第4章位移物位传感器

了解位移的概念及种类熟悉常用位移传感器的工作原理学习目的4.1电位器式位移传感器4.2光栅位移传感器4.3磁栅位移传感器4.4接近传感器4.5液位传感器4.6电容式物位传感器4.7流量传感器主要内容返回主目录概述※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※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)。※电阻电位器式位移传感器适用于较大范围位移的测量，但精度不高。※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±1m)，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、电感式传感器和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、液位位移传感器等。返回本章目录4.1电位器式位移传感器4.1.1.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4-1电位器结构xRRxLabRLxRx分压器两边电阻的比值为当电刷沿电阻体的接触表面从b端移向a时，在电刷两边的电阻体阻值随之发生变化。设电阻体全长为L，总电阻为R，则当电刷移动距离为x时，变阻器的电阻值为电位器由电阻体和电刷（也称可动触点）两部分组成，图4-1电位器结构xRUIxLxUUxL若以恒定电流I从电阻体的a端流入，并将电阻体的b端接地，则变阻器和分压器的输出电阻体b端接地，则分压器输出电压U若在分压器的两端施加电压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；分辨率不高，精度也不高；动态响应较差，不适于动态快速测量。4.1.2电位器的类型、结构与材料电位器式传感器按结构形式图4-2电位器结构形式直线位移型角位移型按工艺特点线绕式非线绕式按制作材料绕线式电位器合成膜电位器金属膜电位器导电塑料电位器导电玻璃釉电位器光电式电位器1.电阻丝电阻丝的材料应是电阻率大、电阻温度系数小、柔软，但强度高，抗蚀性好、抗拉强度高、容易焊接，且熔点高。材料：铜镍合金、铜锰合金、铂铬合金及镍铬丝等。2.骨架与基体骨架与基体应形状稳定，表面绝缘电阻高，并有较好的散热能力。常用的材料有陶瓷、酚醛树脂、工程塑料以及经过绝缘处理的铝合金等。3.电刷电刷是电位器中关键零件之一，一般用贵金属材料或金属薄片制成。金属丝直径约0.1～0.2mm，电刷头部应弯成弧形，以防接触面过大而磨损。电刷要有一定的弹性，以保证与电阻体可靠接触，另外抗蚀性好、抗拉强度高、容易焊接，且熔点高。图4-3常见电刷结构电位器由电阻体包括电阻丝（或电阻薄膜）、骨架和电刷组成4.1.3电位器的主要技术指标•1.最大阻值和最小阻值——指电位器阻值变化能达到的最大值和最小值。•2.电阻值变化规律——指电位器阻值变化的规律，例如对数式、指数式、直线式等。•3.线形电位器的线性度——指阻值直线式变化的电位器的非线性误差。•4.滑动噪声——电刷移动时，滑动接触点打火产生的噪声电压大小。4.1.4线位移传感器电位器式线位移传感器结构原理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。图4-4线位移传感器4.1.5角位移传感器图360OiUU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。4.1.6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，膜盒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。返回本章目录４.2光栅位移传感器•4.2.1光栅的概念※由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件称为光栅。※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；※用不锈钢制成的光栅称为反射式光栅。a=bW=a+b图4-8光栅※光栅的刻痕密度一般为每毫米10、25、50、100、250线。※刻痕之间的距离称为栅距W。设刻痕宽度为a，狭缝宽度为b，则，一般取。abWab尺身尺身安装孔反射式扫描头（与移动部件固定）扫描头安装孔可移动电缆光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长光栅扫描头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆光栅的外形及结构（续）4.2.2工作原理——莫尔条纹※莫尔条纹——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，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。※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。f-f线区则是由于光栅的遮光效应形成的。•图4-9莫尔条纹θW/BW莫尔条纹演示00cos22424sin2limcos12limsin22122BWWCotWWB图7-8莫尔条纹1BKW莫尔条纹演示莫尔条纹有两个重要的特性※位移的方向性：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下上移动，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。※莫尔条纹有位移的放大作用。当主光栅沿有刻线垂直的方向移动一个栅距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，可由下式确定，即/1/KBW当θ角较小时，例如当θ=0.1o时，K=573；θ=0.50，则K=115。表明两个光栅面夹角越小，莫尔条纹的放大倍数越大。这样，就可以把肉眼看不到的光栅位移变成为清晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的位移来检测光栅的位移，从而实现高灵敏度的位移测量。4.2.3光栅位移传感器的结构※它主要由主光栅、指示光栅、光源和光电器件等组成，其中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，若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。※利用上述原理，通过多个光敏器件对莫尔条纹信号的内插细分，便可检测出比光栅距还小的位移量及被测物体的移动方向。安装有直线光栅的数控机床加工实况防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部4.2.4光栅位移传感器的特点及应用※由于莫尔条纹是明暗交替的，当莫尔条纹上下移动时，只要用光敏元件检测出来明、暗的变化，计算出莫尔条纹的数目，就可得知位移的大小，实现测量结果的二值化。另外莫尔条纹是由光栅的大量刻线形成的，对刻线误差有平均作用，能在很大程度上消除刻线不均匀引起的误差。※由于光栅位移传感器测量精度高（分辨率为0.1μm）、动态测量范围广（0～1000mm），可进行无接触测量，而且容易实现系统的自动化和数字化，因而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、工作主机的坐标测量等方面，光栅位移传感器都起着重要的作用。返回本章目录４.3磁栅位移传感器•4.3.1磁栅的概念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0.02㎜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。录制磁信息时，要使磁尺固定，磁头根据来自激光波长的基准信号，以一定的速度在其长度方向上边运行边流过一定频率的相等电流，这样，就在磁尺上记录了相等节距的磁化信息而形成磁栅。•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。因此在磁栅上的磁场强度呈周期性地变化，并在N-N或S-S相接处为最大处。图4-11磁栅的基本结构４.３.２磁栅的种类磁栅的种类可分为单面型直线磁栅、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。磁栅和其他类型的位移传感器相比，具有结构简单，使用方便，动态范围大（1～20m）和磁信号可以重新录制等优点。其缺点是需要屏蔽和防尘。4.3.3磁栅位移传感器的结构和工作原理※磁栅位移传感器由磁尺（磁栅）、磁头和检测电路组成。※工作原理是电磁感应原理，当线圈在一个周期性磁体表面附近匀速运动时，线圈上就会产生不断变化的感应电动势。感应电动势的大小，既和线圈的运动速度有关，还和磁性体与线圈接触时的磁性大小及变化率有关。根据感应电动势的变化情况，就可获得线圈与磁体相对位置和运动的信息。※磁尺是检测位移的基准尺，磁头用来读取磁尺上的记录信号。按读取方式不同，磁头分为动态磁头和静态磁头两种。1.动态磁头※动态磁头上只有一个输出绕组，只有当磁头和磁尺相对运动时才有信号输出，因此又称动态磁头为速度响应磁头。运动速度不同，输出信号的大小和周期也不同，因此，对运动速度不均匀的部件，或时走时停的机床，不宜采用动态磁头进行测量。※动态磁头测量位移较简单，磁头输出为正弦信号，N、N(正向峰值，S、S(负向峰值)，通过计数磁尺的磁节距个数（或正弦波周期个数），就可知道磁头与磁尺间的相对位移量。式中n——正弦波周期个数（磁节距个数）W——磁节距xnW图4-12动态磁头输出波形与磁栅位置关系2.静态磁头※静态磁头是一种调制式磁头，磁头上有两个绕组，一个是激励绕组，加以激励电源电压，另一个是输出绕组。即使在磁头与磁尺之间处于相对静止时，也会因为有交变激励信号使输出绕组有感应电压信号输出。可见输出信号是一个幅值不变，相位随磁头与磁栅相对位置变化而变化的信号，可用鉴相电路测出该调相信号的相位，从而测出位移。静态磁头和磁尺之间有相对运动时，输出绕组产生一个新的感应电压信号输出，它作为包络，调制在原感应电压信号频率上。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。提高了测量精度。检测电路主要用来供给磁头激励电压和把磁头检测到的信号转换为脉冲信号输出并以数字形式显示出来。2sin(2)mxUUtW磁头总的输出信号为:4.3.4磁栅位移传感器的应用※磁栅位移传感器和其他类型的位移传感器相比，具有结构简单，使用方便，动态范围大（1～20m）和磁信号可以重新录制等优点，其缺点是需要屏蔽和防尘。※磁栅位移传感器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，其行程可达数十米，分辨率大于。※磁栅位移传感器允许最高工作速度为12m/min，系统的精度可达0.01mm/m，最小指示值0.001mm，使用范围0～40℃，是一种测量大位移的传感器。1m返回本章目录４.4接近传感器※接近传感器是一种具有感知物体接近能力的器件。它利用位移传感器对接近的物体具有的敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号。因此，通常又把接近传感器称为接近开关。※常见的接近传感器有电容式、涡流式、霍尔效应式、光电式、热释电式、多普勒式、电磁感应式及微波式、超声波式等等。•４.4.1电容式接近传感器