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1、第四章 位移 物位传感器,第四章 位移 物位传感器,4.1 电位器式位移传感器 4.2 光栅位移传感器 4.3 磁栅位移传感器 4.4 接近传感器 4.5 液位传感器 4.6 电容式传感器 4.7 流量传感器,4.1 电位器式位移传感器,4.1 位移传感器 位移传感器是用来测量位移、距离、位置、尺寸、角度、角位移等几何学量的一种传感器。根据传感器的信号输出形式，可以分为模拟式和数字式两大类，如图4-1所示。传感器根据被测物体的运动形式可细分为线性位移传感器和角位移传感器。位移传感器是应用最多的传感器之一，品种繁多。,位移传感器,数字式,模拟式,光栅式磁栅式,电位器式电阻应变式电容式螺旋管电感式
2、差动变压器式,图4.1 位移传感器的分类,4.1.1 电位器式位移传感器1.电位器的基本概念 图4-2是电位器的结构图。它由电阻体、电刷、转轴、滑动臂、焊片等组成，电阻体的两端和焊片A、C相连，因此AC端的电阻值就是电阻体的总阻值。转轴是和滑动臂相连的，在滑动臂的一端装有电刷，它靠滑动臂的弹性压在电阻体上并与之紧密接触，滑动臂的另一端与焊片B相连。,图4-2 电位器的一般结构,图4-3是电位器电路图。电位器转轴上的电刷将电阻体电阻R0分为R12和R23两部分，输出电压为U12。改变电刷的接触位置，电阻R12亦随之改变，输出电压U12也随之变化。常见用于传感器的电位器有：线绕式电位器、合成膜电位
3、器、金属膜电位器、导电塑料电位器、导电玻璃釉电位器、光电电位器。,图4-3 电位器电路,2.电位器的主要技术参数(1)最大阻值和最小阻值，指电位器阻值变化能达到的最大值和最小值；(2)电阻值变化规律，指电位器阻值变化的规律，例如对数式、指数式、直线式等；(3)线性电位器的线性度，指阻值直线式变化的电位器的非线性误差；(4)滑动噪声，指调电位器阻值时，滑动接触点打火产生的噪声电压的大小。,4.2 光栅位移传感器,4.2 光栅位移传感器4.2.1莫尔条纹 由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件称为光栅，如图4-4所示。用玻璃制成的光栅称为透射光栅，它是在透明玻璃上刻出大量等宽等间距的平行刻痕，每
4、条刻痕处是不透光的，而两刻痕之间是透光的。光栅的刻痕密度一般为每厘米10、25、50、100线。刻痕之间的距离为栅距W。,图4-4 光栅结构放大图,如果把两块栅距W相等的光栅面平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹。如图4-8所示。莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成，如图4-5中dd线区所示。图4-8中ff线区则是由于光栅的遮光效应形成的。,图4-5 莫尔条纹,莫尔条纹有两个重要的特性：(1)当指示光栅不动，主光栅左右平移时，莫尔条纹将沿着指示栅线的方向上下 移动。查看莫尔条纹的上下移动方向，即可
5、确定主光栅左右移动方向。(2)莫尔条纹有位移的放大作用。当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距B。当两个等距光栅的栅间夹角较小时，主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹移动KW距离，K为莫尔条纹的放大系数：,条纹间距与栅距的关系为：,当角较小时，例如=30，则K=115，表明莫尔条纹的放大倍数相当大。这样，可把肉眼看不见的光栅位移变成为清晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的移动来检测光栅的位移。可以实现高灵敏的位移测量。,4.2.2光栅位移传感器的结构及工作原理 如图4-6所示，由主光栅、指示光栅、光源和光电器件等组成。主光栅和被测物体相连，它随被测物体的直线位移而产生移
6、动。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移。用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的距离，也就测得了被测物体的位移量。,图4-6 光栅位移传感器的结构原理图,7.2.3 光栅位移传感器的应用 光栅位移传感器：测量精度高（分辨率为0.1m），动态测量范围广（01000mm），可进行无接触测量，容易实现系统的自动化和数字化。在机械工业中得到了广泛的应用，特别是在量具、数控机床的闭环反馈控制、工作母机的坐标测量等方面。,4.3 磁栅位移传感器,4.3 磁栅位移传感器 磁栅是一种有磁化信息的标尺。它是在非磁性体的平整表面上镀一层约0.02mm厚的Ni-Co-P磁性薄膜。并用录音磁头
7、沿长度方向按一定的激光波长录上磁性刻度线而构成的。因此又把磁栅称为磁尺。磁栅录制后的磁化结构相当于一个个小磁铁按NS、SN、NS的状态排列起来，如图4-7所示。,图4-7 磁栅的基本结构,磁栅的种类可分为单型直线磁栅、同轴型直线磁栅和旋转型磁栅等。磁栅主要用于大型机床和精密机床作为位置或位移量的检测元件。磁栅和其它类型的位移传感器相比，具有结构简单、使用方便、动态范围大（120m）和磁信号可以重新录制等优点。缺点是需要屏蔽和防尘。磁栅位移传感器的结构如图4-8所示。它由磁尺（磁栅）、磁头和检测电路组成。,图4-8 磁栅位移传感器的结构示意图,当磁尺与磁头之间产生相对位移时，磁头的铁芯使磁尺的磁
8、通有效地通过输出绕组，在绕组中产生感应电压。该电压随磁尺磁场强度周期的变化而变化，从而将位移量转换成电信号输出。图4-9是磁信号与静态磁头输出信号波形图。磁头输出信号经检测电路转换成电脉冲信号并以数字形式显示出来。,图4-9 磁信号与磁头输出信号波形图,4.4 接近传感器,7.4 接近传感器 接近传感器是一种具有感知物体接近能力的器件。利用位移传感器对所接近的物体具有的敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号。通常又把接近传感器称为接近开关。常见的接近传感器有电容式、涡流式、霍耳效应式、光电式、热释电式、多卜勒式、电磁感应式、微波式、超声波式。,7.4.1 电容式接近传感器 电容式接近传感
9、器是一个以电极为检测端的静电电容式接近开关。由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成，如图4-10所示。被测物体越靠近检测电极，检测电极上的电荷就越多，电容C随之增大，使振荡电路的振荡减弱，直至停止振荡。振荡电路的振荡与停振这两种状态被检测电路转换为开关信号向外输出。,图4-10 电容接近传感器的电路框图,4.4.2 电感式接近传感器 由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成，如图7-11所示。检测用敏感元件为检测线圈，它是振荡电路的一个组成部分。当金属物体接近检测线圈时，金属物体就会产生涡流而吸收振荡能量，使振荡减弱以至停振。振荡与停振这两种状态经检测电路
10、转换成开关信号输出。,图4-11 电感式接近传感器工作原理框图,4.4.3 热接近传感器电路 当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，称为热释电效应。能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称热释电元件。热释电红外传感器是用热释电元件的热释电效应探测人体发出的红外线的一种传感器。它用于防盗、报警、来客告之及非接触开关等设备中。图4-12为热释电红外报警器电路，由热释电传感器、滤波器、输出转换器、比较器、驱动器和报警电路组成。,图7-12 热释电红外报警器电路原理,4.5 液位传感器,4.5 液位传感器 液位传感器按测定原理可分为：浮子式液位传
11、感器、平衡浮筒式液位传感器、压差式液位传感器、电容式液位传感器、导电式液位传感器、超声波式液位传感器、放射线式液位传感器。,4.5.1 导电式水位传感器 如图4-13所示。电极可根据检测水位的要求进行升降调节，当水位低于检知电极时，两电极间呈绝缘状态，检测电路没有电流流过，传感器输出电压为零。如果水位上升到与检知电极端都接触时，由于水有一定的导电性，因此测量电路中有电流流过，指示电路中的显示仪表就会发生偏转，同时在限流电阻两端有电压输出。如果把输出电压和控制电路连接起来，便可对供水系统进行自动控制。,图4-13 导电式水位传感器基本工作原理图,图4-14是一种实用的导电式水位检测器的电路原理图
12、。电路主要由两个运算放大器组成，IC1a运算放大器及外围元件组成方波发生器，通过电容器C1与检知电极相接。IC1b运算放大器与外围元件组成比较器，以识别仪表水位的电信号状态。采用发光二极管作为水位的指示。导电式水位传感器，在日常工作和生活中应用很广泛，它在抽水及储水设备、工业水箱、汽车水箱等方面均被采用。,图4-14导电式水位检测器电路原理图,4.5.2 压差式液位传感器 压差式液位传感器是根据液面的高度与液压成比例的原理制成的。如果液体的密度恒定，则液体加在测量基准面上的压力与液面到基准面的高度成正比，因此通过压力的测定便可得知液面的高度。如图4-15所示，当储液缸为开放型时，其基准面上的压
13、力由下式确定：,P=h=（h1+h2）,图4-15 开放罐测压示意图,P=P1-P2=（h1+h2）-0（h3+h2）=h1-(0h3+0h2-h2),需要测定的是h1高度，因此移动压力传感器的零点，把零点提高h2,就可以得到压力与液面高度h1成比例的输出。当储液缸为密封型时（见图4-16），压差、液位高度及零点的移动关系如下：,同样，只要移动压差式传感器的零点，就可以得到压差与液面h1成比例的输出。,图4-16 密封罐测压示意图,图4-17是压差式液位传感器的结构原理图。它由压差传感器和电路两部分组成。压差传感器实际上是一个差动电容式压力传感器。它由动电极感压膜片、固定电极隔压膜片等组成。当
14、被测的压力差加在高压侧和低压侧的输入口时，该压力差经隔液膜片的传递作用于感压膜片上，感压膜片便产生位移，从而使动电极与固定电极之间的电容量发生变化。,图4-17 压差式液位传感器结构原理图,4.6电容式物位传感器,电容式物位传感器的工作原理 电容式物位传感器是把液体位置的变化换成电容量的变化，通过测量电容量的变化间接得到液位的变化电容式物位传感器的应用 用来检测密封料仓内导电性不良的松散物质的料位,图4-18 电容式液位传感器原理图,4.7流量传感器,4.7 流量传感器 流量的种类有：电磁式流量传感器、涡流式流量传感器、超声波式流量传感器、热导式流速传感器、激光式流速传感器、光纤式流速传感器、
15、浮子式流量传感器、涡轮式流量传感器、空间滤波器式流量传感器。,4.7.1 电磁式流量传感器1.电磁式流量传感器的工作原理及使用 如图4-19所示，在励磁线圈加上励磁电压后，绝缘导管便处于磁力线密度为B的均匀磁场中，当导电性液体流经绝缘导管时，电极上便会产生如下式所示的电动势：,管道内液体流动的容积流量与电动势的关系为：,可以通过对电动势的测定，求出容积流量。,1-铁芯 2-电极 3-绝缘导管 4-励磁线圈 5-液体图4-19 电磁式流量计工作原理图,2.电磁式流速传感器电路 如图7-20所示。励磁电压信号为方波信号，由方波发生器发出的方波信号一路经励磁放大器功率放大后，送入传感器的励磁线圈进行
16、励磁；另一路作为采样、鉴相脉冲信号。流动液体在电极上产生的信号经输入回路阻抗变换和前置放大，再由主放大器进行放大。放大后的信号经采样、倒相、鉴相。所得信号滤去杂波后由直流放大器放大输出，为检测到的流速信号UOUT。用于自来水、工业用水、农业用水、海水、污水、污泥、化学药品、食品、矿浆等流量检测。,传感器,输入回路,前置放大器,主放大器,励磁放大器,直流放大器,滤波器,方波发生器,采样、倒相、鉴相器,UOUT,流动液体,图4-20 电磁式流速传感器的电路框图,4.7.2 涡轮式流速传感器 涡轮式流速传感器是利用放在流体中的叶轮的转速进行流量测试的一种传感器。叶轮转速的测量如图4-21所示。叶轮的叶片可以用导磁材料制作，由永久磁铁、铁芯及线圈与叶片形成磁路。当叶片旋转时，磁阻将发生周期性的变化，从而使线圈中感应出脉冲电压信号。该信号经放大、整形后输出，作为供检测转速用的脉冲信号。,图4-21 涡轮流量传感器结构原理图,
