位移与速度测量传感器

1第一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五电感式位移传感器第4章位移与速度测量传感器

4.1电容式位移传感器4.3霍尔传感器4.4电涡流式传感器4.2光栅传感器4.5微波传感器4.6超声波传感器4.7位移检测传感器性能比较4.8第二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五无论是科学研究还是生产实践中，需要进行位移测量的场合非常多。此外，还有许多被测物理量可以转化为位移进行测量，如压力、位置等都可以通过某种转换部件，先将它们转换为直线位移，然后通过测量位移间接得到被测量。在不同的场合、不同的应用领域，对位移测量传感器的要求差异也很大，比如测量范围、测量精度、动态响应等。因此，位移测量传感器的种类也是相当多，并且各自的特性也不相同。第三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.1电感式位移传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，将输入量转换成电感变化量的一种装置。常配以不同的敏感元件用来测量位移、压力、振动等物理参数。第四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.1电感式位移传感器4.1.1电感位移传感器原理与分类

图4-1电感式传感器的结构原理

第五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五自感L与气隙δ成反比，而与气隙导磁截面积A成正比。W——线圈匝数，μ0——空气磁导率。气隙型传感器的结构原理图第六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.1.1电感位移传感器原理与分类差动变隙式电感传感器的原理结构初态时：若结构对称，且动铁居中，则δ1=δ2，U0=0。动铁上移时：则δ1↓→L1↑→I1↓=I1-ΔIδ2↑→L2↓→I2↑=I2+ΔII=I2↑-I1↓=2ΔIU0=2ΔIZL同理，动铁下移时：U0=-2ΔIZL

第七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.1.2电感位移传感器输出特性由图可以看出L=f(δ)不是线性的，即变气隙式传感器δ和L之间不满足线形变化关系。理论上，当δ=0时，L为∞，如果考虑到导磁体的磁阻，即当δ=0时，L不等于∞，而有一定的数值。变截面积式传感器的面积S与L值则是线性关系，即L=f(S)的特性曲线为一条直线。第八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.1.2电感位移传感器输出特性变气隙式、变面积式和螺线管式三种类型电感传感器相比较，变气隙式灵敏度最高，因而它对电路的放大倍数要求很低，缺点是非线性严重。为了限制非线性误差，示值范围只能很小，导致自由行程小，因此制造装配比较困难。变面积式的优点是具有较好的线性，自由行程较大。螺线管式主要优点是结构简单、制造装配容易、自由行程大，但是灵敏度最低。但灵敏度低可以通过放大电路加以解决，因此，目前螺管型电感传感器用得越来越多。

第九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.1.3电感位移传感器测量电路1.变压器电桥

输出特性公式为

在初始位置时Z1=Z2=Z，电桥处于平衡状态，U0=0

动铁芯上移时：δ1↓→L1↑→Z1↑=Z+ΔZδ2↑→L2↓→Z2↓=Z-ΔZ代入式（4-2），得图4-4变压器电桥

第十页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.1.3电感位移传感器测量电路2.相敏检波电路相敏检波电路是常用的判别电路。下面以带二极管式环形相敏检波的交流电桥为例介绍该电路的作用。图4.5

相敏检波电路(ａ)带相敏检波的交流电桥；(ｂ)实用电路第十一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.1.3电感位移传感器测量电路如图3.11(a)所示，Z1、Z2为传感器两线圈的阻抗，Z3＝Z4构成另两个桥臂，U为供桥电压，U为输出。当衔铁处于中间位置时，Z1＝Z2＝Z，电桥平衡，U＝0。若衔铁上移，Z1增大，Z2减小。如供桥电压为正半周，即A点电位高于B点，二极管D1、D4导通，D2、D3截止。在A—E—C—B支路中，C点电位由于Z1增大而降低；在A—F—D—B支路中，D点电位由于Z2减小而增高。因此D点电位高于C点，输出信号为正第十二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.1.3电感位移传感器测量电路如供桥电压为负半周，B点电位高于A点，二极管D2、D3导通，D1、D4截止。在B—C—F—A支路中，C点电位由于Z2减小而比平衡时降低；在B—D—E—A支路中，D点电位则因Z1增大而比平衡时增高。因此D点电位仍高于C点，输出信号仍为正。同理可以证明，衔铁下移时输出信号总为负。于是，输出信号的正负代表了衔铁位移的方向。实际采用的电路如图3.11(b)所示。L1、L2为传感器的两个线圈，C1、C2为另两个桥臂。电桥供桥电压由变压器B的次级提供。R1、R2、R3、R4为四个线绕电阻，用于减小温度误差。C3为滤波电容，Rw1为调零电位器，Rw2为调倍率电位器，输出信号由电压表V指示。第十三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.2电涡流式传感器第十四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五其中：ρ

金属电导率，μ金属磁导率，r线圈与被测物体的尺寸因子，f

激磁电流频率，x

线圈与导体间的距离基于法拉第电磁感应原理，当传感器线圈通以正弦交变电流I1

时，线圈周围空间将产生正弦交变磁场H1，被测导体内产生呈涡旋状的交变感应电流I2，称电涡流效应。电涡流产生的交变磁场H2与H1方向相反，它使传感器线圈等效阻抗发生变化。4.2电涡流式传感器第十五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五应用：x——位移、厚度、振幅；

ρ——表面温度、电解质浓度、材质判别等；

μ，ρ——无损探伤等。特点：非接触连续测量，灵敏度高、频响宽、分辨率高涡流分布在导体表面4.2电涡流式传感器第十六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.2电涡流式传感器第十七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.2电涡流式传感器第十八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五低频透射式电涡流式传感器：音频(<20kHz)激励电流低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度。4.2电涡流式传感器第十九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.2电涡流式传感器3.技术参数

型号测量范围mm分辨率μm重复性μm线性度﹪频响kHz温漂静态动态KD19251.270.761.30.762±1.50～100.054﹪/℃KD19503.811.32.52.54±10～100.036﹪/℃KD197552.52.52.54±10～2.50.018﹪/℃KD1925M0.90.761.30.762±1.50～100.054﹪/℃表4-1英国真尚有电涡流传感器主要技术指标第二十页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五测量电路——交流电桥、谐振电路4.2电涡流式传感器第二十一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.2电涡流式传感器LC并联阻抗→∞第二十二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.2电涡流式传感器LC回路是振荡器的一部分第二十三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.2电涡流式传感器2.电桥测量电路

电桥将反映线圈阻抗的变化，线圈阻抗的变化反映被测金属导体的接近程度。当静态时，电桥平衡，输出电压u0=0。当传感器接近被测金属导体时，传感器线圈的阻抗发生变化，电桥失去平衡，即u0≠0，该信号经经过线性放大和检波器检波后输出直流电压，其幅值经过标定即可以实现对位移量的测量。图4-11涡流传感器电桥测量电路

第二十四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.2电涡流式传感器

电涡流式传感器的特点：非接触测量，不易受油液介质影响；结构简单，使用方便，灵敏度高，最高分辨率达0.05微米；频率响应范围宽（0~10kHz），适合动态测量。第二十五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.2.3电涡流传感器应用1.位移测量

图4-12电涡流位移测量方法

第二十六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.2.3电涡流传感器应用2.振动测量图4-13电涡流振动测量方法

第二十七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五无损探伤4.2.3电涡流传感器应用第二十八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.2.3电涡流传感器应用测转速测厚度计数测裂纹第二十九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.2.3电涡流传感器应用5.液位测量与控制

图4-15利用电涡流传感器构成的液位监控系统

第三十页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.2.3电涡流传感器应用6.厚度测量

（1）金属表面的厚膜测量第三十一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.2.3电涡流传感器应用6.厚度测量（2）金属板厚度测量图4-19高频反射式电涡流测厚仪

第三十二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五原理：被测非电量转换为电容量的变化种类：变极距δ、变面积A、变介质ε

δ

、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。4.3电容式位移传感器4.3.1电容式位移传感器原理与分类

第三十三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五输入输出关系：△δ/δ

0－△C/C0

具有严重非线性。

灵敏度：1.变极距型电容传感器第三十四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五1.变极距型电容传感器第三十五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五1.变极距型电容传感器第三十六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五1.变极距型电容传感器第三十七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五输入输出特性：灵敏度：面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。2.变面积型电容传感器第三十八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五介质含水量、介质厚度、温度、密度等变化引起介电常数变化，因此可以构成含水量、物位高度、温度等测量用传感器。图中，厚度为δ2的介质（ε2为其介电常数）在电容器中左右运动，由于电容器中介质的介电常数改变，电容量改变。3.变介电常数型电容传感器第三十九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五电容式传感器测量电路常用的有电桥电路、谐振电路、调频电路、运算放大电路、差动脉冲宽度调制电路等。参考电位比较器第四十页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.2电容式位移传感器特点1.优点：Ⅰ.温度稳定性好电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有铜损等，易发热产生零漂。Ⅱ.结构简单电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。第四十一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.2电容式位移传感器特点Ⅲ.动态响应好电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个10－5N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆Hz的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。Ⅳ.可以非接触测量，具有平均效应例如非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。电容式传感器除了上述的优点外，还因其带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力高，能敏感0.01μm甚至更小的位移；由于其空气等介质损耗小，采用差动结构并接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。第四十二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五2.缺点（1）输出阻抗高，负载能力差电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般微几十导几百皮法，其值只有几个皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达108～106Ω。因此传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来极大的不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十兆欧以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围的环境如湿度、清洁度等。4.3.2电容式位移传感器特点第四十三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五（2）寄生电容影响大。电容式传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，降低了传感器的灵敏度，影响测量精度，因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。

（3）输出特性非线性。变极距型电容传感器的输出是非线性的。其它类型传感器也只有忽略电场的边缘效应时，输出才是线性的。

4.3.2电容式位移传感器特点第四十四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.3电容式位移传感器测量电路1.

交流电桥电路交流电桥电路如图4-22所示，高频电源经变压器接到电桥的一条对角线上，电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的4个臂，Cx为电容传感器，交流电桥平衡时则U0=0。当Cx改变时，U0≠0，有电压输出。此种电桥电路要求交流电源的幅度和频率都十分稳定；电桥放大器的输入阻抗要高；测量系统的动态响应受电桥供电电源的频率限制，一般要求电源频率为被测信号最高频率的5～10倍。

图4-22交流电桥电路

第四十五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.3电容式位移传感器测量电路

2.变压器电桥如图4-23所示，C1、C2为传感器的两个差动电容。电桥的空载输出电压为对变极距型电容传感器，代入上式得4-23变压器电桥

第四十六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.3电容式位移传感器测量电路3.调频电路

电容式传感器的调频电路原理如图4-24所示。该电路将电容式传感器接入高频振荡器的LC回路中，当被测量变化时，电容也随之变化，产生一个变化量ΔC，使得振荡频率也相应变化。调频振荡器的振荡频率为第四十七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.3电容式位移传感器测量电路

4.脉冲宽度调制电路

当接通电源后，若触发器Q端为高电平(U1)，端为低电平(0)，则触发器通过R1对C1充电；当F点电位UF升到与参考电压Ur相等时，比较器IC1产生一脉冲使触发器翻转，从而使Q端为低电平，端为高电平(U1)。此时，由电容C1通过二极管D1迅速放电至零，而触发器由端经R2向C2充电；当G点电位UG与参考电压Ur相等时，比较器IC2输出一脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。图4-25脉冲宽度调制电路

第四十八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.3电容式位移传感器测量电路

可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1、C2调制。当C1=C2时，各点的电压波形如图4.26(a)所示，Q和两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。当C1＞C2时，各点的电压波形如图4.26(b)所示，Q、两端间的平均电压(经一低通滤波器)为

(4-13)式中：T1和T2分别为Q端和端输出方波脉冲的宽度，亦即C1和C2的充电时间。第四十九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

图4-26各点电压波形图4.3.3电容式位移传感器测量电路第五十页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五当该电路用于差动式变极距型电容传感器时，式(4-13)有

(4-14)这种电路只采用直流电源，无需振荡器，要求直流电源地电压稳定度较高，但比高稳定度地稳频稳幅交流电源易于做到。用于差动式变面积型电容传感器时有

(4-15)4.3.3电容式位移传感器测量电路第五十一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.3电容式位移传感器测量电路5．运算放大器电路

这种电路不需要载频和附加解调线路，无波形和相移失真；输出信号只需要通过低通滤波器引出；直流信号的极性取决于C1和C2；对变极距和变面积的电容传感器均可获得线性输出。这种脉宽调制线路也便于与传感器做在一起，从而使传输误差和干扰大大减小。图4-27为其电原理图。C1为传感器电容，它跨接在高增益运算放大器的输入端和输出端之间。放大器的输入阻抗很高(Zi→∞)，因此可视作理想运算放大器。其输出端输出一与C1成反比的电压U0，即(4-16)第五十二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

图4-27运算放大器电路

4.3.3电容式位移传感器测量电路

式中

Ui为信号源电压，C0为固定电容，要求它们都很稳定。对变极距型电容传感器(C1＝ε0εrA/δ)，式(4-16)可写为第五十三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

(4-17)

可见配用运算放大器测量电路的最大特点是克服了变极距型电容传感器的非线性。4.3.3电容式位移传感器测量电路第五十四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.3电容式传感器的应用第五十五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.3电容传感器应用1.电容式位移传感器

图4-28电容式移传感器应用

第五十六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.3电容传感器应用2.电容加速度传感器

图4-29电容式加速度传感器结构第五十七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.3电容传感器应用3.电容式物位传感器图4-30电容式物位传感器原理

第五十八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五当两圆筒间充以介电常数为ε1的气体时，则由该圆筒组成的电容器的电容量为（4-16）如果两圆筒形电极间的一部分被介电常数为ε2的液体所浸没，设被浸没得电极长度为H，此时的电容量为图4-30电容式物位传感器原理（4-17）经整理可得（4-18）式中，ΔC为电容器的电容值得增量，其值为

4.3.3电容传感器应用

第五十九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.3电容传感器应用3.电容式物位传感器图4-31电容传感器进行料位测量传感器的电容可由下式表示

式中，k为比例常数；εs为被测物料的相对介电常数；ε0为空气的相对介电常数；D为罐内直径；d为测定电极的直径；h为物料的高度。第六十页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五非接触检测塑料管道内溶液液位。当液位达到设定高度并超出时，溶液进入电容式传感器检测范围，传感器产生输出信号传送给控制机构，控制机构报警或进行其它动作，达到液位控制的目的。4.3.3电容式传感器的应用第六十一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.3电容式传感器的应用4.电容式测厚传感器图4-32差动式电容测厚传感器测量原理第六十二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.3电容式传感器的应用第六十三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.3电容式传感器的应用第六十四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.3.3电容式传感器的应用第六十五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五置于磁场中的载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应。4.4霍尔位移传感器4.4.1霍尔传感器结构与工作原理

第六十六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五霍尔式传感器基本原理载流子在磁场中受到洛伦兹力的作用而发生偏转，从而形成电场E，当载流子受到的电场力与洛伦兹力达到动态平衡时，累积电荷形成稳定的电势UH

。其中——霍尔常数

——磁场与元件平面法线方向的夹角

d——与磁场方向一致的霍尔元件厚度 第六十七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五由得知，d越小，越大，则感生电动势越大，故一般霍尔元件是由霍尔系数很大的N型半导体材料制作的薄片，厚度微米级。霍尔式传感器的结构第六十八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.4.2霍尔传感器主要参数（1）额定控制电流IH

（2）灵敏度KH

（3）不等位电势U0（4）输入电阻Ri和输出电阻Ro（5）霍尔电势温度系数α（6）工作温度范围第六十九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.4.2霍尔传感器主要参数额定激励电流和最大允许激励电流当霍尔元件自身温升10度时所流过的激励电流以元件最大温升为限制所对应的激励电流输入电阻和输出电阻激励电极间的电阻电压源内阻不等位电势和不等位电阻当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零，此时测得的空载霍尔电势。不等位电势就是激励电流经不等位电阻所产生的电压。寄生直流电势霍尔电势温度系数UHIHRiRo第七十页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五部分国产霍尔元件型号及参数表型号最大霍尔输出电压mV灵敏度mV·(mAkGs)-1输入电阻Ω输出电阻Ω不等位电势mV灵敏度温度系数℃-1霍尔电势温度系数℃-1工作温度范围℃HSJ-1A2502～5＜400＜400≤12×10-4-5×10-4-55～+125HJS-2200010～200.2～20000.2～20000.02～102×10-43.5×10-3-50～+250HJS-3B75010～150.5～10000.5～1000≤0.52×10-4-5×10-4-55～+125HJS-52000＞400.2～20000.2～20000.02～102×10-43.5×10-3-50～+250HZ-11.4±0.2110(±20％)＜15×10-4-0～+60第七十一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.4.3霍尔传感器测量电路与误差补偿1.测量电路（1）霍尔元件及符号

第七十二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.4.3霍尔传感器测量电路与误差补偿（2）测量电路图4-35霍尔元件基本测量电路

第七十三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.4.3霍尔传感器测量电路与误差补偿（3）霍尔传感器直流放大电路第七十四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.4.3霍尔传感器测量电路与误差补偿2.误差补偿（1）不等位电势及其补偿图4-37霍尔元件等效电路

第七十五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.4.3霍尔传感器测量电路与误差补偿2.误差补偿（1）不等位电势及其补偿图4-38霍尔元件不等位电势的补偿电路第七十六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.4.3霍尔传感器测量电路与误差补偿2.误差补偿（2）温度误差及其补偿图4-39霍尔元件温度补偿方法第七十七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五霍尔器件在x方向上长度为b，x0是位于气隙下的初始长度。此传感器常采用差动结构。4.4.4霍尔传感器应用第七十八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五图4-41给出的是线性霍尔元件放大电路。它将霍尔输出电压放大到5V。

4.4.4霍尔传感器应用图4-41线性霍尔元件放大电路第七十九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.4.4霍尔传感器应用第八十页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五第八十一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五第八十二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五第八十三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五第八十四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五第八十五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五第八十六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五第八十七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.5光栅传感器4.5.1光栅结构与种类光栅是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等宽而又等间距的刻线。没有刻线的地方透光（或反光），刻线的地方不透光（或不反光）。图4-43所示的是一块黑白型长光栅，平行等距的刻线称为栅线。设其中透光的缝隙宽度为a，不透光的缝隙宽度为b，一般情况下，a＝b。图中w＝a+b称为光栅栅距(或光栅节距、光栅常数)，它是光栅的一个重要参数。对于圆光栅来说，除了参数栅距之外，还经常使用栅距角。栅距角是指圆光栅上相邻两刻线所夹的角。

图4-43光栅结构

第八十八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.5.1光栅结构与种类光栅按其用途分长光栅和圆光栅两类。刻画在玻璃尺上的光栅称为长光栅，也称光栅尺，用于测量长度或几何位移。根据光线的走向，长光栅还分为透射光栅和反射光栅。透射光栅是将光栅线刻制在透明材料上，通常选用光学玻璃和制版玻璃。反射光栅的栅线刻制在具有强反射能力的金属上，如不锈钢或玻璃镀金属膜（如铝膜），光栅也可刻制在钢带上再粘结在尺基上。刻画在玻璃盘上的光栅称为圆光栅，也称光栅盘，用来测量角度或角位移。根据栅线刻画的方向，圆光栅分两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的小圆相切。圆光栅只有透射光栅。

第八十九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.5.2光栅传感器工作原理1.

光栅传感器组成光栅传感器通常由光源、聚光镜、计量光栅、光电器件及测量电路等部分组成。计量光栅由标尺光栅（主光栅）和指示光栅组成，它决定了整个系统的测量精度。

一般主光栅和指示光栅的刻线密度相同，但主光栅要比指示光栅长得多，它们的刻线面相对，中间留有很小的间隙。测量时光源为传感器提供能量（光能），聚光镜将光源发出的可见光收集起来，并将其转换成为平行光束送到计量光栅。主光栅与被测对象连在一起，并随其运动，指示光栅固定不动。

图4-44光栅传感器测量原理第九十页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.5.2光栅传感器工作原理2.莫尔条纹由于主光栅和指示光栅的作用，形成了莫尔条纹。如图4-45所示，在a–a＇线上两光栅的栅线彼此错开，光线无法通过，形成暗带；在b–b＇线上两光栅互相重合，互相挡住缝隙，光线从缝隙中通过，形成亮带。这种明暗相间得条纹就成为莫尔条纹，它的方向与刻线方向垂直。

图4-45莫尔条纹形成

第九十一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.5.2光栅传感器工作原理莫尔条纹有以下特性：（1）位移放大作用当光栅移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也移动一个条纹宽度B。由于主光栅和指示光栅的栅线之间的夹角θ很小，且两光栅的光栅栅距相等，因此，它们之间近似关系为可见其位移放大倍数为（2）运动对应关系莫尔条纹的位移量和移动方向与主光栅相对于指示光栅的位移量和位移方向有严格的对应关系。

（3）误差平均效应由于莫尔条纹是由大量栅线共同作用形成的，对于光栅刻线误差起到了平均的作用。

第九十二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.5.3辩向与细分电路1.

辨向电路图4-46辨向电路第九十三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.5.3辩向与细分电路2.

细分电路

第九十四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.5.4光栅传感器参数1.电气参数（1）分辨率（2）精度（3）信号波形（4）工作频带（5）波形边缘距离第九十五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.5.4光栅传感器参数2.机械参数（1）最大速度（2）转动惯量（3）允许轴负载（4）加速度

第九十六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.5.5光栅传感器应用图4-48位移测量仪结构框图第九十七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.6微波传感器微波作为一种电磁波，具有电磁波的所有性质微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置微波传感器是一种新型非接触式测量传感器微波是波长为1mm～1m的电磁波，可以细分为三个波段。第九十八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.6.1微波传感器原理与分类1.

微波概念微波特点：需要定向辐射装置；遇到障碍物容易反射；绕射能力差；传输特性好，传输过程中受烟雾、灰尘等的影响较小；介质对微波的吸收大小与介质介电常数成正比，如水对微波的吸收作用最强。第九十九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五微波传感器的测量原理及分类原理：由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，实现了微波检测。分类：分为反射式和遮断式两类。4.6.1微波传感器原理与分类第一百页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

1.反射式微波传感器反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测量的。通常它可以测量物体的位置、位移、厚度等参数。

2.遮断式微波传感器遮断式微波传感器是通过检测接收天线收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的厚度、含水量等参数的。4.6.1微波传感器原理与分类第一百零一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五微波传感器的组成微波传感器通常由微波发生器（即微波振荡器）、微波天线及微波检测器三部分组成。

1.微波发生器是产生微波的装置。由于微波波长很短，即频率很高（300MHz～300GHz），要求振荡回路中具有非常微小的电感与电容，因此不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有调速管、磁控管或某些固态器件，小型微波振荡器也可以采用体效应管。第一百零二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

2、微波天线

由微波振荡器产生的振荡信号通过天线发射出去。为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线要具有特殊的结构。常用的天线有喇叭形、抛物面形、介质天线与隙缝天线等。喇叭形天线结构简单，制造方便，可以看作是波导管的延续。喇叭形天线在波导管与空间之间起匹配作用，可以获得最大能量输出。抛物面天线使微波发射方向性得到改善。第一百零三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五常用的微波天线扇形喇叭天线;(b)圆锥形喇叭天线;(c)旋转抛物面天线;(d)抛物柱面天线第一百零四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

3.微波检测器电磁波作为空间的微小电场变动而传播，所以使用电流-电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头。与其它传感器相比，敏感探头在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度。作为非线性的电子元件可用种类较多（半导体PN结元件、隧道结元件等），根据使用情形选用。第一百零五页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五微波传感器的特点

一种新型的非接触传感器。①有极宽的频谱（波长=1.0mm~1.0m）可供选用，可根据被测对象的特点选择不同的测量频率；②在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高、低温环境中对检测信号的传播影响极小，因此可以在恶劣环境下工作；③时间常数小，反应速度快，可以进行动态检测与实时处理，便于自动控制；第一百零六页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五④测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换，从而简化了传感器与微处理器间的接口。⑤传输距离远，便于实现遥测和遥控；

⑥微波无显著辐射公害。缺点：微波传感器存在的主要问题是零点漂移和标定尚未得到很好的解决。其次，测量环境对测量结果影响大，如温度、气压、取样位置等。第一百零七页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.6.2微波传感器应用1.

微波物位传感器当被测物位低于设定物位时，接收天线接收的功率为当被测物位升高到天线所在高度时，接收天线接收的功率为第一百零八页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

4.6.2微波传感器的应用

2.微波液位计接收天线收到的功率Pr为第一百零九页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五微波定位传感器第一百一十页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五

4.7.1超声波及其特性波动（简称波）：振动在弹性介质内的传播声波：其频率在16~2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波次声波：低于16Hz的机械波超声波：高于2×104Hz的机械波微波：频率在3×108~3×1011Hz之间的波4.7超声波传感器第一百一十一页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五声波的频率界限图

第一百一十二页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.7.1超声波及其特性超声波的反射和折射

2.反射与折射

第一百一十三页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.7.1超声波及其特性

声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律满足以下函数关系：式中:

、

——

声波在距声源x处的声压和声强；

、

——

声波在声源处的声压和声强；

——

声波与声源间的距离；

——

衰减系数。

3.声波的衰减第一百一十四页，共一百二十七页，编辑于2023年，星期五4.7.2超声波传感器

压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振