传感器应用技术（第2版）课件：位移检测

位移检测

项目一机械位移传感器检测位移

项目二超声波传感器检测距离位移检测

位移传感器是用来测量位移、距离、位置、尺寸、角度、角位移等几何量的一种传感器。根据传感器的信号输出形式，可以分为模拟式和数字式两大类。根据被测物体的运动形式可细分为线性位移传感器和角度位移传感器，位移传感器的分类如图6-1所示。利用机械位移传感器检测位移职业岗位应知应会目标1．了解常用位移传感器的工作原理与特性2．能根据要求选择合适的位移传感器3．掌握位移传感器的应用与安装接线项目一任务一利用电位器式传感器检测位移1．电位器式传感器电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各类电器和电子设备中。电位器式电阻传感器可将机械的直线位移或角位移输入量转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。2.电位器式传感器的结构a）实物图b）圆盘式电位器外形与内部结构c）直线式电位器结构任务一利用电位器式传感器检测位移

3．测量电位器式传感器的位移与输出电压的关系1）求Ui值：将滑动端推至电阻器的起始端，记录电压表的显示值，即Ui值。2）用游标卡尺定位，将滑动端推至距起始点25mm处，逐次增加25mm，分别将电压显示值记录于下表中。（1）按下图所示接线图接线。滑线电阻器两端接5V直流电源。（2）电压表正表笔连接滑线电阻器滑动端，负表笔接电源负极。（3）记录数据。UOO0X

（4）将电压UO与位移X画在坐标中，观察UO与X是否成线性。滑线电阻器模拟电阻线位移传感器实验图电压UO与位移X关系图（5）实验结论：输出电压与电阻线位移传感器的位移成正比，即线性关系。任务一利用电位器式传感器检测位移电位器式传感器测量转换电路原理图知识学习

电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各类电器和电子设备中。电位器式电阻传感器可将机械的直线位移或角位移输入量转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。它除了用于线位移和角位移测量外，还广泛应用于测量压力、加速度、液位等物理量。1．电位器式传感器概述

如图所示是电位器式传感器测量转换电路原理图。当电刷（动触点）C点沿电阻体的接触面从B滑向A端时，电刷两边的电阻随之发生变化，设电阻体全长为L，总电阻为R，电刷移动距离为X，则变阻器的电阻值为2．电位器式传感器工作原理如在电阻器两端加上电压U，则RX两端输出电压UO为由此可见，电位器式位移传感器通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性关系的电阻或电压输出。因此电位器式位移传感器可用于测量机械位移，也可以测量能转换为位移的其他物理量，如压振动加速度等。任务一利用电位器式传感器检测位移3．电位器式传感器的应用它的金属杆为测量轴（双面出轴），被测物体的运动位移通过与测量轴的连接进行检测。电缆引出线有3根，分别为黄（Y）、绿（G）、红（R）3色。黄、绿线为传感器电阻体两端出线（或接电源），红线为导电层（或电刷）引出线，作为输出信号端引线。1）导电塑料线位移传感器LSl0LSl0型导电塑料线位移传感器2）弹性压力计如图所示，它将弹性元件的变形或位移转换为电信号输出。在弹性元件的自由端处安装滑线电位器，滑线电位器的滑动触点与自由端连接并随之移动，自由端的位移就转换为电位器的电信号输出。当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。a）结构示意图b）实物图任务二利用差动变压器式传感器检测位移1．

差动变压器式传感器工作原理

差动变压器式位移传感器的工作原理实质是变压器的工作原理。其结构如图a所示，它主要包括可自由移动的杆状可动铁芯、一次绕组（线圈）和二次绕组等。图b是差动变压器式传感器的原理图

a）差动变压器式传感器结构图

b）差动变压器式传感器原理图

为提高传感器的灵敏度，改善其线性度，通常将2个次级线圈反串接，2个次级线圈输出电压的极性正好相反，以差动方式输出，因此称其为

差动变压器式传感器，简称差动变压器。差动变压器输出电压之和其实为2个次级线圈电压之差，如图b。

一次、二次绕组间的互感能量随可动铁芯的移动而变化。使用时，铁芯的一端与被测物体连接，当被测物体移动时，铁芯也被带动在线圈内移动，改变其空间磁场分布，改变了初次级线圈之间的互感量M。当初级线圈供给一定频率的交变电压时，次级线圈就产生了感应电动势，随着铁芯的位置不同，次级产生的感应电动势也不同。于是铁芯的位移量就变成了电压量输出。uO=u21－u22=K（M1－M2）=KΔMK是差动变压器的灵敏度ΔM为线圈互感增量，它与可动铁芯位移量X基本成正比关系。即UO≈K|X|任务二利用差动变压器式传感器检测位移1）当可动铁芯位于线圈中心位置时，U21＝U22，U0＝0。2）当铁芯向上移动时，则M1大，M2小，U21＞U22，U0＞0。3）当铁芯向下移动时，则M1小，M2大，U21＜U22，U0＜0。可知，当铁芯偏离中心位置时，输出电压U0大小和相位发生改变。因此，测量输出电压的大小和相位就能知道铁芯移动的距离和方向。差动变压器的输入、输出电压是交流电压，它与铁芯位移成正比，如用交流电压表测量其输出电压存在下列问题：一是总有零位电压输出，因而零位附近的小位移量的测量比较困难。二是交流电压表无法判断铁芯运动方向。所以在差动变压器测量转换电路中常采用差动整流电路，如图所示。2．

测量电路

a）全波整流电流输出

b）全波整流电压输出利用超声波传感器检测距离职业岗位应知应会目标1．了解超声波及其传感器的特性2．懂得超声波传感器在生产中的应用3．懂得超声波传感器的结构，能对其安装、调试项目二项目二利用超声波传感器检测距离

汽车倒车时，常常要监测车尾与障碍物间的位置，防止碰撞。人们在车尾安装上超声波传感器，利用声、光报警提示驾驶员车辆与障碍物间的距离，起到安全倒车的作用。超声波在医学应用上能对受检者进行无痛苦、无损害疾病诊断。工业上利用超声波传感器进行流量检测、金属无损探伤及厚度测量等。超声波传感器已广泛应用于工业、国防、生物医学等方面作为检测手段。1．认识超声波传感器的探头a）开放型

b）高频型

c）大量程型

d）倒车雷达

压电晶体是超声波探头核心器件，它利用压电晶体（如压电陶瓷）的压电效应来工作。当压电晶体的电极加上频率等于其固有振荡频率的脉冲信号时，压电晶体就会发生共振带动金属片振动，产生超声波，这就是超声波发射探头（发射器）。反之，当喇叭形谐振器吸收到超声波时就压迫压电晶体振动，产生电信号，此时它就成为超声波接收探头（接收器）。

因此，以超声波为检测手段，必须有产生超声波和接收超声波的装置，即必须有发射探头和接收探头。项目二利用超声波传感器检测距离2．超声波传感器的系统超声波传感器的探头必须与测量、控制电路结合才能正常发射和接收超声波信号，通过显示电路才能观察到测量结果。

超声波传感器的测量电路一般由处理单元、输出电路组成。处理单元控制超声波信号的发送和接收、串行数据发送、计算测距的数值和温度校正。输出电路对物体反射超声波的回波信号进行放大、整形和输出数据。超声波传感器的显示仪表，一般由LED数字电路组成，LED上直接显示被测距离。超声波传感器系统构成框图超声波传感器测距基本电路项目二利用超声波传感器检测距离3．超声波传感器的应用

超声波传感器是利用回声原理进行测距的，如图所示。超声波发射器向某一方向发射超声波(较短的超声脉冲)，在发射时刻的同时开始计时，超声波在介质（如空气、水、钢材等）中传播，碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。设计时时间为t，超声波在介质中传播速度为C，则距离S为超声波在空气中的传播速度一般约为340m/s。根据计时器记录的时间，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即汽车倒车防撞系统

汽车倒车防撞系统图，该系统有两对超声波传感器，并排均匀地分布在汽车的后保险杠上。其中两个为发射传感器，两个为接收传感器，该系统由微机进行自动检测、控制、显示及报警。超声波传感器测距原理图项目二利用超声波传感器检测距离图1超声波传感器测量液位由于超声波穿透性较强、衰减小（能量损失小）、反射能力强和在介质中传播距离较远、检测比较迅速、测量精度高和易于实时控制等特性。

1）超声波传感器测量液位超声波传感器测量液位的实质是测量传感器到液面（障碍物）之间的距离，如图1所示。超声波传感器的发射波在空气中传播遇到液面后反射回来到接收探头，完成液位测量。超声波传感器特别适合检测高黏度液体和粉状体的物位。2）超声波传感器测量厚度图2