项目五位移的检测新课导入知识目标能力目标课件

项目五位移的检测[新课导入]位移包括直线位移和角位移。在各行各业的自动控制系统中对位移的检测是最常见和基本的检测项目。位移传感器按输出信号可分为模拟式位移传感器和数字式位移传感器；按工作原理可分为电位器式、电感式、电容式、超声波式、光电式及光栅式位移传感器；按使用方法的不同可分为接触式和非接触式两大类。本项目将通过对电位器式、电感式、光栅式位移传感器的介绍，学习工业生产和日常生活中位移检测的方法及应用。[知识目标]·

掌握电位器式位移传感器的工作原理及典型应用·

掌握电感式位移传感器的工作原理及典型应用·

理解光栅式位移传感器的工作原理，掌握其应用[能力目标]·

能认识常见位移传感器并了解其结构及特性·

能掌握电位器式、电感式及光栅式位移传感器的使用方法，学会直线位移和角位移的测量·

能掌握螺线管式电感传感器测量位移的方法和步骤；学会光栅传感器的安装与检修方法项目要求项目五位移的检测任务一模拟式位移传感器检测位移一、电位器式传感器检测位移

模拟式位移传感器有电位器式、电阻应变式、电感式、电容式、超声波式、光电式、霍尔式位移传感器等，本次任务着重学习电位器式和电感式位移传感器。

电位器是一种常用的电子元件，广泛应用于各种电器和电子设备中。它是一种把机械的线位移和角位移转换为与它成一定函数关系的电阻和电压输出的传感元件。电位器式传感器与电阻应变片式传感器、压阻式传感器一样同统属于电阻式传感器。其特点是结构简单、价格低廉、性能稳定、适应性强、输出信号大等优点，不足是分辨力有限，动态响应较差。其实物外形见图5-1所示。（a）直线位移式(b)角位移式图5-1部分电位器式位移传感器外形图项目五位移的检测任务一模拟式位移传感器检测位移

一、电位器式传感器检测位移1.电位器式位移传感器的结构及原理

（1）结构：电位器式位移传感器是由电阻元件、电刷和骨架等构成。其结构见图5-2所示。图5-2电位器式位移传感器结构图项目五位移的检测任务一模拟式位移传感器检测位移

一、电位器式传感器检测位移1.电位器式位移传感器的结构及原理

（2）原理：图5-3所示为常用的线性直线位移传感器的原理图，其电阻元件由金属电阻丝绕成，电阻丝截面积相等，电阻沿长度分布均匀。设电位器全长为Xmax，总电阻为Rmax，则当电刷由A到B移动x距离后，A到电刷间的电阻为

Rx＝×x＝krx(5-1)若做分压用，设加在电位器A、B之间的电压为Umax，则输出电压为

Ux＝×x＝kux(5-2)

kr为电位器的电阻灵敏度，ku为电位器的电压灵敏度。图5-3电位器式传感器直线位移原理图项目五位移的检测任务一模拟式位移传感器检测位移

一、电位器式传感器检测位移1.电位器式位移传感器的结构及原理

（2）原理：

与直线式位移传感器原理相同，如图5-4所示，角位移传感器的电阻R与角度α的关系为：

Rα＝×a＝kra(5-3)

电压与角度的关系为：

Uα＝×a＝kua(5-4)

由此可见，电位器式位移传感器就是将直线位移和角位移的变化转换为电刷触点的移动，进而转换成输出电阻、电压或电流的变化，从而实现位移检测。图5-4电位器式传感器角位移原理图项目五位移的检测任务一模拟式位移传感器检测位移

一、电位器式传感器检测位移2.电位器式位移传感器的应用如图5-5所示为电位器式位移传感器测量压力的原理示意图。其原理是利用弹性元件（如弹簧管、膜片或膜盒）把被测的压力信号变换为弹性元件的位移，然后再将此位移转换为电刷触点的移动，从而引起输出电压或电流相应的变化。在弹性敏感元件膜盒的内腔，施加被测流体压力，在此压力作用下，膜盒中心产生位移，推动连杆上移，使曲柄轴带动电刷在电位器电阻丝上滑动，使传感器的电阻值发生变化，最后输出一个与被测压力成正比的电压信号。图5-5电位器式位移传感器测量压力的原理示意图项目五位移的检测任务一模拟式位移传感器检测位移

二、电感式传感器检测位移

电感式传感器是利用电磁感应定律将被测非电量（如位移、压力、流量、振动速度等）转换为线圈自感量或互感量的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。电感式传感器具有结构简单、工作可靠、测量精度高、线性度好、输出功率大等优点而广泛应用于工业控制及自动化系统中。其不足之处是频率响应较低，不宜用于快速动态测量。电感式传感器的种类很多，根据转换原理不同，可分为自感式和互感式两种；根据结构形式不同，可分为变气隙型和螺管型两种。1.自感式电感传感器（1）自感：当一个线圈中电流i变化时，该电流产生的磁通Φ也随之变化，因而线圈本身产生感应电势e，这种现象称之为自感，产生的感应电动势称为自感电势。自感式传感器就是通过测量线圈自感的变化从而确定被测量的大小。项目五位移的检测任务一模拟式位移传感器检测位移

二、电感式传感器检测位移1.自感式电感传感器（2）自感式传感器的结构及原理自感式位移传感器也称变磁阻式传感器，主要由线圈、铁心、衔铁三部分组成，其中铁心和衔铁由导磁材料制成。线圈的自感系数计算公式为

L＝（5-5）式中L──自感系数

Rm──磁路的总磁阻

N──线圈的匝数式5-5表明，在线圈的匝数N一定的情况下，自感系数L与磁阻Rm成反比。如果改变磁阻Rm的大小，就可以改变线圈的自感系数L。自感式位移传感器就是利用这个原理制成的。自感式位移传感器的种类较多，常见的有变气隙式、变截面式、螺线管式及差动式等。项目五位移的检测任务一模拟式位移传感器检测位移

二、电感式传感器检测位移1.自感式电感传感器

应用：如图5-6所示为自感式液位检测装置。当液位升高时，液体对浮子的浮力作用，使浮子上升，铁心上移，电感变化，原来的平衡状态被破坏，输出信号发生变化，从而检测出液位的变化。图5-6自感式液位检测装置项目五位移的检测任务一模拟式位移传感器检测位移

二、电感式传感器检测位移1.自感式电感传感器

（3）变气隙式自感位移传感器的工作原理变气隙型自感位移电感传感器的结构如图5-7所示。铁心和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁心和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。当被测物体带动衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。变气隙式自感位移传感器受灵敏度和线性度的制约只适用于测量微小位移（0.01～0.1mm）。图5-7变气隙式自感位移传感器的结构原理示意图项目五位移的检测任务一模拟式位移传感器检测位移

二、电感式传感器检测位移1.自感式电感传感器

在实际测量使用中，为减小非线性误差，提高灵敏度，多采用差动变隙式电感传感器，其结构如图5-8所示。

差动变隙式位移传感器由两个相同的线圈和磁路组成。当被测量通过导杆使衔铁移动偏离中间位置时，两个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形成差动输出。使用时，两个电感线圈连接成交流电桥的相邻桥臂，另两个桥臂由电阻组成。与单线圈自感传感器相比，差动式的灵敏度提高了一倍，线性度得到了改善，并且差动式的电感结构，可抵消温度、噪声等干扰的影响。图5-8差动变隙式位移传感器结构示意图项目五位移的检测任务一模拟式位移传感器检测位移

二、电感式传感器检测位移2.互感式电感传感器

互感式位移传感器是根据变压器的基本原理制成的。它是把被测的机械位移转换为线圈互感变化的传感器。由于该传感器将次级线圈用差动形式连接，所以又称为差动变压器式位移传感器。现用于位移测量的大多采用螺线管式差动变压器，其结构示意图见图5-9所示。图5-9螺线管式差动变压器结构示意图项目五位移的检测任务一模拟式位移传感器检测位移

二、电感式传感器检测位移2.互感式电感传感器

图5-10所示为螺线管式差动变压器的工作原理示意图。它是以初级线圈作激励源，次级线圈由两个完全相同的线圈反相串接而成。当初级线圈L1加以激励电压Ui时，产生激励电流Ii，由此在线圈中产生磁通，则在两个次级线圈L21和L22中便会产生感应电势E21和E22。若变压器的结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，两互感系数M1＝M2(互感系数由磁路的结构尺寸决定)。根据电磁感应原理，必有E21＝E22。由于变压器两次级线圈反向串联，因而UO＝E21－E22＝0,即差动变压器输出电压为零。当活动衔铁向上移动时，由于磁阻的影响，L1中磁通将大于L2中磁通，使得M1>M2，因而E21>E22。反之，E21<E22。所以当E21、E22随着衔铁的位移发生变化时，UO也将随衔铁的位移变化而变化，这就是差动变压器式位移传感器的工作原理。项目五位移的检测任务一模拟式位移传感器检测位移

二、电感式传感器检测位移2.互感式电感传感器图5-10螺线管式差动变压器的实物图及工作原理示意图项目五位移的检测任务一模拟式位移传感器检测位移

二、电感式传感器检测位移3.互感式位移传感器的应用

电感式位移传感器由于自身频率响应低，不适用于高频动态值的测量。它主要用于测量位移和可以转换成位移量的机械量，如力、张力、压力、压差、加速度、振动、流量、厚度、液位、相对密度、转矩等物理量。（1）互感式位移传感器测量压力如图5-11所示为差动变压器式位移传感器检测压力的原理示意图。当传感器没有检测到压力时，膜盒在初始位置状态，固接在膜盒中心的衔铁位于差动变压器的中间位置，此时，输出电压为零。当有压力作用于接头时，此压力被接头传入膜盒，使得膜盒受外界压力而膨胀或收缩，固接在膜盒中心的衔铁随膜盒的膨胀或收缩而在差动变压器线圈中移动，使得差动变压器两线圈产生的信号电压发生了变化，此变化的电压经电子电路检波、整形和放大后输出并显示，从而实现压力的检测。项目五位移的检测任务一模拟式位移传感器检测位移

二、电感式传感器检测位移3.互感式位移传感器的应用图5-11差动变压器式位移传感器检测压力的原理示意图项目五位移的检测任务一模拟式位移传感器检测位移

二、电感式传感器检测位移3.互感式位移传感器的应用图5-12差动变压器式位移传感器检测加速度的原理示意图（2）互感式位移传感器测量加速度如图5-12所示为差动变压器式加速度传感器。它是由悬臂梁和差动变压器构成。测量时，将悬臂梁底座与差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动物体相连，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测物体带动衔铁以x(t)振动时，导致差动变压器的输出电压也按相应规律变化。项目五位移的检测任务二数字式位移传感器检测位移

一、认识光栅式位移传感器绝对式光栅角位移传感器b)增量式式光栅角位移传感器c)光纤光栅位移传感器

图5-14部分光栅式位移传感器实物外形图

光栅式位移传感器是基于莫尔条纹的光学原理而制成的测量直线位移和角位移的传感器件。图5-13为部分光栅位移传感器的实物外形图。它主要由光源、透镜、主光栅（标尺光栅)、指示光栅和光电接收元件组成。项目五位移的检测任务二数字式位移传感器检测位移

一、认识光栅式位移传感器图5-14光栅式位移传感器的结构组成

光栅式位移传感器的结构如图5-14所示。所谓光栅，就是由等宽等间距的平行狭缝所组成的光学器件。光栅按光线的走向分，可分为透射式光栅和反射式光栅两大类；按用途来分类，光栅又分为直线光栅和圆光栅两种。透射式光栅是在光学玻璃基体上均匀地刻画间距、宽度相等的条纹，形成断续的透光区和不透光区。反射式光栅一般用不锈钢做基体，用化学的方法制作出黑白相间的条纹，形成强光反光区和不反光区。直线光栅用于长度的测量，圆光栅用于角度测量。项目五位移的检测任务二数字式位移传感器检测位移

一、认识光栅式位移传感器图5-15位移检测光栅的结构示意图

如图5-15所示为测量位移的直线光栅的结构。图中a为刻线宽度，b为缝隙宽度，则W=a+b称为光栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b，或a:b=1.1:0.9。线纹宽度一般为每毫米200、100、50、25、10线，标尺光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者刻有同样的栅距。在测量角位移圆光栅中，其光栅两条相邻刻线的中心线的夹角为角介距，线纹密度一般为每周（360º）有100到12600不等的线。对于圆光栅，这些线纹是等栅距角的向心条纹。栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。项目五位移的检测任务二数字式位移传感器检测位移

二、光栅式位移传感器的工作原理图