第7章位移传感器.ppt

第7章 位移传感器,7.1 机械位移传感器 7.2 光栅位移传感器 7.3 磁栅位移传感器 7.4 热释电式接近传感器 7.5 磁电式转速传感器 7.6 多普勒传感器 7.7 导电式液位传感器 7.8 流量及流速传感器 7.9 实训,7.1 机械位移传感器,机械位移传感器用来测量位移、距离、位置、尺寸、角度、角位移等几何学量。根据传感器的信号输出形式，可以分为模拟式和数字式两大类，如图7-1所示。根据被测物体的运动形式可细分为线性位移传感器和角位移传感器。机械位移传感器是应用最多的传感器之一，品种繁多。,机械位移传感器,数字式,模拟式,光栅式磁栅式,电位器式电阻应变式电容式螺旋管电感式差动变压器式涡流式光电式霍尔器件式微波式超声波式,图7.1 机械位移传感器的分类,7.1.1 电位器式机械位移传感器1.电位器的基本概念 图7-2是电位器的结构图。由电阻体、电刷、转轴、滑动臂、焊片等组成，电阻体的两端和焊片A、C相连，因此AC端的电阻值就是电阻体的总阻值。转轴和滑动臂相连，在滑动臂的一端装有电刷，靠滑动臂的弹性压在电阻体上并与之紧密接触，滑动臂的另一端与焊片B相连。,图7-2 电位器的一般结构,图7-3是电位器电路图。电位器转轴上的电刷将电阻体电阻R0分为R12和R23两部分，输出电压为U12。改变电刷的接触位置，电阻R12亦随之改变，输出电压U12也随之变化。,图7-3 电位器电路,常见用于传感器的电位器有：线绕式电位器、合成膜电位器、金属膜电位器、导电塑料电位器、导电玻璃釉电位器、光电电位器。,2.电位器的主要技术参数(1)最大阻值和最小阻值，指电位器阻值变化能达到的最大值和最小值；(2)电阻值变化规律，指电位器阻值变化的规律，例如对数式、指数式、直线式等；(3)线性电位器的线性度，指阻值直线式变化的电位器的非线性误差；(4)滑动噪声，指调电位器阻值时，滑动接触点打火产生的噪声电压的大小。,7.1.2电容式位移传感器 将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式位移传感器。变极距式电容传感器可进行线位移的测量，变面积式电容传感器可进行角位移的测量。图7-4是变极距式电容传感器用于轧制板材厚度自动控制的工作原理图。,图7-4 自动控制轧制板材设备,在被轧制板材的上、下两侧各置一块面积相等、与板材距离相等的金属极板，极板与板材形成两个电容器C1、C2。两块极板连接为一个电极，板材为另一个电极，则总电容为两个电容器并联，CXC1C2。总电容CX和调节电容C0、变压器次级L1、L2构成交流电桥。,电桥输出信号为 当轧制板材的厚度为要求值时，交流电桥平衡，无输出信号。,当被轧制板材的厚度相对于要求值发生变化时，则CX变化。若CX增大，表明板材厚度变厚，若CX减小，表明板材变薄。电桥失去平衡，输出和CX变化成比例的信号。计算后显示变化的板材厚度。该变化信号送到压力调节设备，调节轧辊，使轧制的板材的厚度向要求值变化。,铁芯随被测物体一起移动，导致线圈电感量发生变化。其检测位移量可从数毫米到数百毫米。缺点是灵敏度低。,7.1.4 差动变压器式机械位移传感器 如图7-6所示。初级线圈L1加交流励磁电压Uin，次级线圈上产生感应电压。由于两个次级线圈相反极性串接，所以两个次级线圈中的感应电压UOUT1和UOUT2的相位相反，当铁芯处于中心对称位置时，则UOUT1=UOUT2，所以UOUT=0。当铁芯向两端位移时，UOUT1大于或小于UOUT2，使UOUT不等于零，其值与铁芯的位移成正比。,图7-6 差动变压器结构原理图,7.2 光栅位移传感器,光栅传感器,一.光栅及其测量系统1.光栅的结构类型 1）长光栅尺,a是栅线的宽度,b是栅线的缝隙宽度,W 是栅距W=a+b,2）圆光栅,刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅盘，用来测量角度或角位移。根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。,2.光栅测量系统（光栅读数头）,二.光栅传感器的工作原理,当指示光栅和标尺光栅的刻线相交一个微小的夹角时,光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的相交处形成亮带，而在刻线彼此错开处形成暗带。在与光栅线纹大致垂直的方向上,产生出亮暗相间的条纹,这些条纹称为“莫尔条纹”（莫尔：法语丝绸的波纹）。,1.莫尔条纹的形成及其特征(重点掌握),莫尔条纹间距,光栅栅距,1、指示光栅 2、主光栅,莫尔条纹的特征,1)放大作用,结论：放大倍数为 1/,越小,B越大。例如=0.1时=0.1=0.12/360=0.00175432radW=0.02mm BH=11.4592mm。,如主光栅沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着指示光栅的栅线向上移动；反之，当主光栅向左移动时，莫尔条纹沿着指示光栅的栅线向下移动。因此根据莫尔条纹移动方向就可以对主光栅的运动进行辨向。,莫尔条纹的特征,（2）莫尔条纹移动方向,莫尔条纹的特征,（2）莫尔条纹移动方向与光栅移动方向的对应关系 即：辨别方向性,光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。莫尔条纹由光栅的大量刻线形成,对线纹的刻划误差有平均抵消作用,几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上消除短周期误差的影响。,（3）误差的平均效应,莫尔条纹的特征,例：W=0.02mm,接收元件尺寸1010mm2,在10mm范围内有500条刻线参与工作，某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。,五.光栅传感器的应用,7.2.1莫尔条纹 由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件称为光栅，如图7-7所示。用玻璃制成的光栅称为透射光栅，它是在透明玻璃上刻出大量等宽等间距的平行刻痕，每条刻痕处是不透光的，而两刻痕之间是透光的。,图7-7 光栅结构放大图,光栅的刻痕密度一般为每厘米10、25、50、100线。刻痕之间的距离为栅距W。如果把两块栅距W相等的光栅面平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹。,图7-8 莫尔条纹,莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成，如图7-8中dd线区所示。图7-8中ff线区则是由于光栅的遮光效应形成的。,莫尔条纹有两个重要的特性：(1)当指示光栅不动，主光栅左右平移时，莫尔条纹将沿着指示栅线的方向上下移动。查看莫尔条纹的上下移动方向，即可确定主光栅左右移动方向。,(2)莫尔条纹有位移的放大作用。当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距B。当两个等距光栅的栅间夹角较小时，主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹移动KW距离，K为莫尔条纹的放大系数：,当角较小时，例如=30，则K=115，表明莫尔条纹的放大倍数相当大。这样，可把肉眼看不见的光栅位移变成为清晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的移动来检测光栅的位移。可以实现高灵敏的位移测量。,条纹间距与栅距的关系为：,7.2.2光栅位移传感器的结构及工作原理 如图7-9所示，由主光栅、指示光栅、光源和光电器件等组成。主光栅和被测物体相连，它随被测物体的直线位移而产生移动。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移。用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的距离，也就测得了被测物体的位移量。,图7-9 光栅位移传感器的结构原理图,7.2.3 光栅位移传感器的应用 测量精度高（分辨率为0.1m），动态测量范围广（01000mm），可进行无接触测量，容易实现系统的自动化和数字化。广泛应用于量具、数控机床的闭环反馈控制、工作母机的坐标测量等方面。,7.3 磁栅位移传感器,磁栅是一种有磁化信息的标尺。它是在非磁性体的平整表面上镀一层约0.02mm厚的Ni-Co-P磁性薄膜。并用录音磁头沿长度方向按一定的激光波长录上磁性刻度线而构成的。因此又把磁栅称为磁尺。,磁栅录制后的磁化结构相当于一个个小磁铁按NS、SN、NS的状态排列起来，如图7-10所示。磁栅的种类可分为单型直线磁栅、同轴型直线磁栅和 旋转型磁栅等。磁栅主要用于大型机床和精密机床作为位置或位移量的检测元件。,图7-10 磁栅的基本结构,磁栅和其它类型的位移传感器相比，具有 结构简单、使用方便、动态范围大（120m）和 磁信号可以重新录制等优点。缺点是需要屏蔽和防尘。磁栅位移传感器的结构如图7-11所示。它由磁尺（磁栅）、磁头和检测电路组成。,图7-11 磁栅位移传感器的结构示意图,当磁尺与磁头之间产生相对位移时，磁头的铁芯使磁尺的磁通有效地通过输出绕组，在绕组中产生感应电压。该电压随磁尺磁场强度周期的变化而变化，从而将位移量转换成电信号输出。图7-12为磁信号与输出信号波形图。磁头输出信号经检测电路转换成电脉冲信号并以数字形式显示出来。,图7-12 磁信号与磁头输出信号波形图,7.4 热释电式接近传感器,接近传感器是一种具有感知物体接近能力的器件。位移传感器对所接近的物体具有的敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号。接近传感器又称为接近开关。常见的接近传感器有电容式、涡流式、霍尔效应式、光电式、热释电式、多普勒式、电磁感应式、微波式、超声波式。,热释电式接近传感器是用热释电元件的热释电效应探测人体接近时发出的红外线。它用于防盗、报警、来客告之及非接触开关等设备中。图7-13为热释电红外报警器电路，由热释电式接近传感器、滤波器、输出转换器、比较器、驱动器和报警电路组成。,图7-13 热释电红外报警器电路原理,7.5 磁电式转速传感器,如图7-14所示，由永久磁铁、感应线圈、磁盘等组成。在磁盘上加工有齿形凸起，磁盘装在被测转轴上，与转轴一起旋转。,图7-14 磁电式转速传感器结构示意图,当转轴旋转时，磁盘的凸凹齿形将引起磁盘与永久磁铁间气隙大小的变化，从而使永久磁铁组成的磁路中磁通量随之发生变化。感应线圈感应脉冲电势，其频率为,f=Zn,根据测定的脉冲频率，可得知被测物体的转速。如果配接数字电路，组成数字式转速测量仪，可直接读出被测物体的转速。被测转速很低时，输出脉冲电势的幅值很小，以致无法测量出来。所以，这种传感器不适合测量过低的转速，其测量转速下限一般为50转/秒左右，上限可达数百千转/秒。,7.6 多普勒传感器,多普勒效应,多普勒（Christian Doppler）多普勒是奥地利物理学家和数学家.他于1842年首先发现了这种效应.为了理解这一现象，就需要考察火车以恒定速度驶近时，汽笛发出的声波在传播时的规律.其结果是声波的波长缩短，好象波被压缩了.因此，在一定时间间隔内传播的波数就增加了，这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因；相反，当火车驶向远方时，声波的波长变大，好象波被拉伸了.因此，声音听起来就显得低沉.,假定波源、观察者的运动在同一直线上 1.波源相对于介质的运动速度为vs 2.观察者相对于介质的运动速度为vR 3.波在介质中传播的速度为u 4.波源的频率fs(单位时间内波源振动的次数或发出的完整波数)5.观察者接收到的频率fR(是观察者在单位时间内接受到的振动数或完整波数),相对于媒质、波源和观察者都不动的情况,波长0 是波源相对于媒质静止时，单位时间波在媒质中传播距离。,波源不动,观察者以速度 相对于介质运动,观察者不动,波源以速度 相对于介质运动,观察者相对于介质运动:,波源相对于介质运动:,观察者和波源同时相对于介质运动,如果波源和观察者是沿着它们连线的垂直方向运动,则s=R,即没有多普勒效应发生,如果波源和观察者的运动是任意方向的,那只要将速度在连线上的分量代入公式即可.,电磁波的多普勒效应 电磁波（光波）可以在真空中传播，真空中不存在介质，只需要考察光源与观测者之间的相对运动，需要根据相对论确定其多普勒效应的频率变化关系。,多普勒效应的应用,交通警向行进中的车辆发射频率已知的电磁波，通常是红外线，同时测量反射波的频率，根据反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度装有多普勒测速仪的警车有时就停在公路旁，在测速的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动打印在照片上,7.6.1 多普勒效应 假若发射机与接收机之间的距离发生变化，则发射机发射信号的频率与接收机收到信号的频率就不同。此现象是由奥地利物理学家多普勒发现的，所以称为多普勒效应。,发射机发射无线电波向被测物体辐射，被测物体以速度v运动，如图7-15（a）所示。被测物体做为接收机接收到的频率为 f1=f0+v/0 如果把f1做为反射波向接收机发射信号，如图6-15（b）所示。接收机接收到的信号频率为 f2=f1+v/1=f0+v/0+v/1,图7-15 多普勒效应示意图,由于被测物体的运动速度远小于电磁波的传播速度，则可近似认为 0=1则：f2=f0+2v/0 由多普勒效应产生的频率之差称为多普勒频率，即：Fd=f2-f0=2v/0,7.6.2 多普勒雷达测速 被测物体的运动速度v可以用多普勒频率来描述。多普勒雷达的电路原理如图7-16所示。它由发射机、接收机、混频器、检波器、放大器及处理电路等组成。,图7-21 多普勒雷达检测线速度工作原理图,发射信号和接收到的回波信号经混频器混频，两者产生差频输出，差频的频率正好为多普勒频率。Fd 2vcos/0 Kv(Hz)由差频Fd 可计算得到物体的运动速度v。该方法广泛用于道路上检测车辆行驶速度。,7.7 导电式液位传感器,液位传感器按测定原理可分为：浮子式液位传感器、平衡浮筒式液位传感器、压差式液位传感器、电容式液位传感器、导电式液位传感器、超声波式液位传感器、放射线式液位传感器。,导电式水位传感器如图7-17所示。电极可根据检测水位的要求进行升降调节，当水位低于检知电极时，两电极间呈绝缘状态，检测电路没有电流流过，传感器输出电压为零。,图7-17 导电式水位传感器基本工作原理图,如果水位上升到与检知电极端都接触时，由于水有一定的导电性，因此测量电路中有电流流过，指示电路中的显示仪表就会发生偏转，同时在限流电阻两端有电压输出。如果把输出电压和控制电路连接起来，便可对供水系统进行自动控制。,图7-23是一种实用的导电式水位检测器的电路原理图。电路主要由两个运算放大器组成，IC1a运算放大器及外围元件组成方波发生器，通过电容器C1与检知电极相接。IC1b运算放大器与外围元件组成比较器，以识别仪表水位的电信号状态。采用发光二极管作为水位的指示。,图7-18 导电式水位检测器电路原理图,导电式水位传感器，在日常工作和生活中应用很广泛，抽水及储水设备、工业水箱、汽车水箱等方面均被采用。,7.8 流量及流速传感器,流量及流速传感器的种类有：电磁式流量传感器、涡流式流量传感器、超声波式流量传感器、热导式流速传感器、激光式流速传感器、光纤式流速传感器、浮子式流量传感器、涡轮式流量传感器、空间滤波器式流量传感器。,7.8.1 电磁式流量传感器 如图7-19所示，在励磁线圈加上励磁电压后，绝缘导管便处于磁力线密度为B的均匀磁场中，当导电性液体流经绝缘导管时，电极上便会产生电动势：,图7-19 电磁式流量计工作原理图 1-铁芯 2-电极 3-绝缘导管 4-励磁线圈 5-液体,管道内液体流动的容积流量与电动势的关系为,可以通过对电动势的测定，求出容积流量。,7.8.2 电磁式流速传感器 如图7-20所示。励磁电压信号为方波信号。由方波发生器发出的方波信号一路经励磁放大器功率放大后，送入传感器的励磁线圈进行励磁；另一路作为采样、鉴相脉冲信号。,传感器,输入回路,前置放大器,主放大器,励磁放大器,直流放大器,滤波器,方波发生器,采样、倒相、鉴相器,UOUT,流动液体,图7-20 电磁式流速传感器的电路框图,流动液体在电极上产生的信号经输入回路阻抗变换和前置放大，再由主放大器进行放大。放大后的信号经采样、倒相、鉴相。所得信号滤去杂波后由直流放大器放大输出，为检测到的流速信号UOUT。用于自来水、工业用水、农业用水、海水、污水、污泥、化学药品、食品、矿浆等流量检测。,7.8.3 涡轮式流速传感器 涡轮式流速传感器是利用放在流体中的叶轮的转速进行流量测试的一种传感器。叶轮转速的测量如图7-21所示。,图7-21 涡轮流量传感器结构原理图,叶轮的叶片可以用导磁材料制作，由永久磁铁、铁芯及线圈与叶片形成磁路。当叶片旋转时，磁阻将发生周期性的变化，从而使线圈中感应出脉冲电压信号。该信号经放大、整形后输出，作为供检测转速用的脉冲信号。,图7-22 太阳能热水器水位报警器,