项目五感应式防盗报警器的设计与制作.ppt

,传感器技术,感应式防盗报警器的设计与制作,项目五,第6章位移传感器,6.2光栅位移传感器传感器,6.1机械位移传感器,6.3光电编码器,6.4磁栅传感器,6.5感应同步器,6.6接近传感器,6.7转速传感器,6.8多普勒效应测速,6.9液位及物位传感器,6.10流量及流速传感器,6.1机械位移传感器,机械位移传感器是用来测量位移、距离、位置、尺寸、角度和角位移等几何学量的一种传感器。应用最多,品种繁多.,按传感器的信号输出形式分为模拟式和数字式.,6.1.1电位器式位移传感器,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或其他形式的能转换为位移的非电量，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。,1电刷2转轴3电阻体4滑动壁,AC总电阻,转轴与滑动壁相连.,原理:用机械运动调节电位器的转轴,电位器输出电压改变,6.1.1电位器式位移传感器,2、电位器的主要技术参数,（1）最大阻值和最小阻值（2）电阻值变化规律,线性或对数.（3）线性电位器的线性度,非线性误差.（4）滑动噪声,滑动接触点打火产生的噪声电压.,6.1.2电容式位移传感器,以电容器为敏感元件，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。,其电容变化与位移变化成非线性关系，为了改善非线性关系，可采用差动变极距式电容传感器。,1可动极板2固定极板,6.1.3电感位移传感器,电感式传感器是利用线圈自感或互感量系数的变化来实现非电量电测的一种装置。,气隙变小、磁阻变小、电感变大，电流减小。,6.1.3电感位移传感器,电感式传感器是利用线圈自感或互感量系数的变化来实现非电量电测的一种装置。,1.自感式位移传感器,螺线管式电感传感器,特点：（1）测量范围大；（2）灵敏度低。,活动铁心与被测物一起移动,引起l变化,引起电感变化,6.1.3电感位移传感器,2.差动变压器式位移传感器,当铁心处于中心对称位置时，则，所以；当铁心向两端位移时，大于或小于，使不等于零，其值与铁心的位移成正比。,反向串联,特点：结构简单、灵敏度高、线性度好和测量范围宽。缺点是存在零点残余电动势。可采用相敏检波电路等措施进行补偿。,6.1.4电涡流式位移传感器,电涡流效应：金属导体中的磁通发生变化，就会在闭合的导体内产生感应电流，在导体内是自行闭合的。,电涡流的产生会使产生磁场的线圈阻抗发生变化。,6.1.4电涡流式位移传感器,若改变这些参数中的任一物理量，都将引起的变化，这就是电涡流传感器的工作原理。比如x变化，Z变化。,线圈通上交流电I1，它周围产生磁场H1,处于H1中的金属导体产生I2，这个电涡流产生H2，方向相反，使电流线圈有效阻抗Z变。,6.2光栅位移传感器,6.2.1莫尔条纹：光栅上若干条明暗相间的条纹。,d亮带,f暗带,不透光,透光,光栅,莫尔条纹：亮带，菱形。,透明玻璃,莫尔条纹两个重要性质,（1）指示光栅不动，主光栅动左右平移，莫尔条纹沿指示光栅上下移动，莫尔条纹移动方向与两光栅相对移动方向垂直。（2）莫尔条纹有位移的放大作用。主光栅移动一个删距W，莫尔条纹移动一个B.夹角较小时，主光栅移动一个删距W，莫尔条纹移动KW.,6.2光栅位移传感器,莫尔条纹,6.2.2光栅位移传感器的结构及工作原理,主光栅与被测物相连，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。,6.2.2光栅位移传感器的结构及工作原理,光栅的辨向,如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，无法分辨位移的方向。安装2套光电元件，得到2个相差90度的电信号，通过加减发计数器判断方向。,脉冲细分,细分技术能在不增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅的分辨力。细分前，光栅的分辨力只有一个栅距的大小。采用4细分技术后，计数脉冲的频率提高了4倍，相当于原光栅的分辨力提高了3倍，测量步距是原来的1/4，较大地提高了测量精度。,细分前,细分后,6.2.2光栅位移传感器的结构及工作原理,为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）,内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。,光栅数显表,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磁栅,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）,6.3光电编码器,编码器是将直线运动和转角运动变换为数字信号进行测量的一种传感器。,信号航空插头,编码器外形,其他角编码器外形,其他角编码器外形（续）,拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。,其他角编码器外形,6.3.1增量式编码器,比较两个信号相位的超前或滞后关系来辩向,两个透光狭缝必须错开90电角度,6.3.2绝对式光电编码器,透明区输出为“0”,不透明区输出为“1”,四条码道,分辨力角度,动画演示,绝对式码盘与增量式码盘有何区别？,10码道光电绝对式码盘,透光区,不透光区,零位标志,6.3.2绝对式光电编码器,采用格雷码编码的码盘，对于编码盘的制造工艺和光敏元件安装降低了要求。,6.3.2绝对式光电编码器,技术指标：,1）分辨率即每转一周所能产生的脉冲数2）输出信号的电特性3）频率特性4）使用特性包括器件的几何尺寸和环境温度。,6.3.2光电编码器的应用,1.位置测量,把输出的脉冲UOS和UOC分别输入到可逆计数器的正、反计数端进行计数，可检测到输出脉冲的数量，把这个数量乘以脉冲当量(转角脉冲)就可测出编码盘转过的角度。,轴环式数显表,6.3.2光电编码器的应用,2.转速测量,1）脉冲频率法测转速,2）脉冲周期法测转速,6.4磁栅传感器,6.4.1磁栅传感器的组成及类型,常用的磁信号节距为0.05mm和0.20mm两种,1磁栅的组成,6.4.1磁栅传感器的组成及类型,2.磁栅的类型,尺形,带形,同轴形,磁栅的外形及结构,磁尺,静态磁头,去信号处理电路,固定孔,6.4.2磁栅传感器的工作原理,1.基本工作原理,相位差90,通常两个磁头做成一体,磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示,6.4.2磁栅传感器的工作原理,2.信号处理方式,两只磁头励磁线圈加上同一励磁电流时，两磁头输出绕组的输出信号为,6.4.2磁栅传感器的工作原理,2.信号处理方式,1）鉴相处理方式,就是利用输出信号的相位大小来反映磁头的位移量或磁尺的相对位置的信号处理方式。,感应电动势E的幅值恒定，其相位变化正比于位移量x。,6.4.2磁栅传感器的工作原理,2.信号处理方式,2）鉴幅处理方式,就是利用输出信号的幅值大小来反映磁头的位移量或磁尺的相对位置的信号处理方式。,6.4.3磁栅传感器的应用,两个方面的应用：（1）可以作为高精度测量长度和角度的测量仪器用。（2）可以用于自动化控制系统中的检测元件(线位移)。,磁栅测量系统,压板,磁头,磁尺,磁栅在磨床测长系统中的应用,磁尺,磁头安装在何处？,6.5感应同步器,6.5.1感应同步器的结构和类型(直线式和旋转式),相距（m+1/4W）的距离，相位差90,是一种新颖的数字位置检测元件,用于自动化测量和控制系统.,直线式感应同步器的的截面结构(滑尺和定尺)及绕组图形,1基板2绝缘层3导片4绝缘层5黏合剂6铝箔,6.5.2感应同步器的工作原理,式中的K是定尺绕组与滑尺绕间的耦合系数，它与许多因素有关，这里值得指出的是它还与两绕组的相对位置有关。,定尺绕组加电流,滑尺绕组产生感应电动势.,A点为0最大,B点最大0,C点0反向最大,D点反向最大0,X为位移量,w为绕组周期,此式带入上式得下式,6.5.2感应同步器的工作原理,式中,利用专门设计的电路，对感应电势进行适当处理，就可以把位移量x检测出来。,6.5.2感应同步器的处理信号方式,1.鉴相处理方式,正、余弦滑尺分别输入,相位差为90度：,在绕组上的输出感应电动势：,6.5.2感应同步器的工作原理,2.鉴幅处理方式,正、余弦滑尺分别输入：,定子绕组上的输出感应电动势：,式中,通过鉴幅,可知道位移.,6.5.3感应同步器在数控机床闭环系统中的应用,6.6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所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。,接近传感器种类有电容式、涡流式、霍尔效应式、光电式、热释电式、多普勒式、电磁感应式、微波式、超声波式等。,接近开关外形,接近开关外形,接近开关外形（续）,6.6.1电容式接近传感器,电容C作为振荡电路的一部分，,振荡电路的振荡与停振这两种状态被检测电路转换为开关信号后向外输出。,以一个电极为检测端，平时检测电极与大地有电容，有振荡。,被测物靠近时，检测电极的电荷增多，电容变大，振荡减弱，甚至停止振荡。,6.6.2电感式接近传感器,电感L作为振荡电路的一部分,振荡电路的振荡与停振这两种状态被检测电路转换为开关信号后向外输出。,检测敏感元件为线圈，有振荡。,被测物靠近检测线圈时，电感变大，振荡减弱，甚至停止振荡。,超声波是指频率高于20KHZ的机械波。检测物体，必须有发射和接收部分。超声波遇物体反射，可检测物体。原理：利用压电效应将电能和超声波相互转化，发出超声波时，将电能转换，发射超声波；接收时将超声运动转换成电信号。,6.6.3超声波式接近传感器,6.6.3超声波式接近传感器的内部电路,超声波传感器发射器,超声波传感器接收器,调节振荡频率,如果检出需要的频率，就输出低电平，LED点亮,非门构成频率器,6.6.4热释电式接近传感器,热释电红外传感器是用热释电元件的热释电效应探测人体发出的红外线的一种传感器。它用于防盗、报警、来客告知及非接触开关等设备中。,6.7转速传感器,6.7.1磁电式转速传感器,磁轮旋转，磁轮和永久磁铁间的气隙变小，磁铁的磁通发生变化，磁路通过线圈，线圈感应出脉冲电动势，其频率如下。,1磁轮2转轴3传感器4感应线圈5永久磁铁,Z为磁轮齿数，N为磁轮转数。,6.7.2光电式转速传感器,1光电器件（用于感光）2缝隙板3开孔圆盘4输入轴（与被测轴相连）5光源,直射式光电转速传感器光电式转速传感器,光源发出光，通过开孔圆盘和缝隙照到光电器件上，使光电器件感光。开孔盘转一周，感光次数与小孔数相等，产生相应数量的电脉冲。,1光源2透镜3指示盘（与旋转盘与缝隙）4光电器件（用于感光）5旋转盘（与被测轴相连）,6.7.2光电式转速传感器,有光照时，为高电平；无光照时，为低电平。脉冲信号送到计数器计数。,VT1光敏晶体管，有光照时，有电流，使VT2、VT3导通,6.8多普勒效应测速,发射机与接收机之间距离发生变化，则发射机的发射信号频率与接收机的接收信号频率就不同。如果发射机与接收机无相对运动，被测物以速度V向发射机与接收机做运动，把能反射信号的被测物体看成一个发射机。,6.8.1多普勒效应,发射机发射信号频率为F0，向被测物体辐射，被测物以速度V运动，被测物作为接收机接收频率F1.被测物反射频率F1的信号给接收机，接收机接收频率F2。多普勒频率为接收机频率与发射机频率之差，与速度有关。,6.8多普勒效应测速,6.8.2多普勒雷达测速（检测车辆行驶速度）,1被测物2发射波和反射波3雷达,原理：发射信号和回波信号经混频器混频后，产生差频输出，此时频率为多普勒频率，如下：,雷达测速,车载电子警察,6.9液位及物位传感器,液位测量：一种是为了液体储藏量的管理，一种是为了液位的安全或自动化控制。,物位检测是对设备和容器中物料储量多少的度量。,物位测量控制应用演示,电容式液位传感器,6.9.1压差式液位传感器,压差式液位传感器是根据液面的高度与液体压力成比例的原理制成的。通过压力的测定可得到液面的高度。,储液缸开放型,需要测定的是高度h,移动压力传感器的零点，把零点提高，就可以得到压力与液面高度成比例的输出。,6.9.1压差式液位传感器,同样，只要移动压差式传感器的零点，就可以得到压差与液面高度h1成比例的输出。,储液缸密封型,C1、C2差动输出,被测的压力差从P1P2进入，压力差经2隔液膜片传到1感压膜片，感压膜片产生位移，使3固定电极和1动电极之间的C变。,P1为高压测的压力，p2为低压测的压力，压力差为：,电容式差压变送器,高压侧进气口,低压侧进气口,电子线路位置,内部不锈钢膜片的位置,各种电容式差压变送器外形,各种电容式压力变送器外形（续）,法兰,各种电容式压力变送器外形（续）,电容差压变送器用于测量液体的液位,投入式水位计,6.9.2超声物位传感器,超声物位传感器是利用超声波在两种物质的分界面上的反射特性而制成的。,发射换能器发射超声波，接收换能器接收反射回波的时间间隔已知，可求出分界面的位置，可物位测量。,超声物位传感器原理,（a)发射换能器和接收换能器放在水中，让超声波在水中传播，衰减小。（b）放在液面上面，超声波在空气中传播，衰减大。,单换能器，超声波从发射到液面再回到接收换能器所需时间为：,双换能器，超声波从发射到接收路程为2s,换能器到液面距离为：,液位高度为：,在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器,超声波测量液位和物位,喇叭形超声发生器,6.10流量及流速传感器,凡涉及流体介质的生产过程(如气体、液体及粉状物质的传送等)都有流量及流速的测量和控制问题。,6.10.1电磁式流量及流速传感器,导电性的液体在流动时切割磁力线，也会产生感应电动势，所以可用电磁感应定律来测定流速。,6.10.1电磁式流量及流速