第7章位移传感器

第第7章章 位移传感器位移传感器 v7.1 机械位移传感器机械位移传感器 v7.2 光栅位移传感器光栅位移传感器 v7.3 磁栅位移传感器磁栅位移传感器 v7.4 接近传感器接近传感器 v7.5 转速传感器转速传感器 v7.6 多普勒传感器多普勒传感器 v7.7 液位传感器液位传感器 v7.8 流量及流速传感器流量及流速传感器v7.9 实训实训7.1 机械位移传感器机械位移传感器v7.1 机械位移传感器机械位移传感器v 机械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。v 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6-1所示。v 机械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。v 机械位移传感器是应用最多的传感器之一，品种繁多。机机械械位位移移传传感感器器数数字字式式模模拟拟式式光栅式光栅式磁栅式磁栅式电位器式电位器式电阻应变式电阻应变式电容式电容式螺旋管电感式螺旋管电感式差动变压器式差动变压器式涡流式涡流式光电式光电式霍耳器件式霍耳器件式微波式微波式超声波式超声波式图图7.1 机械位移传感器的分类机械位移传感器的分类 v7.1.1 电位器式位移传感器电位器式位移传感器v1.电位器的基本概念v 图7-2是电位器的结构图。v 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。v 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。图图7-2 电位器的一般结构电位器的一般结构 v 图7-3是电位器电路图。v 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。v 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。v 常见用于传感器的电位器有：v 线绕式电位器、合成膜电位器、v 金属膜电位器、导电塑料电位器、v 导电玻璃釉电位器、光电电位器。图图7-3 电位器电路电位器电路 v2.电位器的主要技术参数v(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；v(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；v(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；v(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。v7.1.2电容式位移传感器电容式位移传感器v 电容式位移传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感器和变面积式电容传感器进行位移的测量。v1.变极距式电容传感器v 图7-4是空气介质变极距式电容传感器工作原理图。v 一个电极板固定不动，称为固定极板，极板的面积为，另一极板可左右移动，引起极板间距离d相应变化。7-4 变极距式电容传感器工作原理图变极距式电容传感器工作原理图 变极距式电容传感器的初始电容C0可由下式表示：C0=0A/d0 只要测出电容变化量C，便可计算得到极板间距的变化量，即极板的位移量d。除用变极距式电容传感器测位移外，还可以用变面积式电容传感器测角位移。7.1.3螺管式电感位移传感器螺管式电感位移传感器 螺管式电感位移传感器主要由螺管线圈和铁芯组成，铁芯插入线圈中并可来回移动。当铁芯发生位移时，将引起线圈电感的变化。线圈的电感量与铁芯插入线圈的长度有如下的关系：铁芯随被测物体一起移动，导致线圈电感量发生变化。其检测位移量可从数毫米到数百毫米。缺点是灵敏度低。v7.1.4差动变压器差动变压器v 如图7-6所示。初级线圈L1加交流励磁电压Uin，次级线圈上由于电磁感应而产生感应电压。v 由于两个次级线圈相反极性串接，所以两个次级线圈中的感应电压UOUT1和UOUT2的相位相反，当铁芯处于中心对称位置时，则UOUT1=UOUT2，所以UOUT=0。v 当铁芯向两端位移时，UOUT1大于或小于UOUT2，使UOUT不等于零，其值与铁芯的位移成正比。图图7-6 差动变压器结构原理图差动变压器结构原理图 7.2 光栅位移传感器光栅位移传感器v7.2 光栅位移传感器光栅位移传感器v7.2.1莫尔条纹莫尔条纹v 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7-7所示。v 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，每条刻痕处是不透光的，而两刻痕之间是透光的。v 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。图图7-7 光栅结构放大图光栅结构放大图 v 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7-8所示。v 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7-8中dd线区所示。v 图7-8中ff线区则是由于光栅的遮光效应形成的。图图7-8 莫尔条纹莫尔条纹 v莫尔条纹有两个重要的特性：v(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。v 查看莫尔条纹的上下移动方向，即可确定主光栅左右移动方向。v(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。v 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。v7.2.2光栅位移传感器的结构及工作原理光栅位移传感器的结构及工作原理v 如图7-9所示，由主光栅、指示光栅、光源和光电器件等组成。v 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动。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移。v 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。图图7-9 光栅位移传感器的结构原理图光栅位移传感器的结构原理图 v7.2.3 光栅位移传感器的应用光栅位移传感器的应用v 光栅位移传感器：v 测量精度高（分辨率为0.1m），v 动态测量范围广（01000mm），v 可进行无接触测量，v 容易实现系统的自动化和数字化。v 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。7.3 磁栅位移传感器磁栅位移传感器v7.3 磁栅位移传感器磁栅位移传感器v 磁栅是一种有磁化信息的标尺。v 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。v 并用录音磁头沿长度方向按一定的激光波长录上磁性刻度线而构成的。v 因此又把磁栅称为磁尺。v 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7-10所示。图图7-10 磁栅的基本结构磁栅的基本结构 v 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。v 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。v 缺点是需要屏蔽和防尘。v 磁栅位移传感器的结构如图7-11所示。它由磁尺（磁栅）、磁头和检测电路组成。图图7-11 磁栅位移传感器的结构示意图磁栅位移传感器的结构示意图 v 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通有效地通过输出绕组，在绕组中产生感应电压。v 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。v 图7-12是磁信号与静态磁头输出信号波形图。v 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。图图7-12 磁信号与磁头输出信号波形图磁信号与磁头输出信号波形图 7.4 接近传感器接近传感器v7.4 接近传感器接近传感器 v 接近传感器是一种具有感知物体接近能力的器件。v 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。v 通常又把接近传感器称为接近开关。v 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。v7.4.1 电容式接近传感器电容式接近传感器v 电容式接近传感器是一个以电极为检测端的静电电容式接近开关。v 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7-13所示。v 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。v 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。图图7-13 电容接近传感器的电路框图电容接近传感器的电路框图 v7.4.2 电感式接近传感器电感式接近传感器v 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7-14所示。v 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。v 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。v 振荡与停振这两种状态经检测电路转换成开关信号输出。图图7-14 电感式接近传感器工作原理框图电感式接近传感器工作原理框图 v7.4.3 热释电红外传感器接近电路热释电红外传感器接近电路 v 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。v 能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称热释电元件。v 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。v 图7-15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。图图7-15 热释电红外报警器电路原理热释电红外报警器电路原理 7.5 转速传感器转速传感器v7.5 转速传感器转速传感器 v7.5.1 磁电式转速传感器磁电式转速传感器v 如图7-16所示，由永久磁铁、感应线圈、磁盘等组成。v 在磁盘上加工有齿形凸起，磁盘装在被测转轴上，与转轴一起旋转。v 当转轴旋转时，磁盘的凸凹齿形将引起磁盘与永久磁铁间气隙大小的变化，从而使永久磁铁组成的磁路中磁通量随之发生变化。v 感应线圈会感应出一定幅度的脉冲电势，其频率为：f=Zn 根据测定的脉冲频率，即可得知被测物体根据测定的脉冲频率，即可得知被测物体的转速。如果磁电式转速传感器配接上数字的转速。如果磁电式转速传感器配接上数字电路，便可组成数字式转速测量仪，可直接电路，便可组成数字式转速测量仪，可直接读出被测物体的转速。读出被测物体的转速。当被测转速很低时，输出脉冲电势的幅值当被测转速很低时，输出脉冲电势的幅值很小，以致无法测量出来。所以，这种传感很小，以致无法测量出来。所以，这种传感器不适合测量过低的转速，其测量转速下限器不适合测量过低的转速，其测量转速下限一般为一般为50转转/秒左右，上限可达数百千转秒左右，上限可达数百千转/秒。秒。图图7-16 磁电式转速传感器结构示意图磁电式转速传感器结构示意图 v7.5.2 光电式转速传感器光电式转速传感器v 图7-17所示，由装在输入轴上的开孔盘、光源、光敏元件以及缝隙板所组成，输入轴与被测轴相连接旋转。v 从光源发射的光，通过开孔盘和缝隙照射到光敏元件上，使光敏元件感光，产生脉冲信号，送测量电路计数，测得转速。v 为了使每转的脉冲数增加，以扩大应用范围，需增加圆盘的开孔数目。目前多采用图7-18所示的开缝隙盘结构。v 光电脉冲变换电路如图7-19所示。图图7-1 直射式光电转速传感器原理直射式光电转速传感器原理 1开孔盘开孔盘 2缝隙板缝隙板 3光敏元件光敏元件 4光源光源 图图7-18 光电转速传感器结构光电转速传感器结构 1光源光源 2透镜透镜 3指示盘指示盘 4旋转盘旋转盘 5光电元件光电元件图图7-19 光电脉冲变换电路原理图光电脉冲变换电路原理图 7.6 多普勒传感器多普勒传感器v7.6 多普勒传感器多普勒传感器v7.6.1 多普勒效应多普勒效应v 假若发射机与接收机之间的距离发生变化，则发射机发射信号的频率与接收机收到信号的频率就不同。此现象是由奥地利物理学家多普勒发现的，所以称为多普勒效应。v 发射机发射出的无线电波向被测物体辐射，被测物体以速度v运动，如图7-20（a）所示。被测物体做为接收机接收到的频率为：f1=f0+v/0 如果把如果把f1做为反射波向接收机发射信号，如图做为反射波向接收机发射信号，如图6-20（b）所示。接收机接收到的信号频率为：）所示。接收机接收到的信号频率为：f2=f1+v/1=f0+v/0+v/1 由于被测物体的运动速度远小于电磁波的传播速度，由于被测物体的运动速度远小于电磁波的传播速度，则可近似认为：则可近似认为：0=1，则：，则：f2=f0+2v/0 由多由多普勒效应产生的频率之差称为多勒效应产生的频率之差称为多普勒频率，勒频率，即：即：Fd=f2-f0=2v/0 图图7-20 多多普勒效应示意图勒效应示意图 v7.6.2 多普勒雷达测速多普勒雷达测速v 被测物体的运动速度v可以用多普勒频率来描述。v 多普勒雷达的电路原理如图7-21所示。它由发射机、接收机、混频器、检波器、放大器及处理电路等组成。v 发射信号和接收到的回波信号经混频器混频，两者产生差频输出，差频的频率正好为多普勒频率。Fd 2vcos/0 Kv(Hz)图图7-21 多多普勒雷达检测线速度工作原理图勒雷达检测线速度工作原理图7.7 液位传感器液位传感器v7.7 液位传感器液位传感器v 液位传感器按测定原理可分为：v 浮子式液位传感器、v 平衡浮筒式液位传感器、v 压差式液位传感器、v 电容式液位传感器、v 导电式液位传感器、v 超声波式液位传感器、v 放射线式液位传感器。v7.7.1 导电式水位传感器导电式水位传感器v 如图7-22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。v 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。v 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。图图7-22 导电式水位传感器基本工作原理图导电式水位传感器基本工作原理图 v 图7-23是一种实用的导电式水位检测器的电路原理图。v 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。v 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。v 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。图图7-23 导电式水位检测器电路原理图导电式水位检测器电路原理图 v7.7.2 压差式液位传感器压差式液位传感器v 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。v 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。v 如图7-24所示，当储液缸为开放型时，其基准面上的压力由下式确定：P=h=（h1+h2）图图7-24 开放罐测压示意图开放罐测压示意图 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7-25），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。图图7-25 密封罐测压示意图密封罐测压示意图 v 图7-26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。v 压差传感器实际上是一个差动电容式压力传感器。v 它由动电极感压膜片、固定电极隔压膜片等组成。v 当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。图图7-26 压差式液位传感器结构原理图压差式液位传感器结构原理图 7.8 流量及流速传感器流量及流速传感器v7.8 流量及流速传感器流量及流速传感器v 流量及流速传感器的种类有：v 电磁式流量传感器、涡流式流量传感器、v 超声波式流量传感器、热导式流速传感器、v 激光式流速传感器、光纤式流速传感器、v 浮子式流量传感器、涡轮式流量传感器、v 空间滤波器式流量传感器。7.8.1 电磁式流量传感器电磁式流量传感器1.电磁式流量传感器的工作原理及使用 如图7-27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-铁芯铁芯 2-电极电极 3-绝缘导管绝缘导管 4-励磁线圈励磁线圈 5-液体液体图图7-27 电磁式流量计工作原理图电磁式流量计工作原理图 v2.电磁式流速传感器电路v 如图7-28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励磁；v 另一路作为采样、鉴相脉冲信号。v 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。v 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。v 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。传感器传感器输入回路输入回路前置放大器前置放大器主放大器主放大器励磁放大器励磁放大器直流放大器直流放大器滤波器滤波器方波方波发生器发生器采样、采样、倒相、倒相、鉴相器鉴相器UOUT流流动动液液体体图图7-28 电磁式流速传感器的电路框图电磁式流速传感器的电路框图v7.8.2 涡轮式流速传感器涡轮式流速传感器v 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。v 叶轮转速的测量如图7-29所示。v 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。v 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。图图7-29 涡轮流量传感器结构原理图涡轮流量传感器结构原理图 7.9 实训实训v7.9 实训实训 v 太阳能热水器水位报警器电路如图7-30所示。v 装调该太阳能热水器水位报警器电路,进行水位报警实验，过程如下：v(1)准备电路板、晶体管、电极、报警器等元器件,认识元器件；v(2)装配水位报警器电路；v(3)将三个探知电极安置于水盆的不同水位高度，接通水位报警器电路，给水盆中慢慢加水；v(4)在正常水位、缺水水位、超高水位对电路的报警效果进行电路调整；v(5)进行正常水位、缺水水位、超高水位时电路的报警实验；v(6)实验过程和结果记录。图图7-30 太阳能热水器水位报警器太阳能热水器水位报警器