传感器技术及其工程应用金发庆第7章节位移传感器

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1、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接近传感器7.5转速传感器7.6多普勒传感器7.7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7.1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6-1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

2、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

3、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

4、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，CX＝C1＋C2。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(7-1)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

5、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。7.1.3螺管式电感位移传感器由螺管线圈和铁芯组成，铁芯插入线圈中并可来回移动。当铁芯发生位移时，将引起线圈电感的变化，其与铁芯插入线圈的长度有如下的关系：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，

6、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7.2光栅位移传感器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

7、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θ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。如图7-8所示。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d－d线区所示。图7-8中f－f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

8、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θ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