位移传感器ppt课件

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谐振电路调幅原理图 （a） 电路原理图； （b） 谐振特性曲线；（c） 调幅特
性
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晶体振荡器输出频率固定的正弦波，经限流电阻R接电涡 流传感器线圈与电容器的并联电路。当LC谐振频率等于晶 振频率时输出电压幅度最大，偏离时输出电压幅度随之减 小，是一种调幅波。 该调幅信号经高频放大、检波、滤波 后输出与被测量相应变化的直流电压信号。
器线圈。
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电涡流涂层厚度仪
电涡流表面探伤
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数字位移传感器
数字式位置传感器主要测量轴的旋转角度位置、速度变化 和直线位移等。现在主要介绍以下几种数字式位移传感器。
➢ 旋转编码器 ➢ 光栅位移传感器 ➢ 磁栅位移传感器 ➢ 容栅位移传感器
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旋转编码器
旋转编码器也称为脉冲编码器，是一种位置检测元件，用 以测量轴的旋转角度位置和速度变化，其输出为电脉冲。
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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。
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金属膜电位器
金属膜电位器由合金、 金属或金属氧化物等材料通过真空溅射或
电镀方法， 在瓷基体上沉积一层薄膜而制成。 金属膜电位器具有无
限分辨力， 接触电阻很小， 耐热性好， 满负荷达70℃。 与线绕电位
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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。
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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
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电涡流作用原理图
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涡流可以用来测量各种形式的位移量。(a)为汽轮机主轴的 轴向位移测量示意图；(b)为磨床换向阀、先导阀的位移 测量示意图，(c)为金属试件的热膨胀系数测量示意图。
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电涡流式传感器的转换电路
在电工课程中， 我们已经知道电感和电容可构成谐振电路， 因此电感式、 电容式和电涡流式传感器都可以采用谐振电 路来转换。 谐振电路的输出也是调制波， 控制幅值变化 的称调幅波， 控制频率变化的称调频波。 调幅波要经过 幅值检波， 调频波要经过鉴频才能获得被测量的电压。 谐振电路调幅原理如下图所示。
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。
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光栅位移传感器的结构及工作原理
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。
光电式编码器按照编码旋转的规律可以分为绝对式编码器 和增量式编码器。
➢ 绝对式编码器：检测转角的绝对值 ➢ 增量式编码器：不仅检测转角的大小，还可以检测到转角
的方向。
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增量式编码器的结构
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数字式位置传感器的应用
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光栅位移传感器
光栅位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理 工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用于机床 与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或 者角位移的检测。
相当于一个个小磁铁按NS、SN、NS……的状态排列起来。
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磁栅位移传感器
在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为励磁绕 组，另一个为输出绕组，将高频励磁电流通入励磁绕组时， 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，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈 中感应电压
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。
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电涡流轴向贯穿深度的影响
电涡流的轴向贯穿深度是指涡流密度衰减到等于表面涡流 密度的1/e处时与导体表面的距离。涡流在金属导体中的轴 向分布是按指数规律衰减的。衰减深度t可以表示为 ：
t 0rπf
式中，ρ为导体电阻率；f为励磁电源的频率。
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为充分利用电涡流以获得准确的测量效果， 使用时应注意 以下两点：
位移传感器
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位移传感器
位移测量包含：偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、 移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等等。来自不同 应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。
位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线 性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。 在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械 位移两种。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分 为模拟式和数字式两种。模拟式又可分为物性型和结构型 两种。
缺点是需要屏蔽和防尘。
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容栅位移传感器
容栅传感器是基于变面积工作原理的电容传感器，它的电 极排列如同栅状。
（1） 从设计和工艺上尽量保证线圈和磁路对称，选用高 性能的导磁材料，导磁体必须经过热处理，消除残余应力， 以提高磁性能的均匀性和稳定性。
（2） 采用相敏检波电路不仅可以鉴别衔铁的移动方向， 而且有利于消除零点残余电压。
（3） 采用适当的补偿电路。
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电涡流传感器
成块的金属物体置于变化着的磁场中或者在磁场中运动时， 在金属导体中会感应出一圈圈自相闭合的电流，称为电涡 流。 电涡流式传感器是一个绕在骨架上的导线所构成的空 心线圈， 它与正弦交流电源接通， 通过线圈的电流会在 线圈周围空间产生交变磁场。当导电的金属靠近这个线圈 时，金属导体中便会产生电涡流，如图3-20所示。涡流的 大小与金属导体的电阻率ρ、 磁导率μ、厚度d、线圈与金 属导体的距离x以及线圈励磁电流的角频率ω等参数有关。 如果固定其中某些参数，就能由电涡流的大小测量出另外 一些参数。
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变气隙式自感式传感器的结构原理图 （a） 单边式； （b） 差动式
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变气隙截面式电感传感器
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差动传感器
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
UOUT=0。
中
心
对
称
位
置
时
，
则
U
O
U
T
1
=
U
OUຫໍສະໝຸດ T2，所
以
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。
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差动变压器的输出特性 （a） 理想特性； （b） 零点残余电压；（c）相敏检波后
的特性
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由绕组不对称引起的零点残余电压可以通过调节衔铁初始 位置进行消除，然而因相位误差造成的零点残余电压是无 法通过调节衔铁初始位置进行消除的。
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电位移传感器优点与缺点
优点：结构简单，性能稳定。
受环境温度影响小
缺点：受骨架尺寸和导线直径限制，分辨率小于20um
磨损影响使用寿命，有较大噪声，降低可靠性。
应用：主要用于测量线位移与角位移
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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.
编码器通常与驱动电动机同轴安装，驱动电动机可以 通过齿轮箱或同步齿形带驱动丝杆，也可以直接驱动丝杆。 随着电动机的旋转，编码器连续发出脉冲信号，数控系统 通过对信号的接收、处理。计数即可得到电动机的旋转角 度，从而计算出当前工作台的位置。
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旋转编码器按码盘的读取方式可以分为光电式、接触式和 电磁式。光电式旋转编码器的精度和可靠性优于其他两种 编码器，所以数控机床上常用光电式旋转编码器。
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(a) 变极距式示意图； (b) 变极距式的特性； (c) 差动式示 意图
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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：
4N2A
L
1
07(H)
l
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。
空气介质变极距式 电容传感器工作原 理图。1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。
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变极距式电容传感器的初始电容C0:
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。
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下图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。
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磁栅传感器应用
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。
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