第4章位移、物位傳感器

1、u了解位移的概念及種類了解位移的概念及種類u熟悉常用位移傳感器的工作原理熟悉常用位移傳感器的工作原理學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)目的4.1 電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器 4.2 光柵位移傳感器光柵位移傳感器 4.3 磁柵位移傳感器磁柵位移傳感器 4.4 接近傳感器接近傳感器 4.5 液位傳感器液位傳感器 4.6 電容式物位傳感器電容式物位傳感器 4.7 流量傳感器流量傳感器 主要內(nèi)容返回主目錄概述在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，位移的測(cè)量是一種最基本的測(cè)量在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，位移的測(cè)量是一種最基本的測(cè)量工作，它的特性是工作，它的特性是測(cè)量空間距離的大小測(cè)量空間距離的大小，如，如距離、位距離、位置、尺寸、角度置、尺寸、

2、角度等等。按照位移的特征按照位移的特征位移傳感器分類位移傳感器分類線位移線位移機(jī)構(gòu)沿著某一條直線移動(dòng)的距離機(jī)構(gòu)沿著某一條直線移動(dòng)的距離角位移角位移機(jī)構(gòu)沿著某一定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度機(jī)構(gòu)沿著某一定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度根據(jù)傳感器的工作原理根據(jù)傳感器的工作原理電阻式位移傳感器電阻式位移傳感器電容式位移傳感器電容式位移傳感器電感式位移傳感器電感式位移傳感器光電式位移傳感器、光柵以及磁柵光電式位移傳感器、光柵以及磁柵感應(yīng)同步器、激光位移傳感器感應(yīng)同步器、激光位移傳感器根據(jù)輸出信號(hào)根據(jù)輸出信號(hào)模擬式模擬式數(shù)字式數(shù)字式根據(jù)傳感器原理和使用方法根據(jù)傳感器原理和使用方法接觸式接觸式非接觸式非接觸式電容式電容式位移傳感器、位移傳

3、感器、差動(dòng)電感式位移傳感器差動(dòng)電感式位移傳感器和和電阻電阻應(yīng)變式應(yīng)變式位移傳感器，一般用于位移傳感器，一般用于小位移小位移的測(cè)量的測(cè)量( (幾微幾微米幾毫米米幾毫米) )差動(dòng)變壓器式差動(dòng)變壓器式位移傳感器用于位移傳感器用于中等位移中等位移的測(cè)量的測(cè)量( (幾幾毫米毫米100100毫米左右毫米左右) )。電阻電位器式位移傳感器適用于電阻電位器式位移傳感器適用于較大范圍較大范圍位移的測(cè)位移的測(cè)量，但精度不高。量，但精度不高。感應(yīng)同步器、光柵、磁柵、激光位移傳感器用于感應(yīng)同步器、光柵、磁柵、激光位移傳感器用于精精密密檢測(cè)系統(tǒng)位移的測(cè)量，測(cè)量精度高檢測(cè)系統(tǒng)位移的測(cè)量，測(cè)量精度高( (可達(dá)可達(dá)1 1 m

4、)m)， 量程也可大到幾米。量程也可大到幾米。位移傳感器不僅用于直接測(cè)量角位移和線位移的位移傳感器不僅用于直接測(cè)量角位移和線位移的場(chǎng)合，而且在其他物理量如力、壓力、應(yīng)變、液位場(chǎng)合，而且在其他物理量如力、壓力、應(yīng)變、液位等能轉(zhuǎn)換成位移的任何場(chǎng)合中，也廣泛作為測(cè)量和等能轉(zhuǎn)換成位移的任何場(chǎng)合中，也廣泛作為測(cè)量和控制反饋傳感器用?？刂品答亗鞲衅饔谩ｋ娙菔絺鞲衅?、電感式傳感器和電阻應(yīng)變式傳感電容式傳感器、電感式傳感器和電阻應(yīng)變式傳感器前面章節(jié)已經(jīng)詳細(xì)講解，本章主要介紹器前面章節(jié)已經(jīng)詳細(xì)講解，本章主要介紹電位器式電位器式位移傳感器、光柵位移傳感器、磁柵位移傳感器、位移傳感器、光柵位移傳感器、磁柵位移傳感器

5、、液位位移傳感器液位位移傳感器等等。返回本章目錄返回本章目錄4.1 電位器式位移傳感器4.1.1. 電位器的基本概念電位器的基本概念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)械位移轉(zhuǎn)換為與其有一定函數(shù)關(guān)系的電阻值的變化，從而機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為與其有一定函數(shù)關(guān)系的電阻值的變化，從而引起電路中輸出電壓的變化。引起電路中輸出電壓的變化。圖圖4-1 4-1 電位器結(jié)構(gòu)電位器結(jié)構(gòu)xRRxLabRLxRx分壓器兩邊電阻的比值為分壓器兩邊電阻的比值為 當(dāng)電刷沿電阻體的接觸表面從當(dāng)電刷沿電阻體的接觸表面從b b端移端移向向a a時(shí)，在電刷兩邊的電阻體

6、阻值隨之時(shí)，在電刷兩邊的電阻體阻值隨之發(fā)生變化。設(shè)電阻體全長(zhǎng)為發(fā)生變化。設(shè)電阻體全長(zhǎng)為L(zhǎng) L，總電阻，總電阻為為R R，則當(dāng)電刷移動(dòng)距離為，則當(dāng)電刷移動(dòng)距離為x x時(shí)，變阻器時(shí)，變阻器的電阻值為的電阻值為 電位器由電位器由電阻體和電刷電阻體和電刷（也稱可動(dòng)觸點(diǎn)）兩部分組成，（也稱可動(dòng)觸點(diǎn)）兩部分組成，圖圖4-1 4-1 電位器結(jié)構(gòu)電位器結(jié)構(gòu)xRUIxLxUUxL若以恒定電流若以恒定電流I I從電阻體的從電阻體的a a端流入，并將電阻體的端流入，并將電阻體的b b端端接地，則變阻器和分壓器的輸出接地，則變阻器和分壓器的輸出電阻體電阻體b b 端接地，則分壓器輸出電壓端接地，則分壓器輸出電壓U若在

7、分壓器的兩端施加電壓若在分壓器的兩端施加電壓 電位器的輸出信號(hào)均與電刷的位移量成電位器的輸出信號(hào)均與電刷的位移量成比例，實(shí)現(xiàn)了比例，實(shí)現(xiàn)了位移與輸出位移與輸出電信號(hào)電信號(hào)的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系。關(guān)系。 因此，這類傳感器可用于因此，這類傳感器可用于測(cè)量機(jī)械位移量測(cè)量機(jī)械位移量，或可測(cè)量已轉(zhuǎn)換成位移量的其它物理量（如或可測(cè)量已轉(zhuǎn)換成位移量的其它物理量（如壓力、振動(dòng)加速度等）。壓力、振動(dòng)加速度等）。這種類型傳感器這種類型傳感器特點(diǎn)特點(diǎn)是：是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，輸出信號(hào)大輸出信號(hào)大；分辨率不高，分辨率不高，精度也不高精度也不高；動(dòng)態(tài)響動(dòng)態(tài)響 應(yīng)較差應(yīng)較差，不適于動(dòng)態(tài)快速測(cè)量。，

8、不適于動(dòng)態(tài)快速測(cè)量。4.1.2 電位器的類型、結(jié)構(gòu)與材料電位器式傳感器電位器式傳感器按結(jié)構(gòu)形式按結(jié)構(gòu)形式圖圖4-2 4-2 電位器結(jié)構(gòu)形式電位器結(jié)構(gòu)形式直線位移型直線位移型角位移型角位移型按工藝特點(diǎn)按工藝特點(diǎn)線繞式線繞式非線繞式非線繞式按制作材料按制作材料繞線式電位器繞線式電位器合成膜電位器合成膜電位器金屬膜電位器金屬膜電位器導(dǎo)電塑料電位器導(dǎo)電塑料電位器導(dǎo)電玻璃釉電位器導(dǎo)電玻璃釉電位器光電式電位器光電式電位器 1. 電阻絲電阻絲 電阻絲的材料應(yīng)是電阻率大、電阻溫度系數(shù)小、柔軟，但電阻絲的材料應(yīng)是電阻率大、電阻溫度系數(shù)小、柔軟，但強(qiáng)度高，抗蝕性好、抗拉強(qiáng)度高、容易焊接，且熔點(diǎn)高。強(qiáng)度高，抗蝕性好

9、、抗拉強(qiáng)度高、容易焊接，且熔點(diǎn)高。 材料：銅鎳合金、銅錳合金、鉑鉻合金及鎳鉻絲等。材料：銅鎳合金、銅錳合金、鉑鉻合金及鎳鉻絲等。 2. 骨架與基體骨架與基體 骨架與基體應(yīng)形狀穩(wěn)定，表面絕緣電阻高，并有較好的散骨架與基體應(yīng)形狀穩(wěn)定，表面絕緣電阻高，并有較好的散熱能力。常用的材料有陶瓷、酚醛樹(shù)脂、工程塑料以及經(jīng)過(guò)熱能力。常用的材料有陶瓷、酚醛樹(shù)脂、工程塑料以及經(jīng)過(guò)絕緣處理的鋁合金等。絕緣處理的鋁合金等。 3. 電刷電刷 電刷是電位器中關(guān)鍵零件之一，一般用貴金屬材料或金屬電刷是電位器中關(guān)鍵零件之一，一般用貴金屬材料或金屬薄片制成。金屬絲直徑約薄片制成。金屬絲直徑約0.10.2mm，電刷頭部應(yīng)彎成弧形

10、，電刷頭部應(yīng)彎成弧形，以防接觸面過(guò)大而磨損。電刷要有一定的彈性，以保證與電以防接觸面過(guò)大而磨損。電刷要有一定的彈性，以保證與電阻體可靠接觸，另外抗蝕性好、抗拉強(qiáng)度高、容易焊接，且阻體可靠接觸，另外抗蝕性好、抗拉強(qiáng)度高、容易焊接，且熔點(diǎn)高。熔點(diǎn)高。圖圖4-3 4-3 常見(jiàn)電刷結(jié)構(gòu)常見(jiàn)電刷結(jié)構(gòu)電位器由電阻體電位器由電阻體包括電阻絲（或包括電阻絲（或電阻薄膜）、骨電阻薄膜）、骨架和電刷組成架和電刷組成4.1.3 電位器的主要技術(shù)指標(biāo) 1. 1. 最大阻值和最小阻值最大阻值和最小阻值指電位器阻值指電位器阻值變化能達(dá)到的最大值和最小值。變化能達(dá)到的最大值和最小值。 2. 2. 電阻值變化規(guī)律電阻值變化規(guī)

11、律指電位器阻值變化指電位器阻值變化的規(guī)律，例如對(duì)數(shù)式、指數(shù)式、直線式等。的規(guī)律，例如對(duì)數(shù)式、指數(shù)式、直線式等。 3. 3. 線形電位器的線性度線形電位器的線性度指阻值直線式指阻值直線式變化的電位器的非線性誤差。變化的電位器的非線性誤差。 4. 4. 滑動(dòng)噪聲滑動(dòng)噪聲電刷移動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)接觸點(diǎn)電刷移動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)接觸點(diǎn)打火產(chǎn)生的噪聲電壓大小。打火產(chǎn)生的噪聲電壓大小。4.1.4 線位移傳感器電位器式線位移傳感器結(jié)構(gòu)原理電位器式線位移傳感器結(jié)構(gòu)原理 當(dāng)滑桿隨待當(dāng)滑桿隨待測(cè)物體往返運(yùn)動(dòng)測(cè)物體往返運(yùn)動(dòng)時(shí)，電刷在電阻時(shí)，電刷在電阻體上也來(lái)回滑動(dòng)。體上也來(lái)回滑動(dòng)。使電位器兩端輸使電位器兩端輸出電壓隨位移量出電壓隨位

12、移量改變而變化。改變而變化。 圖圖4-4 4-4 線位移傳感器線位移傳感器4.1.5 角位移傳感器圖 360OiUU 傳感器的轉(zhuǎn)軸與被測(cè)傳感器的轉(zhuǎn)軸與被測(cè)角度轉(zhuǎn)軸相連，電刷在電角度轉(zhuǎn)軸相連，電刷在電位器上轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角位移時(shí)，位器上轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角位移時(shí)，在檢測(cè)輸出端有一個(gè)與轉(zhuǎn)在檢測(cè)輸出端有一個(gè)與轉(zhuǎn)角成比例的電壓輸出角成比例的電壓輸出 慣性敏感元件在被測(cè)加慣性敏感元件在被測(cè)加速度的作用下，使片狀彈簧速度的作用下，使片狀彈簧產(chǎn)生正比于被測(cè)加速度的位產(chǎn)生正比于被測(cè)加速度的位移，從而引起電刷在電阻體移，從而引起電刷在電阻體上下滑動(dòng)，輸出與加速度成上下滑動(dòng)，輸出與加速度成比例的電壓信號(hào)。比例的電壓信號(hào)。 4.1

13、.6 電位器式傳感器的應(yīng)用 當(dāng)被測(cè)流體通入彈性敏感當(dāng)被測(cè)流體通入彈性敏感元件膜盒的內(nèi)腔時(shí)，在流體壓元件膜盒的內(nèi)腔時(shí)，在流體壓力作用下，膜盒硬中心產(chǎn)生彈力作用下，膜盒硬中心產(chǎn)生彈性位移，推動(dòng)連桿上移，使曲性位移，推動(dòng)連桿上移，使曲柄軸帶動(dòng)電位器的電刷在電阻柄軸帶動(dòng)電位器的電刷在電阻體上滑動(dòng)，輸出與被測(cè)壓力成體上滑動(dòng)，輸出與被測(cè)壓力成正比的電壓信號(hào)。正比的電壓信號(hào)。返回本章目錄返回本章目錄.2 光柵位移傳感器 4.2.1 光柵的概念光柵的概念由大量由大量等寬等間距的平行等寬等間距的平行狹縫狹縫組成的光學(xué)器件稱為組成的光學(xué)器件稱為光柵光柵。用玻璃制成的光柵稱為用玻璃制成的光柵稱為透透射光柵射光柵，它

14、是在透明玻璃，它是在透明玻璃上刻出大量等寬等間距的上刻出大量等寬等間距的平行刻痕，每條刻痕處是平行刻痕，每條刻痕處是不透光的，而兩刻痕之間不透光的，而兩刻痕之間是透光的；是透光的；用不銹鋼制成的光柵稱為用不銹鋼制成的光柵稱為反射式光柵。反射式光柵。a=bW=a+b圖圖4-8 4-8 光柵光柵光柵的刻痕密度一般為光柵的刻痕密度一般為每每毫米毫米1010、2525、5050、100100、250250線線?？毯壑g的距離稱為柵距刻痕之間的距離稱為柵距W W。設(shè)刻痕寬度為。設(shè)刻痕寬度為a a，狹縫，狹縫寬度為寬度為b b，則，一般取，則，一般取 。abWab尺身尺身尺身安裝孔尺身安裝孔 反射式掃描頭

15、反射式掃描頭 （與移動(dòng)部件固定）（與移動(dòng)部件固定）掃描頭安裝孔掃描頭安裝孔可移動(dòng)電纜可移動(dòng)電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)光柵的外形及結(jié)構(gòu)防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長(zhǎng)光柵防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長(zhǎng)光柵掃描頭掃描頭（與移動(dòng)部件固定）（與移動(dòng)部件固定）光柵尺光柵尺可移動(dòng)電纜可移動(dòng)電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）4.2.2 工作原理莫爾條紋莫爾條紋莫爾條紋如果把如果把兩塊柵距兩塊柵距W W相等的光柵面平行安裝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且讓它們的刻痕之間有較小的夾角，這時(shí)光柵上會(huì)出，這時(shí)光柵上會(huì)出現(xiàn)若干條現(xiàn)若干條明暗相間的條紋明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋。，這種條紋稱莫爾條紋。莫

16、爾條紋是光柵莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過(guò)而形成的亮帶非重合部分光線透過(guò)而形成的亮帶，它，它由一系列四棱形圖案組成。由一系列四棱形圖案組成。f-ff-f 線區(qū)則是由于光柵的遮線區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的。光效應(yīng)形成的。 圖圖4-9 4-9 莫爾條紋莫爾條紋W/B W莫爾條紋演示莫爾條紋演示00cos22424sin2limcos12limsin22122BWWCotWWB圖7-8 莫爾條紋1BKW莫爾條紋莫爾條紋演示演示莫爾條紋有兩個(gè)重要的特性莫爾條紋有兩個(gè)重要的特性位移的方向性位移的方向性：當(dāng)指示光柵不動(dòng)，主光柵左右平移時(shí)，莫：當(dāng)指示光柵不動(dòng)，主光柵左右平移時(shí)，莫爾條紋將沿著指示柵線的

17、方向下上移動(dòng)，查看莫爾條紋的爾條紋將沿著指示柵線的方向下上移動(dòng)，查看莫爾條紋的上下移動(dòng)方向，即可確定主光柵左右移動(dòng)方向上下移動(dòng)方向，即可確定主光柵左右移動(dòng)方向。莫爾條紋有位移的放大作用莫爾條紋有位移的放大作用。當(dāng)主光柵沿有刻線垂直的方。當(dāng)主光柵沿有刻線垂直的方向移動(dòng)一個(gè)柵距向移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距B。當(dāng)兩。當(dāng)兩個(gè)等距光柵的柵間夾角個(gè)等距光柵的柵間夾角較小時(shí)，主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距較小時(shí)，主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)莫爾條紋移動(dòng)KW距離，距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)，可由下為莫爾條紋的放大系數(shù)，可由下式確定，即式確定，即/1/KB W當(dāng)當(dāng)角較小時(shí)

18、，例如當(dāng)角較小時(shí)，例如當(dāng)=0.1=0.1o o時(shí)，時(shí)， K=573K=573；=0.5=0.50，則，則K=115K=115。表明兩個(gè)光柵面夾角越小，莫爾條紋的放大倍數(shù)越大。表明兩個(gè)光柵面夾角越小，莫爾條紋的放大倍數(shù)越大。 這樣，就可以把這樣，就可以把肉眼看不到的光柵位移肉眼看不到的光柵位移變成為清晰可見(jiàn)的變成為清晰可見(jiàn)的莫爾條紋莫爾條紋移動(dòng)，可以用測(cè)量條紋的位移來(lái)檢測(cè)光柵的位移，從移動(dòng)，可以用測(cè)量條紋的位移來(lái)檢測(cè)光柵的位移，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度的位移測(cè)量。而實(shí)現(xiàn)高靈敏度的位移測(cè)量。4.2.3 4.2.3 光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)它主要由它主要由主光柵、指示光柵、光源和光電器件主光

19、柵、指示光柵、光源和光電器件等組成，其中等組成，其中主光柵和被測(cè)物體相連，它隨被測(cè)物體的直線位移而產(chǎn)生移主光柵和被測(cè)物體相連，它隨被測(cè)物體的直線位移而產(chǎn)生移動(dòng)。當(dāng)主光柵產(chǎn)生位移時(shí)，莫爾條紋便隨著產(chǎn)生位移，若用動(dòng)。當(dāng)主光柵產(chǎn)生位移時(shí)，莫爾條紋便隨著產(chǎn)生位移，若用光電器件記錄莫爾條紋通過(guò)某點(diǎn)的數(shù)目，便可知主光柵移動(dòng)光電器件記錄莫爾條紋通過(guò)某點(diǎn)的數(shù)目，便可知主光柵移動(dòng)的距離，也就測(cè)得了被測(cè)物體的位移量。的距離，也就測(cè)得了被測(cè)物體的位移量。利用上述原理，通過(guò)多個(gè)光敏器件對(duì)莫爾條紋信號(hào)的內(nèi)插細(xì)利用上述原理，通過(guò)多個(gè)光敏器件對(duì)莫爾條紋信號(hào)的內(nèi)插細(xì)分，便可檢測(cè)出比光柵距還小的位移量及被測(cè)物體的移動(dòng)方分，便可

20、檢測(cè)出比光柵距還小的位移量及被測(cè)物體的移動(dòng)方向。向。安裝有直線光柵的數(shù)控機(jī)床加工實(shí)況安裝有直線光柵的數(shù)控機(jī)床加工實(shí)況 防護(hù)罩內(nèi)為直線光柵防護(hù)罩內(nèi)為直線光柵光柵掃描頭光柵掃描頭被加工工件被加工工件切削刀具切削刀具角編碼器角編碼器安裝在夾安裝在夾具的端部具的端部4.2.4 光柵位移傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用 由于莫爾條紋是明暗交替的，當(dāng)莫爾條紋上下移動(dòng)由于莫爾條紋是明暗交替的，當(dāng)莫爾條紋上下移動(dòng)時(shí)，只要用光敏元件檢測(cè)出來(lái)明、暗的變化，計(jì)算出莫時(shí)，只要用光敏元件檢測(cè)出來(lái)明、暗的變化，計(jì)算出莫爾條紋的數(shù)目，就可得知位移的大小，實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的爾條紋的數(shù)目，就可得知位移的大小，實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的二值化。另外莫爾條紋是

21、由光柵的大量刻線形成的，對(duì)二值化。另外莫爾條紋是由光柵的大量刻線形成的，對(duì)刻線誤差有平均作用，能在很大程度上消除刻線不均勻刻線誤差有平均作用，能在很大程度上消除刻線不均勻引起的誤差。引起的誤差。 由于光柵位移傳感器測(cè)量精度高（分辨率為由于光柵位移傳感器測(cè)量精度高（分辨率為0.1m0.1m）、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍廣（）、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍廣（0 01000mm1000mm），可進(jìn)行無(wú)），可進(jìn)行無(wú)接觸測(cè)量，而且容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化和數(shù)字化，因而接觸測(cè)量，而且容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化和數(shù)字化，因而在機(jī)械工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在量具、數(shù)控在機(jī)械工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在量具、數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)反饋控制、工作主

22、機(jī)的坐標(biāo)測(cè)量等方面，光機(jī)床的閉環(huán)反饋控制、工作主機(jī)的坐標(biāo)測(cè)量等方面，光柵位移傳感器都起著重要的作用柵位移傳感器都起著重要的作用。返回本章目錄返回本章目錄.3 磁柵位移傳感器 4.3.1 磁柵的概念磁柵的概念* 磁柵是一種有磁化信息的標(biāo)尺磁柵是一種有磁化信息的標(biāo)尺，它是在非磁性體，它是在非磁性體的平整表面上鍍一層約的平整表面上鍍一層約0.020.02厚的厚的Ni-Co-PNi-Co-P磁性薄膜，磁性薄膜，并用錄音磁頭沿長(zhǎng)度方向按一定的激光波長(zhǎng)并用錄音磁頭沿長(zhǎng)度方向按一定的激光波長(zhǎng)錄上磁錄上磁性刻度線而構(gòu)成的，因此又把磁柵稱為性刻度線而構(gòu)成的，因此又把磁柵稱為磁尺磁尺。 錄制磁信息時(shí)，要使磁尺固定

23、，磁頭根據(jù)來(lái)自激錄制磁信息時(shí)，要使磁尺固定，磁頭根據(jù)來(lái)自激光波長(zhǎng)的基準(zhǔn)信號(hào)，以一定的速度在其長(zhǎng)度方向上光波長(zhǎng)的基準(zhǔn)信號(hào)，以一定的速度在其長(zhǎng)度方向上邊邊運(yùn)行邊流過(guò)一定頻率的相等電流運(yùn)行邊流過(guò)一定頻率的相等電流，這樣，就在磁尺上，這樣，就在磁尺上記錄了相等節(jié)距的磁化信息而形成磁柵。記錄了相等節(jié)距的磁化信息而形成磁柵。 磁柵錄制后的磁化結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)個(gè)小磁鐵按磁柵錄制后的磁化結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)個(gè)小磁鐵按NSNS、SNSN、NSNS的狀態(tài)排列起來(lái)。因此在磁柵上的磁場(chǎng)強(qiáng)的狀態(tài)排列起來(lái)。因此在磁柵上的磁場(chǎng)強(qiáng)度呈周期性地變化，并在度呈周期性地變化，并在N-NN-N或或S-SS-S相接處為最大處。相接處為最大處。

24、圖4-11 磁柵的基本結(jié)構(gòu)磁柵的基本結(jié)構(gòu).磁柵的種類磁柵的種類 磁柵的種類可分為磁柵的種類可分為單面型直線磁柵、同軸單面型直線磁柵、同軸型直線磁柵和旋轉(zhuǎn)型磁柵型直線磁柵和旋轉(zhuǎn)型磁柵等。等。 磁柵主要用于大型機(jī)床和精密機(jī)床作為位磁柵主要用于大型機(jī)床和精密機(jī)床作為位置或位移量的檢測(cè)元件。磁柵和其他類型的置或位移量的檢測(cè)元件。磁柵和其他類型的位移傳感器相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，位移傳感器相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，動(dòng)態(tài)范圍大（動(dòng)態(tài)范圍大（120m）和磁信號(hào)可以重新錄）和磁信號(hào)可以重新錄制等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是需要屏蔽和防塵。制等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是需要屏蔽和防塵。 4.3.3 磁柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原

25、理磁柵位移傳感器由磁柵位移傳感器由磁尺（磁柵）、磁頭和檢測(cè)電路磁尺（磁柵）、磁頭和檢測(cè)電路組成。組成。工作原理是工作原理是電磁感應(yīng)原理電磁感應(yīng)原理，當(dāng)線圈在一個(gè)周期性磁體表面附，當(dāng)線圈在一個(gè)周期性磁體表面附近勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈上就會(huì)產(chǎn)生近勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈上就會(huì)產(chǎn)生不斷變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不斷變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，既和線圈的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，還和磁性體與應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，既和線圈的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，還和磁性體與線圈接觸時(shí)的磁性大小及變化率有關(guān)。根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變線圈接觸時(shí)的磁性大小及變化率有關(guān)。根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化情況，就可獲得線圈與磁體相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)的信息?；闆r，就可獲得線圈與磁體相對(duì)位置

26、和運(yùn)動(dòng)的信息。磁尺是檢測(cè)位移的基準(zhǔn)尺，磁頭用來(lái)讀取磁尺上的記錄信號(hào)。磁尺是檢測(cè)位移的基準(zhǔn)尺，磁頭用來(lái)讀取磁尺上的記錄信號(hào)。按讀取方式不同，磁頭分為按讀取方式不同，磁頭分為動(dòng)態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭動(dòng)態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭兩種。兩種。1. 動(dòng)態(tài)磁頭動(dòng)態(tài)磁頭上動(dòng)態(tài)磁頭上只有一個(gè)輸出繞組只有一個(gè)輸出繞組，只有，只有當(dāng)磁頭和磁尺相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)當(dāng)磁頭和磁尺相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)才有信號(hào)輸出才有信號(hào)輸出，因此又稱動(dòng)態(tài)磁頭為，因此又稱動(dòng)態(tài)磁頭為速度響應(yīng)磁頭速度響應(yīng)磁頭。運(yùn)動(dòng)速度。運(yùn)動(dòng)速度不同，輸出信號(hào)的大小和周期也不同，因此，對(duì)運(yùn)動(dòng)速度不均不同，輸出信號(hào)的大小和周期也不同，因此，對(duì)運(yùn)動(dòng)速度不均勻的部件，或時(shí)走時(shí)停的機(jī)床，不宜采用動(dòng)態(tài)磁頭

27、進(jìn)行測(cè)量。勻的部件，或時(shí)走時(shí)停的機(jī)床，不宜采用動(dòng)態(tài)磁頭進(jìn)行測(cè)量。動(dòng)態(tài)磁頭測(cè)量位移較簡(jiǎn)單，磁頭輸出為正弦信號(hào)，動(dòng)態(tài)磁頭測(cè)量位移較簡(jiǎn)單，磁頭輸出為正弦信號(hào)，N N、N(N(正向峰正向峰值，值，S S、S(S(負(fù)向峰值負(fù)向峰值) )，通過(guò)計(jì)數(shù)磁尺的磁節(jié)距個(gè)數(shù)（或正弦波，通過(guò)計(jì)數(shù)磁尺的磁節(jié)距個(gè)數(shù)（或正弦波周期個(gè)數(shù)），就可知道磁頭與磁尺間的相對(duì)位移量。周期個(gè)數(shù)），就可知道磁頭與磁尺間的相對(duì)位移量。式中式中 n n正弦波周期個(gè)數(shù)（磁節(jié)距個(gè)數(shù)）正弦波周期個(gè)數(shù)（磁節(jié)距個(gè)數(shù)） W W磁節(jié)距磁節(jié)距xnW圖圖4-12 4-12 動(dòng)態(tài)磁頭輸出波形與磁柵位置關(guān)系動(dòng)態(tài)磁頭輸出波形與磁柵位置關(guān)系2. 靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭是一種

28、調(diào)制式磁靜態(tài)磁頭是一種調(diào)制式磁頭，磁頭上有兩個(gè)繞組，頭，磁頭上有兩個(gè)繞組，一個(gè)是一個(gè)是激勵(lì)繞組激勵(lì)繞組，加以，加以激激勵(lì)電源電壓勵(lì)電源電壓，另一個(gè)是輸，另一個(gè)是輸出繞組。即使在磁頭與磁出繞組。即使在磁頭與磁尺之間處于相對(duì)靜止時(shí)，尺之間處于相對(duì)靜止時(shí)，也會(huì)因?yàn)橛薪蛔兗?lì)信號(hào)也會(huì)因?yàn)橛薪蛔兗?lì)信號(hào)使輸出繞組有感應(yīng)電壓信使輸出繞組有感應(yīng)電壓信號(hào)輸出。號(hào)輸出?？梢?jiàn)輸出信號(hào)是一個(gè)幅值不變，相位可見(jiàn)輸出信號(hào)是一個(gè)幅值不變，相位隨磁頭與磁柵相對(duì)位置變化而變化的隨磁頭與磁柵相對(duì)位置變化而變化的信號(hào)，可用鑒相電路測(cè)出該調(diào)相信號(hào)信號(hào)，可用鑒相電路測(cè)出該調(diào)相信號(hào)的相位，從而測(cè)出位移。的相位，從而測(cè)出位移。 靜態(tài)磁頭

29、和磁尺之間靜態(tài)磁頭和磁尺之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出繞組產(chǎn)生一個(gè)新的感應(yīng)電壓時(shí)，輸出繞組產(chǎn)生一個(gè)新的感應(yīng)電壓信號(hào)輸出，它作為包絡(luò)，調(diào)制在原感信號(hào)輸出，它作為包絡(luò)，調(diào)制在原感應(yīng)電壓信號(hào)頻率上。該應(yīng)電壓信號(hào)頻率上。該電壓隨磁尺磁電壓隨磁尺磁場(chǎng)強(qiáng)度周期的變化而變化場(chǎng)強(qiáng)度周期的變化而變化，從而將位，從而將位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。提高了測(cè)量移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。提高了測(cè)量精度。精度。 檢測(cè)電路主要用來(lái)供給磁頭激勵(lì)檢測(cè)電路主要用來(lái)供給磁頭激勵(lì)電壓和把磁頭檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈電壓和把磁頭檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)輸出并以數(shù)字形式顯示出來(lái)。沖信號(hào)輸出并以數(shù)字形式顯示出來(lái)。2sin(2)mxUUtW磁頭總的

30、輸出信號(hào)為磁頭總的輸出信號(hào)為:4.3.4 磁柵位移傳感器的應(yīng)用磁柵位移傳感器和其他類型的位移傳感器相比，具有磁柵位移傳感器和其他類型的位移傳感器相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，動(dòng)態(tài)范圍大（結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，動(dòng)態(tài)范圍大（120m）和磁信）和磁信號(hào)可以重新錄制等優(yōu)點(diǎn)，其號(hào)可以重新錄制等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)缺點(diǎn)是需要屏蔽和防塵。是需要屏蔽和防塵。磁柵位移傳感器主要用于大型機(jī)床和精密機(jī)床作為位磁柵位移傳感器主要用于大型機(jī)床和精密機(jī)床作為位置或位移量的檢測(cè)元件，其行程可達(dá)數(shù)十米，分辨率置或位移量的檢測(cè)元件，其行程可達(dá)數(shù)十米，分辨率大于。大于。磁柵位移傳感器允許最高工作速度為磁柵位移傳感器允許最高工作速度為12m

31、/min，系統(tǒng)，系統(tǒng)的精度可達(dá)的精度可達(dá)0.01mm/m，最小指示值，最小指示值0.001mm，使用，使用范圍范圍040，是一種測(cè)量大位移的傳感器。，是一種測(cè)量大位移的傳感器。 1 m返回本章目錄返回本章目錄.4 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。接近傳感器是一種具有感知物體接近能力的器件。它利用它利用位移傳感器位移傳感器對(duì)接近的物體具有的對(duì)接近的物體具有的敏感特性敏感特性來(lái)識(shí)來(lái)識(shí)別物體的接近，并輸出相應(yīng)開(kāi)關(guān)信號(hào)。因此，通常又別物體的接近，并輸出相應(yīng)開(kāi)關(guān)信號(hào)。因此，通常又把接近傳感器稱為把接近傳感器稱為接近開(kāi)關(guān)接近開(kāi)關(guān)。 常見(jiàn)的接近傳感器有常見(jiàn)的接近傳感器有電容式電容式、

32、渦流式渦流式、霍爾效應(yīng)式霍爾效應(yīng)式、光電式光電式、熱釋電式熱釋電式、多普勒式多普勒式、電磁感應(yīng)式及微波式電磁感應(yīng)式及微波式、超聲波式超聲波式等等。等等。 .4.1 電容式接近傳感器 電容式接近傳感器是一個(gè)以電容式接近傳感器是一個(gè)以電極為檢測(cè)端的靜電電容式電極為檢測(cè)端的靜電電容式接近開(kāi)關(guān)接近開(kāi)關(guān)，它由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整，它由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成形電路及輸出電路組成. 圖圖4-14 4-14 電容式接近傳感器原理框圖電容式接近傳感器原理框圖 平時(shí)檢測(cè)電極與大地之間存在一定的電容量，它成為振平時(shí)檢測(cè)電極與大地之間存在一定的電容量，它成為振蕩電路的

33、一個(gè)組成部分。蕩電路的一個(gè)組成部分。 當(dāng)被檢測(cè)電極接近檢測(cè)電極時(shí)，由于檢測(cè)電極加有電壓，當(dāng)被檢測(cè)電極接近檢測(cè)電極時(shí)，由于檢測(cè)電極加有電壓，檢測(cè)電極就會(huì)受到檢測(cè)電極就會(huì)受到靜電感應(yīng)靜電感應(yīng)而產(chǎn)生而產(chǎn)生極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象，被測(cè)物體，被測(cè)物體越靠越靠近檢測(cè)電極近檢測(cè)電極，檢測(cè)電極上的，檢測(cè)電極上的電荷就越電荷就越多，由于檢測(cè)電極的靜多，由于檢測(cè)電極的靜電電容為電電容為C=Q/V，所以電荷的增多，使檢測(cè)電極電容，所以電荷的增多，使檢測(cè)電極電容C隨之隨之增大，進(jìn)而又使振蕩電路的振蕩減弱，甚至停止振蕩。增大，進(jìn)而又使振蕩電路的振蕩減弱，甚至停止振蕩。 振蕩電路的振蕩電路的振蕩與停振振蕩與停振這兩種狀態(tài)被檢測(cè)

34、電路轉(zhuǎn)換為開(kāi)這兩種狀態(tài)被檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)信號(hào)后向外輸出。關(guān)信號(hào)后向外輸出。12fLC電容式接近傳感器電容式接近傳感器檢測(cè)的被測(cè)物體是檢測(cè)的被測(cè)物體是金屬導(dǎo)體金屬導(dǎo)體，非金屬，非金屬導(dǎo)體不能用該方法導(dǎo)體不能用該方法測(cè)量測(cè)量. .4.2 電感式接近傳感器 電感式接近傳感器由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電電感式接近傳感器由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成。路、整形電路及輸出電路組成。 當(dāng)檢測(cè)線圈通以交流電時(shí)，在檢測(cè)線圈的周圍就產(chǎn)生一當(dāng)檢測(cè)線圈通以交流電時(shí)，在檢測(cè)線圈的周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場(chǎng)，當(dāng)金屬物體接近檢測(cè)線圈時(shí)，金屬物體就會(huì)個(gè)交變的磁場(chǎng)，當(dāng)金屬物體接近檢測(cè)線圈時(shí)，金屬

35、物體就會(huì)產(chǎn)生電渦流產(chǎn)生電渦流而吸收磁場(chǎng)能量，使檢測(cè)線圈的電感而吸收磁場(chǎng)能量，使檢測(cè)線圈的電感L L發(fā)生變化，發(fā)生變化，從而使振蕩電路的振蕩頻率減小，以至停振。從而使振蕩電路的振蕩頻率減小，以至停振。振蕩與停振振蕩與停振這這兩種狀態(tài)經(jīng)檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出。兩種狀態(tài)經(jīng)檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出。圖圖4-15a4-15a） 電感式接近傳感器原理框圖電感式接近傳感器原理框圖12fLCO NO F FO F F被 測(cè)物 體傳 感 器振 蕩 電路 輸 出整 形 電路 輸 出電 路輸 出圖圖4-15b4-15b） 電感式接近傳感器工作過(guò)程電感式接近傳感器工作過(guò)程電感式接近傳感器檢測(cè)的被測(cè)物體也是電感式

36、接近傳感器檢測(cè)的被測(cè)物體也是金屬導(dǎo)體金屬導(dǎo)體，非金屬導(dǎo)體不能用該方法測(cè)量。，非金屬導(dǎo)體不能用該方法測(cè)量。振幅變化隨目標(biāo)物金屬種類而不同，因此振幅變化隨目標(biāo)物金屬種類而不同，因此檢測(cè)距離也隨目標(biāo)物金屬的種類而不同。檢測(cè)距離也隨目標(biāo)物金屬的種類而不同。接近開(kāi)關(guān)外形接近開(kāi)關(guān)外形4.4.3 接近傳感器的應(yīng)用接近傳感器主要用于接近傳感器主要用于檢測(cè)物體的位移檢測(cè)物體的位移在航空、航天技術(shù)以及工業(yè)生產(chǎn)中都有廣泛的應(yīng)用。在航空、航天技術(shù)以及工業(yè)生產(chǎn)中都有廣泛的應(yīng)用。在日常生活中，如賓館、飯店、車庫(kù)的自動(dòng)門(mén)、自動(dòng)在日常生活中，如賓館、飯店、車庫(kù)的自動(dòng)門(mén)、自動(dòng)熱風(fēng)機(jī)上都有應(yīng)用。熱風(fēng)機(jī)上都有應(yīng)用。在安全防盜方面，

37、如資料檔案、財(cái)會(huì)、金融、博物館、在安全防盜方面，如資料檔案、財(cái)會(huì)、金融、博物館、金庫(kù)等重地，通常都裝有由各種接近開(kāi)關(guān)組成的防盜金庫(kù)等重地，通常都裝有由各種接近開(kāi)關(guān)組成的防盜裝置。裝置。在測(cè)量技術(shù)中，如長(zhǎng)度，位置的測(cè)量在測(cè)量技術(shù)中，如長(zhǎng)度，位置的測(cè)量在控制技術(shù)中，如位移、速度、加速度的測(cè)量和控制，在控制技術(shù)中，如位移、速度、加速度的測(cè)量和控制，也都使用著大量的接近開(kāi)關(guān)。也都使用著大量的接近開(kāi)關(guān)。返回本章目錄返回本章目錄4.5 液位傳感器測(cè)量液位的目的：一種是測(cè)量液位的目的：一種是為了液體儲(chǔ)藏量的管理為了液體儲(chǔ)藏量的管理，一種是一種是為了液位的安全或自動(dòng)化控制為了液位的安全或自動(dòng)化控制，有時(shí)需要，

38、有時(shí)需要精確的液位數(shù)據(jù)，有時(shí)只需液位升降的信息。精確的液位數(shù)據(jù)，有時(shí)只需液位升降的信息。液位傳感器液位傳感器浮子式液位傳感器浮子式液位傳感器平衡浮筒式液位傳感器平衡浮筒式液位傳感器壓差式液位傳感器壓差式液位傳感器電容式液位傳感器電容式液位傳感器導(dǎo)電式液位傳感器導(dǎo)電式液位傳感器超聲波式液位傳感器超聲波式液位傳感器放射線式液位傳感器放射線式液位傳感器4.5.1 導(dǎo)電式水位傳感器 電極可根據(jù)檢測(cè)水位的要求進(jìn)電極可根據(jù)檢測(cè)水位的要求進(jìn)行升降調(diào)節(jié)，它實(shí)際上是一個(gè)導(dǎo)行升降調(diào)節(jié)，它實(shí)際上是一個(gè)導(dǎo)電性的檢測(cè)電路。電性的檢測(cè)電路。當(dāng)水位低于檢當(dāng)水位低于檢知電極時(shí)，兩電極間呈絕緣狀態(tài)，知電極時(shí)，兩電極間呈絕緣狀態(tài)

39、，檢測(cè)電路沒(méi)有電流流過(guò)，傳感器檢測(cè)電路沒(méi)有電流流過(guò)，傳感器輸出電壓為輸出電壓為0 0。假如水位上升到與。假如水位上升到與兩檢知電極端都接觸時(shí)，由于水兩檢知電極端都接觸時(shí)，由于水有一定的導(dǎo)電性，因此測(cè)量電路有一定的導(dǎo)電性，因此測(cè)量電路中有電流流過(guò)，指示電路中的顯中有電流流過(guò)，指示電路中的顯示儀表就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)在限示儀表就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)在限流電阻兩端有電壓輸出流電阻兩端有電壓輸出。圖圖4-16 4-16 導(dǎo)電式水位傳感器基本工作導(dǎo)電式水位傳感器基本工作原理原理 通過(guò)儀表或輸出電壓便得知水位已達(dá)到預(yù)定的高度了。通過(guò)儀表或輸出電壓便得知水位已達(dá)到預(yù)定的高度了。如果把輸出電壓和控制電路連接起來(lái)，便

40、可對(duì)供水系統(tǒng)如果把輸出電壓和控制電路連接起來(lái)，便可對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。進(jìn)行自動(dòng)控制。4.5.2 壓差式液位傳感器 壓差式液位傳感器是根據(jù)壓差式液位傳感器是根據(jù)液面液面的高度與液壓成比例的高度與液壓成比例的原理制成的原理制成的。如果液體的的。如果液體的密度恒定密度恒定，則液，則液體加在測(cè)量基準(zhǔn)面上的壓力與液體加在測(cè)量基準(zhǔn)面上的壓力與液面到基準(zhǔn)面的面到基準(zhǔn)面的高度高度成正比，因此成正比，因此通過(guò)壓力的測(cè)定便可知液面的高通過(guò)壓力的測(cè)定便可知液面的高度。度。 當(dāng)儲(chǔ)液罐為開(kāi)放型時(shí)，其基準(zhǔn)當(dāng)儲(chǔ)液罐為開(kāi)放型時(shí)，其基準(zhǔn)面上的壓力由下式確定，即面上的壓力由下式確定，即 12()Pghghh圖圖4-18 4-

41、18 開(kāi)放型儲(chǔ)液罐壓力示意圖開(kāi)放型儲(chǔ)液罐壓力示意圖由于需要測(cè)定的是高度由于需要測(cè)定的是高度 ，因，因此調(diào)整壓力傳感器的零點(diǎn)，把壓此調(diào)整壓力傳感器的零點(diǎn)，把壓力傳感器的零點(diǎn)提高力傳感器的零點(diǎn)提高 ，就，就可以得到壓力與液面高度可以得到壓力與液面高度 成成比例的輸出比例的輸出 2h1h1h圖圖4-19 4-19 密封型儲(chǔ)液罐測(cè)壓示意圖密封型儲(chǔ)液罐測(cè)壓示意圖10112()PPg hh20232()PPg hh12112232()()PPPg hhg hh兩側(cè)的壓力差兩側(cè)的壓力差 高壓側(cè)的壓力高壓側(cè)的壓力低壓側(cè)的壓力低壓側(cè)的壓力4.5.3 磁致伸縮液位（位移）傳感器 1. 1. 磁致伸縮效應(yīng)磁致伸縮效

42、應(yīng) 除了加熱外，磁場(chǎng)和電場(chǎng)也會(huì)導(dǎo)致物體尺寸的伸長(zhǎng)或縮短。除了加熱外，磁場(chǎng)和電場(chǎng)也會(huì)導(dǎo)致物體尺寸的伸長(zhǎng)或縮短。鐵磁性物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，其尺寸伸長(zhǎng)（或縮短），去掉外鐵磁性物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，其尺寸伸長(zhǎng)（或縮短），去掉外磁場(chǎng)后，其又恢復(fù)原來(lái)的長(zhǎng)度，這種現(xiàn)象稱為磁場(chǎng)后，其又恢復(fù)原來(lái)的長(zhǎng)度，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象磁致伸縮現(xiàn)象（或效應(yīng)）（或效應(yīng)）。另外有些物質(zhì)（多數(shù)是金屬氧化物）在電場(chǎng)作用。另外有些物質(zhì)（多數(shù)是金屬氧化物）在電場(chǎng)作用下，其尺寸也伸長(zhǎng)（或縮短），去掉外電場(chǎng)后又恢復(fù)其原來(lái)的下，其尺寸也伸長(zhǎng)（或縮短），去掉外電場(chǎng)后又恢復(fù)其原來(lái)的尺寸，這種現(xiàn)象稱為電致伸縮現(xiàn)象。磁致伸縮效應(yīng)可用尺寸，這種現(xiàn)象稱

43、為電致伸縮現(xiàn)象。磁致伸縮效應(yīng)可用磁致伸磁致伸縮系數(shù)縮系數(shù)（或應(yīng)變）（或應(yīng)變）來(lái)描述來(lái)描述， 00()Hlll物體原來(lái)物體原來(lái)的長(zhǎng)度的長(zhǎng)度 在外磁場(chǎng)作用下在外磁場(chǎng)作用下伸長(zhǎng)（或縮短）伸長(zhǎng)（或縮短）后的長(zhǎng)度后的長(zhǎng)度 磁致伸縮用的材料較多，磁致伸縮用的材料較多，主要有鎳、鐵、鈷、鋁類主要有鎳、鐵、鈷、鋁類合金與鎳銅鈷鐵氧陶瓷，合金與鎳銅鈷鐵氧陶瓷，其磁致伸縮系數(shù)為其磁致伸縮系數(shù)為1010-5-5量級(jí)量級(jí)2. 磁致伸縮液位傳感器的工作原理圖 磁致伸縮液位傳感器可精確地測(cè)量液位、磁致伸縮液位傳感器可精確地測(cè)量液位、界面的高度和溫度。具有測(cè)量精度高、穩(wěn)界面的高度和溫度。具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定可靠、抗干擾、安

44、裝方便快捷、免定期定可靠、抗干擾、安裝方便快捷、免定期維護(hù)和標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)。適用于石化、電力、維護(hù)和標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)。適用于石化、電力、生物制劑、糧油、釀造等行業(yè)各種油面和生物制劑、糧油、釀造等行業(yè)各種油面和界面的精確計(jì)量。界面的精確計(jì)量。 磁致伸縮線性位移磁致伸縮線性位移( (液位液位) )傳感器主要由傳感器主要由測(cè)桿、電子倉(cāng)和套在測(cè)桿上的非接觸的磁測(cè)桿、電子倉(cāng)和套在測(cè)桿上的非接觸的磁環(huán)或浮球（子）環(huán)或浮球（子）組成。測(cè)桿內(nèi)裝有磁致伸組成。測(cè)桿內(nèi)裝有磁致伸縮線縮線( (波導(dǎo)線波導(dǎo)線) )，測(cè)桿由，測(cè)桿由不導(dǎo)磁的不銹鋼管不導(dǎo)磁的不銹鋼管制成，可靠地保護(hù)了波導(dǎo)絲。浮子內(nèi)裝有制成，可靠地保護(hù)了波導(dǎo)絲。浮子內(nèi)

45、裝有一組永久磁鐵，所以浮子同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)磁一組永久磁鐵，所以浮子同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。場(chǎng)。圖圖4-20 4-20 磁致伸縮液位傳感器測(cè)磁致伸縮液位傳感器測(cè)量示意圖量示意圖 由電子倉(cāng)內(nèi)電子電路產(chǎn)生一由電子倉(cāng)內(nèi)電子電路產(chǎn)生一起始脈沖起始脈沖，通過(guò)波導(dǎo)線傳輸，通過(guò)波導(dǎo)線傳輸時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生了一沿波導(dǎo)線方向前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)這個(gè)時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生了一沿波導(dǎo)線方向前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)這個(gè)磁場(chǎng)與磁環(huán)或浮球中的永久磁場(chǎng)相遇時(shí)，產(chǎn)生磁致伸縮效磁場(chǎng)與磁環(huán)或浮球中的永久磁場(chǎng)相遇時(shí)，產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，使波導(dǎo)絲發(fā)生扭動(dòng)，這一扭動(dòng)被安裝在電子倉(cāng)內(nèi)的應(yīng)，使波導(dǎo)絲發(fā)生扭動(dòng)，這一扭動(dòng)被安裝在電子倉(cāng)內(nèi)的拾拾能機(jī)構(gòu)能機(jī)構(gòu)所感知并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流脈

46、沖即所感知并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流脈沖即終止脈沖終止脈沖，通過(guò)，通過(guò)電子電路計(jì)算出起始脈沖和終止脈沖之間的時(shí)間差，即可電子電路計(jì)算出起始脈沖和終止脈沖之間的時(shí)間差，即可精確測(cè)出被測(cè)的位移和液位。精確測(cè)出被測(cè)的位移和液位。圖圖4-21 4-21 磁致伸縮液位傳感器結(jié)構(gòu)原理圖磁致伸縮液位傳感器結(jié)構(gòu)原理圖電子倉(cāng)內(nèi)電子倉(cāng)內(nèi)電子電路電子電路產(chǎn)生產(chǎn)生起始脈沖起始脈沖旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁致伸縮效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)波導(dǎo)絲發(fā)生扭動(dòng)波導(dǎo)絲發(fā)生扭動(dòng)終止脈沖終止脈沖圖圖4-22 4-22 磁致伸縮液位傳感器的外形圖磁致伸縮液位傳感器的外形圖返回本章目錄返回本章目錄4.6 電容式物位傳感器 原理原理電容式物位傳感器是利用電容式物位

47、傳感器是利用被測(cè)物不被測(cè)物不同同，其，其介電常數(shù)不同介電常數(shù)不同的特點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)的。的特點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)的。 可用于各種可用于各種導(dǎo)電、非導(dǎo)電液體導(dǎo)電、非導(dǎo)電液體的液位或粉裝的液位或粉裝料位的遠(yuǎn)距離連續(xù)測(cè)量和指示。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，料位的遠(yuǎn)距離連續(xù)測(cè)量和指示。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有可動(dòng)部分，因此用應(yīng)范圍較廣。沒(méi)有可動(dòng)部分，因此用應(yīng)范圍較廣。 根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的不同，電容式物位傳感器也根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的不同，電容式物位傳感器也可分為測(cè)量可分為測(cè)量導(dǎo)電液體導(dǎo)電液體和測(cè)量和測(cè)量非導(dǎo)電液體非導(dǎo)電液體的電容物的電容物位傳感器兩類。位傳感器兩類。4.6.1 電容式液位傳感器的工作原理 電容式液位傳感器是把電容式液位傳感器是把

48、液體位置的變化變換成電容量的液體位置的變化變換成電容量的變化變化，以實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的。通過(guò)測(cè)量電容量的變化間接得，以實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的。通過(guò)測(cè)量電容量的變化間接得到液位的變化。到液位的變化。 圓柱形電容器液位傳感器有兩個(gè)長(zhǎng)度為圓柱形電容器液位傳感器有兩個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng),L,半徑分別為半徑分別為R R和和r r的圓筒形金屬導(dǎo)體，中間隔以絕緣物質(zhì)便構(gòu)成圓柱形電容的圓筒形金屬導(dǎo)體，中間隔以絕緣物質(zhì)便構(gòu)成圓柱形電容器。當(dāng)中間所充介質(zhì)的介電常數(shù)為器。當(dāng)中間所充介質(zhì)的介電常數(shù)為 時(shí)，則兩圓柱間的電時(shí)，則兩圓柱間的電容量為容量為圖圖4-23 圓柱形電容器圓柱形電容器rRLl102lnLCRr 21022()lnln

49、lLlCCCRRrr 212lnlCRr12非導(dǎo)電性非導(dǎo)電性材料材料1兩圓柱形電極間填兩圓柱形電極間填充了介電常數(shù)為充了介電常數(shù)為 的液體（非導(dǎo)電性）的液體（非導(dǎo)電性）時(shí)，則兩圓柱間的電時(shí)，則兩圓柱間的電容量就會(huì)發(fā)生變化。容量就會(huì)發(fā)生變化。假如液體的高度假如液體的高度為為 。2l電容量的變化量為：電容量的變化量為：2. 導(dǎo)電性液體高度測(cè)量 如果被測(cè)介質(zhì)為導(dǎo)電性液體時(shí)，如果被測(cè)介質(zhì)為導(dǎo)電性液體時(shí)，在液體中在液體中插入一根帶絕緣套的電極插入一根帶絕緣套的電極。由于液體是導(dǎo)電的，容器和液體可看由于液體是導(dǎo)電的，容器和液體可看作為電容器的一個(gè)電極，插入的金屬作為電容器的一個(gè)電極，插入的金屬電極作為另一

50、個(gè)電極，電極作為另一個(gè)電極，絕緣套管為中絕緣套管為中間介質(zhì)間介質(zhì)，三者組成圓筒電容器。，三者組成圓筒電容器。 當(dāng)液位變化時(shí)，就改變了電容器當(dāng)液位變化時(shí)，就改變了電容器兩極覆蓋面積的大小，液位越高，覆兩極覆蓋面積的大小，液位越高，覆蓋面積就越大，容器的電容量就越大。蓋面積就越大，容器的電容量就越大。電容器的電容量為電容器的電容量為圖圖4-24導(dǎo)電性液位測(cè)量導(dǎo)電性液位測(cè)量l2R2r電極絕緣套管導(dǎo)電液體32lnlCRr 絕緣覆蓋層外半徑絕緣覆蓋層外半徑 內(nèi)電極的外半徑內(nèi)電極的外半徑 34.6.2 電容式物位傳感器 當(dāng)測(cè)量當(dāng)測(cè)量粉狀導(dǎo)電固體料位粉狀導(dǎo)電固體料位和和粘滯非導(dǎo)粘滯非導(dǎo)電液位電液位時(shí)，可采用

51、光電極直接插入圓筒時(shí)，可采用光電極直接插入圓筒形容器的中央，將儀表地線與容器相連，形容器的中央，將儀表地線與容器相連，以容器作為外電極，物料或液體作為絕以容器作為外電極，物料或液體作為絕緣物構(gòu)成圓筒形電容器。緣物構(gòu)成圓筒形電容器。 電容物位傳感器主要由電容物位傳感器主要由電極（敏感元電極（敏感元件）和電容檢測(cè)電路件）和電容檢測(cè)電路組成?？捎糜诮M成?？捎糜趯?dǎo)電導(dǎo)電和非導(dǎo)電液體和非導(dǎo)電液體之間及之間及兩種介電常數(shù)不同兩種介電常數(shù)不同的非導(dǎo)電液體之間的非導(dǎo)電液體之間的界面測(cè)量。的界面測(cè)量。 因測(cè)量過(guò)程中電容的變化都很小，因因測(cè)量過(guò)程中電容的變化都很小，因此準(zhǔn)確的檢測(cè)電容量的大小是物位檢測(cè)此準(zhǔn)確的檢測(cè)

52、電容量的大小是物位檢測(cè)的關(guān)鍵。的關(guān)鍵。圖圖4-254-25 電容式料位傳感器電容式料位傳感器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)4.7 流量傳感器 流量是指流量是指流體在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管道某一截面的體積流體在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管道某一截面的體積或質(zhì)量數(shù)或質(zhì)量數(shù)。前者稱為。前者稱為體積流量體積流量，后者稱為，后者稱為質(zhì)量流量質(zhì)量流量。因?yàn)?。因?yàn)榱黧w有一定的粘性，流速在管截面上的分布是不均勻的，流體有一定的粘性，流速在管截面上的分布是不均勻的，所以流速一般用平均流速所以流速一般用平均流速 表示。表示。 根據(jù)流量的概念，流體的流量可以表示為：根據(jù)流量的概念，流體的流量可以表示為：vQAmvQAQ體積體積流量流量質(zhì)量質(zhì)量流量流量平均

53、平均流速流速管截管截面積面積質(zhì)量質(zhì)量密度密度測(cè)量流量的傳感器常用的有：測(cè)量流量的傳感器常用的有：電磁式、速度式、渦流式、超聲波式電磁式、速度式、渦流式、超聲波式等流量傳感器。等流量傳感器。常用的流體單位有常用的流體單位有33/msmhL skg st s、4.7.1 電磁流量計(jì) 電磁流量計(jì)是電磁流量計(jì)是20世紀(jì)世紀(jì)5060年代隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅年代隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的新型流量測(cè)量?jī)x表。電磁流量計(jì)是根據(jù)速發(fā)展起來(lái)的新型流量測(cè)量?jī)x表。電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電法拉第電磁感應(yīng)定律磁感應(yīng)定律制成的，用來(lái)測(cè)量制成的，用來(lái)測(cè)量導(dǎo)電液體導(dǎo)電液體體積流量的儀表。由于體積流量的儀表。由于其獨(dú)特的

54、優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛地被應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程中各種導(dǎo)電液其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛地被應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程中各種導(dǎo)電液體的流量測(cè)量。體的流量測(cè)量。 電磁流量計(jì)由電磁流量計(jì)由電磁流量傳感器和轉(zhuǎn)換器電磁流量傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。傳感兩部分組成。傳感器安裝在工業(yè)過(guò)程管道上，它的作用是將流進(jìn)管道內(nèi)的器安裝在工業(yè)過(guò)程管道上，它的作用是將流進(jìn)管道內(nèi)的液體體液體體積流量值線性的變換成感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)積流量值線性的變換成感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)，并通過(guò)傳輸線將此信號(hào)并通過(guò)傳輸線將此信號(hào)送到轉(zhuǎn)換器送到轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器安裝在離傳感器不太遠(yuǎn)的地方，它將傳感。轉(zhuǎn)換器安裝在離傳感器不太遠(yuǎn)的地方，它將傳感器送來(lái)的流量信號(hào)進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成與流量信號(hào)成正

55、比的標(biāo)器送來(lái)的流量信號(hào)進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成與流量信號(hào)成正比的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出，以進(jìn)行顯示、累積和調(diào)節(jié)控制。準(zhǔn)電信號(hào)輸出，以進(jìn)行顯示、累積和調(diào)節(jié)控制。1. 電磁流量計(jì)的基本原理 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)一導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)律，當(dāng)一導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線切割磁力線時(shí)，在導(dǎo)體的兩時(shí)，在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)生端即產(chǎn)生感生電勢(shì)感生電勢(shì)e，其方，其方向由右手定則確定，其大小向由右手定則確定，其大小與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，導(dǎo)，導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)的長(zhǎng)度體在磁場(chǎng)內(nèi)的長(zhǎng)度L及導(dǎo)體及導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度的運(yùn)動(dòng)速度 成正比，如果成正比，如果B， L， 三者互相垂直，則三者互相垂直，則eBL 在磁感應(yīng)強(qiáng)度為在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B B的的均勻磁場(chǎng)均勻磁場(chǎng)中，中，垂直垂直于磁場(chǎng)方向放一個(gè)于磁場(chǎng)方向放一個(gè)內(nèi)徑為內(nèi)徑為D D的的不導(dǎo)磁管道不導(dǎo)磁管道，當(dāng)，當(dāng)導(dǎo)電液體導(dǎo)電液體在管道中以在管道中以流速流速 流動(dòng)流動(dòng)