1、位移物位傳感器第1頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日第四章 位移 物位傳感器 4.1 電位器式位移傳感器 4.2 光柵位移傳感器 4.3 磁柵位移傳感器 4.4 接近傳感器 4.5 液位傳感器 4.6 電容式傳感器 4.7 流量傳感器 第2頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日4.1 電位器式位移傳感器第3頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日4.1 位移傳感器 位移傳感器是用來測量位移、距離、位置、尺寸、角度、角位移等幾何學量的一種傳感器。 根據傳感器的信號輸出形式，可以分為模擬式和數字式兩大類，如圖4-1所示。 傳感器根據被測

2、物體的運動形式可細分為線性位移傳感器和角位移傳感器。 位移傳感器是應用最多的傳感器之一，品種繁多。 第4頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日位移傳感器數字式模擬式光柵式磁柵式電位器式電阻應變式電容式螺旋管電感式差動變壓器式圖4.1 位移傳感器的分類 第5頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日4.1.1 電位器式位移傳感器1.電位器的基本概念 圖4-2是電位器的結構圖。 它由電阻體、電刷、轉軸、滑動臂、焊片等組成，電阻體的兩端和焊片A、C相連，因此AC端的電阻值就是電阻體的總阻值。 轉軸是和滑動臂相連的，在滑動臂的一端裝有電刷，它靠滑動臂的彈性壓在電阻體

3、上并與之緊密接觸，滑動臂的另一端與焊片B相連。 第6頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日圖4-2 電位器的一般結構 第7頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日 圖4-3是電位器電路圖。 電位器轉軸上的電刷將電阻體電阻R0分為R12和R23兩部分，輸出電壓為U12。 改變電刷的接觸位置，電阻R12亦隨之改變，輸出電壓U12也隨之變化。 常見用于傳感器的電位器有： 線繞式電位器、合成膜電位器、 金屬膜電位器、導電塑料電位器、 導電玻璃釉電位器、光電電位器。 第8頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日圖4-3 電位器電路 第9頁，共59頁

4、，2022年，5月20日，22點25分，星期日2.電位器的主要技術參數(1)最大阻值和最小阻值，指電位器阻值變化能達到的最大值和最小值；(2)電阻值變化規律，指電位器阻值變化的規律，例如對數式、指數式、直線式等；(3)線性電位器的線性度，指阻值直線式變化的電位器的非線性誤差；(4)滑動噪聲，指調電位器阻值時，滑動接觸點打火產生的噪聲電壓的大小。 第10頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日4.2 光柵位移傳感器第11頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日4.2 光柵位移傳感器莫爾條紋 由大量等寬等間距的平行狹縫組成的光學器件稱為光柵，如圖4-4所示。 用

5、玻璃制成的光柵稱為透射光柵，它是在透明玻璃上刻出大量等寬等間距的平行刻痕，每條刻痕處是不透光的，而兩刻痕之間是透光的。 光柵的刻痕密度一般為每厘米10、25、50、100線。刻痕之間的距離為柵距W。第12頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日圖4-4 光柵結構放大圖 第13頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日 如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角時，這時光柵上會出現若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋。如圖4-8所示。 莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成，如圖4-5中dd線區所示。

6、 圖4-8中ff線區則是由于光柵的遮光效應形成的。 第14頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日圖4-5 莫爾條紋 第15頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日莫爾條紋有兩個重要的特性：(1) 當指示光柵不動，主光柵左右平移時，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下 移動。 查看莫爾條紋的上下移動方向，即可確定主光柵左右移動方向。(2) 莫爾條紋有位移的放大作用。當主光柵沿與刻線垂直方向移動一個柵距W時，莫爾條紋移動一個條紋間距B。 當兩個等距光柵的柵間夾角較小時，主光柵移動一個柵距W，莫爾條紋移動KW距離，K為莫爾條紋的放大系數： 第16頁，共59頁，202

7、2年，5月20日，22點25分，星期日 條紋間距與柵距的關系為 ： 當角較小時，例如=30，則K=115，表明莫爾條紋的放大倍數相當大。 這樣，可把肉眼看不見的光柵位移變成為清晰可見的莫爾條紋移動，可以用測量條紋的移動來檢測光柵的位移。 可以實現高靈敏的位移測量。第17頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日光柵位移傳感器的結構及工作原理 如圖4-6所示，由主光柵、指示光柵、光源和光電器件等組成。 主光柵和被測物體相連，它隨被測物體的直線位移而產生移動。當主光柵產生位移時，莫爾條紋便隨著產生位移。 用光電器件記錄莫爾條紋通過某點的數目，便可知主光柵移動的距離，也就測得了被測物

8、體的位移量。 第18頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日圖4-6 光柵位移傳感器的結構原理圖 第19頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日7.2.3 光柵位移傳感器的應用 光柵位移傳感器： 測量精度高（分辨率為0.1m）， 動態測量范圍廣（01000mm）， 可進行無接觸測量， 容易實現系統的自動化和數字化。 在機械工業中得到了廣泛的應用，特別是在量具、數控機床的閉環反饋控制、工作母機的坐標測量等方面。第20頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日4.3 磁柵位移傳感器第21頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日4

9、.3 磁柵位移傳感器 磁柵是一種有磁化信息的標尺。 它是在非磁性體的平整表面上鍍一層約0.02mm厚的Ni-Co-P磁性薄膜。 并用錄音磁頭沿長度方向按一定的激光波長錄上磁性刻度線而構成的。 因此又把磁柵稱為磁尺。 磁柵錄制后的磁化結構相當于一個個小磁鐵按NS、SN、NS的狀態排列起來，如圖4-7所示。 第22頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日圖4-7 磁柵的基本結構 第23頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日 磁柵的種類可分為單型直線磁柵、同軸型直線磁柵和旋轉型磁柵等。 磁柵主要用于大型機床和精密機床作為位置或位移量的檢測元件。磁柵和其它類型的位

10、移傳感器相比，具有結構簡單、使用方便、動態范圍大（120m）和磁信號可以重新錄制等優點。 缺點是需要屏蔽和防塵。 磁柵位移傳感器的結構如圖4-8所示。它由磁尺（磁柵）、磁頭和檢測電路組成。 第24頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日圖4-8 磁柵位移傳感器的結構示意圖 第25頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日 當磁尺與磁頭之間產生相對位移時，磁頭的鐵芯使磁尺的磁通有效地通過輸出繞組，在繞組中產生感應電壓。 該電壓隨磁尺磁場強度周期的變化而變化，從而將位移量轉換成電信號輸出。 圖4-9是磁信號與靜態磁頭輸出信號波形圖。 磁頭輸出信號經檢測電路轉換成電

11、脈沖信號并以數字形式顯示出來。 第26頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日圖4-9 磁信號與磁頭輸出信號波形圖 第27頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日4.4 接近傳感器第28頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日7.4 接近傳感器 接近傳感器是一種具有感知物體接近能力的器件。 利用位移傳感器對所接近的物體具有的敏感特性來識別物體的接近，并輸出相應開關信號。 通常又把接近傳感器稱為接近開關。 常見的接近傳感器有電容式、渦流式、霍耳效應式、光電式、熱釋電式、多卜勒式、電磁感應式、微波式、超聲波式。 第29頁，共59頁，2022年，

12、5月20日，22點25分，星期日7.4.1 電容式接近傳感器 電容式接近傳感器是一個以電極為檢測端的靜電電容式接近開關。 由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成，如圖4-10所示。 被測物體越靠近檢測電極，檢測電極上的電荷就越多，電容C隨之增大，使振蕩電路的振蕩減弱，直至停止振蕩。 振蕩電路的振蕩與停振這兩種狀態被檢測電路轉換為開關信號向外輸出。 第30頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日圖4-10 電容接近傳感器的電路框圖 第31頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日4.4.2 電感式接近傳感器 由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路

13、、整形電路及輸出電路組成，如圖7-11所示。 檢測用敏感元件為檢測線圈，它是振蕩電路的一個組成部分。 當金屬物體接近檢測線圈時，金屬物體就會產生渦流而吸收振蕩能量，使振蕩減弱以至停振。 振蕩與停振這兩種狀態經檢測電路轉換成開關信號輸出。第32頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日圖4-11 電感式接近傳感器工作原理框圖 第33頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日4.4.3 熱接近傳感器電路 當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產生數量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產生的電極化現象，稱為熱釋電效應。 能產生熱釋電效應的晶體稱為熱釋電體，又稱熱釋電元件。

14、 熱釋電紅外傳感器是用熱釋電元件的熱釋電效應探測人體發出的紅外線的一種傳感器。它用于防盜、報警、來客告之及非接觸開關等設備中。 圖4-12為熱釋電紅外報警器電路，由熱釋電傳感器、濾波器、輸出轉換器、比較器、驅動器和報警電路組成。 第34頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日圖7-12 熱釋電紅外報警器電路原理 第35頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日4.5 液位傳感器第36頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日4.5 液位傳感器 液位傳感器按測定原理可分為： 浮子式液位傳感器、 平衡浮筒式液位傳感器、 壓差式液位傳感器、 電容式液

15、位傳感器、 導電式液位傳感器、 超聲波式液位傳感器、 放射線式液位傳感器。 第37頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日4.5.1 導電式水位傳感器 如圖4-13所示。電極可根據檢測水位的要求進行升降調節，當水位低于檢知電極時，兩電極間呈絕緣狀態，檢測電路沒有電流流過，傳感器輸出電壓為零。 如果水位上升到與檢知電極端都接觸時，由于水有一定的導電性，因此測量電路中有電流流過，指示電路中的顯示儀表就會發生偏轉，同時在限流電阻兩端有電壓輸出。 如果把輸出電壓和控制電路連接起來，便可對供水系統進行自動控制。 第38頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日圖4-13

16、 導電式水位傳感器基本工作原理圖 第39頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日 圖4-14是一種實用的導電式水位檢測器的電路原理圖。 電路主要由兩個運算放大器組成，IC1a運算放大器及外圍元件組成方波發生器，通過電容器C1與檢知電極相接。 IC1b運算放大器與外圍元件組成比較器，以識別儀表水位的電信號狀態。采用發光二極管作為水位的指示。 導電式水位傳感器，在日常工作和生活中應用很廣泛，它在抽水及儲水設備、工業水箱、汽車水箱等方面均被采用。 第40頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日圖4-14導電式水位檢測器電路原理圖 第41頁，共59頁，2022年，5

17、月20日，22點25分，星期日4.5.2 壓差式液位傳感器 壓差式液位傳感器是根據液面的高度與液壓成比例的原理制成的。 如果液體的密度恒定，則液體加在測量基準面上的壓力與液面到基準面的高度成正比，因此通過壓力的測定便可得知液面的高度。 如圖4-15所示，當儲液缸為開放型時，其基準面上的壓力由下式確定：P =h=（h1+ h2） 第42頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日圖4-15 開放罐測壓示意圖 第43頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日P=P1 - P2 =（h1+h2）-0（h3+h2） =h1 - (0h3 + 0h2 - h2) 需要測定的

18、是h1高度，因此移動壓力傳感器的零點，把零點提高h2, 就可以得到壓力與液面高度h1成比例的輸出。 當儲液缸為密封型時（見圖4-16），壓差、液位高度及零點的移動關系如下： 同樣，只要移動壓差式傳感器的零點，就可以得到壓差與液面h1成比例的輸出。 第44頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日圖4-16 密封罐測壓示意圖 第45頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日 圖4-17是壓差式液位傳感器的結構原理圖。它由壓差傳感器和電路兩部分組成。 壓差傳感器實際上是一個差動電容式壓力傳感器。 它由動電極感壓膜片、固定電極隔壓膜片等組成。 當被測的壓力差加在高壓側

19、和低壓側的輸入口時，該壓力差經隔液膜片的傳遞作用于感壓膜片上，感壓膜片便產生位移，從而使動電極與固定電極之間的電容量發生變化 。第46頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日圖4-17 壓差式液位傳感器結構原理圖 第47頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日4.6電容式物位傳感器第48頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日電容式物位傳感器的工作原理 電容式物位傳感器是把液體位置的變化換成電容量的變化，通過測量電容量的變化間接得到液位的變化電容式物位傳感器的應用 用來檢測密封料倉內導電性不良的松散物質的料位第49頁，共59頁，2022年，

20、5月20日，22點25分，星期日圖4-18 電容式液位傳感器原理圖第50頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日4.7流量傳感器第51頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日4.7 流量傳感器 流量的種類有： 電磁式流量傳感器、渦流式流量傳感器、 超聲波式流量傳感器、熱導式流速傳感器、 激光式流速傳感器、光纖式流速傳感器、 浮子式流量傳感器、渦輪式流量傳感器、 空間濾波器式流量傳感器。 第52頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日4.7.1 電磁式流量傳感器1.電磁式流量傳感器的工作原理及使用 如圖4-19所示，在勵磁線圈加上勵磁電壓后，絕緣導管便處于磁力線密度為B的均勻磁場中，當導電性液體流經絕緣導管時，電極上便會產生如下式所示的電動勢： 管道內液體流動的容積流量與電動勢的關系為： 可以通過對電動勢的測定，求出容積流量。 第53頁，共59頁，2022年，5月20日，22點25分，星期日1-鐵芯 2-電極 3-絕緣導管 4-勵磁線圈 5-液體圖4-19 電