第7章 位移傳感器

第7章位移傳感器

7.1機(jī)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(zhuǎn)速傳感器

7.6多普勒傳感器

7.7導(dǎo)電式液位傳感器

7.8流量及流速傳感器

7.9實(shí)訓(xùn)7.1機(jī)械位移傳感器機(jī)械位移傳感器用來測(cè)量位移、距離、位置、尺寸、角度、角位移等幾何學(xué)量。根據(jù)傳感器的信號(hào)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(cè)物體的運(yùn)動(dòng)形式可細(xì)分為線性位移傳感器和角位移傳感器。機(jī)械位移傳感器是應(yīng)用最多的傳感器之一，品種繁多。機(jī)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(yīng)變式電容式螺旋管電感式差動(dòng)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(jī)械位移傳感器的分類7.1.1電位器式機(jī)械位移傳感器1.電位器的基本概念圖7-2是電位器的結(jié)構(gòu)圖。由電阻體、電刷、轉(zhuǎn)軸、滑動(dòng)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(zhuǎn)軸和滑動(dòng)臂相連，在滑動(dòng)臂的一端裝有電刷，靠滑動(dòng)臂的彈性壓在電阻體上并與之緊密接觸，滑動(dòng)臂的另一端與焊片B相連。圖7-2電位器的一般結(jié)構(gòu)

圖7-3是電位器電路圖。電位器轉(zhuǎn)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(dǎo)電塑料電位器、導(dǎo)電玻璃釉電位器、光電電位器。2.電位器的主要技術(shù)參數(shù)(1)最大阻值和最小阻值，指電位器阻值變化能達(dá)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(duì)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(dòng)噪聲，指調(diào)電位器阻值時(shí)，滑動(dòng)接觸點(diǎn)打火產(chǎn)生的噪聲電壓的大小。7.1.2電容式位移傳感器將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)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(jìn)行線位移的測(cè)量，變面積式電容傳感器可進(jìn)行角位移的測(cè)量。圖7-4是變極距式電容傳感器用于軋制板材厚度自動(dòng)控制的工作原理圖。圖7-4自動(dòng)控制軋制板材設(shè)備

在被軋制板材的上、下兩側(cè)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(gè)電容器C1、C2。兩塊極板連接為一個(gè)電極，板材為另一個(gè)電極，則總電容為兩個(gè)電容器并聯(lián)，CX＝C1＋C2?？傠娙軨X和調(diào)節(jié)電容C0、變壓器次級(jí)L1、L2構(gòu)成交流電橋。

電橋輸出信號(hào)為

當(dāng)軋制板材的厚度為要求值時(shí)，交流電橋平衡，無輸出信號(hào)。

當(dāng)被軋制板材的厚度相對(duì)于要求值發(fā)生變化時(shí)，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(hào)。計(jì)算后顯示變化的板材厚度。該變化信號(hào)送到壓力調(diào)節(jié)設(shè)備，調(diào)節(jié)軋輥，使軋制的板材的厚度向要求值變化。

鐵芯隨被測(cè)物體一起移動(dòng)，導(dǎo)致線圈電感量發(fā)生變化。其檢測(cè)位移量可從數(shù)毫米到數(shù)百毫米。缺點(diǎn)是靈敏度低。

7.1.4差動(dòng)變壓器式機(jī)械位移傳感器如圖7-6所示。初級(jí)線圈L1加交流勵(lì)磁電壓Uin，次級(jí)線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。由于兩個(gè)次級(jí)線圈相反極性串接，所以兩個(gè)次級(jí)線圈中的感應(yīng)電壓UOUT1和UOUT2的相位相反，當(dāng)鐵芯處于中心對(duì)稱位置時(shí)，則UOUT1=UOUT2，所以UOUT=0。當(dāng)鐵芯向兩端位移時(shí)，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(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)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(xué)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(jié)構(gòu)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(shí)，這時(shí)光柵上會(huì)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(yīng)形成的。莫爾條紋有兩個(gè)重要的特性：(1)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。(2)莫爾條紋有位移的放大作用。當(dāng)主光柵沿與刻線垂直方向移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距B。當(dāng)兩個(gè)等距光柵的柵間夾角θ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)：當(dāng)θ角較小時(shí)，例如θ=30′，則K=115，表明莫爾條紋的放大倍數(shù)相當(dāng)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(dòng)，可以用測(cè)量條紋的移動(dòng)來檢測(cè)光柵的位移?？梢詫?shí)現(xiàn)高靈敏的位移測(cè)量。條紋間距與柵距的關(guān)系為：7.2.2光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)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(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。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。圖7-9光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖

7.2.3光柵位移傳感器的應(yīng)用測(cè)量精度高（分辨率為0.1μm），動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍廣（0～1000mm），可進(jìn)行無接觸測(cè)量，容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化和數(shù)字化。廣泛應(yīng)用于量具、數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)反饋控制、工作母機(jī)的坐標(biāo)測(cè)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(biāo)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(zhǎng)度方向按一定的激光波長(zhǎng)λ錄上磁性刻度線而構(gòu)成的。因此又把磁柵稱為磁尺。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(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。圖7-10磁柵的基本結(jié)構(gòu)

磁柵和其它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（1～20m）和磁信號(hào)可以重新錄制等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是需要屏蔽和防塵。磁柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)如圖7-11所示。它由磁尺（磁柵）、磁頭和檢測(cè)電路組成。圖7-11磁柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)磁尺與磁頭之間產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí)，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(chǎn)生感應(yīng)電壓。該電壓隨磁尺磁場(chǎng)強(qiáng)度周期的變化而變化，從而將位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。圖7-12為磁信號(hào)與輸出信號(hào)波形圖。磁頭輸出信號(hào)經(jīng)檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)并以數(shù)字形式顯示出來。圖7-12磁信號(hào)與磁頭輸出信號(hào)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(duì)所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)。接近傳感器又稱為接近開關(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、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(yīng)探測(cè)人體接近時(shí)發(fā)出的紅外線。它用于防盜、報(bào)警、來客告之及非接觸開關(guān)等設(shè)備中。圖7-13為熱釋電紅外報(bào)警器電路，由熱釋電式接近傳感器、濾波器、輸出轉(zhuǎn)換器、比較器、驅(qū)動(dòng)器和報(bào)警電路組成。圖7-13熱釋電紅外報(bào)警器電路原理

7.5磁電式轉(zhuǎn)速傳感器如圖7-14所示，由永久磁鐵、感應(yīng)線圈、磁盤等組成。在磁盤上加工有齒形凸起，磁盤裝在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。圖7-14磁電式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(yīng)線圈感應(yīng)脈沖電勢(shì)，其頻率為f=Z·n

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

7.6多普勒傳感器7.6.1多普勒效應(yīng)假若發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離發(fā)生變化，則發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)的頻率與接收機(jī)收到信號(hào)的頻率就不同。此現(xiàn)象是由奧地利物理學(xué)家多普勒發(fā)現(xiàn)的，所以稱為多普勒效應(yīng)。發(fā)射機(jī)發(fā)射無線電波向被測(cè)物體輻射，被測(cè)物體以速度v運(yùn)動(dòng)，如圖7-15（a）所示。被測(cè)物體做為接收機(jī)接收到的頻率為f1=f0+v/λ0

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

由于被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于電磁波的傳播速度，則可近似認(rèn)為λ0=λ1則：f2=f0+2v/λ0

由多普勒效應(yīng)產(chǎn)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(dá)測(cè)速被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度v可以用多普勒頻率來描述。多普勒雷達(dá)的電路原理如圖7-16所示。它由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、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(dá)檢測(cè)線速度工作原理圖發(fā)射信號(hào)和接收到的回波信號(hào)經(jīng)混頻器混頻，兩者產(chǎn)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(jì)算得到物體的運(yùn)動(dòng)速度v。該方法廣泛用于道路上檢測(cè)車輛行駛速度。7.7導(dǎo)電式液位傳感器液位傳感器按測(cè)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(dǎo)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(dǎo)電式水位傳感器如圖7-17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)，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)電路沒有電流流過，傳感器輸出電壓為零。圖7-17導(dǎo)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(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，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(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。

圖7-23是一種實(shí)用的導(dǎo)電式水位檢測(cè)器的電路原理圖。電路主要由兩個(gè)運(yùn)算放大器組成，IC1a運(yùn)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(yùn)算放大器與外圍元件組成比較器，以識(shí)別儀表水位的電信號(hào)狀態(tài)。采用發(fā)光二極管作為水位的指示。圖7-18導(dǎo)電式水位檢測(cè)器電路原理圖

導(dǎo)電式水位傳感器，在日常工作和生活中應(yīng)用很廣泛，抽水及儲(chǔ)水設(shè)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(dǎo)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(lì)磁線圈加上勵(lì)磁電壓后，絕緣導(dǎo)管便處于磁力線密度為B的均勻磁場(chǎng)中，當(dāng)導(dǎo)電性液體流經(jīng)絕緣導(dǎo)管時(shí)，電極上便會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)：圖7-19電磁式流量計(jì)工作原理圖1-鐵芯2-電極3-絕緣導(dǎo)管4-勵(lì)磁線圈5-液體

管道內(nèi)液體流動(dòng)的容積流量與電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系為可以通過對(duì)電動(dòng)勢(shì)的測(cè)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(lì)磁電壓信號(hào)為方波信號(hào)。

由方波發(fā)生器發(fā)出的方波信號(hào)一路經(jīng)勵(lì)磁放大器功率放大后，送入傳感器的勵(lì)磁線圈進(jìn)行勵(lì)磁；另一路作為采樣、鑒相脈沖信號(hào)。傳感器輸入回路前置放大器主放大器勵(lì)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(dòng)液體圖7-20電磁式流速傳感器的電路框圖流動(dòng)液體在電極上產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)輸入回路阻抗變換和前置放大，再由主放大器進(jìn)行放大。放大后的信號(hào)經(jīng)采樣、倒相、鑒相。所得信號(hào)濾去雜波后由直流放大器放大輸出，為檢測(cè)到的流速信號(hào)UOUT。用于自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、海水、污水、污泥、化學(xué)藥品、食品、礦漿等流量檢測(cè)。7.8.3