第4章位移、物位傳感器2

1、2022-6-271位移、物位傳感器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 本章小結(jié)本章小結(jié)復(fù)習(xí)思考題復(fù)習(xí)思考題主要內(nèi)容主要內(nèi)容返回主目錄概述概述 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)量工作，它的特性是在自動(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

2、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、位置、尺寸、角度距離、位置、尺寸、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

3、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應(yīng)變式電阻應(yīng)變式位移傳感位移傳感器，一般用于器，一般用于小位移小位移的測(cè)量的測(cè)量( (幾微米幾毫米幾微米幾毫米) )，差動(dòng)變壓器式差動(dòng)變壓器式位移傳位移傳感器用于感器用于中等位移中等位移的測(cè)量的測(cè)量( (幾毫米幾毫米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較大范圍位移的測(cè)量，但精度不高。范圍位移的測(cè)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密

4、精密檢測(cè)系統(tǒng)位移檢測(cè)系統(tǒng)位移的測(cè)量，測(cè)量精度高的測(cè)量，測(cè)量精度高( (可達(dá)可達(dá)1 1 m)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場(chǎng)合，而且在其他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、液位等能轉(zhuǎn)換成位移的任何場(chǎng)合中，也廣物理量如力、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)量和控制反饋傳感器用。泛作為測(cè)量和控制反饋傳感器用。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，本章主要介紹細(xì)講解，本章主要介紹電位器式位移傳

5、感器、光柵位移傳感器、磁柵電位器式位移傳感器、光柵位移傳感器、磁柵位移傳感器、液位位移傳感器位移傳感器、液位位移傳感器。返回本章目錄返回本章目錄4.1 4.1 電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器4.1.1. 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機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為與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，從而引起電路中輸出電壓的變化。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。圖圖4-1 4-1 電位器結(jié)構(gòu)電位器結(jié)構(gòu)xRRxLabRLxRxxRUIxLxUUxL分壓器兩邊電阻的比值為分壓

6、器兩邊電阻的比值為 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端流端流入，并將電阻體的入，并將電阻體的b b端接地，則變端接地，則變阻器和分壓器的輸出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若在分壓器的兩端施加電壓若在分壓器的兩端施加電壓 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端移向端移向a a時(shí)，在電刷兩邊的電阻體阻值隨之發(fā)生時(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)為變化。設(shè)電阻體全長(zhǎng)為L(zhǎng) L，總電阻為，總電阻為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)，變阻器的電阻值時(shí)，變阻器的電阻值

7、為為 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，可作為變阻器（也稱可動(dòng)觸點(diǎn)）兩部分組成，可作為變阻器使用，如圖使用，如圖4-1a4-1a所示，也可作為分壓器使用，如圖所示，也可作為分壓器使用，如圖4-1b4-1b所示。所示。由上可見，電位器的輸出信號(hào)均與電刷的位移量成比例，由上可見，電位器的輸出信號(hào)均與電刷的位移量成比例，實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)了位移與輸出位移與輸出電信號(hào)的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系。因此，這類電信號(hào)的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系。因此，這類傳感器可用于傳感器可用于測(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，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）。量的其它物理量（如

8、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：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，輸出信是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，輸出信號(hào)大，一般不需放大，但是，它的分辨率不高，精度也號(hào)大，一般不需放大，但是，它的分辨率不高，精度也不高，所以不適于精度要求較高的場(chǎng)合。另外，動(dòng)態(tài)響不高，所以不適于精度要求較高的場(chǎng)合。另外，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，不適于動(dòng)態(tài)快速測(cè)量。應(yīng)較差，不適于動(dòng)態(tài)快速測(cè)量。4.1.2 4.1.2 電位器的類型、結(jié)構(gòu)與材料電位器的類型、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

9、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、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)高抗拉強(qiáng)度高、容易焊接，且熔點(diǎn)高。常用的材料為：銅鎳合金、銅錳合金、鉑。常用的材料為：銅鎳合金、銅錳合金、鉑鉻合金及鎳鉻絲等。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，骨架與基體應(yīng)形狀穩(wěn)定，表面

10、絕緣電阻高，并有較好的散熱能力表面絕緣電阻高，并有較好的散熱能力。常用的材料。常用的材料有陶瓷、酚醛樹脂、工程塑料以及經(jīng)過絕緣處理的鋁合金等。有陶瓷、酚醛樹脂、工程塑料以及經(jīng)過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貴金屬材料或金屬薄片制成。金屬絲直制成。金屬絲直徑約徑約0.10.2mm，電刷頭部應(yīng)彎成弧形，以防接觸面過大而磨損，如圖，電刷頭部應(yīng)彎成弧形，以防接觸面過大而磨損，如圖4-3所所示為常見電刷結(jié)構(gòu)。電刷要有一定的彈性，以保證與電阻體可靠接觸，另外抗示為常見電刷結(jié)構(gòu)。電刷要有一定的彈性，以保證與電阻體

11、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。蝕性好、抗拉強(qiáng)度高、容易焊接，且熔點(diǎn)高。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圖圖4-3 常見電刷結(jié)構(gòu)常見電刷結(jié)構(gòu)4.1.3 4.1.3 電位器的主要技術(shù)指標(biāo)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變指電位器阻值變化能達(dá)到的最大值和最小值。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)律指電位器阻值變化的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。規(guī)律，例如對(duì)數(shù)式、指數(shù)式、直線式等。 3. 3. 線

12、性電位器的線性度線性電位器的線性度指阻值直線式變指阻值直線式變化的電位器的非線性誤差?；碾娢黄鞯姆蔷€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)打電刷移動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)接觸點(diǎn)打火產(chǎn)生的噪聲電壓大小?；甬a(chǎn)生的噪聲電壓大小。4.1.4 4.1.4 線位移傳感器線位移傳感器電位器式線位移傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖電位器式線位移傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖4-44-4所示所示當(dāng)滑桿隨待測(cè)物體往返當(dāng)滑桿隨待測(cè)物體往返運(yùn)動(dòng)時(shí)，電刷在電阻體運(yùn)動(dòng)時(shí)，電刷在電阻體上也來回滑動(dòng)。使電位上也來回滑動(dòng)。使電位器兩端輸出電壓隨位移器兩端輸出電壓隨位移量改變而變化量改變而變化 圖圖4-4 4-4 線位移傳感器線位移傳感器4.1

13、.5 4.1.5 角位移傳感器圖角位移傳感器圖 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，電刷角度轉(zhuǎn)軸相連，電刷在電位器上轉(zhuǎn)過一個(gè)在電位器上轉(zhuǎn)過一個(gè)角位移時(shí)，在檢測(cè)輸角位移時(shí)，在檢測(cè)輸出端有一個(gè)與轉(zhuǎn)角成出端有一個(gè)與轉(zhuǎn)角成比例的電壓輸出比例的電壓輸出 慣性敏感元件在被測(cè)加速度慣性敏感元件在被測(cè)加速度的作用下，使片狀彈簧產(chǎn)生的作用下，使片狀彈簧產(chǎn)生正比于被測(cè)加速度的位移，正比于被測(cè)加速度的位移，從而引起電刷在電阻體上下從而引起電刷在電阻體上下滑動(dòng)，輸出與加速度成比例滑動(dòng)，輸出與加速度成比例的電壓信號(hào)的電壓信號(hào) 4.1.6 4.1.6 電位器式傳感器的應(yīng)用電位器式傳感器的應(yīng)用當(dāng)

14、被測(cè)流體通入彈性敏感元件膜當(dāng)被測(cè)流體通入彈性敏感元件膜盒的內(nèi)腔時(shí)，在流體壓力作用下，盒的內(nèi)腔時(shí)，在流體壓力作用下，膜合硬中心產(chǎn)生彈性位移，推動(dòng)膜合硬中心產(chǎn)生彈性位移，推動(dòng)連桿上移，使曲柄軸帶動(dòng)電位器連桿上移，使曲柄軸帶動(dòng)電位器的電刷在電阻體上滑動(dòng)，輸出與的電刷在電阻體上滑動(dòng)，輸出與被測(cè)壓力成正比的電壓信號(hào)被測(cè)壓力成正比的電壓信號(hào)返回本章目錄返回本章目錄4.1.74.1.7 電位器傳感器的結(jié)構(gòu)電位器傳感器的結(jié)構(gòu) .2 .2 光柵位移傳感器光柵位移傳感器 4.2.1 光柵的概念 由大量由大量等寬等間距的平行狹縫等寬等間距的平行狹縫組成的光組成的光學(xué)器件稱為學(xué)器件稱為光柵光柵，如圖，如圖4-9 4-

15、9 所示。所示。 用玻璃制成的光柵稱為用玻璃制成的光柵稱為透射光柵透射光柵，它是，它是在透明玻璃上刻出大量等寬等間距的平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，而兩行刻痕，每條刻痕處是不透光的，而兩刻痕之間是透光的；刻痕之間是透光的； 用不銹鋼制成的光柵稱為反射式光柵。用不銹鋼制成的光柵稱為反射式光柵。 光柵的刻痕密度一般為每光柵的刻痕密度一般為每毫米毫米1010、2525、5050、100100、250250線線。刻痕之間的距離稱為。刻痕之間的距離稱為柵距柵距W W。設(shè)刻痕寬度為。設(shè)刻痕寬度為a a，狹縫寬度為，狹縫寬度為b b，則，一般情況下取則，一般情況下取 。a

16、=bW=a+b圖圖4-9 4-9 光柵光柵abWab4.2.2 4.2.2 光柵位移傳感器的工作原理光柵位移傳感器的工作原理莫爾條紋莫爾條紋 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，且讓它們的刻痕之且讓它們的刻痕之間有較小的夾角間有較小的夾角，這時(shí)光柵上會(huì)出現(xiàn)若干條，這時(shí)光柵上會(huì)出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋明暗相間的條紋，這種條紋稱，這種條紋稱莫爾條紋，如圖莫爾條紋，如圖4-104-10所示。所示。 莫爾條紋是光柵莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶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，它由一系列四棱形圖案組成，圖組成，圖

17、4-104-10中中d-dd-d線區(qū)所示。線區(qū)所示。f-f f-f 線區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的。線區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的。 圖圖4-10 4-10 莫爾條紋莫爾條紋W/B W莫爾條紋演示00cos22424sin2limcos12limsin22122BWWCotWWB圖4-10 莫爾條紋1BKW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：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方向上下移動(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。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B。

18、當(dāng)兩個(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W，莫爾條紋移動(dòng)KW距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)，可由下式確定，即/1/KB W上式可以看出，當(dāng)上式可以看出，當(dāng)角較小時(shí)，例如角較小時(shí)，例如=30=30，則，則K=115K=115，表明莫爾條紋的放大倍數(shù)相當(dāng)大。表明莫爾條紋的放大倍數(shù)相當(dāng)大。 當(dāng)當(dāng)=0.1=0.1o o時(shí)，時(shí)， K=573K=573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的變成為清晰可見的莫爾條紋莫爾條紋移動(dòng)，可以用測(cè)量條紋的位移來檢測(cè)光柵的位移，移動(dòng)，可以用測(cè)量條紋的位移來檢測(cè)光柵的位移，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度的位移測(cè)量。從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度的

19、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)光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖4-11所示。 它主要由主光柵、指示光柵、光源和光電器件等組成，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。利用上述原理，通過多個(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)方向。圖圖4-11 4-11 光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 圖圖4-11b）光柵位移傳感器外形圖）光柵位移

20、傳感器外形圖4.2.4 4.2.4 光柵位移傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用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)時(shí)，只要用光敏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)出來明、暗的變化，就可得知位移的大小，實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果元件檢測(cè)出來明、暗的變化，就可得知位移的大小，實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的二值化。另外莫爾條紋是由光柵的大量刻線形成的，對(duì)刻線誤差的二值化。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引起的誤差。有平均作用，能在很大程度上消除刻線不均勻引起的誤差。 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

21、測(cè)量精度高（分辨率為0.1m0.1m）、動(dòng)態(tài)測(cè)量范）、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍廣（圍廣（0 01000mm1000mm），可進(jìn)行無接觸測(cè)量，而且容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自），可進(jìn)行無接觸測(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，光柵具、數(shù)控機(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位移傳感器都起著重要的作用。圖4-12 4-12 所示為光柵位移傳感器在機(jī)床加工方面的應(yīng)用實(shí)例。圖圖4-12 4-12 光柵位移傳感器在機(jī)床加工方面的應(yīng)

22、用光柵位移傳感器在機(jī)床加工方面的應(yīng)用 返回本章目錄返回本章目錄.3 .3 磁柵位移傳感器磁柵位移傳感器u 磁柵是一種有磁化信息的標(biāo)尺，它是在非磁性體的平整表面上鍍一層約0.020.02厚的Ni-Co-PNi-Co-P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)錄上磁性刻度線而構(gòu)成的，因此又把磁柵稱為磁尺。u 錄制磁信息時(shí)，要使磁尺固定，磁頭根據(jù)來自激光波長(zhǎng)的基準(zhǔn)信號(hào)，以一定的速度在其長(zhǎng)度方向上邊運(yùn)行邊流過一定頻率的相等電流，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。4.3.1 磁柵的概念磁柵的概念.3 .3 磁柵位移傳感器磁柵位移傳感器u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N

23、SNS、SNSN、NSNS的狀態(tài)排列起來，如圖-13-13所示。因此在磁柵上的磁場(chǎng)強(qiáng)度呈周期性地變化，并在N-NN-N或 S-SS-S相接處為最大處。圖圖4-13 4-13 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 磁柵的種類可分為單面型直線磁柵、同軸型直線磁柵和旋轉(zhuǎn)型磁柵等。 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（120m）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。 4.3.3 4.3.3 磁柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理磁柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理 磁柵位移傳感器由磁尺（磁柵）、磁頭

24、和檢測(cè)電路組成。 工作原理是電磁感應(yīng)原理，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)生不斷變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。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。 磁尺是檢測(cè)位移的基準(zhǔn)尺，磁頭用來讀取磁尺上的記錄信號(hào)。按讀取方式不同，磁頭分為動(dòng)態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭兩種。1. 1. 動(dòng)態(tài)磁頭動(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)才有信號(hào)輸出當(dāng)磁頭和磁尺相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)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

25、頭。運(yùn)動(dòng)速度不同，輸出信號(hào)的大小和周期也。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)速度不均勻的部件，或時(shí)走時(shí)停的機(jī)床，不宜采用動(dòng)態(tài)磁不同，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)磁頭進(jìn)行測(cè)量。但動(dòng)態(tài)磁頭測(cè)量位移較簡(jiǎn)單，磁頭輸出為正弦信號(hào)，在頭進(jìn)行測(cè)量。但動(dòng)態(tài)磁頭測(cè)量位移較簡(jiǎn)單，磁頭輸出為正弦信號(hào)，在N N、N N處達(dá)處達(dá)到正向峰值，在到正向峰值，在S S、S S處為負(fù)向峰值如圖處為負(fù)向峰值如圖4-144-14所示，通過計(jì)數(shù)磁尺的磁節(jié)距個(gè)數(shù)所示，通過計(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。圖（或正弦波周期個(gè)數(shù)），就可知道磁頭與

26、磁尺間的相對(duì)位移量。圖4-14 4-14 動(dòng)態(tài)磁動(dòng)態(tài)磁頭輸出波形與磁柵位置關(guān)系頭輸出波形與磁柵位置關(guān)系式中式中 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4-14 4-14 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. 2. 靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭 靜態(tài)磁頭是一種調(diào)制式磁頭，磁頭上有兩個(gè)繞組，一個(gè)是激勵(lì)繞組，加以激勵(lì)電源電壓，另一個(gè)是輸出繞組。即使在磁頭與磁尺之間處于相對(duì)靜止時(shí)，也會(huì)因?yàn)橛薪蛔兗?lì)信號(hào)使輸出繞組有感應(yīng)電壓信號(hào)輸出。如圖4-154-15所示，可見輸出信號(hào)是一個(gè)幅值不變，相位可見輸出信號(hào)是一個(gè)幅值不變，相位隨磁頭與磁柵

27、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)，時(shí)，輸出繞組產(chǎn)生一個(gè)新的感應(yīng)電壓信號(hào)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)制在原感應(yīng)電輸出，它作為包絡(luò)，調(diào)制在原感應(yīng)電壓信號(hào)頻率上。該壓信號(hào)頻率上。該電壓隨磁尺磁場(chǎng)強(qiáng)電壓隨磁尺磁場(chǎng)強(qiáng)度周期的變化而變化度周期的變化而變化，從而將位移量，從而將位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。這提高了測(cè)量精轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。這提高了測(cè)量精度。檢測(cè)電路主要用來供給磁頭激勵(lì)度。檢測(cè)電路主要用來供給

28、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。沖信號(hào)輸出并以數(shù)字形式顯示出來。2sin(2)mxUUtW磁頭總的輸磁頭總的輸出信號(hào)為出信號(hào)為:圖圖4-15 4-15 靜態(tài)磁頭結(jié)構(gòu)及輸出波形靜態(tài)磁頭結(jié)構(gòu)及輸出波形4.3.4 4.3.4 磁柵位移傳感器的應(yīng)用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，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，動(dòng)態(tài)范圍大（120m）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。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，分辨率優(yōu)于。磁柵位移傳感器允許最高工作速度

29、為12m/min，系統(tǒng)的精度可達(dá)0.01mm/m，最小指示值0.001mm，使用范圍040，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 .4 接近傳感器接近傳感器 接近傳感器是一種具有感知物體接近能力的器件。它利用位移傳感器對(duì)接近的物體具有的敏感特性來識(shí)別物體的接近，并輸出相應(yīng)開關(guān)信號(hào)。因此，通常又把接近傳感器稱為接近開關(guān)。 常見的接近傳感器有電容式、渦流式、霍爾效應(yīng)式、光電式、熱釋電式、多普勒式、電磁感應(yīng)式及微波式、超聲波式等等。 .4.1 .4.1 電容式接近傳感器電容式接近傳感器 電容式接近傳感器是一個(gè)以電極為檢測(cè)端的靜電電容式接近開關(guān)，它由高頻振蕩電路、檢波電路、放

30、大電路、整形電路及輸出電路組成，如 圖-17 所示： 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，檢測(cè)電極就會(huì)受到靜電感應(yīng)而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，被測(cè)物體越靠近檢測(cè)電極，檢測(cè)電極上的電荷就越多，由于檢測(cè)電極的靜電電容為C=Q/V，所以電荷的增多，使檢測(cè)電極電容C隨之增大，進(jìn)而又使振蕩電路的振蕩減弱，甚至停止振蕩。振蕩電路的振蕩與停振這兩種狀態(tài)被檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號(hào)后向外輸出。圖圖4-17 4-17 電容式接近傳感器原理框圖電容式接近傳感器原理框圖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)

31、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 .4.2 電感式接近傳感器電感式接近傳感器 電感式接近傳感器由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成。如圖4-184-18所示。檢測(cè)用敏感元件為檢測(cè)線圈，它是振蕩電路的一個(gè)組成部分，振蕩電路的振蕩頻率為。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)產(chǎn)生電渦流而吸收磁場(chǎng)能量，使檢測(cè)線圈的電感L L發(fā)生變化，從而使振蕩電路的振蕩頻率減小，以至停振。振蕩與停振這兩種狀態(tài)經(jīng)檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)輸出。圖圖4-18a4-18a） 電感式接近傳感器原理框

32、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4-18b4-18b） 電感式接近傳感器工作過程電感式接近傳感器工作過程電感式接近傳感器檢測(cè)的被測(cè)物體也是電感式接近傳感器檢測(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。接近開關(guān)外形接近開關(guān)外形4.4.3 4.4.3 接近傳感器的應(yīng)用接近傳感器的應(yīng)用 接近傳感器主要用于

33、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。 在日常生活中，如賓館、飯店、車庫(kù)的自動(dòng)門、自動(dòng)熱風(fēng)機(jī)上都有應(yīng)用。 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關(guān)組成的防盜裝置。 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，也都使用著大量的接近開關(guān)。如圖4-19所示為接近傳感器結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用實(shí)例。4.4.3 4.4.3 接近傳感器結(jié)構(gòu)及應(yīng)用接近傳感器結(jié)構(gòu)及應(yīng)用 圖圖4-19 接近傳感器結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用實(shí)例接近傳感器結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用實(shí)例返回本章目錄返回本章目錄4.5 4.5 液位傳感器液位傳感器 測(cè)量液位的目的：一種

34、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)需要精，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。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 4.5.1 導(dǎo)電式水位傳感器導(dǎo)電式水位傳感器 導(dǎo)電式水位傳感器的基本工作原導(dǎo)電式水位傳感器的基本工

35、作原理，如圖理，如圖4-204-20所示。電極可根據(jù)所示。電極可根據(jù)檢測(cè)水位的要求進(jìn)行升降調(diào)節(jié)，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)電性的檢測(cè)電它實(shí)際上是一個(gè)導(dǎo)電性的檢測(cè)電路。路。當(dāng)水位低于檢知電極時(shí)，兩當(dāng)水位低于檢知電極時(shí)，兩電極間呈絕緣狀態(tài)，檢測(cè)電路沒電極間呈絕緣狀態(tài)，檢測(cè)電路沒有電流流過，傳感器輸出電壓為有電流流過，傳感器輸出電壓為0 0。假如水位上升到與兩檢知電極端假如水位上升到與兩檢知電極端都接觸時(shí)，由于水有一定的導(dǎo)電都接觸時(shí)，由于水有一定的導(dǎo)電性，因此測(cè)量電路中有電流流過，性，因此測(cè)量電路中有電流流過，指示電路中的顯示儀表就會(huì)發(fā)生指示電路中的顯示儀表就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)在限流

36、電阻兩端有電偏轉(zhuǎn)，同時(shí)在限流電阻兩端有電壓輸出壓輸出。人們通過儀表或輸出電。人們通過儀表或輸出電壓便得知水位已達(dá)到預(yù)定的高度壓便得知水位已達(dá)到預(yù)定的高度了。如果把輸出電壓和控制電路了。如果把輸出電壓和控制電路連接起來，便可對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行連接起來，便可對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。自動(dòng)控制。圖圖4-20 4-20 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圖圖4-214-21 導(dǎo)電式水位傳感器的電路原理圖導(dǎo)電式水位傳感器的電路原理圖方波發(fā)方波發(fā)生器生器 比較器比較器 水位上升與水位上升與檢知電極接觸檢知電極接觸 矩形波信矩形波信號(hào)被旁路號(hào)被旁路 低電平低電平 高電平高電平 熄滅熄滅 水位

37、低于水位低于檢知電極檢知電極 低電平低電平 閃爍閃爍發(fā)光發(fā)光 高電平高電平 4.5.2 4.5.2 壓差式液位傳感器壓差式液位傳感器 壓差式液位傳感器是根據(jù)壓差式液位傳感器是根據(jù)液面的高度與液面的高度與液壓成比例液壓成比例的原理制成的。如果液體的的原理制成的。如果液體的密度恒定密度恒定，則液體加在測(cè)量基準(zhǔn)面上的，則液體加在測(cè)量基準(zhǔn)面上的壓力與液面到基準(zhǔn)面的壓力與液面到基準(zhǔn)面的高度高度成正比，因成正比，因此通過壓力的測(cè)定便可知液面的高度。此通過壓力的測(cè)定便可知液面的高度。當(dāng)儲(chǔ)液罐為開放型時(shí)，如圖當(dāng)儲(chǔ)液罐為開放型時(shí)，如圖4-224-22所示，所示，其基準(zhǔn)面上的壓力由下式確定，即其基準(zhǔn)面上的壓力由下

38、式確定，即 12()Pghghh圖圖4-22 4-22 開放型儲(chǔ)液罐壓力示意圖開放型儲(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 成比成比例的輸出例的輸出 2h1h1h圖圖4-23 4-23 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 4.5.3 4.5.3 常見液位傳感器常見液位傳感器 4.5.3 磁致伸

39、縮液位（位移）傳感器1. 1. 磁致伸縮效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)大家知道物質(zhì)有熱脹冷縮的現(xiàn)象。除了加熱外，磁場(chǎng)和電場(chǎng)也會(huì)導(dǎo)致物體尺寸的大家知道物質(zhì)有熱脹冷縮的現(xiàn)象。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），去掉外磁場(chǎng)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），去掉外磁場(chǎng)后，其又恢復(fù)原來的長(zhǎng)度，這種現(xiàn)象稱為后，其又恢復(fù)原來的長(zhǎng)度，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象（或效應(yīng)）磁致伸縮現(xiàn)象（或效應(yīng)）。另外有些物。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)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

40、短），去掉外電場(chǎng)后又恢復(fù)其原來的尺寸，這種現(xiàn)象稱為電致伸縮現(xiàn)象。磁致伸縮效應(yīng)可用后又恢復(fù)其原來的尺寸，這種現(xiàn)象稱為電致伸縮現(xiàn)象。磁致伸縮效應(yīng)可用磁致伸磁致伸縮系數(shù)縮系數(shù)（或應(yīng)變）（或應(yīng)變）來描述來描述， 00()Hlll物體原來物體原來的長(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 量級(jí)量級(jí)5102. 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的工作原理圖 磁致伸縮液位傳感器是根

41、據(jù)磁致伸縮液位傳感器是根據(jù)磁致伸縮測(cè)量原磁致伸縮測(cè)量原理理研制而成，可精確地測(cè)量液位、界面的高研制而成，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)定可靠、抗度和溫度。具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定可靠、抗干擾、安裝方便快捷、免定期維護(hù)和標(biāo)定等干擾、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、生物制劑、糧油、優(yōu)點(diǎn)。適用于石化、電力、生物制劑、糧油、釀造等行業(yè)各種油面和界面的精確計(jì)量。釀造等行業(yè)各種油面和界面的精確計(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、測(cè)桿、電子倉(cāng)和套在測(cè)桿上的非接觸的磁環(huán)或浮球電子倉(cāng)和套在測(cè)桿上的非接觸的磁環(huán)或浮球

42、（子）（子）組成。如圖組成。如圖4-254-25所示。測(cè)桿內(nèi)裝有磁所示。測(cè)桿內(nèi)裝有磁致伸縮線致伸縮線( (波導(dǎo)線波導(dǎo)線) )，測(cè)桿由，測(cè)桿由不導(dǎo)磁的不銹鋼不導(dǎo)磁的不銹鋼管管制成，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)裝有一組永久磁鐵，所以浮子同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。一組永久磁鐵，所以浮子同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。圖圖4-25 4-25 磁致伸縮液位傳感器測(cè)量示磁致伸縮液位傳感器測(cè)量示意圖意圖 工作時(shí)，由電子倉(cāng)內(nèi)電子電路產(chǎn)生一工作時(shí)，由電子倉(cāng)內(nèi)電子電路產(chǎn)生一起始脈沖起始脈沖，此起始脈沖在波導(dǎo)線中，此起始脈沖在波導(dǎo)線中傳輸時(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)磁場(chǎng)與磁傳輸時(shí)，

43、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)生磁致伸縮效應(yīng)，使波導(dǎo)絲發(fā)生扭動(dòng)，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)的這一扭動(dòng)被安裝在電子倉(cāng)內(nèi)的拾能機(jī)構(gòu)拾能機(jī)構(gòu)所感知并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流脈沖所感知并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流脈沖即即終止脈沖終止脈沖，通過電子電路計(jì)算出起始脈沖和終止脈沖之間的時(shí)間差，通過電子電路計(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。即可精確測(cè)出被測(cè)的位移和液位。圖圖4-26 4-26 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

44、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4-27 4-27 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 4.6 電容式物位傳感器電容式物位傳感器原理電容式物位傳感器是利用被測(cè)物不同，其介電常數(shù)不同的特點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)的?？捎糜诟鞣N導(dǎo)電、非導(dǎo)電液體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，沒有可動(dòng)部分，因此用應(yīng)范圍較廣。由于被測(cè)介質(zhì)的不同，電容式物位傳感器也有不同的形式，現(xiàn)以測(cè)量導(dǎo)電液體的電容式物位傳感器和測(cè)量非導(dǎo)電液體的電容物位傳感器為例進(jìn)行簡(jiǎn)介。4.6.1 4.6.1 電容

45、式液位傳感器的工作原理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液體位置的變化變換成電容量的變化液體位置的變化變換成電容量的變化，以實(shí)現(xiàn)非電量電，以實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的。通過測(cè)量電容量的變化間接得到液位的變化。圖測(cè)的。通過測(cè)量電容量的變化間接得到液位的變化。圖4-28 4-28 圓柱形電容器電容圓柱形電容器電容式液位傳感器是根據(jù)圓柱形電容器傳感器原理進(jìn)行工作的，圖中有兩個(gè)長(zhǎng)度為式液位傳感器是根據(jù)圓柱形電容器傳感器原理進(jìn)行工作的，圖中有兩個(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)成圓柱形電容器。的圓筒形金屬導(dǎo)體，中間隔以絕緣物

46、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)，則兩圓柱間的電容量為時(shí)，則兩圓柱間的電容量為圖圖4-28 圓柱形電容器圓柱形電容器rRLl102lnLCRr 21022()lnlnlLlCCCRRrr 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 ，此時(shí)兩電極此時(shí)兩電極間的電容量為間的電容量為2l電容量的變化量為：電容量的變化量為：2. 2. 導(dǎo)電性液體高度測(cè)

47、量導(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)，在液體中如果被測(cè)介質(zhì)為導(dǎo)電性液體時(shí)，在液體中插入插入一根帶絕緣套的電極一根帶絕緣套的電極。由于液體是導(dǎo)電的，容。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，插入的器和液體可看作為電容器的一個(gè)電極，插入的金屬電極作為另一個(gè)電極，金屬電極作為另一個(gè)電極，絕緣套管為中間介絕緣套管為中間介質(zhì)質(zhì)，三者組成圓筒電容器，如圖，三者組成圓筒電容器，如圖4-294-29所示。當(dāng)所示。當(dāng)液位變化時(shí)，就改變了電容器兩極覆蓋面積的液位變化時(shí)，就改變了電容器兩極覆蓋面積的大小，液位越高，覆蓋面積就越大，容器的電大小，液位越高，覆蓋面積就越大，容器的電容量就越大

48、。假如中間介質(zhì)的介電常數(shù)為，電容量就越大。假如中間介質(zhì)的介電常數(shù)為，電極被導(dǎo)電液體浸沒的長(zhǎng)度為極被導(dǎo)電液體浸沒的長(zhǎng)度為 ，則此時(shí)電，則此時(shí)電容器的電容量為容器的電容量為: :圖圖4-29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 絕緣覆蓋層絕緣覆蓋層外半徑外半徑 內(nèi)電極的內(nèi)電極的外半徑外半徑 334.6.2 4.6.2 電容式物位傳感器電容式物位傳感器 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)電液粘滯非導(dǎo)電液位位時(shí)，可采用光電極直接插入圓筒形容器時(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，以容器的中央，將儀表地線與容器相連，以

49、容器作為外電極，物料或液體作為絕緣物構(gòu)成作為外電極，物料或液體作為絕緣物構(gòu)成圓筒形電容器，如圖圓筒形電容器，如圖4-304-30為電容式料位傳為電容式料位傳感器結(jié)構(gòu)感器結(jié)構(gòu). . 電容物位傳感器主要由電容物位傳感器主要由電極（敏感元件）電極（敏感元件）和電容檢測(cè)電路和電容檢測(cè)電路組成。可用于組成。可用于導(dǎo)電和非導(dǎo)導(dǎo)電和非導(dǎo)電液體電液體之間及之間及兩種介電常數(shù)不同的非導(dǎo)電兩種介電常數(shù)不同的非導(dǎo)電液體之間液體之間的界面測(cè)量。因測(cè)量過程中電容的界面測(cè)量。因測(cè)量過程中電容的變化都很小，因此準(zhǔn)確的檢測(cè)電容量的的變化都很小，因此準(zhǔn)確的檢測(cè)電容量的大小是物位檢測(cè)的關(guān)鍵。大小是物位檢測(cè)的關(guān)鍵。圖圖4-304-

50、30 電容式料位傳感器電容式料位傳感器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)4.6.3 4.6.3 電容式物位傳感器的應(yīng)用電容式物位傳感器的應(yīng)用晶體管電容料位指示儀是用來監(jiān)視密封料倉(cāng)內(nèi)導(dǎo)電性不良的松散物質(zhì)的料位，并能對(duì)加料系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。在儀器的面板上裝有指示燈：紅燈指示“料位上限”，綠燈指示“料位下限”。當(dāng)紅燈亮?xí)r表示料面已經(jīng)達(dá)到上限，此時(shí)應(yīng)停止加料；當(dāng)紅燈熄滅，綠燈仍然亮?xí)r，表示料面在上下限之間；當(dāng)綠燈熄滅時(shí)，表示料面低于下限，應(yīng)該加料。kuAL3C1VT1L1L2C2C3CxC4L4VT2L5VD1VT3VT4HL+-R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11VD2圖圖4-31 晶體管電容料位指示儀電路原理圖

51、晶體管電容料位指示儀電路原理圖返回本章目錄返回本章目錄4.7 4.7 流量傳感器流量傳感器 流量是指流量是指流體在單位時(shí)間內(nèi)通過管道某一截面的體積或質(zhì)量數(shù)流體在單位時(shí)間內(nèi)通過管道某一截面的體積或質(zhì)量數(shù)。前者稱。前者稱為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)榱黧w有一定的粘性，流速在管截。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，所以流速一般用平均流速面上的分布是不均勻的，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)量流量流量平均平均流速流速管截管截面積面積

52、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 4.7.1 電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)是20世紀(jì)5060年代隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型流量測(cè)量?jī)x表。電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制成的，用來測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛地被應(yīng)用于工業(yè)過程中各種導(dǎo)電液體的流量測(cè)量，如各種酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì)；各種漿液流量測(cè)量，形成了獨(dú)特的應(yīng)用領(lǐng)域。電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)電磁流量計(jì)的

53、結(jié)構(gòu) u 在結(jié)構(gòu)上，電磁流量計(jì)由在結(jié)構(gòu)上，電磁流量計(jì)由電磁流量傳感器和電磁流量傳感器和轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器兩部分組成。圖兩部分組成。圖4-32所示為常見電磁流所示為常見電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)外形圖。傳感器安裝在工業(yè)過程管量計(jì)的結(jié)構(gòu)外形圖。傳感器安裝在工業(yè)過程管道上，它的作用是將流進(jìn)管道內(nèi)的道上，它的作用是將流進(jìn)管道內(nèi)的液體體積流液體體積流量值線性的變換成感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)量值線性的變換成感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)，并通過傳輸并通過傳輸線將此信號(hào)送到轉(zhuǎn)換器線將此信號(hào)送到轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器安裝在離傳感。轉(zhuǎn)換器安裝在離傳感器不太遠(yuǎn)的地方，它將傳感器送來的流量信號(hào)器不太遠(yuǎn)的地方，它將傳感器送來的流量信號(hào)進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成與流量信號(hào)成正比的

54、標(biāo)準(zhǔn)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。電信號(hào)輸出，以進(jìn)行顯示、累積和調(diào)節(jié)控制。圖圖4-32 常見電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)外形圖常見電磁流量計(jì)的結(jié)構(gòu)外形圖1. 1. 電磁流量計(jì)的基本原理電磁流量計(jì)的基本原理根據(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)切割磁力線時(shí)，在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)生感生電勢(shì)e，其方向由右手定則確定，其大小與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)的長(zhǎng)度L及導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度 成正比，如果B， L， 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的均勻磁場(chǎng)中，垂直于磁場(chǎng)方向放一個(gè)內(nèi)徑為的均勻磁場(chǎng)中，垂直于磁場(chǎng)方向放一個(gè)內(nèi)徑為D D的不導(dǎo)磁管的不

55、導(dǎo)磁管道，當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中以流速道，當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中以流速 流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電流體就切割磁力線。如果流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電流體就切割磁力線。如果在管道截面上垂直于磁場(chǎng)的直徑兩端安裝一對(duì)電極，如圖在管道截面上垂直于磁場(chǎng)的直徑兩端安裝一對(duì)電極，如圖4-334-33所示。所示。圖圖4-33 電磁流量計(jì)原理簡(jiǎn)圖電磁流量計(jì)原理簡(jiǎn)圖eBD2144veDQADeBDB管道的體管道的體積流量積流量 可以證明，只要管道內(nèi)流速分布均勻，兩電極之間也將產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)：可以證明，只要管道內(nèi)流速分布均勻，兩電極之間也將產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)：電磁式流量傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)電磁式流量傳感器的優(yōu)缺點(diǎn) (1) 沒有機(jī)械可動(dòng)部分，安裝使用簡(jiǎn)單可靠。 (

56、2) 電極的距離正好為導(dǎo)管的內(nèi)徑，因此沒有妨礙流體流動(dòng)的障礙，壓力損失極小。 (3) 能夠得到與容積流量成正比的輸出信號(hào)。 (4) 測(cè)量結(jié)果不受流體粘度的影響。 (5) 由于電動(dòng)勢(shì)是包含電極的導(dǎo)管的斷面處作為平均流量測(cè)得的，因此受流速分布影響較小 (6) 測(cè)量范圍寬，可以從0.005190000。 (7) 測(cè)量的精度高，可達(dá)0.5%。使用電磁式流量傳感器時(shí)應(yīng)注意使用電磁式流量傳感器時(shí)應(yīng)注意(1) (1) 由于導(dǎo)管是絕緣體，電流在流體中流動(dòng)很容易受雜波的干擾，由于導(dǎo)管是絕緣體，電流在流體中流動(dòng)很容易受雜波的干擾，因此必須在安裝流量傳感器的管道兩端設(shè)置接地環(huán)接地。因此必須在安裝流量傳感器的管道兩端

57、設(shè)置接地環(huán)接地。(2) (2) 雖然流速的分布對(duì)精度的影響不大，但為了消除這種影響，雖然流速的分布對(duì)精度的影響不大，但為了消除這種影響，應(yīng)保證液體流動(dòng)管道有足夠的直線長(zhǎng)度。應(yīng)保證液體流動(dòng)管道有足夠的直線長(zhǎng)度。(3) (3) 使用電磁式流量計(jì)時(shí)，必須使管道內(nèi)充滿液體。最好是把管使用電磁式流量計(jì)時(shí)，必須使管道內(nèi)充滿液體。最好是把管道垂直設(shè)置，讓被測(cè)液體從上至下流動(dòng)。道垂直設(shè)置，讓被測(cè)液體從上至下流動(dòng)。(4) (4) 測(cè)定電導(dǎo)率較小的液體時(shí)，由于兩電極間的內(nèi)部阻抗（電動(dòng)測(cè)定電導(dǎo)率較小的液體時(shí)，由于兩電極間的內(nèi)部阻抗（電動(dòng)勢(shì)的內(nèi)阻）比較高，故所接信號(hào)放大器要有勢(shì)的內(nèi)阻）比較高，故所接信號(hào)放大器要有10

58、0100MM左右的輸入阻左右的輸入阻抗。為保證傳感器正常的工作，液體的速率必須保證在抗。為保證傳感器正常的工作，液體的速率必須保證在5cm/s5cm/s以以上。上。電磁式流量計(jì)可以廣泛應(yīng)用于自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、海電磁式流量計(jì)可以廣泛應(yīng)用于自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、海水、污水、污泥及化學(xué)藥品、食品和礦漿等流量的檢測(cè)。水、污水、污泥及化學(xué)藥品、食品和礦漿等流量的檢測(cè)。4.7.2 4.7.2 渦輪式流量傳感器渦輪式流量傳感器 渦輪式流量傳感器也是一種速度式流量傳感器。它是通過測(cè)量安裝在管道中的渦輪轉(zhuǎn)速而間接測(cè)量流體的流速，進(jìn)而測(cè)得流量的。當(dāng)葉輪置于流體中時(shí)，由于葉輪的迎流面和背流面流速不同，因此在流向方向形成壓差，所產(chǎn)生的推力使葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。如果選擇摩擦力小的軸承來支撐葉輪，且葉輪采用輕型材料制作，那么可使流速和轉(zhuǎn)速的關(guān)系接近線性，只要測(cè)得葉輪的轉(zhuǎn)速，便可得知流體的流速。圖圖4-34 4-34 渦輪式流量傳感器的原理方框圖渦輪式流量傳感器的原理方框圖圖圖4-35 4-35 渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)原理圖原理圖導(dǎo)磁