第7章 位移傳感器

第7章位移傳感器

7.1機械位移傳感器

7.2光柵位移傳感器

7.3磁柵位移傳感器

7.4熱釋電式接近傳感器

7.5磁電式轉速傳感器

7.6多普勒傳感器

7.7導電式液位傳感器

7.8流量及流速傳感器

7.9實訓7.1機械位移傳感器機械位移傳感器用來測量位移、距離、位置、尺寸、角度、角位移等幾何學量。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7-1所示。根據(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。機械位移傳感器是應用最多的傳感器之一，品種繁多。機械位移傳感器數(shù)字式模擬式光柵式磁柵式電位器式電阻應變式電容式螺旋管電感式差動變壓器式渦流式光電式霍爾器件式微波式超聲波式圖7.1機械位移傳感器的分類7.1.1電位器式機械位移傳感器1.電位器的基本概念圖7-2是電位器的結構圖。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端的電阻值就是電阻體的總阻值。轉軸和滑動臂相連，在滑動臂的一端裝有電刷，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7-2電位器的一般結構

圖7-3是電位器電路圖。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。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。圖7-3電位器電路常見用于傳感器的電位器有：線繞式電位器、合成膜電位器、金屬膜電位器、導電塑料電位器、導電玻璃釉電位器、光電電位器。2.電位器的主要技術參數(shù)(1)最大阻值和最小阻值，指電位器阻值變化能達到的最大值和最小值；(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；(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；(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。7.1.2電容式位移傳感器將機械位移量轉換為電容量變化的傳感器稱為電容式位移傳感器。變極距式電容傳感器可進行線位移的測量，變面積式電容傳感器可進行角位移的測量。圖7-4是變極距式電容傳感器用于軋制板材厚度自動控制的工作原理圖。圖7-4自動控制軋制板材設備

在被軋制板材的上、下兩側各置一塊面積相等、與板材距離相等的金屬極板，極板與板材形成兩個電容器C1、C2。兩塊極板連接為一個電極，板材為另一個電極，則總電容為兩個電容器并聯(lián)，CX＝C1＋C2?？傠娙軨X和調節(jié)電容C0、變壓器次級L1、L2構成交流電橋。

電橋輸出信號為

當軋制板材的厚度為要求值時，交流電橋平衡，無輸出信號。

當被軋制板材的厚度相對于要求值發(fā)生變化時，則CX變化。若CX增大，表明板材厚度變厚，若CX減小，表明板材變薄。電橋失去平衡，輸出和CX變化成比例的信號。計算后顯示變化的板材厚度。該變化信號送到壓力調節(jié)設備，調節(jié)軋輥，使軋制的板材的厚度向要求值變化。

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。

7.1.4差動變壓器式機械位移傳感器如圖7-6所示。初級線圈L1加交流勵磁電壓Uin，次級線圈上產生感應電壓。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。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7-6差動變壓器結構原理圖7.2光柵位移傳感器7.2.1莫爾條紋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。用玻璃制成的光柵稱為透射光柵，它是在透明玻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。圖7-7光柵結構放大圖

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。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θ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。圖7-8莫爾條紋

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d－d線區(qū)所示。圖7-8中f－f線區(qū)則是由于光柵的遮光效應形成的。莫爾條紋有兩個重要的特性：(1)當指示光柵不動，主光柵左右平移時，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下移動。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。(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。當兩個等距光柵的柵間夾角θ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)：當θ角較小時，例如θ=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。可以實現(xiàn)高靈敏的位移測量。條紋間距與柵距的關系為：7.2.2光柵位移傳感器的結構及工作原理如圖7-9所示，由主光柵、指示光柵、光源和光電器件等組成。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。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7-9光柵位移傳感器的結構原理圖

7.2.3光柵位移傳感器的應用測量精度高（分辨率為0.1μm），動態(tài)測量范圍廣（0～1000mm），可進行無接觸測量，容易實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和數(shù)字化。廣泛應用于量具、數(shù)控機床的閉環(huán)反饋控制、工作母機的坐標測量等方面。7.3磁柵位移傳感器磁柵是一種有磁化信息的標尺。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。并用錄音磁頭沿長度方向按一定的激光波長λ錄上磁性刻度線而構成的。因此又把磁柵稱為磁尺。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。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。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。圖7-10磁柵的基本結構

磁柵和其它類型的位移傳感器相比，具有結構簡單、使用方便、動態(tài)范圍大（1～20m）和磁信號可以重新錄制等優(yōu)點。缺點是需要屏蔽和防塵。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7-11磁柵位移傳感器的結構示意圖

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。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。圖7-12為磁信號與輸出信號波形圖。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7-12磁信號與磁頭輸出信號波形圖

7.4熱釋電式接近傳感器接近傳感器是一種具有感知物體接近能力的器件。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。接近傳感器又稱為接近開關。常見的接近傳感器有電容式、渦流式、霍爾效應式、光電式、熱釋電式、多普勒式、電磁感應式、微波式、超聲波式。熱釋電式接近傳感器是用熱釋電元件的熱釋電效應探測人體接近時發(fā)出的紅外線。它用于防盜、報警、來客告之及非接觸開關等設備中。圖7-13為熱釋電紅外報警器電路，由熱釋電式接近傳感器、濾波器、輸出轉換器、比較器、驅動器和報警電路組成。圖7-13熱釋電紅外報警器電路原理

7.5磁電式轉速傳感器如圖7-14所示，由永久磁鐵、感應線圈、磁盤等組成。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。圖7-14磁電式轉速傳感器結構示意圖

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。感應線圈感應脈沖電勢，其頻率為f=Z·n

根據(jù)測定的脈沖頻率，可得知被測物體的轉速。如果配接數(shù)字電路，組成數(shù)字式轉速測量儀，可直接讀出被測物體的轉速。被測轉速很低時，輸出脈沖電勢的幅值很小，以致無法測量出來。所以，這種傳感器不適合測量過低的轉速，其測量轉速下限一般為50轉/秒左右，上限可達數(shù)百千轉/秒。

7.6多普勒傳感器7.6.1多普勒效應假若發(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。發(fā)射機發(fā)射無線電波向被測物體輻射，被測物體以速度v運動，如圖7-15（a）所示。被測物體做為接收機接收到的頻率為f1=f0+v/λ0

如果把f1做為反射波向接收機發(fā)射信號，如圖6-15（b）所示。接收機接收到的信號頻率為f2=f1+v/λ1=f0+v/λ0+v/λ1圖7-15多普勒效應示意圖

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λ0=λ1則：f2=f0+2v/λ0

由多普勒效應產生的頻率之差稱為多普勒頻率，即：Fd=f2-f0=2v/λ07.6.2多普勒雷達測速被測物體的運動速度v可以用多普勒頻率來描述。多普勒雷達的電路原理如圖7-16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。圖7-21多普勒雷達檢測線速度工作原理圖發(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

＝2vcosθ/λ0

＝Kv(Hz)由差頻Fd

可計算得到物體的運動速度v。該方法廣泛用于道路上檢測車輛行駛速度。7.7導電式液位傳感器液位傳感器按測定原理可分為：浮子式液位傳感器、平衡浮筒式液位傳感器、壓差式液位傳感器、電容式液位傳感器、導電式液位傳感器、超聲波式液位傳感器、放射線式液位傳感器。導電式水位傳感器如圖7-17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。圖7-17導電式水位傳感器基本工作原理圖

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。如果把輸出電壓和控制電路連接起來，便可對供水系統(tǒng)進行自動控制。

圖7-23是一種實用的導電式水位檢測器的電路原理圖。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。

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。圖7-18導電式水位檢測器電路原理圖

導電式水位傳感器，在日常工作和生活中應用很廣泛，抽水及儲水設備、工業(yè)水箱、汽車水箱等方面均被采用。7.8流量及流速傳感器流量及流速傳感器的種類有：電磁式流量傳感器、渦流式流量傳感器、超聲波式流量傳感器、熱導式流速傳感器、激光式流速傳感器、光纖式流速傳感器、浮子式流量傳感器、渦輪式流量傳感器、空間濾波器式流量傳感器。7.8.1電磁式流量傳感器如圖7-19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，電極上便會產生電動勢：圖7-19電磁式流量計工作原理圖1-鐵芯2-電極3-絕緣導管4-勵磁線圈5-液體

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。7.8.2電磁式流速傳感器如圖7-20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；另一路作為采樣、鑒相脈沖信號。傳感器輸入回路前置放大器主放大器勵磁放大器直流放大器濾波器方波發(fā)生器采樣、倒相、鑒相器UOUT流動液體圖7-20電磁式流速傳感器的電路框圖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。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。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。7.8.3