第4章 位移物位传感器.ppt

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1、 第4章 位移、物位传感器08.03.20231 第4章 位移、物位传感器08.03.20232u了解位移的概念及种类了解位移的概念及种类u熟悉常用位移传感器的工作原理熟悉常用位移传感器的工作原理第4章 位移物位传感器 第4章 位移、物位传感器08.03.202334.1电位器式位移传感器电位器式位移传感器4.2光栅位移传感器光栅位移传感器4.3磁栅位移传感器磁栅位移传感器4.4接近传感器接近传感器4.5液位传感器液位传感器4.6电容式物位传感器电容式物位传感器4.7流量传感器流量传感器本章小结本章小结复习思考题复习思考题第第4 4章章 位移物位传感器位移物位传感器返回主目录 第4章 位移、物

2、位传感器08.03.20234第第4章章位移物位传感器位移物位传感器在自动检测系统中，位移的测量是一种最基本的测量工作，它的特性是在自动检测系统中，位移的测量是一种最基本的测量工作，它的特性是测量空间距离的大小测量空间距离的大小，如，如距离、位置、尺寸、角度距离、位置、尺寸、角度等等。按照位移的特征按照位移的特征位位移移传传感感器器分分类类线位移线位移机构沿着某一条直线移动的距离机构沿着某一条直线移动的距离角位移角位移机构沿着某一定点转动的角度机构沿着某一定点转动的角度根据传感器的工作原理根据传感器的工作原理电阻式位移传感器电阻式位移传感器电容式位移传感器电容式位移传感器电感式位移传感器电感式

3、位移传感器光电式位移传感器、光栅以及磁栅光电式位移传感器、光栅以及磁栅感应同步器、激光位移传感器感应同步器、激光位移传感器根据输出信号根据输出信号模拟式模拟式数字式数字式根据传感器原理和使用方法根据传感器原理和使用方法接触式接触式非接触式非接触式 第4章 位移、物位传感器08.03.20235电容式电容式位移传感器、位移传感器、差动电感式位移传感器差动电感式位移传感器和和电阻应变式电阻应变式位移传感器，位移传感器，一般用于一般用于小位移小位移的测量的测量(几微米几毫米几微米几毫米)，差动变压器式差动变压器式位移传感器位移传感器用于用于中等位移中等位移的测量的测量(几毫米几毫米100100毫米左

4、右毫米左右)。电阻电位器式位移传感器适用于电阻电位器式位移传感器适用于较大较大范围位移的测量，但精度不高。范围位移的测量，但精度不高。感应同步器、光栅、磁栅、激光位移传感器用于感应同步器、光栅、磁栅、激光位移传感器用于精密精密检测系统位移的检测系统位移的测量，测量精度高测量，测量精度高(可达可达1 1 m)m)，量程也可大到几米。量程也可大到几米。位移传感器不仅用于直接测量角位移和线位移的场合，而且在其他物位移传感器不仅用于直接测量角位移和线位移的场合，而且在其他物理量如力、压力、应变、液位等能转换成位移的任何场合中，也广泛理量如力、压力、应变、液位等能转换成位移的任何场合中，也广泛作为测量和

5、控制反馈传感器用。作为测量和控制反馈传感器用。电容式传感器、电感式传感器和电阻应变式传感器前面章节已经详细电容式传感器、电感式传感器和电阻应变式传感器前面章节已经详细讲解，本章主要介绍讲解，本章主要介绍电位器式位移传感器、光栅位移传感器、磁栅位电位器式位移传感器、光栅位移传感器、磁栅位移传感器、液位位移传感器移传感器、液位位移传感器。返回本章目录返回本章目录 第4章 位移、物位传感器08.03.20236第第4 4章章 位移物位传感器位移物位传感器4.1.1.电位器的基本概念电位器的基本概念电位器是人们常用到的一种电子元件，它作为传感器可以将机械位移转换为与电位器是人们常用到的一种电子元件，它

6、作为传感器可以将机械位移转换为与其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起电路中输出电压的变化。其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起电路中输出电压的变化。图图4-1 4-1 电位器结构电位器结构分压器两边电阻的比值为分压器两边电阻的比值为 若以恒定电流若以恒定电流I I从电阻体的从电阻体的a a端流端流入，并将电阻体的入，并将电阻体的b b端接地，则变端接地，则变阻器和分压器的输出阻器和分压器的输出电阻体电阻体b b 端接地，则分压器输出电压端接地，则分压器输出电压若在分压器的两端施加电压若在分压器的两端施加电压 当电刷沿电阻体的接触表面从当电刷沿电阻体的接触表面从b b端移向端移向a a时

7、，在电刷两边的电阻体阻值随之发生变时，在电刷两边的电阻体阻值随之发生变化。设电阻体全长为化。设电阻体全长为L L，总电阻为，总电阻为R R，则当电刷移动距离为，则当电刷移动距离为x x时，变阻器的电阻值为时，变阻器的电阻值为 电位器由电位器由电阻体和电刷电阻体和电刷（也称可动触点）两部分组成，可作为变阻器（也称可动触点）两部分组成，可作为变阻器使用，如图使用，如图4-1a4-1a所示，也可作为分压器使用，如图所示，也可作为分压器使用，如图4-1b4-1b所示。所示。由上可见，电位器的输出信号均与电刷的位移量成比例，由上可见，电位器的输出信号均与电刷的位移量成比例，实现了实现了位移与输出位移与输

8、出电信号的对应转换关系。因此，这类电信号的对应转换关系。因此，这类传感器可用于传感器可用于测量机械位移量测量机械位移量，或可测量已转换成位移，或可测量已转换成位移量的其它物理量（如压力、振动加速度等）。量的其它物理量（如压力、振动加速度等）。这种类型传感器这种类型传感器特点特点是：结构简单、价格低廉，输出信是：结构简单、价格低廉，输出信号大，一般不需放大，但是，它的分辨率不高，精度也号大，一般不需放大，但是，它的分辨率不高，精度也不高，所以不适于精度要求较高的场合。另外，动态响不高，所以不适于精度要求较高的场合。另外，动态响应较差，不适于动态快速测量。应较差，不适于动态快速测量。第4章 位移、

9、物位传感器08.03.20237第第4 4章章 位移物位传感器位移物位传感器电电位位器器式式传传感感器器按结构形式按结构形式图图4-2 4-2 电位器结构形式电位器结构形式直线位移型直线位移型角位移型角位移型按工艺特点按工艺特点线绕式线绕式非线绕式非线绕式按制作材料按制作材料绕线式电位器绕线式电位器合成膜电位器合成膜电位器金属膜电位器金属膜电位器导电塑料电位器导电塑料电位器导电玻璃釉电位器导电玻璃釉电位器光电式电位器光电式电位器 第4章 位移、物位传感器08.03.202381.电阻丝电阻丝电阻丝的材料应是电阻率大、电阻温度系数小、柔软，但强度高，抗蚀性好、电阻丝的材料应是电阻率大、电阻温度系

10、数小、柔软，但强度高，抗蚀性好、抗拉强度高、容易焊接，且熔点高。常用的材料为：铜镍合金、铜锰合金、铂抗拉强度高、容易焊接，且熔点高。常用的材料为：铜镍合金、铜锰合金、铂铬合金及镍铬丝等。铬合金及镍铬丝等。2.骨架与基体骨架与基体骨架与基体应形状稳定，表面绝缘电阻高，并有较好的散热能力。常用的材料骨架与基体应形状稳定，表面绝缘电阻高，并有较好的散热能力。常用的材料有陶瓷、酚醛树脂、工程塑料以及经过绝缘处理的铝合金等。有陶瓷、酚醛树脂、工程塑料以及经过绝缘处理的铝合金等。3.电刷电刷电刷是电位器中关键零件之一，一般用贵金属材料或金属薄片制成。金属丝直电刷是电位器中关键零件之一，一般用贵金属材料或金

11、属薄片制成。金属丝直径约径约0.10.2mm，电刷头部应弯成弧形，以防接触面过大而磨损，如图，电刷头部应弯成弧形，以防接触面过大而磨损，如图4-3所示所示为常见电刷结构。电刷要有一定的弹性，以保证与电阻体可靠接触，另外抗蚀为常见电刷结构。电刷要有一定的弹性，以保证与电阻体可靠接触，另外抗蚀性好、抗拉强度高、容易焊接，且熔点高。性好、抗拉强度高、容易焊接，且熔点高。图图4-3 4-3 常见电刷结构常见电刷结构电位器由电阻体电位器由电阻体包括电阻丝（或包括电阻丝（或电阻薄膜）、骨电阻薄膜）、骨架和电刷组成架和电刷组成 第4章 位移、物位传感器08.03.20239第第4 4章章 位移物位传感器位移

12、物位传感器1.1.最大阻值和最小阻值最大阻值和最小阻值指电位器阻值变化能达到的指电位器阻值变化能达到的最大值和最小值。最大值和最小值。2.2.电阻值变化规律电阻值变化规律指电位器阻值变化的规律，例如指电位器阻值变化的规律，例如对数式、指数式、直线式等。对数式、指数式、直线式等。3.3.线形电位器的线性度线形电位器的线性度指阻值直线式变化的电位器指阻值直线式变化的电位器的非线性误差。的非线性误差。4.4.滑动噪声滑动噪声电刷移动时，滑动接触点打火产生的噪电刷移动时，滑动接触点打火产生的噪声电压大小。声电压大小。第4章 位移、物位传感器08.03.202310第第4 4章章 位移物位传感器位移物位

13、传感器电位器式线位移传感器结构原理如图电位器式线位移传感器结构原理如图4-44-4所示所示当滑杆随待测物体往返当滑杆随待测物体往返运动时，电刷在电阻体运动时，电刷在电阻体上也来回滑动。使电位上也来回滑动。使电位器两端输出电压随位移器两端输出电压随位移量改变而变化量改变而变化 图图4-4 4-4 线位移传感器线位移传感器 第4章 位移、物位传感器08.03.202311第第4 4章章 位移物位传感器位移物位传感器传感器的转轴与被测传感器的转轴与被测角度转轴相连，电刷角度转轴相连，电刷在电位器上转过一个在电位器上转过一个角位移时，在检测输角位移时，在检测输出端有一个与转角成出端有一个与转角成比例的

14、电压输出比例的电压输出 第4章 位移、物位传感器08.03.202312惯性敏感元件在被测加速度惯性敏感元件在被测加速度的作用下，使片状弹簧产生的作用下，使片状弹簧产生正比于被测加速度的位移，正比于被测加速度的位移，从而引起电刷在电阻体上下从而引起电刷在电阻体上下滑动，输出与加速度成比例滑动，输出与加速度成比例的电压信号的电压信号 第第4 4章章 位移物位传感器位移物位传感器当被测流体通入弹性敏感元件膜当被测流体通入弹性敏感元件膜盒的内腔时，在流体压力作用下，盒的内腔时，在流体压力作用下，膜合硬中心产生弹性位移，推动膜合硬中心产生弹性位移，推动连杆上移，使曲柄轴带动电位器连杆上移，使曲柄轴带动

15、电位器的电刷在电阻体上滑动，输出与的电刷在电阻体上滑动，输出与被测压力成正比的电压信号被测压力成正比的电压信号返回本章目录返回本章目录 第4章 位移、物位传感器08.03.202313第第4 4章章 位移物位传感器位移物位传感器4.2.1光栅的概念光栅的概念由大量由大量等宽等间距的平行狭缝等宽等间距的平行狭缝组成的光组成的光学器件称为学器件称为光栅光栅，如图，如图4-8 4-8 所示。所示。用玻璃制成的光栅称为用玻璃制成的光栅称为透射光栅透射光栅，它是，它是在透明玻璃上刻出大量等宽等间距的平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，而两行刻痕，每条刻痕处是不透光的，而两刻

16、痕之间是透光的；刻痕之间是透光的；用不锈钢制成的光栅称为反射式光栅。用不锈钢制成的光栅称为反射式光栅。光栅的刻痕密度一般为每光栅的刻痕密度一般为每毫米毫米1010、2525、5050、100100、250250线线。刻痕之间的距离称为。刻痕之间的距离称为栅距栅距W W。设刻痕宽度为。设刻痕宽度为a a，狭缝宽度为，狭缝宽度为b b，则，一般情况下取。则，一般情况下取。图图4-8 4-8 光栅光栅 第4章 位移、物位传感器08.03.202314 第4章 位移、物位传感器08.03.202315 第4章 位移、物位传感器08.03.202316第第4 4章章 位移物位传感器位移物位传感器莫尔条纹

17、莫尔条纹如果把如果把两块栅距两块栅距W W相等的光栅面平行安装相等的光栅面平行安装，且让它们的刻痕之且让它们的刻痕之间有较小的夹角间有较小的夹角，这时光栅上会出现若干条，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹明暗相间的条纹，这种条纹称，这种条纹称莫尔条纹，如图莫尔条纹，如图4-94-9所示。所示。莫尔条纹是光栅莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带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，它由一系列四棱形图案组成，图组成，图4-94-9中中d-dd-d线区所示。线区所示。f-f f-f 线区则是由于光栅的遮光效应形成的。线区则是由于光栅的遮光效应形成的。图图4-9 4-9 莫尔

18、条纹莫尔条纹 第4章 位移、物位传感器08.03.202317W第4章 位移物位传感器 第4章 位移、物位传感器08.03.202318图7-8 莫尔条纹 第4章 位移、物位传感器08.03.202319第4章 位移物位传感器位移的方向性位移的方向性：当指示光栅不动，主光栅左右平移时，莫尔条纹将沿着指当指示光栅不动，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右移动方向。莫尔条纹有位移的放大作用莫尔条纹有位移的放大作用。当主光栅沿有刻线垂直的方向移动一个栅距。当主

19、光栅沿有刻线垂直的方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距时，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。当两个等距光栅的栅间夹角较小时，较小时，主光栅移动一个栅距主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹移动，莫尔条纹移动KW距离，距离，K为莫尔条纹的放大系数，为莫尔条纹的放大系数，可由下式确定，即可由下式确定，即上式可以看出，当上式可以看出，当角较小时，例如角较小时，例如=30=30，则，则K=115K=115，表明莫尔条纹的放大倍数相当大。表明莫尔条纹的放大倍数相当大。当当=0.1=0.1o o时，时，K=573K=573这样，就可以把这样，就可以把肉眼看不到的光栅位移肉眼看不到的光

20、栅位移变成为清晰可见的变成为清晰可见的莫尔条纹莫尔条纹移动，可以用测量条纹的位移来检测光栅的位移，移动，可以用测量条纹的位移来检测光栅的位移，从而实现高灵敏度的位移测量。从而实现高灵敏度的位移测量。第4章 位移、物位传感器08.03.202320第4章 位移物位传感器光栅位移传感器的结构及工作原理如图光栅位移传感器的结构及工作原理如图4-10所示。所示。它主要由它主要由主光栅、指主光栅、指示光栅、光源和光电器件示光栅、光源和光电器件等组成，其中主光栅和被测物体相连，它随被测等组成，其中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物体的直线位移而

21、产生移动。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移，若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位移，若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。利用上述原理，通过多个光敏器件距离，也就测得了被测物体的位移量。利用上述原理，通过多个光敏器件对莫尔条纹信号的内插细分，便可检测出比光栅距还小的位移量及被测物对莫尔条纹信号的内插细分，便可检测出比光栅距还小的位移量及被测物体的移动方向。体的移动方向。图图4-10 4-10 光栅位移传感器的结构原理图光栅位移传感器的结构原理图 第4章 位移、物位传感器08.03.202321第第4 4章章

22、 位移物位传感器位移物位传感器由于莫尔条纹是明暗交替的，当莫尔条纹上下移动时，只要用光敏由于莫尔条纹是明暗交替的，当莫尔条纹上下移动时，只要用光敏元件检测出来明、暗的变化，就可得知位移的大小，实现测量结果元件检测出来明、暗的变化，就可得知位移的大小，实现测量结果的二值化。另外莫尔条纹是由光栅的大量刻线形成的，对刻线误差的二值化。另外莫尔条纹是由光栅的大量刻线形成的，对刻线误差有平均作用，能在很大程度上消除刻线不均匀引起的误差。有平均作用，能在很大程度上消除刻线不均匀引起的误差。由于光栅位移传感器测量精度高（分辨率为由于光栅位移传感器测量精度高（分辨率为0.1m0.1m）、动态测量范）、动态测量

23、范围广（围广（0 01000mm1000mm），可进行无接触测量，而且容易实现系统的自），可进行无接触测量，而且容易实现系统的自动化和数字化，因而在机械工业中得到了广泛的应用，特别是在量动化和数字化，因而在机械工业中得到了广泛的应用，特别是在量具、数控机床的闭环反馈控制、工作主机的坐标测量等方面，光栅具、数控机床的闭环反馈控制、工作主机的坐标测量等方面，光栅位移传感器都起着重要的作用位移传感器都起着重要的作用。返回本章目录返回本章目录 第4章 位移、物位传感器08.03.202322第第4 4章章 位移物位传感器位移物位传感器4.3.1磁栅的概念磁栅的概念*磁栅是一种有磁化信息的标尺磁栅是一种

24、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，它是在非磁性体的平整表面上镀一层约0.020.02厚的厚的Ni-Co-PNi-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录上磁性刻度线而构成的，因此又把磁栅称为成的，因此又把磁栅称为磁尺磁尺。*录制磁信息时，要使磁尺固定，磁头根据来自激光波长的基准信号，以一定的速度录制磁信息时，要使磁尺固定，磁头根据来自激光波长的基准信号，以一定的速度在其长度方向在其长度方向上边运行边流过一定频率的相等电流上边运行边流过一定频率的相等电流，这样，就在磁尺上记录了相等节，这样，就

25、在磁尺上记录了相等节距的磁化信息而形成磁栅。距的磁化信息而形成磁栅。*磁栅录制后的磁化结构相当于一个个小磁铁按磁栅录制后的磁化结构相当于一个个小磁铁按NSNS、SNSN、NSNS的状态排列起来，如的状态排列起来，如 图图-所示。因此在磁栅上的磁场强度呈周期性地变化，并在所示。因此在磁栅上的磁场强度呈周期性地变化，并在N-NN-N或或S-SS-S相接处为相接处为最大处。最大处。图4-11 磁栅的基本结构磁栅的基本结构 第4章 位移、物位传感器08.03.202323 第4章 位移、物位传感器08.03.202324第4章 位移物位传感器磁栅的种类可分为磁栅的种类可分为单面型直线磁栅、同轴型直线磁

26、栅和单面型直线磁栅、同轴型直线磁栅和旋转型磁栅旋转型磁栅等。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。磁栅和其他类型的位移传感器相比，具有结构检测元件。磁栅和其他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（简单，使用方便，动态范围大（120m）和磁信号可以重）和磁信号可以重新录制等优点。其缺点是需要屏蔽和防尘。新录制等优点。其缺点是需要屏蔽和防尘。第4章 位移、物位传感器08.03.202325第第4 4章章 位移物位传感器位移物位传感器磁栅位移传感器由磁栅位移传感器由磁尺（磁栅）、磁头和检测电路磁尺（磁栅）、磁

27、头和检测电路组成。组成。工作原理是工作原理是电磁感应原理电磁感应原理，当线圈在一个周期性磁体表面附近匀速运动，当线圈在一个周期性磁体表面附近匀速运动时，线圈上就会产生时，线圈上就会产生不断变化的感应电动势不断变化的感应电动势。感应电动势的大小，既和。感应电动势的大小，既和线圈的运动速度有关，还和磁性体与线圈接触时的磁性大小及变化率有线圈的运动速度有关，还和磁性体与线圈接触时的磁性大小及变化率有关。根据感应电动势的变化情况，就可获得线圈与磁体相对位置和运动关。根据感应电动势的变化情况，就可获得线圈与磁体相对位置和运动的信息。的信息。磁尺是检测位移的基准尺，磁头用来读取磁尺上的记录信号。按读取方磁

28、尺是检测位移的基准尺，磁头用来读取磁尺上的记录信号。按读取方式不同，磁头分为式不同，磁头分为动态磁头和静态磁头动态磁头和静态磁头两种。两种。第4章 位移、物位传感器08.03.202326第第4 4章章 位移物位传感器位移物位传感器动态磁头上动态磁头上只有一个输出绕组只有一个输出绕组，只有，只有当磁头和磁尺相对运动时才有信号输出当磁头和磁尺相对运动时才有信号输出，因此又称动，因此又称动态磁头为态磁头为速度响应磁头速度响应磁头。运动速度不同，输出信号的大小和周期也不同，因此，对运动速。运动速度不同，输出信号的大小和周期也不同，因此，对运动速度不均匀的部件，或时走时停的机床，不宜采用动态磁头进行测

29、量。但动态磁头测量位移度不均匀的部件，或时走时停的机床，不宜采用动态磁头进行测量。但动态磁头测量位移较简单，磁头输出为正弦信号，在较简单，磁头输出为正弦信号，在N N、N N处达到正向峰值，在处达到正向峰值，在S S、S S处为负向峰值如图处为负向峰值如图4-124-12所所示，通过计数磁尺的磁节距个数（或正弦波周期个数），就可知道磁头与磁尺间的相对位示，通过计数磁尺的磁节距个数（或正弦波周期个数），就可知道磁头与磁尺间的相对位移量。图移量。图4-12 4-12 动态磁头输出波形与磁栅位置关系动态磁头输出波形与磁栅位置关系式中式中 n n正弦波周期个数（磁节距个数）正弦波周期个数（磁节距个数）

30、W W磁节距磁节距图图4-12 4-12 动态磁头输出波形与磁栅位置关系动态磁头输出波形与磁栅位置关系 第4章 位移、物位传感器08.03.202327第第4 4章章 位移物位传感器位移物位传感器静态磁头是一种调制式磁头，磁头静态磁头是一种调制式磁头，磁头上有两个绕组，一个是上有两个绕组，一个是激励绕组激励绕组，加以加以激励电源电压激励电源电压，另一个是输出，另一个是输出绕组。即使在磁头与磁尺之间处于绕组。即使在磁头与磁尺之间处于相对静止时，也会因为有交变激励相对静止时，也会因为有交变激励信号使输出绕组有感应电压信号输信号使输出绕组有感应电压信号输出。如图出。如图4-134-13所示，所示，可

31、见输出信号是一个幅值不变，相位可见输出信号是一个幅值不变，相位随磁头与磁栅相对位置变化而变化的随磁头与磁栅相对位置变化而变化的信号，可用鉴相电路测出该调相信号信号，可用鉴相电路测出该调相信号的相位，从而测出位移。的相位，从而测出位移。静态磁头和磁尺之间静态磁头和磁尺之间有相对运动有相对运动时，时，输出绕组产生一个新的感应电压信号输出绕组产生一个新的感应电压信号输出，它作为包络，调制在原感应电输出，它作为包络，调制在原感应电压信号频率上。该压信号频率上。该电压随磁尺磁场强电压随磁尺磁场强度周期的变化而变化度周期的变化而变化，从而将位移量，从而将位移量转换成电信号输出。这提高了测量精转换成电信号输

32、出。这提高了测量精度。检测电路主要用来供给磁头激励度。检测电路主要用来供给磁头激励电压和把磁头检测到的信号转换为脉电压和把磁头检测到的信号转换为脉冲信号输出并以数字形式显示出来。冲信号输出并以数字形式显示出来。磁头总的输磁头总的输出信号为出信号为:第4章 位移、物位传感器08.03.202328第第4 4章章 位移物位传感器位移物位传感器磁栅位移传感器和其他类型的位移传感器相比，具有结栅位移传感器和其他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（构简单，使用方便，动态范围大（120m）和磁信号）和磁信号可以重新录制等优点，其可以重新录制等优点，其缺点缺点是需要屏蔽和防尘。是需要屏

33、蔽和防尘。磁栅位移传感器主要用于大型机床和精密机床作为位置磁栅位移传感器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，其行程可达数十米，分辨率优于或位移量的检测元件，其行程可达数十米，分辨率优于。磁栅位移传感器允许最高工作速度为磁栅位移传感器允许最高工作速度为12m/min，系统的，系统的精度可达精度可达0.01mm/m，最小指示值，最小指示值0.001mm，使用范围，使用范围040，是一种测量大位移的传感器。，是一种测量大位移的传感器。第4章 位移、物位传感器08.03.202329返回本章目录返回本章目录 第4章 位移、物位传感器08.03.202330第第4 4章章 位移物位传感

34、器位移物位传感器接近传感器是一种具有感知物体接近能力的器件。它接近传感器是一种具有感知物体接近能力的器件。它利用利用位移传感器位移传感器对接近的物体具有的敏感特性来识别物对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。因此，通常又把接近体的接近，并输出相应开关信号。因此，通常又把接近传感器称为传感器称为接近开关接近开关。常见的接近传感器有常见的接近传感器有电容式电容式、涡流式涡流式、霍尔效应式霍尔效应式、光电式光电式、热释电式热释电式、多普勒式多普勒式、电磁感应式及微波式电磁感应式及微波式、超声波式超声波式等等。等等。第4章 位移、物位传感器08.03.202331第第4 4章

35、章 位移物位传感器位移物位传感器 电容式接近传感器是一个以电容式接近传感器是一个以电极为检测端的静电电容式接近开关电极为检测端的静电电容式接近开关，它由高频振荡，它由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成，如电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成，如图图-所示：所示：平时检测电极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电路的一个组成部分。平时检测电极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电路的一个组成部分。当被检测电极接近检测电极时，由于检测电极加有电压，检测电极就会受到静电感当被检测电极接近检测电极时，由于检测电极加有电压，检测电极就会受到静电感应而产生极化现象，被

36、测物体越靠近检测电极，检测电极上的电荷就越多，由于检应而产生极化现象，被测物体越靠近检测电极，检测电极上的电荷就越多，由于检测电极的静电电容为测电极的静电电容为C=Q/V，所以电荷的增多，使检测电极电容，所以电荷的增多，使检测电极电容C随之增大，进而随之增大，进而又使振荡电路的振荡减弱，甚至停止振荡。振荡电路的又使振荡电路的振荡减弱，甚至停止振荡。振荡电路的振荡与停振振荡与停振这两种状态被检这两种状态被检测电路转换为开关信号后向外输出。测电路转换为开关信号后向外输出。图图4-14 4-14 电容式接近传感器原理框图电容式接近传感器原理框图电容式接近传感器电容式接近传感器检测的被测物体是检测的被

37、测物体是金属导体金属导体，非金属，非金属导体不能用该方法导体不能用该方法测量测量.第4章 位移、物位传感器08.03.202332第第4 4章章 位移物位传感器位移物位传感器电感式接近传感器由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路电感式接近传感器由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成。如图组成。如图4-154-15所示。检测用敏感元件为检测线圈，它是振荡电路的一个组成部所示。检测用敏感元件为检测线圈，它是振荡电路的一个组成部分，振荡电路的振荡频率为。分，振荡电路的振荡频率为。当检测线圈通以交流电时，在检测线圈的周围就产当检测线圈通以交流电时，在检测线圈的周围就

38、产生一个交变的磁场，当金属物体接近检测线圈时，金属物体就会产生电涡流生一个交变的磁场，当金属物体接近检测线圈时，金属物体就会产生电涡流而吸而吸收磁场能量，使检测线圈的电感收磁场能量，使检测线圈的电感L L发生变化，从而使振荡电路的振荡频率减小，以发生变化，从而使振荡电路的振荡频率减小，以至停振。至停振。振荡与停振振荡与停振这两种状态经检测电路转换成开关信号输出。这两种状态经检测电路转换成开关信号输出。图图4-15a4-15a）电感式接近传感器原理框图电感式接近传感器原理框图 第4章 位移、物位传感器08.03.202333图图4-15b4-15b）电感式接近传感器工作过程电感式接近传感器工作过

39、程电感式接近传感器检测的被测物体也是电感式接近传感器检测的被测物体也是金属导体金属导体，非金属导体不能用该方法测量。，非金属导体不能用该方法测量。振幅变化随目标物金属种类而不同，因此振幅变化随目标物金属种类而不同，因此检测距离也随目标物金属的种类而不同。检测距离也随目标物金属的种类而不同。第4章 位移、物位传感器08.03.202334第4章 位移物位传感器 第4章 位移、物位传感器08.03.202335第第4 4章章 位移物位传感器位移物位传感器接近传感器主要用于接近传感器主要用于检测物体的位移检测物体的位移在航空、航天技术以及工业生产中都有广泛的应用。在航空、航天技术以及工业生产中都有广

40、泛的应用。在日常生活中，如宾馆、饭店、车库的自动门、自动热风机上都在日常生活中，如宾馆、饭店、车库的自动门、自动热风机上都有应用。有应用。在安全防盗方面，如资料档案、财会、金融、博物馆、金库等重在安全防盗方面，如资料档案、财会、金融、博物馆、金库等重地，通常都装有由各种接近开关组成的防盗装置。地，通常都装有由各种接近开关组成的防盗装置。在测量技术中，如长度，位置的测量在测量技术中，如长度，位置的测量在控制技术中，如位移、速度、加速度的测量和控制，也都使用在控制技术中，如位移、速度、加速度的测量和控制，也都使用着大量的接近开关。着大量的接近开关。返回本章目录返回本章目录 第4章 位移、物位传感器

41、08.03.202336第第4 4章章 位移物位传感器位移物位传感器测量液位的目的：一种是测量液位的目的：一种是为了液体储藏量的管理为了液体储藏量的管理，一种是，一种是为了为了液位的安全或自动化控制液位的安全或自动化控制，有时需要精确的液位数据，有时只需，有时需要精确的液位数据，有时只需液位升降的信息。液位升降的信息。液液位位传传感感器器浮子式液位传感器浮子式液位传感器平衡浮筒式液位传感器平衡浮筒式液位传感器压差式液位传感器压差式液位传感器电容式液位传感器电容式液位传感器导电式液位传感器导电式液位传感器超声波式液位传感器超声波式液位传感器放射线式液位传感器放射线式液位传感器 第4章 位移、物位

42、传感器08.03.202337第第4 4章章 位移物位传感器位移物位传感器导电式水位传感器的基本工作原理，如图导电式水位传感器的基本工作原理，如图4-164-16所示。电极可根据检测水位的要求进所示。电极可根据检测水位的要求进行升降调节，它实际上是一个导电性的检行升降调节，它实际上是一个导电性的检测电路。测电路。当水位低于检知电极时，两电极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，间呈绝缘状态，检测电路没有电流流过，传感器输出电压为传感器输出电压为0 0。假如水位上升到与两。假如水位上升到与两检知电极端都接触时，由于水有一定的导检知电极端都接触时，由于水有一定的导电性，因

43、此测量电路中有电流流过，指示电性，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限流电阻两端有电压输出。人们通过仪表。人们通过仪表或输出电压便得知水位已达到预定的高度或输出电压便得知水位已达到预定的高度了。如果把输出电压和控制电路连接起来，了。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。便可对供水系统进行自动控制。图图4-16 4-16 导电式水位传感器基本工作导电式水位传感器基本工作原理原理 第4章 位移、物位传感器08.03.202338图图4-17 4-17 导电式水位传感器的电路原理图导电式

44、水位传感器的电路原理图方波发方波发生器生器 比较器比较器 水位上升与水位上升与检知电极接触检知电极接触 矩形波信矩形波信号被旁路号被旁路 低电平低电平 高电平高电平 熄灭熄灭 水位低于水位低于检知电极检知电极 低电平低电平 闪烁闪烁发光发光 高电平高电平 第4章 位移、物位传感器08.03.202339第第4 4章章 位移物位传感器位移物位传感器压差式液位传感器是根据压差式液位传感器是根据液面的高度与液面的高度与液压成比例液压成比例的原理制成的。如果液体的的原理制成的。如果液体的密密度恒定度恒定，则液体加在测量基准面上的压力，则液体加在测量基准面上的压力与液面到基准面的与液面到基准面的高度高度

45、成正比，因此通过成正比，因此通过压力的测定便可知液面的高度。当储液罐压力的测定便可知液面的高度。当储液罐为开放型时，如图为开放型时，如图4-184-18所示，其基准面上所示，其基准面上的压力由下式确定，即的压力由下式确定，即 图图4-18 4-18 开放型储液罐压力示意图开放型储液罐压力示意图由于需要测定的是高度由于需要测定的是高度 ，因，因此调整压力传感器的零点，把压此调整压力传感器的零点，把压力传感器的零点提高力传感器的零点提高 ，就可，就可以得到压力与液面高度以得到压力与液面高度 成比例成比例的输出的输出 第4章 位移、物位传感器08.03.202340图图4-19 4-19 密封型储液

46、罐测压示意图密封型储液罐测压示意图两侧的压力差两侧的压力差 第4章 位移、物位传感器08.03.202341第第4章章位移物位传感器位移物位传感器1.1.磁致伸缩效应磁致伸缩效应大家知道物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的大家知道物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）磁致伸缩现象（或效应）。另外有些物。另外有些物质

47、（多数是金属氧化物）在电场作用下，其尺寸也伸长（或缩短），去掉外电场质（多数是金属氧化物）在电场作用下，其尺寸也伸长（或缩短），去掉外电场后又恢复其原来的尺寸，这种现象称为电致伸缩现象。磁致伸缩效应可用后又恢复其原来的尺寸，这种现象称为电致伸缩现象。磁致伸缩效应可用磁致伸磁致伸缩系数缩系数（或应变）（或应变）来描述来描述，物体原来物体原来的长度的长度 在外磁场作用下在外磁场作用下伸长（或缩短）伸长（或缩短）后的长度后的长度 磁致伸缩用的材料较多，主要有镍、铁、钴、铝类合金与镍铜钴铁氧陶瓷，其磁致伸缩系数为 量级 第4章 位移、物位传感器08.03.202342第第4 4章章 位移物位传感器位移

48、物位传感器磁致伸缩液位传感器是根据磁致伸缩液位传感器是根据磁致伸缩测量原磁致伸缩测量原理理研制而成，可精确地测量液位、界面的高研制而成，可精确地测量液位、界面的高度和温度。具有测量精度高、稳定可靠、抗度和温度。具有测量精度高、稳定可靠、抗干扰、安装方便快捷、免定期维护和标定等干扰、安装方便快捷、免定期维护和标定等优点。适用于石化、电力、生物制剂、粮油、优点。适用于石化、电力、生物制剂、粮油、酿造等行业各种油面和界面的精确计量。酿造等行业各种油面和界面的精确计量。磁致伸缩线性位移磁致伸缩线性位移(液位液位)传感器主要由传感器主要由测杆、测杆、电子仓和套在测杆上的非接触的磁环或浮球电子仓和套在测杆

49、上的非接触的磁环或浮球（子）（子）组成。如图组成。如图4-204-20所示。测杆内装有磁所示。测杆内装有磁致伸缩线致伸缩线(波导线波导线)，测杆由，测杆由不导磁的不锈钢不导磁的不锈钢管管制成，可靠地保护了波导丝。浮子内装有制成，可靠地保护了波导丝。浮子内装有一组永久磁铁，所以浮子同时产生一个磁场。一组永久磁铁，所以浮子同时产生一个磁场。图图4-20 4-20 磁致伸缩液位传感器测量示磁致伸缩液位传感器测量示意图意图 第4章 位移、物位传感器08.03.202343工作时，由电子仓内电子电路产生一工作时，由电子仓内电子电路产生一起始脉冲起始脉冲，此起始脉冲在波导线中，此起始脉冲在波导线中传输时，

50、同时产生了一沿波导线方向前进的旋转磁场，当这个磁场与磁传输时，同时产生了一沿波导线方向前进的旋转磁场，当这个磁场与磁环或浮球中的永久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，使波导丝发生扭动，环或浮球中的永久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，使波导丝发生扭动，这一扭动被安装在电子仓内的这一扭动被安装在电子仓内的拾能机构拾能机构所感知并转换成相应的电流脉冲所感知并转换成相应的电流脉冲即即终止脉冲终止脉冲，通过电子电路计算出起始脉冲和终止脉冲之间的时间差，通过电子电路计算出起始脉冲和终止脉冲之间的时间差，即可精确测出被测的位移和液位。即可精确测出被测的位移和液位。图图4-21 4-21 磁致伸缩液位传感器结构原理