《位移傳感器》課件.ppt

1,第二章位移檢測傳感器,位移可分為線位移和角位移電阻式、電容式、渦流式、壓電式、感應(yīng)同步式、磁柵式、光電式,位移是指物體的某個表面或某點相對于參考表面或參考點位置的變化。位移有線位移和角位移兩種。線位移是指物體沿著某一條直線移動的距離；角位移是指物體繞著某一定點旋轉(zhuǎn)的角度。在機(jī)械工程中經(jīng)常要精確測量零部件的位移或位置，并且力、壓力、扭矩、速度、加速度、溫度、流量等參數(shù)也可經(jīng)轉(zhuǎn)換為位移進(jìn)行測量。位移測量時，首先要根據(jù)不同的測量對象，選擇適當(dāng)?shù)臏y量點、測量方向和測量儀器。,2,位移傳感器的分類,3,第一節(jié)參量型位移傳感器一、電阻式位移傳感器,4,電阻、電容、電感式位移傳感器的特點,常用的位移傳感器1.電阻式包括電位器式和電阻應(yīng)變式兩類。適用于幾毫米到幾百毫米的位移測量。2.電容式可用來測量0.110mm的線位移和1()到幾十()的角位移。3.電感式電感式位移傳感器分為自感和互感兩類。前者可適于測量較大位移(數(shù)mm到數(shù)百mm)，?；ジ惺?0.1200mm)，電渦流式位移傳感器，可以測量小到微米級，大到幾百毫米的位移。,5,電位器式傳感器,電位器是人們常用到的一種電子元件，它作為傳感器可以將機(jī)械位移或其他能變換成位移的非電量變換為電阻值的變化，并容易轉(zhuǎn)換成電壓的變化。電位器式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，性能穩(wěn)定，對環(huán)境條件要求不高，輸出信號大，易于轉(zhuǎn)換，便于維修的優(yōu)點。其缺點是存在摩擦，分辨力有限，精度不夠高，動態(tài)響應(yīng)較差，僅適于測量變化較緩慢的量，常用作位置信號發(fā)生器。圖3-1(a)和(b)分別為直線位移和角位移傳感器的外形圖。,6,圖3-1電位器式傳感器的外形及電壓轉(zhuǎn)換原理圖（a）直線位移傳感器；(b)角位移傳感器；(c)電位器的位移電壓轉(zhuǎn)換原理圖,7,線繞電位器,結(jié)構(gòu)和工作原理線圈繞于絕緣骨架上，滑動觸點(電刷)在移動過程中,從一匝滑到另一匝時，電阻值隨位移發(fā)生變化。,8,電阻體是由電阻系數(shù)很高的極細(xì)均勻?qū)Ь€，按照一定的規(guī)律整齊地繞在一個絕緣的骨架上制成的。在它與電刷相接觸的部分，將導(dǎo)線表面的絕緣去掉，然后加以拋光，形成一個電刷可在其上滑動的接觸道。電刷通常是由具有彈性的金屬薄片或金屬絲制成，其末端彎曲成弧形，利用電刷與電阻本身的彈性變形產(chǎn)生的彈性力，使電刷與電阻元件有一定的接觸壓力，以使兩者在相對滑動過程中保持可靠的接觸和導(dǎo)電。電位器常用的電阻絲材料為銅鎳合金（銅60、鎳40），電刷為磷青銅，骨架為陶瓷酚醛樹脂等。,9,電位器式傳感器的轉(zhuǎn)換原理根據(jù)電工知識，我們很容易理解電位器的電壓轉(zhuǎn)換原理。電位器的位移電壓轉(zhuǎn)換原理如圖3-1（c）所示。設(shè)電阻體的長度為l，電阻值為R，兩端所加（輸入）電壓為Ui，則滑動端輸出電壓為,(3-1),式中，x為位移量。,10,電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)與類型如圖3-2所示，電位器由電阻元件、電刷、骨架等組成。其形式有直滑式和旋轉(zhuǎn)式，旋轉(zhuǎn)式有單圈和多圈兩種。電刷由觸頭、臂、導(dǎo)向及軸承等裝置組成；觸頭常用銀、鉑銥、鉑銠等金屬；電刷臂用磷青銅等彈性較好的材料；骨架常用陶瓷、酚醛樹脂及工程塑料等絕緣材料。電阻元件有線繞電阻、薄膜電阻、導(dǎo)電塑料電阻、導(dǎo)電玻璃釉電阻等。,11,圖3-2電位器的原理圖（a）直滑式；(b)單圈旋轉(zhuǎn)式；(c)多圈旋轉(zhuǎn)式,12,變阻器式傳感器的性能參數(shù):1)線性(或曲線的一致性);4)移動或旋轉(zhuǎn)角度范圍;2)分辨率;5)電阻溫度系數(shù);3)整個電阻值的偏差;6)壽命;,變阻器式傳感器的分類,按測量類型：,單圈電位器,多圈電位器,直線滑動式電位器,13,一、線繞電位器式傳感器,1.線繞電位器線繞電位器電阻元件由康銅絲、鉑銥合金及卡瑪絲等電阻絲繞制，因而能承受較高的溫度，常被制成功率型電位器，其額定功率范圍一般為0.2550W，阻值范圍為100100k。線繞電位器的突出優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便；缺點是分辨率低，這是由于電阻絲是一匝一匝地繞在骨架上的，當(dāng)接觸電刷從這一匝移到另一匝時，阻值的變化呈階梯式。,14,1、線繞電位器的結(jié)構(gòu),15,16,2、線繞電位器的輸出特性,電阻靈敏度,電壓靈敏度,（1）空載下,17,（2）負(fù)載下,令,分壓系數(shù),負(fù)載系數(shù),18,負(fù)載誤差,相對負(fù)載誤差,一定，對K求一階導(dǎo)數(shù)，并令其=0，得：,令,分壓系數(shù),負(fù)載系數(shù),19,例2-1設(shè)電位器總電阻，要求負(fù)載誤差0.1%，確定負(fù)載電阻。,4、階梯特性、誤差和分辨率,20,階梯誤差,電壓分辨率,行程分辨率,21,2、導(dǎo)電塑料電位器,基體、電阻膜帶、電刷、轉(zhuǎn)軸、導(dǎo)電環(huán),合成膜電位器金屬膜電位器,優(yōu)點：精度、壽命、分辨率、可靠性高、阻值范圍寬,缺點：溫度范圍窄、輸出電流小、輸出阻抗較高結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積和重量大,22,2.非線繞電位器1)合成膜電位器合成膜電位器的電阻體是用具有某一電阻值的懸浮液噴涂在絕緣骨架上形成電阻膜而制成的。其優(yōu)點是分辨率較高，阻值范圍很寬（1004.7M），耐磨性較好，工藝簡單，成本低，線性度好等；主要缺點是接觸電阻大，功率不夠大，容易吸潮，噪聲較大等。,23,2）金屬膜電位器金屬膜電位器由合金、金屬或金屬氧化物等材料通過真空濺射或電鍍方法，在瓷基體上沉積一層薄膜而制成。金屬膜電位器具有無限分辨力，接觸電阻很小，耐熱性好，滿負(fù)荷達(dá)70。與線繞電位器相比，它的分布電容和分布電感很小，特別適合在高頻條件下使用。它的噪聲僅高于線繞電位器。金屬電位器的缺點是耐磨性較差，阻值范圍窄，一般在10100。由于這些缺點，限制了它的使用范圍。,24,3)導(dǎo)電塑料電位器導(dǎo)電塑料電位器又稱實心電位器，這種電位器的電阻是由塑料粉及導(dǎo)電材料的粉料經(jīng)塑壓而成的。導(dǎo)電塑料電位器的耐磨性很好，使用壽命較長，允許電刷的接觸壓力很大，在振動、沖擊等惡劣環(huán)境下仍能可靠工作。此外，它的分辨率較高，線性度較好，阻值范圍大，能承受較大的功率。導(dǎo)電塑料電位器的缺點是阻值易受濕度影響，故精度不易做得很高。導(dǎo)電塑料電位器的標(biāo)準(zhǔn)阻值有1k、2k、5k和10k，線性度為0.1%和0.2%。,25,4）導(dǎo)電玻璃釉電位器導(dǎo)電玻璃釉電位器又稱金屬陶瓷電位器，它是以合金、金屬氧化物或難溶化合物等為導(dǎo)電材料，以玻璃釉粉為粘合劑，混合燒結(jié)在陶瓷或玻璃基體上制成的。導(dǎo)電玻璃釉電位器的耐高溫性、耐磨性好，有較寬的阻值范圍，電阻濕度系數(shù)小且抗?jié)裥詮?。?dǎo)電玻璃釉電位器的缺點是接觸電阻變化大、噪聲大、不易保證測量的高精度。,26,三、電位器式傳感器的應(yīng)用,1、航空飛行高度傳感器,27,2、液面高度測試儀,28,3、電位器式位移傳感器,29,30,3.2應(yīng)變式傳感器,應(yīng)變式傳感器是根據(jù)應(yīng)變原理，通過應(yīng)變片和彈性元件將機(jī)械構(gòu)件的應(yīng)變或應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電阻的微小變化再進(jìn)行電量測量的裝置。其基本構(gòu)成如圖3-3所示。,圖3-3應(yīng)變式傳感器原理框圖,31,應(yīng)變式傳感器具有以下優(yōu)點：（1）測量范圍寬、精度高，如測量力可達(dá)10-1106N、0.05%F.S，測量壓力可達(dá)101011Pa、0.1%F.S，測量應(yīng)變可達(dá)k級；（2）動態(tài)響應(yīng)好，一般電阻應(yīng)變片響應(yīng)時間為10-7s，半導(dǎo)體式應(yīng)變片響應(yīng)時間達(dá)10-11s；(3)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，體積小，重量輕；品種多，價格低，耐惡劣環(huán)境，易于集成化和智能化。,32,3.2.1應(yīng)變效應(yīng)與應(yīng)變靈敏度1.金屬導(dǎo)體的電阻應(yīng)變靈敏度金屬導(dǎo)體的電阻與材料、長度、截面積和溫度有關(guān)。在溫度一定時，其電阻定律為,(3-2）,式中，R為導(dǎo)體的電阻值；l為導(dǎo)體的長度；S為導(dǎo)體的截面積；為導(dǎo)體的電阻率。,33,當(dāng)沿金屬絲長度方向施加力時，其幾何尺寸和電阻率都會變化，從而導(dǎo)致電阻值的變化。經(jīng)證明可得,(3-3）,式中，K為應(yīng)變靈敏度系數(shù)。由表3-1可以看出，金屬應(yīng)變片K2。,34,2.半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)與壓阻系數(shù)對于半導(dǎo)體材料，在某一晶向施加一定應(yīng)力時，其電阻率將產(chǎn)生較大的變化，而幾何尺寸變化很小，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。相應(yīng)的，半導(dǎo)體應(yīng)變電阻也常稱為壓阻元件。半導(dǎo)體材料壓阻靈敏度為,(3-4),式中，E為半導(dǎo)體材料的彈性模量；l為半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)。半導(dǎo)體應(yīng)變片的K約為幾十甚至幾百，遠(yuǎn)大于金屬電阻的應(yīng)變靈敏度。但其溫度穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如金屬電阻應(yīng)變片。,35,3.2.2電阻應(yīng)變片1.電阻應(yīng)變片的類型與結(jié)構(gòu)1）金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片的類型和結(jié)構(gòu)如圖3-4所示，它有絲式、箔式和薄膜式。其中，圖（a）為其結(jié)構(gòu)示意圖，敏感柵粘貼在基底上，上面覆蓋保護(hù)層。基底有紙基和膠基兩種。應(yīng)變片的縱向尺寸為工作長度，反映被測應(yīng)變，其橫向應(yīng)變將造成測量誤差。圓角絲柵橫向應(yīng)變靈敏度高，誤差較大，但耐疲勞性好，一般用于動態(tài)測量。直角絲柵橫向應(yīng)變靈敏度小，因而精度高，但耐疲勞性差，適用于靜態(tài)測量。,36,箔式電阻應(yīng)變片是用光刻技術(shù)將康銅或鎳鉻合金箔腐蝕成柵狀而成。其絲柵形狀可與應(yīng)力分布相適應(yīng)，制成各種專用應(yīng)變片。它的電阻值分散度小，可做成任意形狀，易于大量生產(chǎn)，成本低，散熱性好，允許通過大的電流，靈敏度高，耐蠕變和耐漂移能力強。薄膜應(yīng)變片是采用真空鍍膜技術(shù)在很薄的絕緣基底上蒸鍍金屬電阻材料薄膜，再加上保護(hù)層形成的。其優(yōu)點是靈敏度高，允許通過大的電流。,37,圖3-4金屬電阻應(yīng)變片,38,2）半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片有體型、薄膜型和擴(kuò)散型等形式。圖3-5是體型半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖，它由基片1、條狀半導(dǎo)體2、引線3組成。體型半導(dǎo)體應(yīng)變片是直接用單晶鍺或單晶硅等半導(dǎo)體材料經(jīng)過切割、研磨、切條、焊引線、粘貼等工藝過程制成的。,39,圖3-5體型半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖,40,表3-1應(yīng)變片主要技術(shù)參數(shù),41,2.應(yīng)變片的使用1）電阻應(yīng)變片的選擇選擇時主要考慮尺寸、初始電阻、絕緣電阻及允許工作電流。（1）應(yīng)變片的幾何尺寸：應(yīng)變片的幾何參數(shù)主要是指敏感柵基長l、基寬a和曲率半徑r。一般基長l在335mm范圍內(nèi)，基寬=0.0310mm，圓角絲柵的曲率半徑r=0.10.3mm。,42,（2）應(yīng)變片的初始電阻和絕緣電阻：應(yīng)變片的初始電阻值R0有60、120、200、350、600或1000的應(yīng)變片。絕緣電阻是指敏感柵與基底間的電阻，應(yīng)防止應(yīng)變片與試件間的漏電而造成誤差。（3）允許工作電流和逸散功率：通常在測靜態(tài)量時，允許電流小于25mA。在測動態(tài)量時，允許電流高一些。應(yīng)變片的逸散功率是指當(dāng)電流通過應(yīng)變片時，在溫度允許范圍內(nèi)，單位時間傳給周圍介質(zhì)的熱量。,43,2）電阻應(yīng)變片粘貼電阻應(yīng)變片是粘貼在彈性敏感元件上或被測構(gòu)件上工作的，傳感器的性能在很大程度上取決于粘貼質(zhì)量。電阻應(yīng)變片的粘貼工藝如下：（1）試件的表面處理：必須將試件表面處理干凈，清除雜質(zhì)、油污及表面氧化層等。（2）確定貼片位置：應(yīng)變片應(yīng)貼在試件應(yīng)變最大的部位。,44,（3）粘貼：首先用甲苯、四氫化碳等溶劑清洗試件表面和應(yīng)變片的底面，然后在試件表面和應(yīng)變片的底面各涂一層薄而均勻的粘合劑，將應(yīng)變片貼在確定的位置處。貼片后，在應(yīng)變片上蓋上一張玻璃紙并加壓，排出多余的膠水和氣泡。加壓時要注意防止應(yīng)變片錯位。粘貼應(yīng)變片的粘合劑的種類很多，要根據(jù)基片材料、工作溫度、潮濕程度、穩(wěn)定性、是否加溫加壓以及粘貼時間等多種因素合理選擇粘合劑。（4）固化：根據(jù)所使用的粘合劑的固化工藝要求進(jìn)行固化處理。,45,（5）粘貼質(zhì)量檢查：檢查粘貼位置是否正確，粘合層是否有氣泡和漏貼，敏感柵是否有短路或斷路現(xiàn)象以及敏感柵的絕緣性能等。（6）引線的焊接與防護(hù)：檢查合格后即可焊接引線，引線要適當(dāng)固定。然后在應(yīng)變片上涂一層防護(hù)層，防止大氣對應(yīng)變片的侵蝕。,46,3.2.3轉(zhuǎn)換電路,1.電阻電橋的輸出電壓直流電阻電橋如圖3-6（a）、（b）、（c）所示，其初始狀態(tài)可通過RP1調(diào)零。若采用交流電源供電，則稱為交流電橋，如圖3-6（d）所示，可通過RP1和RP2調(diào)零。當(dāng)電橋平衡時，輸出電壓Uo=0。電橋的平衡條件是對邊臂電阻乘積相等，即,R1R3=R2R4,(3-5）,47,圖3-6常用電橋電路（a）單臂；（b）雙臂；(c)全橋；(d)交流電橋,48,由于通常四個電阻不可能剛好滿足平衡條件，因此電橋都設(shè)置有調(diào)零電路。調(diào)零電路是由RP1及R5組成的。當(dāng)電橋不平衡時，將有電壓輸出。根據(jù)電路原理，其輸出電壓為,（3-6）,當(dāng)四個橋臂電阻R1、R2、R3、R4分別發(fā)生R1、R2、R3、R4的變化量時，式（3-6）分母中將含有變量R項，分子中將含有R2項，因此電橋為非線性特性。在滿足式（3-5）的條件下，略去分母中的R項和分子中的R2項，并經(jīng)整理可得,（3-7）,49,2.應(yīng)變電橋的工作方式對于應(yīng)變式傳感器，其電橋電路可分為全橋、單臂電橋和雙臂電橋工作方式。全橋和雙臂電橋還可構(gòu)成差動工作方式。式（3-7）和式（3-8）為全橋的輸出電壓表達(dá)式。1）半橋單臂工作方式如圖3-6（a）所示，R1為電阻應(yīng)變片，R2、R3、R4為固定電阻，由式（3-7）和式（3-8）得,（3-9）,50,2）半橋雙臂工作方式如圖3-6（b）所示，R1、R2均為電阻應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻，同理可得,（3-10）,51,3）差動電橋由式（3-7）可以看出，相鄰橋臂間為相減關(guān)系，相對橋臂間為相加關(guān)系。因此構(gòu)成差動電橋的條件為：相鄰橋臂應(yīng)變片的應(yīng)變方向應(yīng)相反，相對橋臂應(yīng)變片的應(yīng)變方向應(yīng)相同。如果各應(yīng)變片的應(yīng)變量相等，則稱為對稱電橋。那么，式（3-10）和式（3-7）可分別改寫為,（3-11）,（3-12）,52,3.3電容式傳感器,3.3.1電容式傳感器的類型與特性在物理學(xué)中我們已經(jīng)知道：兩個彼此絕緣而又靠得很近的導(dǎo)體就組成了一個電容器，電容量等于極板所帶電荷量與極板間的電壓之比。平行金屬板間的電容量為,（3-13）,式中，k9109Nm2/C2。,53,1.改變極板間距離的平板電容式傳感器如圖3-7（a）所示，設(shè)A板為一固定極板，B板為一可動極板，當(dāng)B板隨被測位移x移動時，兩板間距離d就發(fā)生變化，從而改變電容量。由圖3-7（b）可知其特性為非線性，但若d很小時，則可以近似為線性特性，而且具有很高的靈敏度（d/d=c/c)。如圖3-7（c）所示為差動式結(jié)構(gòu)，可以提高靈敏度、減小非線性。,54,圖3-7平板電容式傳感器(a)變極距式示意圖；(b)變極距式的特性；(c)差動式示意圖,55,2.改變極板間有效面積的電容式傳感器改變極板間有效面積的電容式傳感器常見的有以下四種：平板式、扇形平板式、柱面板式和圓筒面式，如圖3-8所示。同樣它們也可以做成差動式。平板式和圓筒面式用于測量直線位移，扇形平板和柱面板式用于測量角位移。變面積式電容傳感器的特性為線性特性，測量范圍寬，但靈敏度較低。圓筒面電容式傳感器的電容值可表示為,（3-14）,式中，l為兩圓筒的高度；d為圓筒A的外徑；D為圓筒B的內(nèi)徑；l為沿軸線的位移(單位為cm)；K為系數(shù)，當(dāng)d接近D時，可略去邊緣效應(yīng)，取K=0.55。,56,圖3-8改變極板間有效面積的電容式傳感器（a）平板式；（b）扇形平板；（c）柱面板式；（d）圓筒面式,57,3.改變極板間介質(zhì)的電容式傳感器圖3-9為改變極板間介質(zhì)的電容式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。它的電極間相互位置沒有任何改變，而是靠改變極板間介質(zhì)高度來改變其電容值的。設(shè)被測介質(zhì)的相對介電常數(shù)為r1，空氣的相對介電常數(shù)為r01，介質(zhì)高度為h，傳感器總高度為H，內(nèi)筒的外徑為d，外筒的內(nèi)徑為D，則由式（3-14）可求得傳感器的電容值為,（3-15）,式中，為傳感器的初始電容值?？梢妭鞲衅鞯碾娙菰隽颗c被測液位高度h成正比，故它可以用來測量液位和料位的高度。,58,圖3-9變介質(zhì)電容式傳感器原理圖（a）結(jié)構(gòu)原理示意圖；（b）輸入/輸出特性,59,3.3.2電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路1.橋式電路圖3-10為電容傳感器的橋式轉(zhuǎn)換電路。其中，（a）為單臂接法，高頻電源接到電容電橋的一個對角線上，電容C1、C2、C3、Cx構(gòu)成電容電橋的四臂，Cx為電容傳感器，電橋平衡時輸出電壓為零；Cx變化時電橋平衡被破壞，則有電壓輸出。（b）為差動接法，其空載輸出電壓可表示為uo=CU/C0，C為電容傳感器的電容變化值。（c）為雙T形電橋原理圖，激勵電源為穩(wěn)頻、穩(wěn)幅的高頻對稱方波，它利用二極管控制傳感器電容Cx和電容C的充放電，當(dāng)Cx=C時，負(fù)載RL上流過的平均電流為零；,60,圖3-10電容傳感器的橋式轉(zhuǎn)換電路,61,當(dāng)Cx變化時，負(fù)載RL上得到與電容變化成比例的信號電壓。電容C可以是固定電容，也可以是差動電容的另一邊。雙T形電橋輸出電壓高，可測量高速機(jī)械振動，輸出阻抗與Cx無關(guān)，只決定于電阻R（1100k）,可用毫安表或微安表直接測量。電容式傳感器也可以采用如圖3-6(d)所示的電路，將圖中的C1、C2接成差動電容傳感器的兩個差動電容，由RP1和RP2配合調(diào)節(jié)電橋的平衡。,62,2.差動脈沖調(diào)寬電路圖3-11為差動電容傳感器的脈沖調(diào)寬電路，其輸出電壓經(jīng)低通濾波后的平均值正比于輸入的非電量?？梢宰C明：變極距差動電容傳感器輸出為,（3-16）,變面積差動電容傳感器輸出為,（3-17）,式中，U為觸發(fā)器輸出高電平電壓值。,63,圖3-11差動式電容傳感器脈沖調(diào)寬電路,64,3.3.3電容式傳感器的使用注意事項在應(yīng)用或制造電容式傳感器時，應(yīng)特別注意以下幾點：（1）擊穿電壓：電容式傳感器極板之間的空氣隙d很小，存在介質(zhì)被擊穿的危險，通常在兩極板間加云母片以避免空氣隙被擊穿。（2）極片材料受溫度的影響：由不同材料制造成的傳感器，具有不同的溫度膨脹系數(shù)，為此在決定傳感器尺寸和選材時均要考慮溫度影響。（3）連接線問題：電容式傳感器的電容值均很小，一般在皮法(10-12F)級，因而連接線通常使用分布電容極小的高頻電纜。,65,3.4電感式傳感器,3.4.1自感式傳感器1.變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器變氣隙式自感式傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖3-12所示。其中，（a）為單邊式結(jié)構(gòu)，（b）為差動式結(jié)構(gòu)。它們由鐵芯、線圈、銜鐵、測桿及彈簧等組成。,66,圖3-12變氣隙式自感式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖（a）單邊式；（b）差動式,67,由電工知識可知，線圈的自感量等于線圈中通入單位電流所產(chǎn)生的磁鏈數(shù)，即線圈的自感系數(shù)為,式中，=N為磁鏈；為磁通（Wb）；I為流過線圈的電流（A），N為線圈匝數(shù)。根據(jù)磁路歐姆定律知：,式中，為磁導(dǎo)率；S為磁路截面積；l為磁路總長度。,68,令Rm=l/S為磁路的磁阻，可得線圈的電感量為,（3-18）,圖3-12中的磁路總長度包括鐵芯長度li1、銜鐵長度li2和兩個空氣間隙l0的長度，即l=li1+li2+2l0。因鐵芯和銜鐵均為導(dǎo)磁材料，磁阻可忽略不計，則式（3-18）可改寫為,（3-19）,式中，S0為氣隙的等效截面積；0為空氣的磁導(dǎo)率。只要被測非電量能夠引起空氣隙長度l0或等效截面積S0發(fā)生變化，線圈的電感量就會隨之變化。因此，電感式傳感器從原理上可分為變氣隙長度式和變氣隙截面式兩種類型。,69,1）變氣隙長度式電感傳感器由式（3-19）可知，變氣隙長度式傳感器的特性與圖3-7（b）所示的相同。它具有線性度差、示值范圍窄、自由行程小、在小位移下靈敏度很高的特點。因此，常用于直線小位移的測量，以及結(jié)合彈性敏感元件構(gòu)成壓力傳感器、加速度傳感器等。2）變氣隙截面式電感傳感器如圖3-13所示，旋轉(zhuǎn)銜鐵可改變氣隙的截面積。同樣由式（3-19）可知，變截面式傳感器具有線性度良好、自由行程大、示值范圍寬、靈敏度較低的特點，通常用來測量比較大的直線位移和角位移。,70,圖3-13變氣隙截面式電感傳感器,71,3）差動式結(jié)構(gòu)為了擴(kuò)大示值范圍和減小非線性誤差，可采用差動結(jié)構(gòu)，如圖3-12（b）和3-13所示。將兩個線圈接在電橋的相鄰臂，構(gòu)成差動電橋，不僅可使靈敏度提高一倍，而且可使非線性誤差大為減小。如當(dāng)x/l0=10%時，單邊式非線性誤差小于10，而差動式非線性誤差小于1。,72,2.螺管式（開磁路式）自感式傳感器螺管式自感式傳感器常采用差動式，如圖3-14所示。它是在螺線管中插入圓柱形鐵芯而構(gòu)成的。其磁路是開放的，氣隙磁路占很長的部分。有限長螺線管內(nèi)部磁場沿軸線非均勻分布，中間強，兩端弱。插入鐵芯的長度，不宜過短也不宜過長，一般鐵芯與線圈長度比為0.5，半徑比趨于1為宜。鐵磁材料的選取決定于供橋電源的頻率，500Hz以下多用硅鋼片，500Hz以上多用坡莫合金，更高頻率的則選用鐵氧體。從線性度考慮，匝數(shù)和鐵芯長度有一最佳數(shù)值，應(yīng)通過實驗選定。,73,圖3-14螺管式自感式傳感器結(jié)構(gòu)原理,74,3.電感式傳感器的轉(zhuǎn)換電路電感式傳感器常用交流阻抗電橋和諧振電路實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換。圖3-15為電感式傳感器常用的交流阻抗電橋，電橋的平衡也可用如圖3-6（d）所示的電路來調(diào)節(jié)。圖3-15（a）為電感電橋，為了便于選擇元件，另外兩臂常采用固定電阻，電橋的輸出電壓為,（3-20）,75,圖3-15(b)為變壓器電橋，其中兩橋臂為變壓器二次側(cè)的線圈，Z1、Z2為差動式電感傳感器的線圈，若忽略線圈的電阻變化，則輸出電壓為,（3-21）,當(dāng)銜鐵移動方向相反時，輸出電壓的相位將相差180。,76,圖3-15電感式傳感器電橋電路(a)電感電橋；(b)變壓器電橋,77,3.4.2差動變壓器1.差動變壓器的結(jié)構(gòu)與原理差動變壓器是互感式差動電感傳感器，它的結(jié)構(gòu)分為變隙式和螺管式兩種。由于變隙式行程很小(l00.5mm)，結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，目前多采用螺管式，如圖3-16（a）所示。螺管式差動變壓器的結(jié)構(gòu)仍包括線圈、鐵芯、銜鐵和測桿等。線圈排列的方式有二節(jié)型、三節(jié)型和多節(jié)型幾種。線圈由一次側(cè)線圈、二次側(cè)線圈和骨架組成。骨架常采用絕緣、高頻損耗小、抗潮濕、溫度膨脹系數(shù)小的材料制成圓柱形。,78,普通的可用膠木棒，要求高的則用環(huán)氧玻璃纖維、聚砜塑料或聚四氟乙烯等。骨架的形狀和尺寸要精密對稱。線圈通常用高強度漆包線密繞而成，一般采用3648號漆包線，導(dǎo)線直徑取決于電源電壓和頻率的高低。鐵芯的作用是提供閉合磁回路、磁屏蔽和機(jī)械保護(hù)。銜鐵和鐵芯用同種導(dǎo)磁材料制造。高精度差動變壓器宜用高鎳坡莫合金。鐵芯和銜鐵要經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚恚?yīng)力，以改進(jìn)磁性能。在忽略了鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈間寄生電容的理想情況下，螺管式差動變壓器的等效電路如圖3-16（b）所示。圖中，e1為初級線圈的激勵電勢；L1、R1為初級線圈的電感和電阻；R21、R22為兩個二次線圈的電阻。兩個二次線圈反極性串聯(lián)，因此e2=e21-e22，由電路原理可以得出,e2=k(M1-M2)=kM,（3-22）,79,圖3-16差動變壓器的結(jié)構(gòu)與原理圖（a）結(jié)構(gòu)與原理圖；（b）等效電路,80,2.差動變壓器的特性1）差動變壓器的輸出特性差動變壓器的理想輸出特性如圖3-17（a）所示，在線性范圍內(nèi)，輸出電動勢隨銜鐵正、負(fù)位移而線性增大。,81,圖3-17差動變壓器的輸出特性（a）理想特性；（b）零點殘余電壓；（c）相敏檢波后的特性,82,2）零點殘余電壓實際上，由于工藝上的原因，差動變壓器二次繞組不可能完全對稱，其次由于線圈中的銅損、磁性材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻性、線圈匝間分布電容的存在以及導(dǎo)磁材料磁化特性的非線性引起電流波形畸變而產(chǎn)生的高次諧波，使勵磁電流與所產(chǎn)生的磁通不同相。當(dāng)位移x為零時，輸出電動勢e不等于零，該不為零的輸出電動勢稱為零點殘余電壓，如圖3-17（b）所示。,83,3）靈敏度與激勵電動勢的關(guān)系差動變壓器靈敏度與激勵電動勢有關(guān)，用(mV/mm)/V來表示。e1越大，靈敏越高。但e1也不能過大，過大時將會使差動變壓器線圈發(fā)熱而引起輸出信號漂移，e1可取零點幾伏到數(shù)伏，常取38V。4）靈敏度與激勵電源頻率的關(guān)系激勵電源頻率過高或過低都會使靈敏度降低，常選410kHz。5）靈敏度與二次線圈匝數(shù)的關(guān)系二次線圈匝數(shù)越多，靈敏度越高，兩者成線性關(guān)系。但是匝數(shù)增加，零點殘余電壓也隨之變大。,84,3.消除零點殘余電壓的幾種方法由繞組不對稱引起的零點殘余電壓可以通過調(diào)節(jié)銜鐵初始位置進(jìn)行消除，然而因相位誤差造成的零點殘余電壓是無法通過調(diào)節(jié)銜鐵初始位置進(jìn)行消除的。因此，消除零點殘余電壓的方法可以歸納為以下三種：（1）從設(shè)計和工藝上盡量保證線圈和磁路對稱，選用高性能的導(dǎo)磁材料，導(dǎo)磁體必須經(jīng)過熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。（2）采用相敏檢波電路不僅可以鑒別銜鐵的移動方向，而且有利于消除零點殘余電壓，其特性如圖3-17（c）所示。,85,（3）采用適當(dāng)?shù)难a償電路，如圖3-18所示。圖中，電阻是用康銅絲繞制的，串聯(lián)時的阻值為0.55；并聯(lián)時的阻值為數(shù)十至數(shù)百千歐；并聯(lián)電容的數(shù)值在100500pF范圍內(nèi)。實際補償元件的參數(shù)都要通過實驗來確定。,86,圖3-18差動變壓器的補償電路,87,4.差動變壓器的差動整流電路差動變壓器靈敏度較高，一般滿量程輸出電壓可達(dá)幾伏，在要求不高時，可直接接入整流電路。常用的差動整流電路如圖3-19所示。,88,圖3-19差動整流電路（a）全波電流輸出；（b）半波電流輸出；（c）全波電壓輸出；（d）半波電壓輸出,89,3.5電渦流式傳感器,3.5.1電渦流式傳感器的工作原理成塊的金屬物體置于變化著的磁場中或者在磁場中運動時，在金屬導(dǎo)體中會感應(yīng)出一圈圈自相閉合的電流，稱為電渦流。電渦流式傳感器是一個繞在骨架上的導(dǎo)線所構(gòu)成的空心線圈，它與正弦交流電源接通，通過線圈的電流會在線圈周圍空間產(chǎn)生交變磁場。當(dāng)導(dǎo)電的金屬靠近這個線圈時，金屬導(dǎo)體中便會產(chǎn)生電渦流，如圖3-20所示。渦流的大小與金屬導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率、厚度d、線圈與金屬導(dǎo)體的距離x以及線圈勵磁電流的角頻率等參數(shù)有關(guān)。如果固定其中某些參數(shù)，就能由電渦流的大小測量出另外一些參數(shù)。,90,圖3-20電渦流作用原理圖,91,3.5.2電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)比較簡單，主要是一個繞制在框架上的線圈，目前比較普遍使用的是矩形截面的扁平線圈。線圈的導(dǎo)線應(yīng)選用電阻率小的材料，一般采用高強度漆包銅線。如果要求高一些可用銀線或銀合金線，在高溫條件下使用時可用錸鎢合金線。對線圈框架要求用損耗小、電性能好、熱膨脹系數(shù)小的材料。一般可選用聚四氟乙烯、高頻陶瓷、環(huán)氧玻璃纖維等。在采用線圈與框架端面膠接的形式時，膠水亦要選擇適當(dāng)，一般可以選用粘貼應(yīng)變片用的膠水。如圖3-21所示為CZF-1型傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它采用導(dǎo)線繞在框架上的形式，框架采用聚四氟乙烯。其性能由表3-2列出。,92,圖3-21CZF-1型傳感器的結(jié)構(gòu)圖,93,表3-2CZF-1型傳感器性能一覽表,94,3.5.3電渦流式傳感器的轉(zhuǎn)換電路在電工課程中，我們已經(jīng)知道電感和電容可構(gòu)成諧振電路，因此電感式、電容式和電渦流式傳感器都可以采用諧振電路來轉(zhuǎn)換。諧振電路的輸出也是調(diào)制波，控制幅值變化的稱調(diào)幅波，控制頻率變化的稱調(diào)頻波。調(diào)幅波要經(jīng)過幅值檢波，調(diào)頻波要經(jīng)過鑒頻才能獲得被測量的電壓。諧振電路調(diào)幅原理如圖3-22所示。,95,圖3-22諧振電路調(diào)幅原理圖（a）電路原理圖；（b）諧振特性曲線；（c）調(diào)幅特性,96,CZF-1型電渦流傳感器測量電路框圖如圖3-23所示。晶體振蕩器輸出頻率固定的正弦波，經(jīng)限流電阻R接電渦流傳感器線圈與電容器的并聯(lián)電路。當(dāng)LC諧振頻率等于晶振頻率時輸出電壓幅度最大，偏離時輸出電壓幅度隨之減小，是一種調(diào)幅波。該調(diào)幅信號經(jīng)高頻放大、檢波、濾波后輸出與被測量相應(yīng)變化的直流電壓信號。,97,圖3-23CZF-1型電渦流式傳感器測量電路框圖,98,3.5.4電渦流式傳感器的使用注意事項1.電渦流軸向貫穿深度的影響電渦流的軸向貫穿深度是指渦流密度衰減到等于表面渦流密度的1/e處時與導(dǎo)體表面的距離。渦流在金屬導(dǎo)體中的軸向分布是按指數(shù)規(guī)律衰減的，衰減深度t可以表示為,（3-23）,式中，為導(dǎo)體電阻率；f為勵磁電源的頻率。,99,為充分利用電渦流以獲得準(zhǔn)確的測量效果，使用時應(yīng)注意以下兩點：（1）導(dǎo)體厚度的選擇：利用電渦流式傳感器測距離時，應(yīng)使導(dǎo)體的厚度遠(yuǎn)大于電渦流的軸向貫穿深度；采用透射法測厚度時，應(yīng)使導(dǎo)體的厚度小于軸向貫穿深度。（2）勵磁電源頻率的選擇：導(dǎo)體材料確定之后，可以通過改變勵磁電源頻率來改變軸向貫穿深度。電阻率大的材料應(yīng)選用較高的勵磁頻率，電阻率小的材料應(yīng)選用較低的勵磁頻率。,100,2.電渦流的徑向形成范圍線圈電流所產(chǎn)生的磁場不能涉及到無限大的范圍，電渦流密度也有一定的徑向形成范圍。在線圈軸線附近，電渦流的密度非常小，愈靠近線圈的外徑處，電渦流的密度愈大，在等于線圈外徑1.8倍處，電渦流密度將衰減到最大值的5。為了充分利用渦流效應(yīng)，被測金屬導(dǎo)體的橫向尺寸應(yīng)大于線圈外徑的1.8倍；對圓柱形被測物體，其直徑應(yīng)大于線圈外徑的3.5倍。,101,3.電渦流強度與距離的關(guān)系電渦流強度隨著距離與線圈外徑比值的增加而減少,當(dāng)線圈與導(dǎo)體之間的距離大于線圈半徑時，電渦流強度已經(jīng)很微弱。為了能夠產(chǎn)生相當(dāng)強度的電渦流效應(yīng)，通常取距離與線圈外徑的比值為0.050.15。4.非被測金屬物的影響由于任何金屬物體接近高頻交流線圈時都會產(chǎn)生渦流，為了保證測量精度，測量時應(yīng)禁止其他金屬物體接近傳感器線圈。,102,3.6相敏檢波,3.6.1調(diào)制與解調(diào)的概念調(diào)制是利用直流或低頻信號來控制高頻振蕩的過程。原始的低頻控制信號稱為調(diào)制信號。受控的高頻振蕩信號稱為載波信號。經(jīng)過調(diào)制后的信號稱為已調(diào)信號。載波信號的振幅、頻率和相位都可受調(diào)制信號的控制，相應(yīng)的調(diào)制分別稱為調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）。一般載波頻率應(yīng)大于調(diào)制信號頻率的10倍以上，通常取20倍。,103,解調(diào)是從已調(diào)信號中取出（恢復(fù)）原始信號（調(diào)制信號）的過程。與調(diào)制相對應(yīng)，有鑒幅（檢波）、鑒頻和鑒相。如前面所講的交流電橋，傳感器參數(shù)的變化為調(diào)制信號，電橋的供電電源為載波信號，輸出為調(diào)幅信號。由電感、電容、電渦流式傳感器構(gòu)成的諧振電路，當(dāng)LC諧振電路作信號源的負(fù)載時，則輸出調(diào)幅信號；當(dāng)LC諧振電路作信號源的振蕩回路時，則輸出調(diào)頻信號。因此，信號在經(jīng)過交流放大后都需要接入相應(yīng)的解調(diào)電路：檢波電路、鑒頻電路或鑒相電路。,104,3.6.2交流電橋的調(diào)幅作用用交流電源激勵的交流電橋輸出信號是一個頻率和相位與激勵源相同，幅度受橋臂變化信號調(diào)制的雙邊帶調(diào)幅波。如圖3-24所示，設(shè)橋臂變化信號為R=R（t），激勵電源電壓為ui=uimcos(t+)，則電橋輸出電壓為,uo=KR（t）uimcos(t+)=uomcos(t+),式中，K為接法系數(shù)。當(dāng)R1=R2=R3=R4時，半橋單臂接法K=1/（4R0），半橋差動接法K=1/（2R0），全橋接法K=1/R0；uom=KuimR（t），為輸出電壓幅值。,105,圖3-24交流電橋的調(diào)幅特性,106,3.6.3相敏檢波電路1.二極管相敏檢波電路圖3-25為二極管相敏檢波電路的一般形式。它由四個二極管順向串聯(lián)成一個閉合回路，四個端點分別接變壓器T1、T2的二次側(cè)。T1、T2均有中心抽頭，輸出檢波后的信號接至負(fù)載。T1的一次側(cè)輸入調(diào)幅波ui，T2的一次側(cè)輸入?yún)⒖茧妷簎r，ur可直接取自載波，它與ui頻率相同，相位相同或相反，比ui幅度大35倍。變壓器的極性標(biāo)定如圖中所示。,107,圖3-25二極管相敏檢波電路的一般形式,108,二極管相敏檢波電路的工作原理分析如下：（1）當(dāng)調(diào)制信號為正時，ui與載波相位相同，故ur與ui相位也相同。在ui的正半周時，ur給二極管VD3、VD4正向偏置使之導(dǎo)通，給VD1、VD2反向偏置使之截止。輸入調(diào)幅信號ui經(jīng)T1二次側(cè)的下半邊輸出uy/2并經(jīng)VD3、T2二次側(cè)的右半邊和電流表構(gòu)成回路，電流方向為上正下負(fù)，并設(shè)其為正方向。在ui的負(fù)半周時，ur使VD3、VD4截止，VD1、VD2導(dǎo)通。輸入調(diào)幅信號ui經(jīng)T1二次側(cè)的上半邊輸出uy/2并經(jīng)VD1、T2二次側(cè)的左半邊和電流表構(gòu)成回路，電流方向為正。,109,（2）當(dāng)調(diào)制信號為負(fù)時，ui與載波相位相反，故ur與ui相位也相反。在ui的正半周時，ur為負(fù)，電流經(jīng)T1二次側(cè)的上半邊、VD2、T2二次側(cè)的右半邊，方向為負(fù)。在ui的負(fù)半周時，ur為正，電流經(jīng)T1二次側(cè)的下半邊、VD4、T2二次側(cè)的左半邊，方向為負(fù)。,110,2.相敏檢波的特點綜上所述，相敏檢波器是對調(diào)幅信號與參考信號間相位敏感的檢波器，它有以下特點：（1）相敏檢波輸出信號的極性與調(diào)制信號極性相同，即能識別方向。（2）相敏檢波輸出信號的幅值與調(diào)制信號的幅值相同，即能表示被測值。（3）相敏檢波輸出信號的頻率等于載波頻率的二倍。因此，只要在相敏檢波后加入適當(dāng)?shù)牡屯V波器，便可得到調(diào)制波信號。如果測量裝置頻率響應(yīng)較低，如磁電式電流表，也可不加濾波器。,111,3.運算放大器組成的相敏檢波電路用運算放大器組成的差動變壓器的相敏檢波電路如圖3-26所示，它由運算放大器（A1、A2、A3、A4）、振蕩器OSC、反相器A5和四個二極管組成。差動變壓器輸出電壓經(jīng)A1放大加于A2的反相端和A3的同相端，振蕩器信號加于A3的反相端并經(jīng)反相加于A2的同相端。當(dāng)差動變壓器輸出信號與振蕩器信號同相時，A3輸出大于A2輸出，經(jīng)A4放大輸出正相位；相位相反時輸出相位也相反。振蕩信號經(jīng)A4放大輸出相互抵消。因此，經(jīng)A4只放大輸出差動變壓器的輸出信號。,112,圖3-26運算放大器組成的相敏檢波電路,113,4.集成模擬乘法器相敏檢波電路圖3-27為用集成模擬乘法器LM1496實現(xiàn)相敏檢波的電路。該電路的工作電壓為30V，常用9V；信號輸入端最大電壓為5V；載波輸入端為5V；偏置電流為12mA。,114,圖3-27用集成模擬乘法器LM1496實現(xiàn)相敏檢波的電路,115,容柵數(shù)顯卡尺圖6-28為SYLVAC的數(shù)顯量具外觀圖。數(shù)顯游標(biāo)卡尺量程為1501000mm；數(shù)顯內(nèi)徑千分尺的內(nèi)徑測量范圍為2308mm；內(nèi)外徑測量游標(biāo)卡尺測量范圍為外徑01000mm，內(nèi)徑501050mm。,116,圖6-28SYLVAC的數(shù)顯量具外觀圖（a）數(shù)顯游標(biāo)卡尺；（b）電子數(shù)字式量角器；（c）電子內(nèi)徑千分卡尺；（d）水平方向內(nèi)外徑游標(biāo)卡尺,117,3.數(shù)顯千分尺圖6-29是采用光縫盤編碼器的數(shù)顯千分尺外觀圖。由于其耗電較大，近期的產(chǎn)品較少采用。,圖6-29三豐數(shù)顯千分尺外觀圖,118,用容柵傳感器取代光縫式傳感器構(gòu)成的容柵數(shù)顯千分尺，由旋轉(zhuǎn)容柵（感應(yīng)容柵）和固定容柵（激磁容柵）兩個元件組成，如圖6-30所示。旋轉(zhuǎn)容柵上面有5塊獨立的、互相隔離且均勻分布的金屬導(dǎo)片，其余部分的金屬連成一片和地相通，形成感應(yīng)極，如圖6-30（a)JP所示。固定容柵是激磁容柵，它的外圈均勻分布著40條金屬導(dǎo)片，共分成8組，每組5條導(dǎo)片，通過金屬化小孔，從背面每隔4條連成一組，形成發(fā)射極，如圖6-30（b)所示。它的中間有兩圈金屬環(huán)是接收極，里圈的金屬環(huán)接地。安裝時固定容柵不動，旋轉(zhuǎn)容柵隨螺桿旋轉(zhuǎn)，由接收極送出角位移信號。這種容柵傳感器只有兩個元件，結(jié)構(gòu)簡單；但只有5組40條導(dǎo)片，精度稍低。,119,圖6-30數(shù)顯千分尺用容柵（a）感應(yīng)容柵；（b）激磁容柵,120,4.數(shù)顯高度較先進(jìn)的數(shù)顯高度尺可測量工件的高度、長度、內(nèi)孔直徑、孔距尺寸和形狀位置公差（直線度、垂直度），在高度尺上裝有系統(tǒng)誤差自動補償機(jī)構(gòu)，測量結(jié)果由液晶顯示，這種數(shù)顯尺采用玻璃光柵作檢測元件。高度尺底座中裝有空氣軸承，當(dāng)按開關(guān)時，氣泵打氣使底座和檢驗平臺之間形成幾個微米的氣墊，以使移動輕快，便于操作，同時也減少了磨損。圖6-31是TRIMOS公司的高度尺外觀圖。,121,圖6-31TRIMOS的高度尺（a）電子高度測量和垂直檢測儀；（b）電子高度測量和劃線儀（c）電子工具預(yù)調(diào)和二軸向測量儀,122,5.數(shù)顯百分表（千分表）圖6-32是數(shù)顯千分表的外觀圖。它具有數(shù)字和模擬兩種顯示功能，數(shù)字讀數(shù)表示零位偏差，模擬顯示表示測量情況。模擬顯示扇形顯示刻度值，超差時閃光顯示，有六個功能開關(guān)自動對零，還有上下定位和測桿限位信號，采用堿性電池供電，量桿為淬硬不銹鋼。,123,圖6-32數(shù)顯千分表外觀圖,124,大位移檢測傳感器,一、光柵位移傳感器二、感應(yīng)同步器三、磁柵位移傳感器,125,一、光柵位移傳感器,1、光柵的構(gòu)造：,126,2、工作原理,一、光柵位移傳感器,把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，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，它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列，如圖所示。,127,莫爾條紋具有如下特點：1.莫爾條紋的位移與光柵的移動成比例。光柵每移動過一個柵距W，莫爾條紋就移動過一個條紋間距B2.莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為3.莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。,一、光柵位移傳感器,128,通過光電元件，可將莫爾條紋移動時光強的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號，如圖所示。,一、光柵位移傳感器,其電壓為：,129,將此電壓信號放大、整形變換為方波，經(jīng)微分轉(zhuǎn)換為脈沖信號，再經(jīng)辨向電路和可逆計數(shù)器計數(shù)，則可用數(shù)字形式顯示出位移量，位移量等于脈沖與柵距乘積。測量分辨率等于柵距。,一、光柵位移傳感器,130,1.感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu),二、感應(yīng)同步器,sin,cos,節(jié)距2（2mm）,節(jié)距（0.5mm）,滑尺,定尺,131,包括定尺和滑尺，用制造印刷線路板的腐蝕方法在定尺和滑尺上制成節(jié)距T(一般為2mm)的方齒形線圈。定尺繞組是連續(xù)的，滑尺上分布著兩個勵磁繞組，分別稱為正弦繞組和余弦繞組。當(dāng)正弦繞組與定尺繞組相位相同時，余弦繞組與定尺繞組錯開1/4節(jié)距?；吆投ǔ呦鄬ζ叫邪惭b，其間保持一定間隙（0.050.2mm）。,二、感應(yīng)同步器,132,2.感應(yīng)同步器的工作原理在滑尺的繞組中，施加頻率為f（一般為210kHz）的交變電流時，定尺繞組感應(yīng)出頻率為f的感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢的大小與滑尺和定尺的相對位置有關(guān)。設(shè)正弦繞組供電電壓為Us，余弦繞組供電電壓為Uc，移動距離為x，節(jié)距為T，則正弦繞組單獨供電時，在定尺上感應(yīng)電勢為,二、感應(yīng)同步器,133,余弦繞組單獨供電所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為,二、感應(yīng)同步器,由于感應(yīng)同步器的磁路系統(tǒng)可視為線性，可進(jìn)行線性疊加，所以定尺上總的感應(yīng)電勢為,134,式中：K定尺與滑尺之間的耦合系數(shù)；定尺與滑尺相對位移的角度表示量（電角度）T節(jié)距，表示直線感應(yīng)同步器的周期，標(biāo)準(zhǔn)式直線感應(yīng)同步器的節(jié)距為2mm。利用感應(yīng)電壓的變化可以求得位移X，從而進(jìn)行位置檢測。,二、感應(yīng)同步器,135,3.測量方法根據(jù)對滑尺繞組供電方式的不同，以及對輸出電壓檢測方式的不同，感應(yīng)同步器的測量方式有鑒相式和鑒幅式兩種工作法。,二、感應(yīng)同步器,136,(1)鑒相式工作法滑尺的兩個勵磁繞組分別施加相同頻率和相同幅值，但相位相差90o的兩個電壓，設(shè),二、感應(yīng)同步器,則,從上式可以看出，只要測得相角，就可以知道滑尺的相對位移x：,137,二、感應(yīng)同步器,2.鑒幅工作法在滑尺的兩個勵磁繞組上分別施加相同頻率和相同相位，但幅值不等的兩個交流電壓：,則：,由上式知，感應(yīng)電勢的幅值隨著滑尺的移動作正弦變化。因此，可以通過測量感應(yīng)電動勢的幅值來測得定尺和滑尺之間的相對位移。,138,1.磁柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu),三、磁柵位移傳感器,1磁性膜2基體3磁尺4磁頭5鐵芯6勵磁繞組7拾磁繞組,139,2.原理：在用軟磁材料制成的鐵芯上繞有兩個繞組，一個為勵磁繞組，另一個為拾磁繞組，將高頻勵磁電流通入勵磁繞組時，當(dāng)磁頭靠近磁尺時在拾磁線圈中感應(yīng)電壓為：,三、磁柵位移傳感器,U0輸出電壓系數(shù)；磁尺上磁化信號的節(jié)距；磁頭相對磁尺的位移；勵磁電壓的角頻率。,式中：,在實際應(yīng)用中，需要采用雙磁頭結(jié)構(gòu)來辨別移動的方向,140,3.測量方式(1)鑒幅測量方式如前所述，磁頭有