传感器与检测技术课件,第三章检测位移用典型传感器

1、传感器与检测技术第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 检测力及压力用典型传感器检测力及压力用典型传感器第三章第三章 检测位移用典型传感器检测位移用典型传感器第四章第四章 检测速度用典型传感器检测速度用典型传感器第五章第五章 检测温度用典型传感器检测温度用典型传感器第六章第六章 检测有害气体及湿度用典型传感器检测有害气体及湿度用典型传感器3.1 光栅位移传感器光栅位移传感器3.2 磁栅位移传感器磁栅位移传感器3.3 容栅位移传感器容栅位移传感器3.4 电感式传感器电感式传感器第三章第三章 检测位移用传感器检测位移用传感器 （1）光栅）光栅：由大量的等宽、等间距的平：由大量的等宽、等间距的平 行狭缝

2、组成的光学器件称为行狭缝组成的光学器件称为 光栅。结构图如光栅。结构图如3.1.1所示：所示： 3.1 光栅位移传感器光栅位移传感器 3.1 光栅位移传感器光栅位移传感器 3.1 光光 3.1.1光栅结构放大图光栅结构放大图感器感器（2）莫尔条纹）莫尔条纹 如果把两块如果把两块栅距栅距w相等相等的光栅面的光栅面平行平行安装，安装，且让它们的刻痕之间有较小的且让它们的刻痕之间有较小的夹角夹角时，这时时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称为莫尔条纹。如图纹称为莫尔条纹。如图3.1.2所示：所示： 莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形莫尔条纹是光

3、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，如图成的亮带，它由一系列四棱形图案组成，如图3.1.2中中d-d线区所示；线区所示；f-f线区则是由于光栅的线区则是由于光栅的遮光效应形成的。遮光效应形成的。 3.1 光栅位移传感器光栅位移传感器 3.1 光栅位移传感器光栅位移传感器 3.1 光栅位移光栅位移3.1.2 莫尔条纹莫尔条纹 3.1 光栅位移传感器光栅位移传感器 （3）位移的放大作用）位移的放大作用 当光栅每移动一个光栅栅距当光栅每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度着移动一个条纹宽度B。莫尔条纹的宽度与两光栅夹。莫尔条纹的宽度与两光栅夹角

4、角之间的关系为：之间的关系为： 当莫尔条纹相对移动的个数为当莫尔条纹相对移动的个数为N时，就可得到光时，就可得到光栅相对移动的位移为：栅相对移动的位移为：X=NW。 越小，越小，B越大，这相当于把栅距越大，这相当于把栅距W放大了放大了1/倍。倍。例如：例如：=0.1度，则度，则1/=573，即，即B是是W的的573倍，相当倍，相当于把栅距放大了于把栅距放大了573倍，说明光栅有位移放大作用，倍，说明光栅有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。从而提高了测量的灵敏度。（4）光栅式位移传感器）光栅式位移传感器 分类：分类： 1. 测量线位移的长光栅测量线位移的长光栅 3.1 光栅位移传感器光栅位移

5、传感器 2. 测量角位移的圆光栅测量角位移的圆光栅 3.1 光栅位移传感器光栅位移传感器光栅传感器的结构光栅传感器的结构 光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）、光电接收元件组成。和指示光栅）、光电接收元件组成。 3.1 光栅位移传感器光栅位移传感器 光源光源：钨丝灯泡、半：钨丝灯泡、半导体发光器件；导体发光器件；光电元件光电元件：光电池、：光电池、光敏二极管光敏二极管光栅测量位移原理光栅测量位移原理 光源和透镜组成光路系统；主光栅和指示光源和透镜组成光路系统；主光栅和指示光栅构成光栅副，一般指示光栅沿主光栅移动光栅构成光栅副，一般指示光栅沿主

6、光栅移动产生位移；光电接收元件将光栅副产生的莫尔产生位移；光电接收元件将光栅副产生的莫尔条纹转变为电信号。条纹转变为电信号。 3.1 光栅位移传感器光栅位移传感器3.1 光栅位移传感器光栅位移传感器3.2 磁栅位移传感器磁栅位移传感器3.3 容栅位移传感器容栅位移传感器3.4 电感式传感器电感式传感器第三章第三章 检测位移用传感器检测位移用传感器 磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易于安装磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易于安装和调整，测量范围宽（从几十毫米到数十米），和调整，测量范围宽（从几十毫米到数十米），抗干扰能力强。一般应用在大型机床的数字检测，抗干扰能力强。一般应用在大型机床的数字检测，自

7、动化机床的自动控制及定位控制等。自动化机床的自动控制及定位控制等。 磁栅可分为磁栅可分为长磁栅长磁栅和和圆磁栅圆磁栅： 长磁栅主要用于直线位移测量；长磁栅主要用于直线位移测量； 圆磁栅主要用于角位移测量。圆磁栅主要用于角位移测量。 3.2 磁栅位移传感器磁栅位移传感器（1）磁栅的外形与结构磁栅的外形与结构 3.2 磁栅位移传感器磁栅位移传感器结构：磁栅（磁尺）、磁头和信号处理电路。结构：磁栅（磁尺）、磁头和信号处理电路。 磁栅磁栅也是一种电磁监测装置，尺基用满足也是一种电磁监测装置，尺基用满足一定要求的硬磁合金制成，或者用热胀系数小一定要求的硬磁合金制成，或者用热胀系数小的非导磁材料。的非导磁

8、材料。 利用磁带录音原理，将一定波长（利用磁带录音原理，将一定波长（w）的）的矩形波或正弦波信号用磁头记录在磁性标尺的矩形波或正弦波信号用磁头记录在磁性标尺的磁膜上，作为测量基准。磁膜上，作为测量基准。 3.2 磁栅位移传感器磁栅位移传感器磁性测量系统磁性测量系统 3.2 磁栅位移传感器磁栅位移传感器 3.2 磁栅位移传感器磁栅位移传感器磁栅在磨床测长系统中的应用磁栅在磨床测长系统中的应用 3.1 光栅位移传感器光栅位移传感器3.2 磁栅位移传感器磁栅位移传感器3.3 容栅位移传感器容栅位移传感器3.4 电感式传感器电感式传感器第三章第三章 检测位移用传感器检测位移用传感器容栅传感器容栅传感器

9、: 是一种新型位移数字式传感器，它是是一种新型位移数字式传感器，它是一种基于变面积工作原理的电容传感器。因为它的一种基于变面积工作原理的电容传感器。因为它的电极排列如同栅状，故称此类传感器为容栅传感器。电极排列如同栅状，故称此类传感器为容栅传感器。3.3 容栅位移传感器容栅位移传感器优点优点: 体积小、造价低、耗电省和环境使用性强；体积小、造价低、耗电省和环境使用性强；缺点：缺点：与光栅、磁栅相比，准确度稍差。与光栅、磁栅相比，准确度稍差。容栅传感器根据结构形式，可分为三类：容栅传感器根据结构形式，可分为三类：直线容栅、圆容栅、圆筒容栅。直线容栅、圆容栅、圆筒容栅。3.3 容栅位移传感器容栅位

10、移传感器 3.3.1 直线型容栅传感器结构简图直线型容栅传感器结构简图3.3 容栅位移传感器容栅位移传感器 容栅传感器由容栅传感器由动尺动尺和和定尺定尺组成，两者保持组成，两者保持很小的间隙，如很小的间隙，如3.3.1图图(b)所示。所示。 动尺上有多个动尺上有多个发射电极发射电极(4)和一个长方形和一个长方形接接收电极收电极(3)，定尺上有多个相互绝缘的，定尺上有多个相互绝缘的反射电极反射电极(1)和一个和一个屏蔽电极屏蔽电极(2)（接地）。（接地）。 发射电极与反射电极、反射电极与接收电发射电极与反射电极、反射电极与接收电极之间存在着电场。由于反射电极的电容耦合极之间存在着电场。由于反射电

11、极的电容耦合和电荷传递作用，使得接收电极上的输出信号和电荷传递作用，使得接收电极上的输出信号随发射电极与反射电极的位置变化而变化。随发射电极与反射电极的位置变化而变化。3.3 容栅位移传感器容栅位移传感器 当动尺向右移动当动尺向右移动x距离时，发射电极与反射电极间距离时，发射电极与反射电极间的相对面积发生变化，并将电荷感应到接收电极上，在的相对面积发生变化，并将电荷感应到接收电极上，在接收电极上累积的电荷接收电极上累积的电荷Q与位移量与位移量x成正比。经运算处成正比。经运算处理后进行数字信号处理。理后进行数字信号处理。3.3 容栅位移传感器容栅位移传感器容栅传感器在数显尺中的应用容栅传感器在数

12、显尺中的应用3.3 容栅位移传感器容栅位移传感器3.1 光栅位移传感器光栅位移传感器3.2 磁栅位移传感器磁栅位移传感器3.3 容栅位移传感器容栅位移传感器3.4 电感式传感器电感式传感器第三章第三章 检测位移用传感器检测位移用传感器 电感式传感器电感式传感器: 是利用被测量的变化引起线圈是利用被测量的变化引起线圈自感自感L的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。现象来实现测量的。 电感式传感器种类较多，常见的有：自感式电电感式传感器种类较多，常见的有：自感式电感传感器、互感式电感传感器两大类。感传感器、互感式电感传感器两大类。3.4 电感

13、式传感器电感式传感器（1）自感式电感传感器）自感式电感传感器 自感式电感传感器可分为：变间隙型、变面积自感式电感传感器可分为：变间隙型、变面积型和螺管型三种。型和螺管型三种。3.4 电感式传感器电感式传感器 变间隙型电感式传感器变间隙型电感式传感器3.4 电感式传感器电感式传感器 传感器由线圈、铁心和衔铁传感器由线圈、铁心和衔铁组成。铁芯衔铁用电导磁率的金组成。铁芯衔铁用电导磁率的金属制成，二者之间由空隙隔开。属制成，二者之间由空隙隔开。工作时衔铁与被测物体连接，被工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变度发生变化。由于气

14、隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。化，导致了线圈电感量的变化。线圈的电感可用下式表示：线圈的电感可用下式表示：式中：式中：N为线圈的匝数；为线圈的匝数；Rm为磁为磁路总磁阻。路总磁阻。 对于变间隙型，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为：对于变间隙型，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为： 上式中，上式中，l1为铁心磁路长；为铁心磁路长；l2为衔铁磁路长；为衔铁磁路长；A为截面积；为截面积；u1为为铁心磁导率；铁心磁导率；u0为空气磁导率；为空气磁导率； 为空气隙厚度。为空气隙厚度。 则有：则有： 一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，因此一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小

15、的，因此线圈的电感值可近似地表示为：线圈的电感值可近似地表示为： 可见，改变可见，改变 及及A均可使均可使L发生变化，即对应为变气隙型和变面发生变化，即对应为变气隙型和变面积型。积型。3.4 电感式传感器电感式传感器 （2）互感式电感传感器）互感式电感传感器3.4 电感式传感器电感式传感器 1）差动式电感传感器）差动式电感传感器结构：结构：共用一个衔铁的两个相同自感式传感器线共用一个衔铁的两个相同自感式传感器线圈以差动形式构成的一种电感传感器。当铁芯移圈以差动形式构成的一种电感传感器。当铁芯移动时，两个线圈电感产生相反方向的增减，结构动时，两个线圈电感产生相反方向的增减，结构上要求两个线圈的电

16、气参数和几何尺寸完全相同。上要求两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。3.4 电感式传感器电感式传感器结构：结构：两个线圈的几何尺寸完全相同、铁芯安装两个线圈的几何尺寸完全相同、铁芯安装 完全对称；完全对称；特点：特点：提高灵敏度、改善线性度、对温度变化、提高灵敏度、改善线性度、对温度变化、 易于补偿电源频率变化影响。易于补偿电源频率变化影响。3.4 电感式传感器电感式传感器 差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥大多采用双臂工作形式。下图是交流电交流电桥大多采用双臂工作形式。下图是交流电桥的几种常用形式：桥的几种常用形式： 变压器式电桥变压器

17、式电桥 紧耦合电感臂电桥紧耦合电感臂电桥 交流器式电桥交流器式电桥3.4 电感式传感器电感式传感器 当负载阻抗当负载阻抗Z2无穷大时，输无穷大时，输出电压为：出电压为： 由于是双臂工作形式，当衔由于是双臂工作形式，当衔铁下移时，铁下移时，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，则有：则有： 同理，当衔铁下移时，有：同理，当衔铁下移时，有：紧耦合电感臂电桥紧耦合电感臂电桥3.4 电感式传感器电感式传感器 这种电桥以差动电感传感器的这种电桥以差动电感传感器的两个线圈作电桥工作臂，而紧耦两个线圈作电桥工作臂，而紧耦合的两个电感作为固定臂组成电合的两个电感作为固定臂组成电桥电路。桥电路。 2）差动变压器式位移传感

18、器）差动变压器式位移传感器3.4 电感式传感器电感式传感器 差动变压器式位移传感器，差动变压器式位移传感器，有一次绕组和二次绕组，只是有一次绕组和二次绕组，只是衔铁是可移动的，衔铁的移动衔铁是可移动的，衔铁的移动与被测位移一致，一、二次绕与被测位移一致，一、二次绕组间的耦合随衔铁的移动而变组间的耦合随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位化，即绕组间的互感随被测位移的改变而变化。由于在使用移的改变而变化。由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，所以把这种以差动方式输出，所以把这种传感器称为差动变压器式位移传感器称为差动变压器式位移传感器，通常简称差动

19、变压器。传感器，通常简称差动变压器。 差动变压器工作在理想情况差动变压器工作在理想情况下的等效电路如右图所示：下的等效电路如右图所示： 图中图中U1为一次绕组激励电为一次绕组激励电压；压；M1,M2分别为一次绕组与二分别为一次绕组与二次绕组间的互感；次绕组间的互感；L1,R1分别为分别为一次绕组的电感和有效电阻，一次绕组的电感和有效电阻，L21,L22分别为两个二次绕组的分别为两个二次绕组的电感；电感；R21,R22分别为两个二次分别为两个二次绕组的有效电阻。绕组的有效电阻。3.4 电感式传感器电感式传感器3.4 电感式传感器电感式传感器 对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二对于差动变

20、压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动相同。由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。势为零。 当衔铁移向二次绕组当衔铁移向二次绕组L21一边时，互感一边时，互感M1增大，增大，M2减小，因而二次绕组减小，因而二次绕组L21的感应电动势大于的感应电动势大于二次绕组二次绕组L22的感应电动势，这时差动输出电动势不为零。在传感器的感应电动势，这时差动输出电动势不为零。在传感器的有效量程内，衔铁移动量越大，差动输出电动势就越的有效量程内，衔铁移动量越大，

21、差动输出电动势就越大。大。 同理，当衔铁向二次绕组同理，当衔铁向二次绕组L22一边移动时，差动输一边移动时，差动输出电动势不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动出电动势不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。势反相。 因此，通过差动变压器输出电动势的大小和相位可因此，通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。以知道衔铁位移量的大小和方向。3.4 电感式传感器电感式传感器 由差动变压器的等效电路可得一次绕组的电流为：由差动变压器的等效电路可得一次绕组的电流为： 二次绕组的感应电动势为：二次绕组的感应电动势为： 由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为：由于二次

22、绕组反向串接，所以输出总电动势为：3.4 电感式传感器电感式传感器 差动变压器的输出特性曲线如右差动变压器的输出特性曲线如右图所示。图中图所示。图中E21、E22分别为两个分别为两个二次绕组的输出感应电动势，二次绕组的输出感应电动势，E2为差为差动输出电动势，动输出电动势，x表示衔铁偏离中心表示衔铁偏离中心位置的距离。其中位置的距离。其中E2的实线表示理想的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。输出特性。E0为零点残余电动势，这为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。及铁心位置

23、等因素所造成的。 零点残余电动势的存在，使得传零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡量给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。差动变压器性能好坏的重要指标。3.4 电感式传感器电感式传感器 零点残余补偿电路零点残余补偿电路 为了减小零点残余电动势可采取以下方法：为了减小零点残余电动势可采取以下方法：（1）结构上进行处理：）结构上进行处理：尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应参数及磁路的对称。磁性材料要经过

24、处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。力，使其性能均匀稳定。（2）选用合适的测量电路）选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向，又可改善输出特性，减小零点残余电动势。铁移动方向，又可改善输出特性，减小零点残余电动势。（3）从外界进行处理：）从外界进行处理：采用补偿线路减小零点残余电动势。采用补偿线路减小零点残余电动势。 零点残余补偿电路零点残余补偿电路3.4 电感式传感器电感式传感器 电涡流式位移传感器电涡流式位移传感器（1）电涡流效应）电涡流效应 根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的

25、磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。现象称为电涡流效应。3.4 电感式传感器电感式传感器（2）电涡流的应用）电涡流的应用3.4 电感式传感器电感式传感器 （3）电涡流效应测量原理）电涡流效应测量原理 若一金属板置于一只线圈的附近，它们之间会有若一金属板置于一只线圈的附近，它们之间会有一个间距，当线圈输入一交变电流时，便产生交变磁一个间距，当线圈输入一交变电流时，便产生交变磁通量，金属板在此交变磁场中会产生感应电流，这种通量，金属板在

26、此交变磁场中会产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，即电涡流。电流在金属体内是闭合的，即电涡流。3.4 电感式传感器电感式传感器 （4）电涡流传感器的分类）电涡流传感器的分类 涡流传感器在金属体上产生的电涡流，其渗透深涡流传感器在金属体上产生的电涡流，其渗透深度从传感器线圈自身原因来讲主要与励磁电流的频率度从传感器线圈自身原因来讲主要与励磁电流的频率有关，所以涡流传感器主要可分为：高频反射式、低有关，所以涡流传感器主要可分为：高频反射式、低频透射式。频透射式。 传感器包括发射线圈和接收线传感器包括发射线圈和接收线圈，分别位于被测材料的上、下方。圈，分别位于被测材料的上、下方。由振荡器产生的

27、低频电压由振荡器产生的低频电压e1加到发加到发射线圈射线圈w1的两端，则在接收线圈的两端，则在接收线圈w2的两端将产生感应电压的两端将产生感应电压e2，此大小，此大小与与e1的频率、幅值及两个线圈的匝的频率、幅值及两个线圈的匝数、结构和两者间的相对位置有关。数、结构和两者间的相对位置有关。若两线圈间无金属导体，则若两线圈间无金属导体，则w1的磁的磁力线能较多地穿过力线能较多地穿过w2，因此在，因此在w2上上产生的感应电压产生的感应电压e2最大。最大。 若两线圈间有一金属板，因在板内产生电涡流，该电涡流消若两线圈间有一金属板，因在板内产生电涡流，该电涡流消耗了部分能量，使到达线圈耗了部分能量，使到达线圈w2的磁力线减小，从而引起的磁力线减小，从而引起e2的下降。的下降。 金属板厚度越