位移检测-文档

位移及速度检测电位器传感器，电容式位移传感器差动变压器式，感应同步器式光栅位移检测，码盘式传感器电涡流位移计，自感式位移检测速度传感器及转速传感器加速度检测位移与速度检测在自动检测系统中,位移的测量是一种最基本的测量工作,它的特性是测量空间距离的大小,如距离、位置、尺寸、角度等。按照位移的特征位移传感器分类线位移——机构沿着某一条直线移动的距离角位移——机构沿着某一定点转动的角度根据传感器的工作原理电阻式位移传感器电容式位移传感器电感式位移传感器光电式位移传感器、光栅以及磁栅感应同步器、激光位移传感器根据输出信号模拟式数字式根据传感器原理和使用方法接触式非接触式位移及速度检测位移及速度检测位移检测电阻式位移传感器适用于较大范围位移的测量,但精度不高。电容式位移传感器、差动电感式位移传感器和电阻应变式位移传感器,一般用于小位移的测量(几微米～几毫米),差动变压器式位移传感器用于中等位移的测量(几毫米～100毫米左右)。感应同步器、光栅、磁栅、激光位移传感器用于精密检测系统位移的测量,测量精度高(可达±1m),量程也可大到几米。位移传感器不仅用于直接测量角位移和线位移的场合,而且在其他物理量如力、压力、应变、液位等能转换成位移的任何场合中,也广泛作为测量和控制反馈传感器用。电容式传感器、电阻应变式传感器前面章节已经详细讲解,本章主要介绍电位器式位移传感器、光栅位移传感器、磁栅位移传感器、感应同步器、液位位移传感器。1.电位器的基本概念电位器是人们常用到的一种电子元件,它作为传感器可以将机械位移转换为与其有一定函数关系的电阻值的变化,从而引起电路中输出电压的变化。图电位器结构分压器两边电阻的比值为

电阻体b端接地,则分压器输出电压电位器由电阻体和电刷（也称可动触点）两部分组成,可作为变阻器使用,如图a所示,也可作为分压器使用,如图b所示。一、电位器式位移传感器位移及速度检测由上可见，电位器的输出信号均与电刷的位移量成比例，实现了位移与输出电信号的对应转换关系。因此，这类传感器可用于测量机械位移量，或可测量已转换成位移量的其它物理量（如压力、振动加速度等）。这种类型传感器特点是:结构简单、价格低廉，输出信号大，一般不需放大，但是，它的分辨率不高，精度也不高，所以不适于精度要求较高的场合。另外，动态响应较差，不适于动态快速测量。电位器式线位移传感器结构原理如图所示当滑杆随待测物体往返运动时,电刷在电阻体上也来回滑动。使电位器两端输出电压随位移量改变而变化线位移传感器一、电位器式位移传感器位移及速度检测角位移传感器图

传感器的转轴与被测角度转轴相连,电刷在电位器上转过一个角位移时,在检测输出端有一个与转角成比例的电压输出一、电位器式位移传感器位移及速度检测惯性敏感元件在被测加速度的作用下,使片状弹簧产生正比于被测加速度的位移,从而引起电刷在电阻体上下滑动,输出与加速度成比例的电压信号电位器式传感器的应用当被测流体通入弹性敏感元件膜盒的内腔时,在流体压力作用下,膜合硬中心产生弹性位移,推动连杆上移,使曲柄轴带动电位器的电刷在电阻体上滑动,输出与被测压力成正比的电压信号一、电位器式位移传感器位移及速度检测油量表的工作原理一、电位器式位移传感器位移及速度检测将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式位移传感器。变极距式电容传感器可进行线位移的测量,变面积式电容传感器可进行角位移的测量。二、电容式位移传感器位移及速度检测下图是变极距式电容传感器用于轧制板材厚度自动控制的工作原理图。

位移及速度检测二、电容式位移传感器工作原理:在初级线圈接入电源U1后，次级线圈即感应输出电压U2，滑动板移动时引起铁芯的移动，从而引起线圈互感系数的变化，此时的输出电压随之作相应的变化。位移及速度检测三、差动变压器式位移传感器也有差动变压器式压力传感器差动变压器是感应式位移传感器中应用最广的一种.它是一个其原边有一个绕组,副边有两个按差动方式联接的绕组的开口变压器.位移及速度检测三、差动变压器式位移传感器当铁芯处于中间位置时,输出电压:

当铁芯向右移动时,则输出电压:

当铁芯向左移动时,则输出电压:

输出电压的方向反映了铁芯的运动方向,大小反映了铁芯的位移大小。位移及速度检测四、感应同步器式位移传感器位移及速度检测四、感应同步器式位移传感器定尺和滑尺上的绕组分布是不同的。在定尺上的是连续绕组,节距w2＝2(a2+b2)。在滑尺上的则是分段绕组。分段绕组为两组,布置成在空间相差90°,故又称为正、余弦绕组。感应同步器的连续绕组和分段绕组相当于变压器的一次侧和二次侧线圈,利用交变电磁场和互感原理工作。感应同步器由定尺和滑尺组成。制造工艺方法:首先用绝缘粘结剂把铜箔粘牢在金属（或玻璃）基板上，然后按设计要求腐蚀成不同曲折形状的平面绕组。位移及速度检测四、感应同步器式位移传感器

工作原理感应同步器在工作时,如果在其中一种绕组上通以交流激励电压,由于电磁耦合,在另一种绕组上就产生感应电动势。该电动势随定尺和滑尺（对长感应同步器而言）的相对位置不同呈正弦、余弦函数变化。通过对正弦、余弦函数变化的感应电动势信号的检测处理,便可测量出直线位移量（对长感应同步器而言）。位移及速度检测四、感应同步器式位移传感器例如:在数控机床中的应用。1—定部件(床身)

2—运动部件(工作台或刀架)

3—定尺绕组引线

4—定尺座

5—防护罩

6—滑尺

9—调整垫

7—滑尺座

8—滑尺绕组引线

10—定尺

11—正弦励磁绕组

12—余弦励磁绕组

位移及速度检测四、感应同步器式位移传感器根据励磁绕组中励磁方式的不同,感应同步器也有相位工作方式和幅值工作方式两种。

(1)

相位工作方式。给滑尺的正弦励磁绕组和余弦励磁绕组分别通以频率相同、幅值相同,但相位差π/2的励磁电压,即

us=Umsintω

uc=Umsin(π/2+tω）=Umcostω

当滑尺移动X距离时,定尺绕组中的感应电压为

ud=kUmsin(tω-θ)=kUmsin(tω-2πXτ)

式中

k——电磁耦合系数；

Um——励磁电压幅值；

τ——节距；

X——滑尺移动距离；

θ——电气相位角。

位移及速度检测四、感应同步器式位移传感器ud=kUmsin(tω-θ)=kUmsin(tω-2πXτ)从上式可以看出,定尺的感应电压与滑尺的位移量有严格对应关系。通过测量定尺感应电压的相位,即可测得滑尺的位移量。

(2)

幅值工作方式。给滑尺的正弦励磁绕组和余弦励磁绕组分别通以相位相同、频率相同,但幅值不同的励磁电压,即

us=Usmsintω

uc=Ucmsintω

其中,Usm、Ucm幅值分别为

Usm=Umsinθ1

Ucm=Umcosθ1

式中

θ1——电气给定角。

位移及速度检测四、感应同步器式位移传感器

当滑尺移动时,定尺绕组中的感应电压为

ud=kUmsintωsin(θ1-θ)=kUmsintωsinθΔ

当θΔ很小时,定尺绕组中的感应电压可近似表示为

ud=kUmsintωθΔ

又因为

θΔ=2πX/τ则

ud=kUm*2π/Xτ

式中

XΔ——滑尺位移增量。

从式可以看出,当位移增量XΔ很小时,感应电压的幅值和XΔ成正比,因此,可通过测量ud的幅值来测定位移XΔ的大小。

位移及速度检测五、光栅式位移传感器位移及速度检测五、光栅式位移传感器位移及速度检测五、光栅式位移传感器莫尔条纹由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件称为光栅,如图所示。用玻璃制成的光栅称为透射光栅,它是在透明玻璃上刻出大量等宽等间距的平行刻痕,每条刻痕处是不透光的,而两刻痕之间是透光的。光栅的刻痕密度一般为每厘米10、25.50、100线。刻痕之间的距离为栅距W。位移及速度检测五、光栅式位移传感器如果把两块栅距W相等的光栅面平行安装,且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时,这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹,这种条纹称莫尔条纹。位移及速度检测五、光栅式位移传感器莫尔条纹是光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,如图中d－d线区所示。图中f－f线区则是由于光栅的遮光效应形成的。位移及速度检测五、光栅式位移传感器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:

条纹间距与栅距的关系为:

当θ角较小时,例如θ=30′,则K=115,表明莫尔条纹的放大倍数相当大。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。五、光栅式位移传感器位移及速度检测光栅位移传感器的结构如图所示,由主光栅、指示光栅、光源和光电器件等组成。五、光栅式位移传感器位移及速度检测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。五、光栅式位移传感器位移及速度检测光栅位移传感器的应用测量精度高（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。五、光栅式位移传感器位移及速度检测

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。六、磁栅式位移传感器位移及速度检测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,如图所示。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。六、磁栅式位移传感器位移及速度检测位移及速度检测六、磁栅式位移传感器位移及速度检测六、磁栅式位移传感器位移及速度检测六、磁栅式位移传感器位移及速度检测六、磁栅式位移传感器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,在绕组中产生感应电压。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。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。位移及速度检测六、磁栅式位移传感器磁头分为动态磁头和静态磁头动态磁头1—磁头；2—磁栅；3—输出波形位移及速度检测六、磁栅式位移传感器位移及速度检测六、磁栅式位移传感器磁栅式传感器的应用位移及速度检测六、磁栅式位移传感器位移及速度检测七、码盘式位移传感器码盘式传感器是以编码器为基础的,测量轴角位置和角位移。

（一）、光电码盘式传感器

光电码盘式传感器是用光电方法把被测角位移转换成数字代码形式表示的电信号的转换部件。

1－光源2－柱面镜3－码盘4－狭缝5－光电元件位移及速度检测七、码盘式式位移传感器

工作原理:由光源1发出的光线，经柱面镜2变成一束平行光或汇聚光，照射到码盘3上，码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列着的若干透光和不透光部分，即亮区和暗区。通过亮区的光线经狭缝4后，形成一束很窄的光束照射在光电元件5上，光电元件的排列与码道一一对应。当有光照射时，对应于亮区和暗区的光电元件输出的信号相反，例如前者为“1”，后者为“0”。光电元件的各种信号组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的转角大小。由此可见，码盘在传感器中是将轴的转角转换成代码输出的主要元件。

位移及速度检测七、码盘式式位移传感器光电码盘光电码盘一般用照相腐蚀法制作。(码盘由光学玻璃制成,其上刻有许多同心码道,每位码道上都有按一定规律排列着的若干透光和不透光部分,即亮区和暗区)。一、二进制码盘

四位二进制码盘如图示,涂黑部分输出为0,空白部分输出为1。（最内圈为C4码道,一半透光,一半不透光,最外面的为C1码道,共有个黑白间隔。位移及速度检测七、码盘式式位移传感器每一个角度方位对应于不同的编码。例如:零位对应于0000（全黑），第四方位对应了0011.即:测量时，只要根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。二进制码盘主要特点:（1）n位(n个码道)的二进制码盘具有2n种不同编码，称其容量为2n，其最小分辨力θ1＝3600／2n；对应于五个码道，θ1＝3600／2n＝360/25＝11.25o；对于21个码道，θ1＝0.68”（2）二进制码为有权码，编码Cn,Cn-1，…，C1对应于由零位算起的转角为:七、码盘式式位移传感器位移及速度检测二、循环码码盘

循环码的特点是相邻两个数码间只有一位不同。码盘的制作和安装不准,引起的误差最多也只是最低的一位数。四位循环码盘如图示。循环码是变权代码,测量时需转换成二进制码（有权代码,每一位代表一固定十进制数）。七、码盘式位移传感器位移及速度检测二进制码盘的粗大误差及消除

采用二进制编码器时,任何微小的制作误差,都可能造成读数的粗误差。要求各个码道刻划精确,彼此对准,这给码盘制作造成很大困难。由于微小的制作误差,只要有一个码道提前或延后改变,就可能造成输出的粗大误差。七、码盘式位移传感器位移及速度检测位移及速度检测双读数头法循环码代替二进制码 双读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍。当编码器位数很多时,光电元件安装位置也有困难。(a)四位二进制码盘展开图(b)采用双读数头消除粗大误差的示意图

七、码盘式位移传感器二进制码与循环码的转换4位二进制码与循环码的对照表遵循输入取值不同为“1”,取值相同为“0”的规律七、码盘式位移传感器位移及速度检测位移及速度检测七、码盘式位移传感器应用光学码盘测角仪的原理图光电元件光放大鉴幅整形纠错当量变换寄存显示译码

光源聚光镜码盘狭缝光源1通过大孔径聚光镜2形成均匀狭长的光束照射到码盘3上。根据码盘所处的转角位置,位于狭缝4后面的一排光电元件5输出相应的电信号。该信号经过放大、鉴幅、整形后,再经当量变换,最后译码显示。七、码盘式位移传感器一、电涡流传感器工作原理

电涡流效应演示

当电涡流线圈与金属板的距离x减小时,电涡流线圈的等效电感L减小,等效电阻R增大。感抗XL的变化比R的变化大得多,流过电涡流线圈的电流i1增大。八、电涡流传感器位移及速度检测电涡流的应用

——在我们日常生活中经常可以遇到

干净、高效的电磁炉八、电涡流传感器位移及速度检测二、等效阻抗分析

检测深度与激励源频率有何关系？电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数表达式为：Z=R+jωL=f（i1.f、、、r、x）如果控制上式中的i1.f、、、r不变，电涡流线圈的阻抗Z就成为哪个非电量的单值函数？属于接触式测量还是非接触式测量？八、电涡流传感器位移及速度检测位移及速度检测八、电涡流传感器间距x的测量：如果控制上式中的i1.f、、、r不变，电涡流线圈的阻抗Z就成为间距x的单值函数，这样就成为非接触地测量位移的传感器。多种用途：如果控制x、i1.f不变，就可以用来检测与表面电导率有关的表面温度、表面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率有关的材料型号、表面硬度等参数。电磁炉内部的励磁线圈八、电涡流传感器位移及速度检测56电磁炉的工作原理高频电流通过励磁线圈,产生交变磁场,在铁质锅底会产生无数的电涡流,使锅底自行发热,烧开锅内的食物。八、电涡流传感器位移及速度检测三、电涡流传感器结构及特性

电涡流探头外形交变磁场八、电涡流传感器位移及速度检测电涡流探头内部结构

1—电涡流线圈2—探头壳体3—壳体上的位置调节螺纹4—印制线路板5—夹持螺母6—电源指示灯

7—阈值指示灯8—输出屏蔽电缆线9—电缆插头

八、电涡流传感器位移及速度检测大直径电涡流探雷器

八、电涡流传感器位移及速度检测四、电涡流传感器的应用

（一）、位移测量

电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子器件。接通电源后,在电涡流探头的有效面（感应工作面）将产生一个交变磁场。当金属物体接近此感应面时,金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量,使振荡器的输出幅度线性地衰减,根据衰减量的变化,可地计算出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于非接触测量,工作时不受灰尘等非金属因素的影响,寿命较长,可在各种恶劣条件下使用。八、电涡流传感器位移及速度检测位移测量仪位移测量包含: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。数显位移测量仪及探头八、电涡流传感器位移及速度检测4~20mA电涡流位移传感器外形八、电涡流传感器位移及速度检测齐平式电涡流位移传感器外形齐平式传感器安装时可以不高出安装面,不易被损害。八、电涡流传感器位移及速度检测偏心和振动检测八、电涡流传感器位移及速度检测通过测量间隙来测量径向跳动八、电涡流传感器位移及速度检测测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪

测量冷轧板厚度八、电涡流传感器位移及速度检测（二）、转速测量

若转轴上开z个槽(或齿),频率计的读数为f（单位为Hz）,则转轴的转速n（单位为r/min）的计算公式为八、电涡流传感器齿轮转速测量例:下图中，设齿数z=48，测得频率f=120Hz，求该齿轮的转速n。八、电涡流传感器位移及速度检测电动机转速测量八、电涡流传感器位移及速度检测（三）、电涡流式通道安全检查门

安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属物体通过时,交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流,会在接收线圈中感应出电压,计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物体的大小。在安检门的侧面还安装一台“软x光”扫描仪,它对人体、胶卷无害,用软件处理的方法,可合成完整的光学图像。八、电涡流传感器位移及速度检测安检门演示当有金属物体穿越安检门时报警八、电涡流传感器位移及速度检测（一）、自感式传感器的原理及分类自感式传感器又称电感式传感器或变磁阻式传感器，原理如图示。线圈的电感值按下式计算:其中:

九、自感式传感器位移及速度检测,忽略Rc,则有

九、自感式传感器位移及速度检测自感式传感器分为三种类型

螺线管式变气隙型变截面型九、自感式传感器位移及速度检测差动变气隙式自感传感器结构及测量（交流）电桥（调幅电路）如图示。1-铁芯2-线圈3-衔铁九、自感式传感器位移及速度检测速度传感器定义:能感受被测速度并转换成可用输出信号的传感器。单位时间内位移的增量就是速度。速度包括线速度和角速度