第7章位移传感器方案课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,7,章 位移传感器,7.1,机械位移传感器,7.2,光栅位移传感器,7.3,磁栅位移传感器,7.4,热释电式接近传感器,7.5,磁电式转速传感器,7.6,多普勒传感器,7.7,导电式液位传感器,7.8,流量及流速传感器,7.9,实训,第7章 位移传感器 7.1 机械位移传,7.1,机械位移传感器,7.1 机械位移传感器,机械位移传感器用来测量位移、距离、位置、尺寸、角度、角位移等几何学量。,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,7-1,所示。,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。,机械位移传感器是应用最多的传感器之一，品种繁多。,机械位移传感器用来测量位移、距离、位置、尺寸、,机,械,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,差动变压器式,涡流式,光电式,霍尔器件式,微波式,超声波式,图,7.1,机械位移传感器的分类,机数模光栅式电位器式图7.1 机械位移传感器的分类,7.1.1,电位器式机械位移传感器,1.,电位器的基本概念,图,7-2,是电位器的结构图。,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。,转轴和滑动臂相连，在滑动臂的一端装有电刷，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。,7.1.1 电位器式机械位移传感器,图,7-2,电位器的一般结构,图7-2 电位器的一般结构,图,7-3,是电位器电路图。,电位器转轴上的电刷将电阻体电阻,R,0,分为,R,12,和,R,23,两部分，输出电压为,U,12,。,改变电刷的接触位置，电阻,R,12,亦随之改变，,输出电压,U,12,也随之变化。,图7-3是电位器电路图。,图,7-3,电位器电路,图7-3 电位器电路,常见用于传感器的电位器有：,线绕式电位器、,合成膜电位器、,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。,常见用于传感器的电位器有：,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。,2.电位器的主要技术参数,7.1.2,电容式位移传感器,将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式位移传感器。,变极距式电容传感器可进行线位移的测量，,变面积式电容传感器可进行角位移的测量。,图,7-4,是变极距式电容传感器用于轧制板材厚度自动控制的工作原理图。,7.1.2电容式位移传感器,图,7-4,自动控制轧制板材设备,图7-4 自动控制轧制板材设备,在被轧制板材的上、下两侧各置一块面积相等、与板材距离相等的金属极板，极板与板材形成两个电容器,C,1,、,C,2,。,两块极板连接为一个电极，板材为另一个电极，则总电容为两个电容器并联，,C,X,C,1,C,2,。,总电容,C,X,和调节电容,C,0,、变压器次级,L,1,、,L,2,构成交流电桥。,在被轧制板材的上、下两侧各置一块面积相等、与板,电桥输出信号为,当轧制板材的厚度为要求值时，,交流电桥平衡，无输出信号。,电桥输出信号为,当被轧制板材的厚度相对于要求值发生变化时，则,C,X,变化。,若,C,X,增大，表明板材厚度变厚，若,C,X,减小，表明板材变薄。,电桥失去平衡，输出和,C,X,变化成比例的信号。计算后显示变化的板材厚度。,该变化信号送到压力调节设备，调节轧辊，使轧制的板材的厚度向要求值变化。,当被轧制板材的厚度相对于要求值发生变化时，则C,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。,铁芯随被测物体一起移动，导致线圈电感量发生变,7.1.4,差动变压器式机械位移传感器,如图,7-6,所示。初级线圈,L,1,加交流励磁电压,U,in,，次级线圈上产生感应电压。,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,U,OUT1,和,U,OUT2,的相位相反，当铁芯处于中心对称位置时，则,U,OUT1,=U,OUT2,，所以,U,OUT,=0,。,当铁芯向两端位移时，,U,OUT1,大于或小于,U,OUT2,，使,U,OUT,不等于零，其值与铁芯的位移成正比。,7.1.4 差动变压器式机械位移传感器,图,7-6,差动变压器结构原理图,图7-6 差动变压器结构原理图,7.2,光栅位移传感器,7.2 光栅位移传感器,7.2.1,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,7-7,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，每条刻痕处是不透光的，而两刻痕之间是透光的。,7.2.1莫尔条纹,图,7-7,光栅结构放大图,图7-7 光栅结构放大图,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,。,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。,光栅的刻痕密度一般为每厘米10、25、50、10,图,7-8,莫尔条纹,图7-8 莫尔条纹,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,d,d,线区所示。,图,7-8,中,f,f,线区则是由于光栅的遮光效应形成的。,莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它,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，即可确定主光栅左右移动方向。,莫尔条纹有两个重要的特性：,(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：,(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,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。,条纹间距与栅距的关系为 ：,当角较小时，例如=30，则K=115，表,7.2.2,光栅位移传感器的结构及工作原理,如图,7-9,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。,7.2.2光栅位移传感器的结构及工作原理,图,7-9,光栅位移传感器的结构原理图,图7-9 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,测量精度高（分辨率为,0.1,m,），,动态测量范围广（,0,1000mm,），,可进行无接触测量，,容易实现系统的自动化和数字化。,广泛应用于量具、数控机床的闭环反馈控制、工作母机的坐标测量等方面。,7.2.3 光栅位移传感器的应用,7.3,磁栅位移传感器,7.3 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。,磁栅是一种有磁化信息的标尺。,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,7-10,所示。,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。,磁栅录制后的磁化结构相当于一个个小磁铁按NS、S,图,7-10,磁栅的基本结构,图7-10 磁栅的基本结构,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（,1,20m,）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,7-11,所示。它由磁尺（磁栅）、磁头和检测电路组成。,磁栅和其它类型的位移传感器相比，具有,图,7-11,磁栅位移传感器的结构示意图,图7-11 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,7-12,为磁信号与输出信号波形图。,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。,当磁尺与磁头之间产生相对位移时，磁头的铁芯使磁尺,图,7-12,磁信号与磁头输出信号波形图,图7-12 磁信号与磁头输出信号波形图,7.4,热释电式接近传感器,7.4 热释电式接近传感器,接近传感器是一种具有感知物体接近能力的器件。,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。,接近传感器又称为接近开关。,常见的接近传感器有电容式、涡流式、霍尔效应式、光电式、热释电式、多普勒式、电磁感应式、微波式、超声波式。,接近传感器是一种具有感知物体接近能力的器件。,热释电式接近传感器是用热释电元件的热释电效应探测人体接近时发出的红外线。,它用于防盗、报警、来客告之及非接触开关等设备中。,图,7-13,为热释电红外报警器电路，由热释电式接近传感器、滤波器、输出转换器、比较器、驱动器和报警电路组成。,热释电式接近传感器是用热释电元件的热释电效应探,图,7-13,热释电红外报警器电路原理,图7-13 热释电红外报警器电路原理,7.5,磁电式转速传感器,7.5 磁电式转速传感器,如图,7-14,所示，由永久磁铁、感应线圈、磁盘等组成。,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。,如图7-14所示，由永久磁铁、感应线圈、磁盘等,图,7-14,磁电式转速传感器结构示意图,图7-14 磁电式转速传感器结构示意图,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。,感应线圈感应脉冲电势，其频率为,f=Zn,当转轴旋转时，磁盘的凸凹齿形将引起磁盘与永久磁铁,根据测定的脉冲频率，可得知被测物体的转速。如果配接数字电路，组成数字式转速测量仪，可直接读出被测物体的转速。,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，这种传感器不适合测量过低的转速，其测量转速下限一般为,50,转,/,秒左右，上限可达数百千转,/,秒。,根据测定的脉冲频率，可得知被测物体的转速。如果配,7.6,多普勒传感器,7.6 多普勒传感器,7.6.1,多普勒效应,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。,7.6.1 多普勒效应,发射机发射无线电波向被测物体辐射，被测物体以速度,v,运动，如图,7-15,（,a,）所示。,被测物体做为接收机接收到的频率为,f,1,=f,0,+v/,0,如果把,f,1,做为反射波向接收机发射信号，如图,6-15,（,b,）所示。接收机接收到的信号频率为,f,2,=f,1,+v/,1,= f,0,+ v/,0,+ v/,1,发射机发射无线电波向被测物体辐射，被测物体以速度,图,7-15,多普勒效应示意图,图7-15 多普勒效应示意图,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,0,=,1,则,：,f,2,= f,0,+ 2v/,0,由多普勒效应产生的频率之差称为多普勒频率，即,：,F,d,= f,2,- f,0,= 2v/,0,由于被测物体的运动速度远小于电磁波的传播速度，则,7.6.2,多普勒雷达测速,被测物体的运动速度,v,可以用多普勒频率来描述。,多普勒雷达的电路原理如图,7-16,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。,7.6.2 多普勒雷达测速,图,7-21,多普勒雷达检测线速度工作原理图,图7-21 多普勒雷达检测线速度工作原理图,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。,F,d,2vcos/,0,Kv (Hz),由差频,F,d,可计算得到物体的运动速度,v,。,该方法广泛用于道路上检测车辆行驶速度。,发射信号和接收到的回波信号经混频器混频，两者产生,7.7,导电式液位传感器,7.7 导电式液位传感器,液位传感器按测定原理可分为：,浮子式液位传感器、,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。,液位传感器按测定原理可分为：,导电式水位传感器如图,7-17,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。,导电式水位传感器如图7-17所示。,图,7-17,导电式水位传感器基本工作原理图,图7-17 导电式水位传感器基本工作原理图,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。,如果水位上升到与检知电极端都接触时，由于水有一定,图,7-23,是一种实用的导电式水位检测器的电路原理图。,电路主要由两个运算放大器组成，,IC,1a,运算放大器及外围元件组成方波发生器，通过电容器,C,1,与检知电极相接。,IC,1b,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。,图7-23是一种实用的导电式水位检测器的电路原理,图,7-18,导电式水位检测器电路原理图,图7-18 导电式水位检测器电路原理图,导电式水位传感器，在日常工作和生活中应用很广泛，,抽水及储水设备、,工业水箱、,汽车水箱等方面均被采用。,导电式水位传感器，在日常工作和生活中应用很广泛，,7.8,流量及流速传感器,7.8 流量及流速传感器,流量及流速传感器的种类有：,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、,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。,流量及流速传感器的种类有：,7.8.1,电磁式流量传感器,如图,7-19,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，电极上便会产生电动势：,7.8.1 电磁式流量传感器,图,7-19,电磁式流量计工作原理图,1-,铁芯,2-,电极,3-,绝缘导管,4-,励磁线圈,5-,液体,图7-19 电磁式流量计工作原理图,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。,管道内液体流动的容积流量与电动势的关系为,7.8.2,电磁式流速传感器,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励磁；,另一路作为采样、鉴相脉冲信号。,7.8.2 电磁式流速传感器,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,U,OUT,流动液体,图,7-20,电磁式流速传感器的电路框图,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,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,U,OUT,。,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。,流动液体在电极上产生的信号经输入回路阻抗变换和前,7.8.3,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,7-21,所示。,7.8.3 涡轮式流速传感器,图,7-21,涡轮流量传感器结构原理图,图7-21 涡轮流量传感器结构原理图,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。,叶轮的叶片可以用导磁材料制作，,7.9,实训,7.9 实训,7.9.1,灯光照射测转盘转速,荧光灯,的闪动频率为,50Hz,S,，灯光照射到转盘上，将会产生反射。,在转盘的圆周均匀画上,m,个,长方形的格子，转动时，若能,稳定,看清楚格子，则转速为,荧光灯,闪动频率的,某一比例数,。,mV=nf,1,增加,荧光灯,闪动频率,（用变频率电源）,到再一次看清楚格子,。,mV= (n-1) f,2,根据两次,荧光,灯的闪动频率可以计算出转盘的转动速度。,mV=f,2,f,1,/(f,2,-f,1,),7.9.1 灯光照射测转盘转速,7.9.2,太阳能热水器水位报警器的装调,电路如图,7-22,所示。,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：,(1),准备电路板、晶体管、电极、报警器等元器件,认识元器件；,(2),装配水位报警器电路；,7.9.2太阳能热水器水位报警器的装调,(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；,(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；,(5),进行正常水位、缺水水位、超高水位时电路的报警实验；,(6),实验过程和结果记录。,(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,图,7-22,太阳能热水器水位报警器,图7-22 太阳能热水器水位报警器,人有了知识，就会具备各种分析能力，,明辨是非的能力。,所以我们要勤恳读书，广泛阅读，,古人说“书中自有黄金屋。,”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，,培养逻辑思维能力；,通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，,培养文学情趣；,通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。,有许多书籍还能培养我们的道德情操，,给我们巨大的精神力量，,鼓舞我们前进,。,人有了知识，就会具备各种分析能力，,第7章位移传感器方案课件,