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1、第第7章章 位移传感器位移传感器 7.1 机械位移传感器机械位移传感器 7.2 光栅位移传感器光栅位移传感器 7.3 磁栅位移传感器磁栅位移传感器 7.4 热释电式接近传感器热释电式接近传感器 7.5 磁电式转速传感器磁电式转速传感器 7.6 多普勒传感器多普勒传感器 7.7 导电式液位传感器导电式液位传感器 7.8 流量及流速传感器流量及流速传感器 7.9 实训实训7.1 机械位移传感器机械位移传感器v 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。v 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。v 根据被测物体的运动形式可细分为线性位移传
2、感器和角位移传感器。v 机械位移传感器是应用最多的传感器之一，品种繁多。机机械械位位移移传传感感器器数数字字式式模模拟拟式式光栅式光栅式磁栅式磁栅式电位器式电位器式电阻应变式电阻应变式电容式电容式螺旋管电感式螺旋管电感式差动变压器式差动变压器式涡流式涡流式光电式光电式霍尔器件式霍尔器件式微波式微波式超声波式超声波式图7.1 机械位移传感器的分类 v7.1.1 电位器式机械位移传感器电位器式机械位移传感器v1.电位器的基本概念v 图7-2是电位器的结构图。v 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。v 转轴和滑动臂相连，在滑动
3、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 v 图7-3是电位器电路图。v 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。v 改变电刷的接触位置，电阻R12亦随之改变，v 输出电压U12也随之变化。图7-3 电位器电路 v 常见用于传感器的电位器有：v 线绕式电位器、v 合成膜电位器、v 金属膜电位器、v 导电塑料电位器、v 导电玻璃釉电位器、v 光电电位器。v2.电位器的主要技术参数v(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；v(2)电阻值变化规律，指电位器阻值变化
4、的规律，例如对数式、指数式、直线式等；v(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；v(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。v7.1.2电容式位移传感器电容式位移传感器v 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。v 变极距式电容传感器可进行线位移的测量，v 变面积式电容传感器可进行角位移的测量。v 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 v 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。v 两块极板连接为一个电
5、极，板材为另一个电极，则总电容为两个电容器并联，CXC1C2。v 总电容CX和调节电容C0、变压器次级L1、L2构成交流电桥。v 电桥输出信号为v v v 当轧制板材的厚度为要求值时，v 交流电桥平衡，无输出信号。in0X12outUZZ11-LL11(U）0X12ZZLLv 当被轧制板材的厚度相对于要求值发生变化时，则CX变化。v 若CX增大，表明板材厚度变厚，若CX减小，表明板材变薄。v 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。v 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
6、从数毫米到数百毫米。缺点是灵敏度低。v7.1.4 差动变压器式机械位移传感器差动变压器式机械位移传感器v 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。v 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。v 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位移传感器光栅传感器光栅传感器一一.光栅及其测量系统光栅及其测量系统1.1.光栅的结构类型光栅的
7、结构类型 1 1）长光栅尺）长光栅尺 主光栅主光栅 指示光栅指示光栅a是栅线是栅线的宽度的宽度b是栅线的是栅线的缝隙宽度缝隙宽度W 是栅距是栅距W=a+b2）圆光栅）圆光栅 刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅盘，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。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，根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种是一种是径向光栅，径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另一种是另一种是切向光栅，切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同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
8、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。若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。径向光栅径向光栅切向光栅切向光栅2.2.光栅测量系统（光栅读数头）光栅测量系统（光栅读数头）二二.光栅传感器的工作原理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当指示光栅和标尺光栅的刻线相交一个微小的夹角时的夹角时,光源照射光栅尺，由于挡光效应，两光源照射光栅尺，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产
9、生出亮暗相间的条纹,这些条纹称为这些条纹称为“莫尔条莫尔条纹纹”（莫尔：法语丝绸的波纹）。（莫尔：法语丝绸的波纹）。1.莫尔条纹的形成及其特征莫尔条纹的形成及其特征(重点掌握重点掌握)莫尔条纹间距莫尔条纹间距光栅栅距光栅栅距1、指示光栅、指示光栅 2、主光栅、主光栅两栅尺的夹角两栅尺的夹角两栅尺的夹角两栅尺的夹角莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征1)放大作用放大作用WWBCABBH2422sin22结论：结论：放大倍数为放大倍数为 1/,1/,越小越小,B,B越大。越大。例如例如=0.1=0.1时时 =0.1=0.1=0.1=0.12/360 2/360 =0.00175432rad=0.00175
10、432radW=0.02mm BW=0.02mm BH H=11.4592mm=11.4592mm。如主光栅沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹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。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。行辨向。莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征（2）莫尔条纹移动方向莫尔条纹移动方向莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征（2）莫尔条纹移动方向与光
11、栅移动方向的对应关系莫尔条纹移动方向与光栅移动方向的对应关系 即：辨别方向性即：辨别方向性主光栅相对指示主光栅相对指示光栅的转角光栅的转角主光栅相对指示主光栅相对指示光栅的移动方向光栅的移动方向莫尔条纹的移动莫尔条纹的移动方向方向顺时针转动顺时针转动角角 向左向左向上向上向右向右向下向下逆时针转动逆时针转动角角 向左向左向下向下向右向右向上向上 光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。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莫尔条纹由光栅的大量刻线形成,对线纹的刻划误对线纹的刻划误差有平均抵消作用差有平均抵消作用,几条刻线的栅距误差或断裂对几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔
12、条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上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。消除短周期误差的影响。（3）误差的平均效应误差的平均效应莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征例：例：W=0.02mm,接收元件尺寸接收元件尺寸1010mm2,在在10mm范范围内有围内有500条刻线参与工作，某几条刻线误差对莫尔条条刻线参与工作，某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。纹位置和形状基本无影响。五五.光栅传感器的应用光栅传感器的应用v7.2.1莫尔条纹莫尔条纹v 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。v 用玻璃制成的光栅称为透射光栅，它是在透明玻璃上
13、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 v 光栅的刻痕密度一般为每厘米10、25、50、100线。v 刻痕之间的距离为栅距W。v 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 v 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。v 图7-8中ff线区则是由于光栅的遮光效应形成的。v 莫尔条纹有两个重要的特性：v(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
14、动。v 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。v(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。v 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：1/WBKv 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。v 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。v 可以实现高灵敏的位移测量。条纹间距与栅距的关系为：WB v7.2.2光栅位移传感器的结构及工作原理光栅位移传感器的结构及工作原理v 如图7-
15、9所示，由主光栅、指示光栅、光源和光电器件等组成。v 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。v 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 v7.2.3 光栅位移传感器的应用光栅位移传感器的应用v 测量精度高（分辨率为0.1m），v 动态测量范围广（01000mm），v 可进行无接触测量，v 容易实现系统的自动化和数字化。v 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位移传感器v 磁栅是一种有磁化信息
16、的标尺。v 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。v 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。v 因此又把磁栅称为磁尺。v 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。v 磁栅的种类可分为单型直线磁栅、v 同轴型直线磁栅和v 旋转型磁栅等。v 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 v 磁栅和其它类型的位移传感器相比，具有v 结构简单、v 使用方便、v 动态范围大（120m）和v 磁信号可以重新录制等优点。v 缺点是需要屏蔽和防尘。v 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 v 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。v 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。v 图7-12为磁信号与输出信号波形图。v 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
