第66頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器陀螺在旋轉(zhuǎn)的時候，不但圍繞本身的軸線轉(zhuǎn)動，而且還圍繞一個垂直軸作錐形運動。也就是說，陀螺一面圍繞本身的軸線作“自轉(zhuǎn)”，一面圍繞垂直軸作“公轉(zhuǎn)”。陀螺圍繞自身軸線作“自轉(zhuǎn)”運動速度的快慢，決定著陀螺擺動角的大小。轉(zhuǎn)得越慢，擺動角越大，穩(wěn)定性越差；轉(zhuǎn)得越快，擺動角越小，因而穩(wěn)定性也就越好。67第67頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器陀螺高速自轉(zhuǎn)時，在重力偶作用下，不沿力偶方向翻倒，而繞道支點的垂直軸作圓錐運動的現(xiàn)象，就是陀螺原理。68第68頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器陀螺式角速度傳感器包括轉(zhuǎn)子陀螺、壓電陀螺、激光陀螺和光纖陀螺。69第69

24、頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器1.轉(zhuǎn)子陀螺式角速度傳感器轉(zhuǎn)子陀螺式角速度傳感器利用陀螺原理工作 70第70頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器1.轉(zhuǎn)子陀螺式角速度傳感器當殼體繞y軸旋轉(zhuǎn)時，電位器輸出與角速度成正比的電壓信號。71第71頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器1.轉(zhuǎn)子陀螺式角速度傳感器轉(zhuǎn)子陀螺式角速度傳感器是一種慣性傳感器，安裝簡單，使用方便，但是有機械活動部件，被測角速度范圍為30120/s，質(zhì)量較大(0.5kg左右)，成本高，壽命低。72第72頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器1.轉(zhuǎn)子陀螺式角速度傳感器轉(zhuǎn)子陀螺的y軸稱為測量軸或輸入軸，x軸稱為輸出軸。測量時，將陀

25、螺殼體固定在被測物體上，要注意陀螺的安裝方位，使被測物帶動殼體繞y軸轉(zhuǎn)動。73第73頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器2.壓電陀螺式角速度傳感器壓電陀螺利用壓電晶體的壓電效應工作。這種角速度傳感器有振梁型、雙晶片型和圓管型三類74第74頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器2.壓電陀螺式角速度傳感器振梁型75第75頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器2.壓電陀螺式角速度傳感器振梁型矩形振梁的四個面上貼有兩對壓電元件。當其中一對驅(qū)動壓電元件加上電信號時，由于逆壓電效應，使梁在驅(qū)動平面內(nèi)產(chǎn)生基波彎曲振動。當繞z軸輸入被測角速度時，在讀出平面內(nèi)產(chǎn)生慣性力76第76頁，共115頁。四、陀螺式角速

26、度傳感器2.壓電陀螺式角速度傳感器振梁型使讀出平面內(nèi)的一對壓電元件振動，因正壓電效應而輸出與角速度成正比例的電壓信號。77第77頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器2.壓電陀螺式角速度傳感器雙晶片型78第78頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器2.壓電陀螺式角速度傳感器雙晶片型雙晶片型壓電陀螺式角速度傳感器采用四塊彎曲振動模式的壓電元件，兩端成90相接固定在基座上的兩個驅(qū)動壓電元件以相反方向給以其基波頻率驅(qū)動。79第79頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器2.壓電陀螺式角速度傳感器雙晶片型當敏感軸處于零角速度時，敏感元件不產(chǎn)生彎曲振動，沒有信號輸出。當有角速度時，兩敏感元件則以180相位

27、差振動，輸出電信號之差的幅值正比于角速度，而其極性與旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)。80第80頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器2.壓電陀螺式角速度傳感器圓管型 81第81頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器2.壓電陀螺式角速度傳感器圓管型 金屬或陶瓷圓管一端封閉，并固定在軸座上，另端在圓管外壁徑向放置八片壓電元件其中兩片壓電元件作驅(qū)動，對圓管進行激勵，產(chǎn)生彎曲振動。82第82頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器2.壓電陀螺式角速度傳感器圓管型 當圓管以角速度繞其中心旋轉(zhuǎn)時，與驅(qū)動壓電元件呈45徑向放置在管外壁上的兩片壓電元件，感受輸入角速度，而輸出電信號。83第83頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感

28、器2.壓電陀螺式角速度傳感器圓管型 管外壁垂直于驅(qū)動壓電元件的兩片敏感壓電元件用作敏感振動頻率，并通過鎖相回路使驅(qū)動信號頻率穩(wěn)定。另外兩片壓電元件用作阻尼。84第84頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器3.激光陀螺式角速度傳感器激光陀螺式角速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖85第85頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器3.激光陀螺式角速度傳感器利用單晶硅塊或石英塊中開孔制成三角環(huán)形激光腔，腔內(nèi)充有氦氖混合氣體，并裝有電極，反射鏡和分光鏡用膠合法固定。86第86頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器3.激光陀螺式角速度傳感器激光陀螺式角速度傳感器利用環(huán)形干涉原理測量角速度。87第87頁，共115頁。四、陀螺

29、式角速度傳感器3.激光陀螺式角速度傳感器由氦氖激光器發(fā)出的光經(jīng)分光鏡分成順、逆時針方向并有一相位差的兩束激光，經(jīng)反射鏡后在分光鏡處產(chǎn)生干涉，由光電器件轉(zhuǎn)換為電信號輸出。88第88頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器3.激光陀螺式角速度傳感器當環(huán)形干涉系統(tǒng)繞軸o以角速度轉(zhuǎn)動時，根據(jù)相對原理，沿轉(zhuǎn)動方向的激光通過環(huán)路所需時間增大，而相反方向(圖中為逆時針方向)的激光通過環(huán)路所需時間減少，因此改變了兩路光的相位差，使干涉條紋移動，移動頻率正比于角速度。測得干涉條紋的移動頻率，便可測出被測角速度。89第89頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器4.光纖陀螺式角速度傳感器光纖是利用光的全反射原理。 9

30、0第90頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器4.光纖陀螺式角速度傳感器91第91頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器4.光纖陀螺式角速度傳感器光纖陀螺由光導纖維匝環(huán)構(gòu)成。激光經(jīng)半透鏡進入光纖匝環(huán)1，形成左、右回旋的兩路相干光，并在半透鏡3處匯合產(chǎn)生干涉，經(jīng)光電器件轉(zhuǎn)換成電信號輸出。 92第92頁，共115頁。四、陀螺式角速度傳感器4.光纖陀螺式角速度傳感器當光纖陀螺相對慣性空間以角速度旋轉(zhuǎn)時，由塞古納克(Sagnac)效應，兩路光的相位差(rad)為 N光纖環(huán)的匝數(shù)A光纖匝環(huán)面積(m2)0真空中光波長(m)C0真空中光速(m/s)被測角速度(rad/s)。93第93頁，共115頁。四、陀螺

31、式角速度傳感器4.光纖陀螺式角速度傳感器光纖陀螺式角速度傳感器具有無機械傳動部件、無需預熱時間、對加速度不敏感、動態(tài)范圍寬、體積小、靈敏度高等優(yōu)點。94第94頁，共115頁。五、流速、風速傳感器 流速、風速傳感器在氣象、家用電器和工業(yè)部門具有廣泛應用。95第95頁，共115頁。五、流速、風速傳感器 1.流速傳感器一種可測流速和流動方向的半導體硅流速傳感器。它的工作原理是依據(jù)發(fā)熱體與放置發(fā)熱體的流體介質(zhì)的熱導率與流體流速相關(guān)原理制成的。96第96頁，共115頁。五、流速、風速傳感器 1.流速傳感器Q流體介質(zhì)從溫度T1流向溫度T2所具有的熱量熱導率vt流體介質(zhì)流速A、B常數(shù)，A為vt0時的熱導率，

32、A與B均由流體介質(zhì)性質(zhì)(粘度、密度、熱導率)和發(fā)熱體性質(zhì)(形狀、大小)決定97第97頁，共115頁。五、流速、風速傳感器 1.流速傳感器雙片流速傳感器的工作原理 98第98頁，共115頁。五、流速、風速傳感器 1.流速傳感器使用PN結(jié)二極管VD1和VD2分別測量流體溫度二極管的正向電壓降VD幾乎與熱力學溫度T成正比，即VD=STT式中ST為對溫度的電壓常數(shù)。 99第99頁，共115頁。五、流速、風速傳感器 1.流速傳感器100第100頁，共115頁。五、流速、風速傳感器 1.流速傳感器兩只二極管對溫度的電壓常數(shù)相同，則由溫差T1-T2產(chǎn)生的輸出電壓 VO=ST(T1-T2) T1-T2 =VO/ST 101第101頁，共115頁。在保持溫度時，晶體管VW發(fā)出的熱量VsiH等于散失的熱量(T1-T2)，得到加熱電流為 五、流速、風速傳感器 1.流速傳感器102第102頁，共115頁。五、流速、風速傳感器 1.流速傳感器通過研究硅心片的熱傳導特性，發(fā)現(xiàn)這種效應