第7章位移傳感器

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1、第第7章章 位移傳感器位移傳感器 v7.1 機械位移傳感器機械位移傳感器 v7.2 光柵位移傳感器光柵位移傳感器 v7.3 磁柵位移傳感器磁柵位移傳感器 v7.4 接近傳感器接近傳感器 v7.5 轉速傳感器轉速傳感器 v7.6 多普勒傳感器多普勒傳感器 v7.7 液位傳感器液位傳感器 v7.8 流量及流速傳感器流量及流速傳感器v7.9 實訓實訓7.1 機械位移傳感器機械位移傳感器v7.1 機械位移傳感器機械位移傳感器v 機械位移傳感器是用來測量位移、距離、位置、尺寸、角度、角位移等幾何學量的一種傳感器。v 根據(jù)傳感器的信號輸出形式，可以分為模擬式和數(shù)字式兩大類，如圖6-1所示。v 機械傳感器根

2、據(jù)被測物體的運動形式可細分為線性位移傳感器和角位移傳感器。v 機械位移傳感器是應用最多的傳感器之一，品種繁多。機機械械位位移移傳傳感感器器數(shù)數(shù)字字式式模模擬擬式式光柵式光柵式磁柵式磁柵式電位器式電位器式電阻應變式電阻應變式電容式電容式螺旋管電感式螺旋管電感式差動變壓器式差動變壓器式渦流式渦流式光電式光電式霍耳器件式霍耳器件式微波式微波式超聲波式超聲波式圖圖7.1 機械位移傳感器的分類機械位移傳感器的分類 v7.1.1 電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器v1.電位器的基本概念v 圖7-2是電位器的結構圖。v 它由電阻體、電刷、轉軸、滑動臂、焊片等組成，電阻體的兩端和焊片A、C相連，因此AC端的

3、電阻值就是電阻體的總阻值。v 轉軸是和滑動臂相連的，在滑動臂的一端裝有電刷，它靠滑動臂的彈性壓在電阻體上并與之緊密接觸，滑動臂的另一端與焊片B相連。圖圖7-2 電位器的一般結構電位器的一般結構 v 圖7-3是電位器電路圖。v 電位器轉軸上的電刷將電阻體電阻R0分為R12和R23兩部分，輸出電壓為U12。v 改變電刷的接觸位置，電阻R12亦隨之改變，輸出電壓U12也隨之變化。v 常見用于傳感器的電位器有：v 線繞式電位器、合成膜電位器、v 金屬膜電位器、導電塑料電位器、v 導電玻璃釉電位器、光電電位器。圖圖7-3 電位器電路電位器電路 v2.電位器的主要技術參數(shù)v(1)最大阻值和最小阻值，指電位

4、器阻值變化能達到的最大值和最小值；v(2)電阻值變化規(guī)律，指電位器阻值變化的規(guī)律，例如對數(shù)式、指數(shù)式、直線式等；v(3)線性電位器的線性度，指阻值直線式變化的電位器的非線性誤差；v(4)滑動噪聲，指調電位器阻值時，滑動接觸點打火產生的噪聲電壓的大小。v7.1.2電容式位移傳感器電容式位移傳感器v 電容式位移傳感器的形式很多，常使用變極距式電容傳感器和變面積式電容傳感器進行位移的測量。v1.變極距式電容傳感器v 圖7-4是空氣介質變極距式電容傳感器工作原理圖。v 一個電極板固定不動，稱為固定極板，極板的面積為，另一極板可左右移動，引起極板間距離d相應變化。7-4 變極距式電容傳感器工作原理圖變極

5、距式電容傳感器工作原理圖 變極距式電容傳感器的初始電容C0可由下式表示：C0=0A/d0 只要測出電容變化量C，便可計算得到極板間距的變化量，即極板的位移量d。除用變極距式電容傳感器測位移外，還可以用變面積式電容傳感器測角位移。7.1.3螺管式電感位移傳感器螺管式電感位移傳感器 螺管式電感位移傳感器主要由螺管線圈和鐵芯組成，鐵芯插入線圈中并可來回移動。當鐵芯發(fā)生位移時，將引起線圈電感的變化。線圈的電感量與鐵芯插入線圈的長度有如下的關系：鐵芯隨被測物體一起移動，導致線圈電感量發(fā)生變化。其檢測位移量可從數(shù)毫米到數(shù)百毫米。缺點是靈敏度低。v7.1.4差動變壓器差動變壓器v 如圖7-6所示。初級線圈L

6、1加交流勵磁電壓Uin，次級線圈上由于電磁感應而產生感應電壓。v 由于兩個次級線圈相反極性串接，所以兩個次級線圈中的感應電壓UOUT1和UOUT2的相位相反，當鐵芯處于中心對稱位置時，則UOUT1=UOUT2，所以UOUT=0。v 當鐵芯向兩端位移時，UOUT1大于或小于UOUT2，使UOUT不等于零，其值與鐵芯的位移成正比。圖圖7-6 差動變壓器結構原理圖差動變壓器結構原理圖 7.2 光柵位移傳感器光柵位移傳感器v7.2 光柵位移傳感器光柵位移傳感器v7.2.1莫爾條紋莫爾條紋v 由大量等寬等間距的平行狹縫組成的光學器件稱為光柵，如圖7-7所示。v 用玻璃制成的光柵稱為透射光柵，它是在透明玻

7、璃上刻出大量等寬等間距的平行刻痕，每條刻痕處是不透光的，而兩刻痕之間是透光的。v 光柵的刻痕密度一般為每厘米10、25、50、100線?？毯壑g的距離為柵距W。圖圖7-7 光柵結構放大圖光柵結構放大圖 v 如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角時，這時光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋。如圖7-8所示。v 莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成，如圖7-8中dd線區(qū)所示。v 圖7-8中ff線區(qū)則是由于光柵的遮光效應形成的。圖圖7-8 莫爾條紋莫爾條紋 v莫爾條紋有兩個重要的特性：v(1)當指示光柵不動，主光柵左右平

8、移時，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下 移動。v 查看莫爾條紋的上下移動方向，即可確定主光柵左右移動方向。v(2)莫爾條紋有位移的放大作用。當主光柵沿與刻線垂直方向移動一個柵距W時，莫爾條紋移動一個條紋間距B。v 當兩個等距光柵的柵間夾角較小時，主光柵移動一個柵距W，莫爾條紋移動KW距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)：條紋間距與柵距的關系為：當角較小時，例如=30，則K=115，表明莫爾條紋的放大倍數(shù)相當大。這樣，可把肉眼看不見的光柵位移變成為清晰可見的莫爾條紋移動，可以用測量條紋的移動來檢測光柵的位移?？梢詫崿F(xiàn)高靈敏的位移測量。v7.2.2光柵位移傳感器的結構及工作原理光柵位移傳感器的結構及工作原

9、理v 如圖7-9所示，由主光柵、指示光柵、光源和光電器件等組成。v 主光柵和被測物體相連，它隨被測物體的直線位移而產生移動。當主光柵產生位移時，莫爾條紋便隨著產生位移。v 用光電器件記錄莫爾條紋通過某點的數(shù)目，便可知主光柵移動的距離，也就測得了被測物體的位移量。圖圖7-9 光柵位移傳感器的結構原理圖光柵位移傳感器的結構原理圖 v7.2.3 光柵位移傳感器的應用光柵位移傳感器的應用v 光柵位移傳感器：v 測量精度高（分辨率為0.1m），v 動態(tài)測量范圍廣（01000mm），v 可進行無接觸測量，v 容易實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和數(shù)字化。v 在機械工業(yè)中得到了廣泛的應用，特別是在量具、數(shù)控機床的閉環(huán)反饋控

10、制、工作母機的坐標測量等方面。7.3 磁柵位移傳感器磁柵位移傳感器v7.3 磁柵位移傳感器磁柵位移傳感器v 磁柵是一種有磁化信息的標尺。v 它是在非磁性體的平整表面上鍍一層約0.02mm厚的Ni-Co-P磁性薄膜。v 并用錄音磁頭沿長度方向按一定的激光波長錄上磁性刻度線而構成的。v 因此又把磁柵稱為磁尺。v 磁柵錄制后的磁化結構相當于一個個小磁鐵按NS、SN、NS的狀態(tài)排列起來，如圖7-10所示。圖圖7-10 磁柵的基本結構磁柵的基本結構 v 磁柵的種類可分為單型直線磁柵、同軸型直線磁柵和旋轉型磁柵等。v 磁柵主要用于大型機床和精密機床作為位置或位移量的檢測元件。磁柵和其它類型的位移傳感器相比

11、，具有結構簡單、使用方便、動態(tài)范圍大（120m）和磁信號可以重新錄制等優(yōu)點。v 缺點是需要屏蔽和防塵。v 磁柵位移傳感器的結構如圖7-11所示。它由磁尺（磁柵）、磁頭和檢測電路組成。圖圖7-11 磁柵位移傳感器的結構示意圖磁柵位移傳感器的結構示意圖 v 當磁尺與磁頭之間產生相對位移時，磁頭的鐵芯使磁尺的磁通有效地通過輸出繞組，在繞組中產生感應電壓。v 該電壓隨磁尺磁場強度周期的變化而變化，從而將位移量轉換成電信號輸出。v 圖7-12是磁信號與靜態(tài)磁頭輸出信號波形圖。v 磁頭輸出信號經檢測電路轉換成電脈沖信號并以數(shù)字形式顯示出來。圖圖7-12 磁信號與磁頭輸出信號波形圖磁信號與磁頭輸出信號波形圖

12、 7.4 接近傳感器接近傳感器v7.4 接近傳感器接近傳感器 v 接近傳感器是一種具有感知物體接近能力的器件。v 利用位移傳感器對所接近的物體具有的敏感特性來識別物體的接近，并輸出相應開關信號。v 通常又把接近傳感器稱為接近開關。v 常見的接近傳感器有電容式、渦流式、霍耳效應式、光電式、熱釋電式、多卜勒式、電磁感應式、微波式、超聲波式。v7.4.1 電容式接近傳感器電容式接近傳感器v 電容式接近傳感器是一個以電極為檢測端的靜電電容式接近開關。v 由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成，如圖7-13所示。v 被測物體越靠近檢測電極，檢測電極上的電荷就越多，電容C隨之增大，使振

13、蕩電路的振蕩減弱，直至停止振蕩。v 振蕩電路的振蕩與停振這兩種狀態(tài)被檢測電路轉換為開關信號向外輸出。圖圖7-13 電容接近傳感器的電路框圖電容接近傳感器的電路框圖 v7.4.2 電感式接近傳感器電感式接近傳感器v 由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成，如圖7-14所示。v 檢測用敏感元件為檢測線圈，它是振蕩電路的一個組成部分。v 當金屬物體接近檢測線圈時，金屬物體就會產生渦流而吸收振蕩能量，使振蕩減弱以至停振。v 振蕩與停振這兩種狀態(tài)經檢測電路轉換成開關信號輸出。圖圖7-14 電感式接近傳感器工作原理框圖電感式接近傳感器工作原理框圖 v7.4.3 熱釋電紅外傳感器接近電路

14、熱釋電紅外傳感器接近電路 v 當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產生數(shù)量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產生的電極化現(xiàn)象，稱為熱釋電效應。v 能產生熱釋電效應的晶體稱為熱釋電體，又稱熱釋電元件。v 熱釋電紅外傳感器是用熱釋電元件的熱釋電效應探測人體發(fā)出的紅外線的一種傳感器。它用于防盜、報警、來客告之及非接觸開關等設備中。v 圖7-15為熱釋電紅外報警器電路，由熱釋電傳感器、濾波器、輸出轉換器、比較器、驅動器和報警電路組成。圖圖7-15 熱釋電紅外報警器電路原理熱釋電紅外報警器電路原理 7.5 轉速傳感器轉速傳感器v7.5 轉速傳感器轉速傳感器 v7.5.1 磁電式轉速傳感器磁電式轉速傳感器v

15、 如圖7-16所示，由永久磁鐵、感應線圈、磁盤等組成。v 在磁盤上加工有齒形凸起，磁盤裝在被測轉軸上，與轉軸一起旋轉。v 當轉軸旋轉時，磁盤的凸凹齒形將引起磁盤與永久磁鐵間氣隙大小的變化，從而使永久磁鐵組成的磁路中磁通量隨之發(fā)生變化。v 感應線圈會感應出一定幅度的脈沖電勢，其頻率為：f=Zn 根據(jù)測定的脈沖頻率，即可得知被測物體根據(jù)測定的脈沖頻率，即可得知被測物體的轉速。如果磁電式轉速傳感器配接上數(shù)字的轉速。如果磁電式轉速傳感器配接上數(shù)字電路，便可組成數(shù)字式轉速測量儀，可直接電路，便可組成數(shù)字式轉速測量儀，可直接讀出被測物體的轉速。讀出被測物體的轉速。當被測轉速很低時，輸出脈沖電勢的幅值當被測

16、轉速很低時，輸出脈沖電勢的幅值很小，以致無法測量出來。所以，這種傳感很小，以致無法測量出來。所以，這種傳感器不適合測量過低的轉速，其測量轉速下限器不適合測量過低的轉速，其測量轉速下限一般為一般為50轉轉/秒左右，上限可達數(shù)百千轉秒左右，上限可達數(shù)百千轉/秒。秒。圖圖7-16 磁電式轉速傳感器結構示意圖磁電式轉速傳感器結構示意圖 v7.5.2 光電式轉速傳感器光電式轉速傳感器v 圖7-17所示，由裝在輸入軸上的開孔盤、光源、光敏元件以及縫隙板所組成，輸入軸與被測軸相連接旋轉。v 從光源發(fā)射的光，通過開孔盤和縫隙照射到光敏元件上，使光敏元件感光，產生脈沖信號，送測量電路計數(shù)，測得轉速。v 為了使每

17、轉的脈沖數(shù)增加，以擴大應用范圍，需增加圓盤的開孔數(shù)目。目前多采用圖7-18所示的開縫隙盤結構。v 光電脈沖變換電路如圖7-19所示。圖圖7-1 直射式光電轉速傳感器原理直射式光電轉速傳感器原理 1開孔盤開孔盤 2縫隙板縫隙板 3光敏元件光敏元件 4光源光源 圖圖7-18 光電轉速傳感器結構光電轉速傳感器結構 1光源光源 2透鏡透鏡 3指示盤指示盤 4旋轉盤旋轉盤 5光電元件光電元件圖圖7-19 光電脈沖變換電路原理圖光電脈沖變換電路原理圖 7.6 多普勒傳感器多普勒傳感器v7.6 多普勒傳感器多普勒傳感器v7.6.1 多普勒效應多普勒效應v 假若發(fā)射機與接收機之間的距離發(fā)生變化，則發(fā)射機發(fā)射信

18、號的頻率與接收機收到信號的頻率就不同。此現(xiàn)象是由奧地利物理學家多普勒發(fā)現(xiàn)的，所以稱為多普勒效應。v 發(fā)射機發(fā)射出的無線電波向被測物體輻射，被測物體以速度v運動，如圖7-20（a）所示。被測物體做為接收機接收到的頻率為：f1=f0+v/0 如果把如果把f1做為反射波向接收機發(fā)射信號，如圖做為反射波向接收機發(fā)射信號，如圖6-20（b）所示。接收機接收到的信號頻率為：）所示。接收機接收到的信號頻率為：f2=f1+v/1=f0+v/0+v/1 由于被測物體的運動速度遠小于電磁波的傳播速度，由于被測物體的運動速度遠小于電磁波的傳播速度，則可近似認為：則可近似認為：0=1，則：，則：f2=f0+2v/0

19、由多由多普勒效應產生的頻率之差稱為多勒效應產生的頻率之差稱為多普勒頻率，勒頻率，即：即：Fd=f2-f0=2v/0 圖圖7-20 多多普勒效應示意圖勒效應示意圖 v7.6.2 多普勒雷達測速多普勒雷達測速v 被測物體的運動速度v可以用多普勒頻率來描述。v 多普勒雷達的電路原理如圖7-21所示。它由發(fā)射機、接收機、混頻器、檢波器、放大器及處理電路等組成。v 發(fā)射信號和接收到的回波信號經混頻器混頻，兩者產生差頻輸出，差頻的頻率正好為多普勒頻率。Fd 2vcos/0 Kv(Hz)圖圖7-21 多多普勒雷達檢測線速度工作原理圖勒雷達檢測線速度工作原理圖7.7 液位傳感器液位傳感器v7.7 液位傳感器液

20、位傳感器v 液位傳感器按測定原理可分為：v 浮子式液位傳感器、v 平衡浮筒式液位傳感器、v 壓差式液位傳感器、v 電容式液位傳感器、v 導電式液位傳感器、v 超聲波式液位傳感器、v 放射線式液位傳感器。v7.7.1 導電式水位傳感器導電式水位傳感器v 如圖7-22所示。電極可根據(jù)檢測水位的要求進行升降調節(jié)，當水位低于檢知電極時，兩電極間呈絕緣狀態(tài)，檢測電路沒有電流流過，傳感器輸出電壓為零。v 如果水位上升到與檢知電極端都接觸時，由于水有一定的導電性，因此測量電路中有電流流過，指示電路中的顯示儀表就會發(fā)生偏轉，同時在限流電阻兩端有電壓輸出。v 如果把輸出電壓和控制電路連接起來，便可對供水系統(tǒng)進行

21、自動控制。圖圖7-22 導電式水位傳感器基本工作原理圖導電式水位傳感器基本工作原理圖 v 圖7-23是一種實用的導電式水位檢測器的電路原理圖。v 電路主要由兩個運算放大器組成，IC1a運算放大器及外圍元件組成方波發(fā)生器，通過電容器C1與檢知電極相接。v IC1b運算放大器與外圍元件組成比較器，以識別儀表水位的電信號狀態(tài)。采用發(fā)光二極管作為水位的指示。v 導電式水位傳感器，在日常工作和生活中應用很廣泛，它在抽水及儲水設備、工業(yè)水箱、汽車水箱等方面均被采用。圖圖7-23 導電式水位檢測器電路原理圖導電式水位檢測器電路原理圖 v7.7.2 壓差式液位傳感器壓差式液位傳感器v 壓差式液位傳感器是根據(jù)液

22、面的高度與液壓成比例的原理制成的。v 如果液體的密度恒定，則液體加在測量基準面上的壓力與液面到基準面的高度成正比，因此通過壓力的測定便可得知液面的高度。v 如圖7-24所示，當儲液缸為開放型時，其基準面上的壓力由下式確定：P=h=（h1+h2）圖圖7-24 開放罐測壓示意圖開放罐測壓示意圖 P=P1-P2=（h1+h2）-0（h3+h2）=h1-(0h3+0h2 -h2)需要測定的是h1高度，因此移動壓力傳感器的零點，把零點提高h2,就可以得到壓力與液面高度h1成比例的輸出。當儲液缸為密封型時（見圖7-25），壓差、液位高度及零點的移動關系如下：同樣，只要移動壓差式傳感器的零點，就可以得到壓差

23、與液面h1成比例的輸出。圖圖7-25 密封罐測壓示意圖密封罐測壓示意圖 v 圖7-26是壓差式液位傳感器的結構原理圖。它由壓差傳感器和電路兩部分組成。v 壓差傳感器實際上是一個差動電容式壓力傳感器。v 它由動電極感壓膜片、固定電極隔壓膜片等組成。v 當被測的壓力差加在高壓側和低壓側的輸入口時，該壓力差經隔液膜片的傳遞作用于感壓膜片上，感壓膜片便產生位移，從而使動電極與固定電極之間的電容量發(fā)生變化。圖圖7-26 壓差式液位傳感器結構原理圖壓差式液位傳感器結構原理圖 7.8 流量及流速傳感器流量及流速傳感器v7.8 流量及流速傳感器流量及流速傳感器v 流量及流速傳感器的種類有：v 電磁式流量傳感器

24、、渦流式流量傳感器、v 超聲波式流量傳感器、熱導式流速傳感器、v 激光式流速傳感器、光纖式流速傳感器、v 浮子式流量傳感器、渦輪式流量傳感器、v 空間濾波器式流量傳感器。7.8.1 電磁式流量傳感器電磁式流量傳感器1.電磁式流量傳感器的工作原理及使用 如圖7-27所示，在勵磁線圈加上勵磁電壓后，絕緣導管便處于磁力線密度為B的均勻磁場中，當導電性液體流經絕緣導管時，電極上便會產生如下式所示的電動勢：管道內液體流動的容積流量與電動勢的關系為：可以通過對電動勢的測定，求出容積流量。1-鐵芯鐵芯 2-電極電極 3-絕緣導管絕緣導管 4-勵磁線圈勵磁線圈 5-液體液體圖圖7-27 電磁式流量計工作原理圖

25、電磁式流量計工作原理圖 v2.電磁式流速傳感器電路v 如圖7-28所示。勵磁電壓信號為方波信號，由方波發(fā)生器發(fā)出的方波信號一路經勵磁放大器功率放大后，送入傳感器的勵磁線圈進行勵磁；v 另一路作為采樣、鑒相脈沖信號。v 流動液體在電極上產生的信號經輸入回路阻抗變換和前置放大，再由主放大器進行放大。放大后的信號經采樣、倒相、鑒相。v 所得信號濾去雜波后由直流放大器放大輸出，為檢測到的流速信號UOUT。v 用于自來水、工業(yè)用水、農業(yè)用水、海水、污水、污泥、化學藥品、食品、礦漿等流量檢測。傳感器傳感器輸入回路輸入回路前置放大器前置放大器主放大器主放大器勵磁放大器勵磁放大器直流放大器直流放大器濾波器濾波

26、器方波方波發(fā)生器發(fā)生器采樣、采樣、倒相、倒相、鑒相器鑒相器UOUT流流動動液液體體圖圖7-28 電磁式流速傳感器的電路框圖電磁式流速傳感器的電路框圖v7.8.2 渦輪式流速傳感器渦輪式流速傳感器v 渦輪式流速傳感器是利用放在流體中的葉輪的轉速進行流量測試的一種傳感器。v 葉輪轉速的測量如圖7-29所示。v 葉輪的葉片可以用導磁材料制作，由永久磁鐵、鐵芯及線圈與葉片形成磁路。v 當葉片旋轉時，磁阻將發(fā)生周期性的變化，從而使線圈中感應出脈沖電壓信號。該信號經放大、整形后輸出，作為供檢測轉速用的脈沖信號。圖圖7-29 渦輪流量傳感器結構原理圖渦輪流量傳感器結構原理圖 7.9 實訓實訓v7.9 實訓實訓 v 太陽能熱水器水位報警器電路如圖7-30所示。v 裝調該太陽能熱水器水位報警器電路,進行水位報警實驗，過程如下：v(1)準備電路板、晶體管、電極、報警器等元器件,認識元器件；v(2)裝配水位報警器電路；v(3)將三個探知電極安置于水盆的不同水位高度，接通水位報警器電路，給水盆中慢慢加水；v(4)在正常水位、缺水水位、超高水位對電路的報警效果進行電路調整；v(5)進行正常水位、缺水水位、超高水位時電路的報警實驗；v(6)實驗過程和結果記錄。圖圖7-30 太陽能熱水器水位報警器太陽能熱水器水位報警器