《传感器与检测技术》高教(4版) 第六章

差动变压器位移计
当铁芯处于中间位置时，输出电压: UU 21 U 220
当铁芯向右移动时，则输出电压: UU 21 U 220
当铁芯向左移动时，则输出电压: UU 21 U 220
输出电压的方向反映了铁芯的运动方向，大小反映了铁 芯的位移大小。
差动变压器位移计
输出特性如图所示。
差动变压器位移计
角度的精密测量。 光栅的基本结构
1、光栅：光栅是在透明的玻璃上刻有大量平行等宽等 距的刻线构成的，结构如图。
设其中透光的缝宽为a，不透光的缝宽为b，
一般情况下，光栅的透光缝宽等于不透光
的缝宽，即a = b。图中d = a + b 称为光
栅栅距（也称光栅节距或称光栅常数）。
光栅位移测试
2、光栅的分类
1、激光的特性
（1）方向性强
（2）单色性好
（3） 亮度高
（4） 相干性好
2、激光器
按激光器的工作物质可分为以下几类： （1）固体激光器：常用的有红宝石激光器、钕玻 璃激光器等。
（2）气体激光器：常用的为氦氖激光器、二氧化 碳激光器、一氧化碳激光器等。
激光式传感器
（3） 液体激光器：液体激光器分为无机液体激光器 和有机液体激光器等。
数小，对铜的热电势应尽可能小，常用材料有： 铜镍合金类、铜锰合金类、镍铬丝等。 2、骨架：
对骨架材料要求形状稳定表面绝缘电阻高， 有较好的散热能力。常用的有陶瓷、酚醛树脂 和工程塑料等。 3、电刷：
电刷与电阻丝材料应配合恰当、接触电势 小，并有一定的接触压力。这能使噪声降低。
电位器传感器
电位计式位移传感器
6.2.2 差动变压器位移计结构
1-测头； 2-轴套； 3-测杆； 4-铁芯；5-线圈架； 6-导线； 7-屏蔽筒；8-圆片弹簧；9-弹簧； 10-防尘罩
差动变压器位移计
此差动变压器位移计的测量范围约为±0.5 mm ～ ±75mm，分辨力可达～ ，差动变压器中间部分的线 性比较好，非线性误差约为0.5 %，其灵敏度比差动电 感式高，当测量电路输入阻抗高时，用电压灵敏度来 表示，当测量电路输入阻抗低时，用电流灵敏度来表 示。当用400Hz以上高频激磁电源时，其电压灵敏度 可达 ( 0.5 ～ 2 ) V / mm·V。电流灵敏度可达0.1mA / mm·V。由于其灵敏度较高，测量大位移时可不用放 大器，因此，测量电路较为简单
码盘式传感器
若R表示循环码，C为二进制码，则：
循环码变成二进制码的关系式为：
码盘式传感器
二进制码与循环码的转换电路如图。
码盘式传感器
二进制码与循环码的转换电路如图。
码盘式传感器
光电码盘的应用
图是一光电码盘测角装置。
ZYF62/09系列光电码盘
激光式传感器
6.7.1 激光的特性和稳频方法
YHD型电位计式位移传感器的结构如图。
1—测量轴；2—滑线电阻；3—电刷；4—精密无感电阻；5—导轨；6—弹簧；7—壳体
电位器传感器具有结构简单、成本低、输出信号大、精度高、性能稳定等优 点，虽然存在着电噪声大，寿命短等缺点，但仍被广泛应用于线位移或角位 移的容式位移传感器及其应用
差动变压器位移计
差动变压器位移计的测量电路 1.大位移测量电路
电路如图所示。 只测位移大小时， 用图a、b电路； 大小、方向都测 时，用图c、d的
相敏检波电路。
差动变压器位移计
2.微小位移测量电路
DGS—20C /A型测微仪的框图如示。此位移传感器的 测量范围一般为几毫米，分辨率可达0.1μm ～ ，工作 可靠。缺点是动态性能差，只能用于静态测量。
第6章 位移检测
本章主要介绍自感式位移计、差动 变压式位移计、电位器式位移计、感应 同步器、光栅、光电码盘、电涡流位移 计、电容式位移计等的原理、结构、特 性及应用。
电感式传感器
将被测量转换成电感(或互感)变化的传感器，称为电感式传感 器。电感式传感器是建立在电磁感应定律基础上的，它把被测位
移转换为自感系数L的变化。然后将L接入一定的转换电路，位移
码盘式传感器
二进制码盘的特点为： （1） n位二进制码盘能分辨的角度为：
（2）二进码为有权码，编码Cn Cn-1…C1 对应于 零位算起的转角为:
n
Ci 2i1 i1
码盘式传感器
2、循环码码盘
图是一个四位的循环码盘，表 是十进制数、二进 制数及四位循环码的对照表。
二进制码转换成循环 码的规则是：二进制 码与其本身右移一位 后并舍去末位的数码 作不进位加法得循环码。
光电码盘式传感器是用光电方法把被测角位移转换 成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。 其工作原理 示意图如示。
1— 光源 2 — 柱面镜 3—码盘 4—狭缝 5—形成件
码盘式传感器
光电码盘
码盘按其所用码制可分为二进码、循环码、十进码、 六十进码等。
1、二进制码盘
图所示是一个四 位二进制码盘，涂黑 部分输出为 0，空白 部分输出为 1。
电容式位移传感器
精密大位移测量用的变面积电容式传感器的原理图， 它由一块长栅状的具有等间距的栅状电极和一对相对 交叉放置的梳状电极组成。在工作时，栅状电极与梳 状电极的相对位置状态如图（b）所示。
电容式位移传感器
测量电路如下，输出信号可以近似地写成
U0 Ui
K0
c
os(x)
光栅位移测试
光栅式位移传感器，也称计量光栅，主要用于长度和
光栅按其用途分长光栅和圆光栅两类。计量光栅分 类见图。
光栅位移测试
6.5.2 光栅传感器的工作原理
光栅传感器由光栅、光路、光电元件和转换电路 等组成。
1、光栅传感器的组成
光栅传感器的组成如图所示。指示光栅应置于主 光栅的费涅耳第一焦面上，其间的距离为：
d W2
光栅位移测试
2、莫尔条纹
（1）莫尔条纹：光栅式传感器的基本工作原理是利 用光栅的莫尔条纹现象来进行测量的。莫尔条纹如图 所示。
电感式传感器
A、B两点的电位差即输出电压
（1）衔铁处于中间位置时，输出电压为
U( Z0 2Z0
12)U0
0
（2）衔铁向上移动时，输出电压为
U(Z02 Z 0Z1 2)U0 ZZ 0U 20
（3）衔铁向下移动时，输出电压为
U(Z0 2 Z 0Z1 2)U 0 Z Z 0U 2 0
电感式传感器
变化便可变成电信号
电感式传感器的工作原理及分类
电感式传感器又称电感式传感器或可变磁阻式传 感器，原理如图所示。 线圈的电感值按下式计算：
其中：
电感式传感器
若忽略Rc，则有 故
电感式传感器分为三种类型，如图所示。
电感式传感器
输出特性
变间隙式和变截面式自感传感器的输出的特性如图所示。 其灵敏度分别为为
因L1、L2是差动形式，故总的电感变化量为
略去高次项，则有
电感式传感器
灵敏度
k L 2L0
0
与单边式相比，有如下优点：
（1）灵敏度提高一倍；
（2）具有温度自补偿作用，抗外磁场干扰 能力强；
（3）电磁吸力相互抵消，线性度高。
电感式传感器
电感式位移计
1、轴向电感式位移计的结构
这种电感式传感器的自由行程较大，且结构 简单，安装容易，缺点是灵敏度低，且不宜 测量快速变化的位移。
电位器传感器
6.3.1 电位器传感器基本工作原理
电位计式电阻传感器的工作原理是基于均匀截面导体
的电阻计算公式
R l
S
电位计式电阻传感器的结构如图，图(a)为直线式电位 计，可测线位移；(b)为旋转式电位计，可测角位移。
电位器传感器
电位器传感器输出特性
电位器传感器
电位器传感器结构
1、电阻丝： 对电阻丝的要求是：电阻系数大，温度系
思考题与 习题
1. 简述线位移、角位移的检测方法及测量原理？ 2. 用电容式传感器能否检测线位移或角位移？ 能否检测μm级或m m 级或更大范围的位移？若能，需采用什么样的结构形式？ 3. 光栅传感器的基本原理是什么? 莫尔条纹是如何形成的? 有何特点? 4. 检测几 ~ 几十mm的较大位移，可选什么传感器？简述其工作原理。 5. 为什么采用循环码码盘可以消除二进制码盘的那种粗误差？ 6. 分析光栅传感器具有较高测量精度的原因。 7. 磁电感应式速度传感器测速度的方法及工作原理。 8. 压电式加速度传感器有哪几种主要形式，简述主要特点。 9．试用光电传感器，利用光线的反射速度，设计一个转速测量传感 器，并画出测量原理框图。 10．试设计一个光电传感器，测量直线运动物体的速度，画出结构原 理图，并说明工作原理。
变间隙式电感传感器的输出特性
变截面式电感传感器的输出特性
电感式传感器
差动电感传感器原理
差动电感传感器是将有公共衔铁的两个相同电感传感器结 合在一起的一种传感器 差动变间隙式传感器结构及特性如图所示。
电感式传感器
初始电感
当衔铁移动时，气隙增加或减小，引起电感的变化
L1
N20S0 2(0 )
L2
N20S0 2(0 )
光栅位移测试
（2）莫尔条纹的特征
1) 运动对应关系：莫尔条纹的移动量和移动方向与 主光栅相对于指示光栅的位移量和方向有严格的对应 关系。如图所示。
光栅位移测试
2)减小误差：莫尔条纹对光栅的刻线误差有平均作 用，能在很大程度上消除栅距局部误差和短周期误差 影响。
3)位移放大：莫尔条纹的间距随着光栅线纹交角而 改变，其关系如下：
差动变压器位移计
差动变压器工作原理及特性
差动变压器主要由一个线框和一个铁芯组成，在线 框上绕有一组初级线圈作为输入线圈，在同一线框上 另绕两组次级线圈作为输出线圈，并在线框中央圆柱 孔中放入铁芯，如图所示，当初级线圈加以适当频率 的电压激励时，根据变压器的作用原理，在两个次级 线圈中就产生感应电动势。
从上式可知，θ越小，条纹间距B将变得越大，莫 尔条纹有放大作用，其放大倍数为：
光栅位移测试
3、光栅的信号输出
主光栅移动一个栅距 W，莫尔条纹变化一个周期， 莫尔条纹的变化近似为正弦波形，可看成是一个直流 分量与的叠加，即：
为了能够辨别方向，设置了辨向环节，结构框图如示。
码盘式传感器
码盘式传感器是以编码器为基础的，它是测量 轴角位置和位移的方法之一。 光电码盘式传感器的工作原理
可见，当测杆的铁芯，由平衡位置上下 移动相同的距离、产生相同电感增量时，电 桥空载输出电压大小相等而符号相反，由此 测得位移大小和方向。
差动变压器位移计
差动变压器是互感传感器，是把被测位移 转换为传感器线圈的互感系数变化量，由于这 种传感器通常做成差动的，故称为差动变压器， 由于该类传感器具有结构简单、灵敏度高、测 量范围广等优点，被广泛应用于位移量的测量。
1—平面测端（电极） 2—绝缘衬套材料 3—壳体 4—弹簧卡圈 5—电极座6—盘形 电容 7—螺母
电容式位移传感器
振动位移和回转精度的测量
电容式位移传感器
变面积差动式电容位移传感器及其应用
1-测杆 2- 膜片 3、5- 开槽弹簧片 4-可动极筒 6-插座 7-调力螺钉 8-测力弹簧 9-引线 10、11-固定极筒
（4） 半导体激光器：半导体激光器是比较年轻的一 种，比较成熟的是砷化镓激光器。
3、激光的稳频方法
较常用的稳频方法是兰姆下陷稳频法。
激光式传感器
激光干涉传感器测长原理
激光干涉传感器测长原理实质是光的干涉原理， 常用的是迈克尔逊双光束干涉系统。
测长的基本公式为：
激光干涉传感器以激光为光源，具有以下优点： （1）测量精度高，如测量一米长度精度可达10 -7 ~ 10 - 8 量级。 （2）分辨率高，并可测出10 – 4 nm以下的长度变化。 （3）量程大，可达几十米。 （4）便于实现自动测量。
1—引线；2—固定磁筒 ；3—衔铁；4—线圈 ； 5—弹簧 ；6—防转销；7—钢球导轨；8—测杆； 9—密封套；10—测端。
电感式传感器
2、电感式位移计的测量电路
电感式位移计测量电路将电感量的变化转换成电压或 电流变化，送入放大器，再由指示仪表或记录仪表指 示或记录。测量电路的形式很多，通常都采用电桥电 路。