位移传感器

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。 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。
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。

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。


(a) 变极距式示意图； (b) 变极距式的特性； (c) 差动式示 意图
螺管式电感位移传感器

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。
光栅位移传感器的应用

位移传感器
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。
在等于线圈外径1.8倍处，电涡流密度将衰减到最大值的5
％。为了充分利用涡流效应，被测金属导体的横向尺寸应 大于线圈外径的1.8倍； 对圆柱形被测物体，其直径应大 于线圈外径的3.5倍。


电涡流强度与距离的关系
电涡流强度随着距离与线圈外径比值的增加而减少 ,
当线圈与导体之间的距离大于线圈半径时，电涡流强度已
经很微弱。 为了能够产生相当强度的电涡流效应，通常 取距离与线圈外径的比值为0.05～0.15。


非被测金属物的影响
由于任何金属物体接近高频交流线圈时都会产生涡流，
为了保证测量精度，测量时应禁止其他金属物体接近传感
器线圈。
电涡流涂层厚度仪
电涡流表面探伤
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



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。

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 器相比， 它的分布电容和分布电感很小， 特别适合在高频条件下使 用。 它的噪声仅高于线绕电位器。金属电位器的缺点是耐磨性较差， 阻值范围窄，一般在10～100 Ω 。 由于这些缺点， 限制了它的使用范 围。
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

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。
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 0 r πf
式中，ρ 为导体电阻率；f为励磁电源的频率。

为充分利用电涡流以获得准确的测量效果， 使用时应注意

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： 2 4N A 7

L
l
10 ( H )

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。


增量式编码器的结构
数字式位置传感器的应用
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。

常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理 进行工作的。当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之 间形成一个小角度 θ ，并且两个光栅尺刻面相对平行放置 时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗 相间的条纹。这种条纹称为“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： 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。
光栅位移传感器： 测量精度高（分辨率为0.1μ m）， 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。
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。

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

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。 （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。
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。

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。
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。 缺点是需要屏蔽和防尘。

变气隙式自感式传感器的结构原理图

（a） 单边式； （b） 差动式

变气隙截面式电感传感器
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。
导电塑料电位器

导电塑料电位器又称实心电位器， 这种电位器的电阻是由 塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成的。 导电塑料电位器 的耐磨性很好， 使用寿命较长， 允许电刷的接触压力很 大， 在振动、 冲击等恶劣环境下仍能可靠工作。 此外， 它的分辨率较高， 线性度较好， 阻值范围大， 能承受较 大的功率。 导电塑料电位器的缺点是阻值易受湿度影响， 故精度不易做得很高。 导电塑料电位器的标准阻值有 1 kΩ 、2 kΩ 、5 kΩ 和10 kΩ ， 线性度为0.1%和0.2%。

机械位移传感器分类
电位器式位移传感器

电位器式位移传感器它通过电位器元件将机械位移转换成 与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。

电位器转轴上的电刷将电 阻体电阻 R 0 分为 R 12 和 R 23 两部分，输出电压为 U 1 2 。 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。 通过测量输出电压或者将 其进行转换就可以得到位 移参数


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。 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。
以下两点：

（1） 导体厚度的选择：采用透射法测厚度时，应使导体
的厚度小于轴向贯穿深度。
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（2） 励磁电源频率的选择： 导体材料确定之后， 可以通 过改变励磁电源频率来改变轴向贯穿深度。 电阻率大的材 料应选用较高的励磁频率， 电阻率小的材料应选用较低的 励磁频率
电涡流的径向形成范围

线圈电流所产生的磁场不能涉及到无限大的范围， 电涡流 密度也有一定的径向形成范围。在线圈轴线附近， 电涡流 的密度非常小，愈靠近线圈的外径处， 电涡流的密度愈大，
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。

电涡流作用原理图

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。
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
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. 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。



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