第7章 位移传感器

7.3 磁栅位移传感器
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λ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。
f=Z·n
根据测定的脉冲频率， 根据测定的脉冲频率，即可得知被测物体 的转速。 的转速。如果磁电式转速传感器配接上数字 电路，便可组成数字式转速测量仪， 电路，便可组成数字式转速测量仪，可直接 读出被测物体的转速。 读出被测物体的转速。 当被测转速很低时， 当被测转速很低时，输出脉冲电势的幅值 很小，以致无法测量出来。所以， 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， 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 秒左右， 一般为 转/秒左右，上限可达数百千转 秒。
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是磁信号与静态磁头输出信号波形 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7-3
电位器电路
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。
图7-8 莫尔条纹
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为莫尔条纹的放大系数：
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。 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。
图7-15 热释电红外报警器电路原理
7.5 转速传感器
7.5 转速传感器 7.5.1 磁电式转速传感器 如图7-16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。 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。 感应线圈会感应出一定幅度的脉冲电势， 其频率为：
7.6 多普勒传感器 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。 发射机发射出的无线电波向被测物体辐射， 被测物体以速度v运动，如图7-20（a）所示。 被测物体做为接收机接收到的频率为： f1=f0+v/λ0
图7-14 电感式接近传感器工作原理框图
7.4.3 热释电红外传感器接近电路 当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量 相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电 极化现象，称为热释电效应。 能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称 热释电元件。 热释电红外传感器是用热释电元件的热释电效 应探测人体发出的红外线的一种传感器。它用于防 盗、报警、来客告之及非接触开关等设备中。 图7-15为热释电红外报警器电路，由热释电传 感器、滤波器、输出转换器、比较器、驱动器和报 警电路组成。
图7-7
光栅结构放大图
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。 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。
7-4
变极距式电容传感器工作原理图
变极距式电容传感器的初始电容C0可由 下式表示：
C0=ε0A / d0
只要测出电容变化量⊿C，便可计算得 到极板间距的变化量，即极板的位移量 ⊿d。 除用变极距式电容传感器测位移外， 还可以用变面积式电容传感器测角位移。
7.1.3螺管式电感位移传感器 螺管式电感位移传感器 螺管式电感位移传感器主要由螺管线圈和铁芯 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。 线圈的电感量与铁芯插入线圈的长度有如下的关系：
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 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。 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。
第7章 位移传感器 章
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 机械位移传感器 光栅位移传感器 磁栅位移传感器 接近传感器 转速传感器 多普勒传感器 液位传感器 流量及流速传感器 实训
7.1 机械位移传感器
7.1 机械位移传感器 机械位移传感器是用来测量位移、距离、 位置、尺寸、角度、角位移等几何学量的一 种传感器。 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。 机械传感器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。
图7-1７ 直射式光电转速传感器原理 ７
1—开孔盘 2—缝隙板 3—光敏元件 4—光源 开孔盘 缝隙板 光敏元件 光源
图7-18 光电转速传感器结构
1—光源 2—透镜 3—指示盘 4—旋转盘 5—光电元件 光源 透镜 指示盘 旋转盘 光电元件
图7-19 光电脉冲变换电路原理图
7.6 多普勒传感器
图7-10 磁栅的基本结构
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。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（1～20m）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。
7.1.2电容式位移传感器 电容式位移传感器 电容式位移传感器的形式很多，常使用变 极距式电容传感器和变面积式电容传感器进 行位移的测量。 1.变极距式电容传感器 图7-4是空气介质变极距式电容传感器工 作原理图。 一个电极板固定不动，称为固定极板，极 板的面积为Ａ，另一极板可左右移动，引起 极板间距离d相应变化。
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 光栅位移传感器： 测量精度高（分辨率为0.1µm）， 动态测量范围广（0～1000mm）， 可进行无接触测量， 容易实现系统的自动化和数字化。 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、工作母 机的坐标测量等方面。
图7-16
磁电式转速传感器结构示意图
7.5.2 光电式转速传感器 图7-17所示，由装在输入轴上的开孔盘、 光源、光敏元件以及缝隙板所组成，输入轴 与被测轴相连接旋转。 从光源发射的光，通过开孔盘和缝隙照射 到光敏元件上，使光敏元件感光，产生脉冲 信号，送测量电路计数，测得转速。 为了使每转的脉冲数增加，以扩大应用范 围，需增加圆盘的开孔数目。目前多采用图 7-18所示的开缝隙盘结构。 光电脉冲变换电路如图7-19所示。
4πN µA −7 L= × 10 ( H ) l
2
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 差动变压器 如图7-6所示。初级线圈L1加交流励磁电 压Uin，次级线圈上由于电磁感应而产生感应 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。
机 械 位 移 传 感 器
模 拟 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 霍耳器件式 微波式 超声波式
数 字 式
光栅式 磁栅式
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。 它由电阻体、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。 转轴是和滑动臂相连的，在滑动臂的一端 装有电刷，它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7-12 磁信号与磁头输出信号波形图
7.4 接近传感器
7.4 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。 利用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。 通常又把接近传感器称为接近开关。 常见的接近传感器有电容式、涡流式、霍 耳效应式、光电式、热释电式、多卜勒式、 电磁感应式、微波式、超声波式。
如果把f 做为反射波向接收机发射信号，如图6-20 如果把 1做为反射波向接收机发射信号，如图 （b）所示。接收机接收到的信号频率为： ）所示。接收机接收到的信号频率为：
f2=f1+v/λ1= f0+ v/λ0+ v/λ1
由于被测物体的运动速度远小于电磁波的传播速度， 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： 则可近似认为：
7.4.1 电容式接近传感器 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。 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7-13所示。 被测物体越靠近检测电极，检测电极上的 电荷就越多，电容C随之增大，使振荡电路 的振荡减弱，直至停止振荡。 振荡电路的振荡与停振这两种状态被检测 电路转换为开关信号向外输出。
K = B /W ≈ 1
条纹间距与栅距的关系为 ：
θ
Fra Baidu bibliotek
B =W
θ
当θ角较小时，例如θ=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。
7.2.2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 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7-13 电容接近传感器的电路框图
7.4.2 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7-14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。 当金属物体接近检测线圈时，金属物体就 会产生涡流而吸收振荡能量，使振荡减弱以 至停振。 振荡与停振这两种状态经检测电路转换成 开关信号输出。