项目二 位移传感器（课件）- 《传感器与检测技术应用》同步教学（人民邮电版）

项目二 位移、速度、流量传感器 2.1参量型位移传感器 位移传感器 位移传感器是用来测量位移、距离、位置、尺寸、角度、角位移等几何学量的一种传感器。 位移传感器根据被测物体的运动形式可细分为线性位移传感器和角位移传感器。 位移传感器是应用最多的传感器之一，品种繁多。 位 移 传 感 器 数 字 式 模 拟 式 光栅式 磁栅式 电位器式 电阻应变式 电容式 螺旋管电感式 差动变压器式 涡流式 光电式 霍耳器件式 微波式 超声波式 图2.1 位移传感器的分类 电位器式位移传感器 1.电位器的基本概念 图2-2是电位器的结构图。 它由电阻体、电刷、转轴、滑动臂、焊片等组成，电阻体的两端和焊片A、C相连，因此AC端的电阻值就是电阻体的总阻值。 转轴是和滑动臂相连的，在滑动臂的一端装有电刷，它靠滑动臂的弹性压在电阻体上并与之紧密接触，滑动臂的另一端与焊片B相连。 图2-2 电位器的一般结构 图2-3是电位器电路图。 电位器转轴上的电刷将电阻体电阻R0分为R12和R23两部分，输出电压为U12。 改变电刷的接触位置，电阻R12亦随之改变，输出电压U12也随之变化。 常见用于传感器的电位器有： 线绕式电位器、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、光电电位器。 图2-3 电位器电路 2.电位器的主要技术参数 (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)线性电位器的线性度，指阻值直线式变化的电位器的非线性误差； (4)滑动噪声，指调电位器阻值时，滑动接触点打火产生的噪声电压的大小。 2.1.2电容式位移传感器 电容式位移传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感器和变面积式电容传感器进行位移的测量。 1.变极距式电容传感器 图2-4是空气介质变极距式电容传感器工作原理图。 一个电极板固定不动，称为固定极板，极板的面积为Ａ，另一极板可左右移动，引起极板间距离d相应变化。 2-4 变极距式电容传感器工作原理图 变极距式电容传感器的初始电容C0可由下式表示： C0=ε0A / d0 只要测出电容变化量⊿C，便可计算得到极板间距的变化量，即极板的位移量⊿d。 除用变极距式电容传感器测位移外，还可以用变面积式电容传感器测角位移。 2.1.3螺管式电感位移传感器 螺管式电感位移传感器主要由螺管线圈和铁芯组成，铁芯插入线圈中并可来回移动。 当铁芯发生位移时，将引起线圈电感的变化。线圈的电感量与铁芯插入线圈的长度有如下的关系： 铁芯随被测物体一起移动，导致线圈电感量发生变化。其检测位移量可从数毫米到数百毫米。缺点是灵敏度低。 2.2 光栅位移传感器 2.2 光栅位移传感器 2.2.1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2-5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。 图2-5 光栅结构放大图 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 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。如图2-6所示。 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2-6中d－d线区所示。 图2-6中f－f线区则是由于光栅的遮光效应形成的。 图2-6 莫尔条纹 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