第三章 位移的检测

1、3.2.1 莫尔条纹莫尔条纹亮带暗带（1）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。 WB =3.2.1 莫尔条纹莫尔条纹 内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。报警、阻抗变换等。扫描头扫描头（与移动部件固定）（与移动部件固定）光栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆 结构结构:由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。 铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为 ; 传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时发生变化引起磁路的磁阻发生变

2、化引起磁路的磁阻Rm变化，使变化，使电芯线圈的电感值电芯线圈的电感值L变化；变化； 自感式传感器自感式传感器 当衔铁在中间位置当衔铁在中间位置 Z1=Z2=Z U0=0 当衔铁偏移时输出电压当衔铁偏移时输出电压022UZULUZL&当衔铁偏向另一方向当衔铁偏向另一方向02ULUL &衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等方向相反，衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等方向相反， 相差相差180180，要判断衔铁方向就是判断信号相位，用相敏检波。，要判断衔铁方向就是判断信号相位，用相敏检波。自感式传感器自感式传感器 a a）非相敏检波）非相敏检波 b b）相敏检波）相敏检波

3、1 1理想特性曲线理想特性曲线 2 2实际特性曲线实际特性曲线 自感式传感器自感式传感器 通过调零电路，可通过调零电路，可使输出曲线平移到原点。使输出曲线平移到原点。标定位移时的实验数据及曲线标定位移时的实验数据及曲线自感式传感器自感式传感器 相敏整流电桥相敏整流电桥 自感式传感器自感式传感器 自感式传感器自感式传感器 一、变隙式差动变压器一、变隙式差动变压器 两个初级绕组的同名端顺向串联，两个初级绕组的同名端顺向串联， 而两个次级绕组的同名而两个次级绕组的同名端则反相串联。端则反相串联。 差动变压器式传感器的结构示意图差动变压器式传感器的结构示意图变压器式传感器变压器式传感器二、螺线管式差动

4、变压器二、螺线管式差动变压器次次 级级次次 级级骨架骨架初初 级级衔衔 铁铁次次 级级次次 级级初初 级级变压器式传感器变压器式传感器两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下, , 其其等效电路如图所示。等效电路如图所示。 当初级绕组加以激励电压当初级绕组加以激励电压U U时时, , 根据变压器的工作原理根据变压器的工作原理, ,在两个次级绕组在两个次级绕组N N2121和和N N2222中便会产生感应电势中便会产生感应电势U U2121和和U U2222。 如果工如果工艺上保证变压器结

5、构完全对称艺上保证变压器结构完全对称, ,则当活动衔铁处则当活动衔铁处于初始平衡位置时于初始平衡位置时, , 必然会使两互感系数必然会使两互感系数M M1 1= =M M2 2。根据电磁感应原理根据电磁感应原理, , 将有将有U U2121=U=U2222。由于变压器。由于变压器两次级绕组反相串联两次级绕组反相串联, , 因而因而U Uo o=U=U2222-U-U2121=0=0, , 即差动变压器输出电压为零。即差动变压器输出电压为零。 变压器式传感器变压器式传感器输出电压的特性曲线输出电压的特性曲线 变压器式传感器变压器式传感器为减小零点残余电压的影响，一般要用电路进行补偿为减小零点残余

6、电压的影响，一般要用电路进行补偿, ,电路电路补偿的方法较多补偿的方法较多, ,可采用以下方法。可采用以下方法。 串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异；串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异； 并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分量；并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分量； 加反馈支路：初次级间反馈，减小谐波分量；加反馈支路：初次级间反馈，减小谐波分量； 相敏检波对零点残余误差有很好的抑制作用。相敏检波对零点残余误差有很好的抑制作用。 这些电路可单个使用也可综合使用，需要通过实验证实效果这些电路可单个使用也可综合使用，需要通过实验证实效果串串 联联 电电 阻阻并并 联

7、联 电电 阻阻变压器式传感器变压器式传感器三、差动变压器式传感器测量电路三、差动变压器式传感器测量电路问题：（问题：（1 1）差动变压器的输出是交流电压）差动变压器的输出是交流电压( (用交流用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向动的方向);); （2 2）测量值中将包含零点残余电压。）测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。检波电路。 变压器式传感器变压器式

8、传感器(1) (1) 差动整流电路差动整流电路 这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，流， 然后将整流的电压或电流的差值作为输出。然后将整流的电压或电流的差值作为输出。（a a）半波电压输出）半波电压输出（b b）半波电流输出）半波电流输出（c c）全波电压输出）全波电压输出（d d）全波电流输出）全波电流输出 变压器式传感器变压器式传感器输入一交流信号时整流电路的输出电输入一交流信号时整流电路的输出电压为：压为： U U0 0 = U = U2424-U-U6868， 铁芯铁芯T T在中间位置在中间位置 ，U U24 24 = U68

9、 = U68 U U0 0 = 0 = 0 T T上移，上移，U U2424 U68 UU68 U0 0 0 0，T T下移，下移，U U2424 U68 UU68 U0 0 0 0 铁芯上移铁芯上移 铁芯下移铁芯下移U0U0变压器式传感器变压器式传感器开关式全波相敏检波电路 (2) (2) 相敏检波电路相敏检波电路 变压器式传感器变压器式传感器轴向式电感轴向式电感 测微器的外测微器的外形形 航空插头航空插头红宝石测头红宝石测头变压器式传感器变压器式传感器变压器式传感器变压器式传感器变压器式传感器变压器式传感器圆柱滚子圆柱滚子变压器式传感器变压器式传感器滑道滑道分选仓位分选仓位轴承滚子外形轴承

10、滚子外形变压器式传感器变压器式传感器滑道滑道1111个分选仓位个分选仓位废料仓废料仓变压器式传感器变压器式传感器仿仿形形头头主主轴轴变压器式传感器变压器式传感器变压器式传感器变压器式传感器旋转盘旋转盘变压器式传感器变压器式传感器金刚石测头金刚石测头变压器式传感器变压器式传感器 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。), ,(ItxrfZ =涡流式传感器涡流式传感器电涡流效应演示 涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器一、工作原理涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器一、工作原理涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器

11、涡流式传感器三、涡流的分布和强度涡流式传感器涡流式传感器四、四、交变磁场交变磁场涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器五、五、 石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz1MHz(100kHz1MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压终输出的直流电压U Uo o反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如反映了金属体对电涡流线圈

12、的影响（例如两者之间的距离等参数）。两者之间的距离等参数）。涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器数显数显位移测量仪及探头位移测量仪及探头涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器间隙越大，电涡间隙越大，电涡流越小流越小涡流式传感器涡流式传感器间距间距涡流式传感器涡流式传感器 测量悬臂梁的振幅测量悬臂梁的振幅及频率及频率涡流式传感器涡流式传感器60 fnz涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器 低频透射式涡流厚度传感器低频透射

13、式涡流厚度传感器 涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器5 5涡流式传感器涡流式传感器油管探伤油管探伤涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器涡流式传感器 优点：优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。 应用：应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。湿度和成分含量等测量之中。3.5.1 电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器的工

14、作原理和结构 用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容缘效应时，其电容C为为 S极板相对覆盖面积；极板相对覆盖面积；极板间距离；极板间距离；r相对介电常数；相对介电常数；0 真空介电常数，真空介电常数，0 8.85p pF/m； 电容极板间介质的介电常数。电容极板间介质的介电常数。S0SSCr= 、S和和r中的某一项或几项有变化时，就改变中的某一项或几项有变化时，就改变了电容了电容C0。或或S的变化可以反映线位移或角位移的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；r

15、的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。 三种基本类型：三种基本类型：l变极距变极距(变间隙变间隙)()型型l变面积型变面积型(S)型型l变介电常数变介电常数(r)型型1. 1. 变极距型电容传感器变极距型电容传感器 平行板电容器的平行板电容器的和和S不变，只改变电容器两极板之间距离不变，只改变电容器两极板之间距离d。该类型传感器常用于压力的测量。该类型传感器常用于压力的测量。 设初始极距为，当动极板有位移，使极板间距减小值后，设初始极距为，当动极板有位移，使极板间距减小值后，其电容值变大。其电容值变大。C0为初始电容值。为初始电容值。)1 (xdxC

16、xdACooox+=2)-(xdAdxdCKox=电容量电容量Cx与位移与位移x不是线性关不是线性关系。其灵敏度不为常数系。其灵敏度不为常数 为了提高传感器灵敏度，减小为了提高传感器灵敏度，减小非线性误差，实际应用中大都采非线性误差，实际应用中大都采用差动式结构。用差动式结构。 如图示如图示(1为动片、为动片、2为定片为定片)，中间电极若受力向上位移中间电极若受力向上位移d，则，则C1容量增加，容量增加，C2容量减小，两电容量减小，两电容差值为：容差值为： 00000020021-ddCddCddCCCCCC=+= 002=ddCC电容传感器做成差动型后之后，灵敏度提高一倍。电容传感器做成差动

17、型后之后，灵敏度提高一倍。 得到：得到：2. 2. 变面积型传感器变面积型传感器 变面积式差动电容结构原理图变面积式差动电容结构原理图 图（图（a）所示平板形位移）所示平板形位移x后，电容量由初始值变为：后，电容量由初始值变为： 0)-()-1 (CCaxdbxax=电容量变化：电容量变化： 00-CCCCaxx=灵敏度为：灵敏度为： dbxCx-k= 圆柱形电容式位移传感器，图（圆柱形电容式位移传感器，图（b），设内外电），设内外电极长度为极长度为L，起始电容量为，起始电容量为C0，动极向上位移，动极向上位移y后，后，电容量变为电容量变为Cy： 00-CCCLyy 电容量变化电容量变化 ：0

18、-=CCLyy 灵敏度为灵敏度为 ：LCyCyyk0-= 对于角位移传感器，如图，设两片极板全重合对于角位移传感器，如图，设两片极板全重合（=0）时的电容量为）时的电容量为C0，动片转动角度，动片转动角度后，电容后，电容量变为：量变为：00C-C=C 电容量变化：0-=CC 灵敏度为： CCk0-= 3. 3. 变介电常数式变介电常数式 在电容器两极板间插入不同介质，电容器的电容量在电容器两极板间插入不同介质，电容器的电容量就不同，利用这种原理制作的变介电常数型电容式传感就不同，利用这种原理制作的变介电常数型电容式传感器常被用来测量液体的液位和材料的厚度。器常被用来测量液体的液位和材料的厚度。

19、 电容液位计原理图电容液位计原理图 传感器电容量传感器电容量C C与被测液位高度与被测液位高度h hx x成线性关系。成线性关系。 321CCCCx=0=oU0oU电容式传感器桥式转换电路电容式传感器桥式转换电路 222121UCCUCCCCUoxxxxo=+=oCC 式中，式中， 为传感器的初始电容值；为传感器的初始电容值； 为传感器的电容变为传感器的电容变化值。需要注意的是，该转换电路的输出需经过相敏检波电化值。需要注意的是，该转换电路的输出需经过相敏检波电路处理才能分辨。路处理才能分辨。01 5-22fLC脉冲宽度调制电路的输出电压波形图脉冲宽度调制电路的输出电压波形图 差动电容的变化使充电时间差动电容的变化使充电时间t1、t2不相等，从而使触发器输不相等，从而使触发器输出端的脉冲宽度不同，经滤波器有直流电压输出。出端的脉冲宽度不同，经滤波器有直流电压输出。 P2玻璃盘镀金层金属膜片C2电极引线p1C1 结构简单、灵敏度高、响应速度快结构简单、灵敏度高、响