《自动检测技术》-课题5位移的测量

5.1任务一霍尔式位移测量装置5.1.1学习目标(1)掌握霍尔位移测量装置系统组成和基本原理的知识。(2)掌握霍尔效应原理及霍尔元件的结构、特性参数。(3)学会应用霍尔器件组建位移量的测量与控制系统。(4)具备将常见的霍尔接近开关、常见的霍尔位移传感器应用于工程实际的能力。下一页返回5.1任务一霍尔式位移测量装置5.1.2学习任务(1)了解位移传感器的概念和位移测量的对象。(2)掌握霍尔效应原理、霍尔元件的结构、特性参数。(3)学习线性型霍尔集成电路和开关型霍尔集成电路。(4)学习以霍尔接近开关为代表的各种接近开关的型号，掌握接近开关测量电路连接方法及工程应用。(5)掌握应用霍尔器件组建线性位移测量装置，学会常见的霍尔位移测量装置的应用。上一页下一页返回5.1任务一霍尔式位移测量装置5.1.3知识准备1.位移侧量与常用位移传感器在自动检测系统中，位移的测量是一种常见的基本测量工作，它的测量对象是物体空间距离的大小，如距离、位置、尺寸、角度，以及转换为位移量的参数，如物件的厚度、振动和速度等。位移测量装置通常称为位移传感器，它就是测量物体空间位置的传感器。位移传感器分类有多种分法。按照位移的特征分有线位移传感器和角位移传感器，线位移传感器测量的对象是沿着某一条直线移动，角位移传感器测量的对象是沿着某一定点转动角度。按照传感器的工作原理分有电阻式、电容式、电感式、霍尔式、光电式、光栅磁栅，光纤式、激光式位移传感器等。上一页下一页返回5.1任务一霍尔式位移测量装置2.霍尔传感器

(1)霍尔元件的工作原理半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势，这种现象称为霍尔效应，电势UH称为霍尔电势，半导体薄片称为霍尔元件，如图5.1所示。

(2)霍尔元件的特性参数霍尔元件是一种四端型器件，用于制造霍尔元件的材料主要有Ge(锗)、Si(硅)、InAs(砷化锢)和InSb(锑化锢)等。霍尔元件由霍尔片、4根引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，尺寸一般为4mmx2mmx0.1mm。4根引线中，两根红色a,b引线为激励电流线，两根绿色c,d引线为霍尔电动势输出线。基本测量电路如图5.2所示。上一页下一页返回5.1任务一霍尔式位移测量装置3.霍尔集成元件

(1)线性型霍尔集成电路线性霍尔集成电路将霍尔元件和恒流源或电压源、线性放大器等集成在一个芯片上，如型号为UGN3501,UGN3503,CS3503,CS3505,CS3515等。线性霍尔集成传感器有单端输出和双端输出(差动输出)两种类型，线性霍尔集成器件UGN3501T的是单端输出的3端元件，外形尺寸、内部电路及特性曲线如图5.3所示，线性霍尔集成器件UGN3501M是双端输出(差动输出)的8脚器件，外形尺寸、内部电路及特性曲线如图5.4所示。上一页下一页返回5.1任务一霍尔式位移测量装置(2)开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门等电路做在同一个芯片上。如型号为UGN3020,UGN3130,C53013、CS3020、CS3040等。上一页下一页返回5.1任务一霍尔式位移测量装置5.1.4任务实施1.霍尔开关

(1)常见的接近开关类型与使用接近开关俗称无触点电子行程开关，当检测物接近设定距离(几毫米至几十毫米)时，则发出开关动作信号，此动作信号为开关电平。接近开关一般由感应头、开关电路、保护器、状态指示灯、防水外壳等部分组成、并且把这些组成部分做在同一壳体内，壳体通常为有螺纹的柱状或有固定安装孔，便于工程安装和调试。常见接近开关的类型有电涡流式(行业上多称为电感式)、光电式、电容式、霍尔式、自感式、差动变压器式、磁性干簧管式等。上一页下一页返回5.1任务一霍尔式位移测量装置接近开关的主要特点:①非接触检测，避免了对传感器自身和检测物的损坏，工作寿命长;②无触点输出，无火花，无噪声，适合防爆场合;③封闭式结构，即使在有水或油喷溅的苛刻环境中也能稳定检测;④反应速度快;⑤体积小，安装灵活;⑥输出信号大，可与编程控制器(PC)等直接接口。常见的接近开关输出形式与接线图如图5.7所示。接近开关有常开、常闭、自锁、NPN输出、PNP输出多种工作模式。输出形式有直流二线、直流三线、直流四线及交流二线。上一页下一页返回5.1任务一霍尔式位移测量装置(2)霍尔接近开关

图5.8所示是最常见的圆柱状霍尔接近开关，有NPN,PNP输出工作模式，由霍尔传感器、差动放大器、施密特触发器、集电极开路输出驭动电路组成的磁感应开关，接通电源后，开关的感应面等待磁场感应，当磁性物体接近此表面时，霍尔传感器将输出感应信号，由电路处理后，转换成二进制的开关方式输出，从而起到无接触检测物体的作用。霍尔接近开关的主要特点是电源电压范围宽、频率高、寿命长、体积小、重量轻、安装方便，能直接与晶体管、TTL,CMOS等逻辑电路接口。霍尔接近开关主要用在各种自动控制装置中，完成所需的行程控制、加工尺寸控制、自动计数、转速检测、液位控制、各种流程的自动衔接等。上一页下一页返回5.1任务一霍尔式位移测量装置2.霍尔元件线性位移侧量装置霍尔元件在一个均匀梯度磁场中移动时，如图5.10所示，当通过I不变，霍尔电势UH与磁感应强度B呈线性关系，由于磁场在一定范围内沿X方向变化db/dx为常数，因此沿X方向移动时，霍尔电势的变化为上一页下一页返回5.1任务一霍尔式位移测量装置

由式(5-4)可见，霍尔电势UH与位移X呈线性关系。磁场中的霍尔元件接入如图5.11电路，元件输出的电压变化就能反映出位移情况，利用这一原理可对位移进行测量。3.HK型霍尔线性位移传感器

HK型霍尔线性位移传感器外形如图5.12所示，可检测它与永磁体之间的距离，其特点是重复定位精度高，线性度好、抗干扰能力强，可靠性高、体积小，重量轻，安装灵活简便。适用于各种通用机械位移测量，如加工尺寸控制、生产过程的状态检测等。上一页返回5.2任务二电涡流位移测量装置5.2.1学习目标(1)具备电涡流位移测量装置系统组成及工作原理的知识。(2)理解电涡流传感器测量转换电路实现检测位移量的原理和特性。(3)掌握电涡流接近开关的结构原理、电路连接及工程应用。(4)具有把典型电涡流位移测量装置应用于工程实际中的能力。下一页返回5.2任务二电涡流位移测量装置5.2.2学习任务

(1)了解电涡流传感器的结构原理。

(2)理解电涡流传感器调幅式、调频式测量转换电路实现检测位移量的原理和特性。

(3)掌握电涡流接近开关的组成、结构框图和原理。

(4)学习典型的电涡流接近开关的型号、参数和特性，掌握电涡流接近开关测量电路连接方法及工程应用。

(5)理解电涡流位移测量装置的特性，学习典型电涡流位移传感器的应用，注意被测体的形状和尺寸对位移特性的影响。上一页下一页返回5.2任务二电涡流位移测量装置5.2.3知识准备1.电涡流传感器原理根据法拉第电磁感应定律，通过金属导体的磁场发生变化时，导体内将产生感应电流，这种电流的在金属体内自行闭合，类似于水中的漩涡，所以称为电涡流。电涡流的存在必然要消耗一部分磁场的能量，从而使产生磁场的激励线圈的阻抗发生变化，这种现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流传感器。上一页下一页返回5.2任务二电涡流位移测量装置

如图5.14所示，一个线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流I1时，线圈周围就产生一个交变磁场H1。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2电涡流也将产生一个新磁场H2，H1与H2方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。上一页下一页返回5.2任务二电涡流位移测量装置2.电涡流传感器的等效电路把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图5.15所示的等效电路。图中R1,L1为传感器线圈的电阻和电感。短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R2,电感为L2。线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大。由等效电路分析可导出传感器线圈的复阻抗为:上一页下一页返回5.2任务二电涡流位移测量装置线圈的等效电感为:上一页下一页返回5.2任务二电涡流位移测量装置3.电涡流传感器的测量转换电路

(1)调幅式测量转换电路如图5.16所示，以传感线圈与调谐电容组成并联LC谐振回路，有石英晶振提供高频激磁电流，测量电路的输出电压正比于LC谐振电路的阻抗Z,激磁电流和谐振阻抗Z越大，输出电压越高。初态时，传感器远离被测体，调整LC回路谐振频率等于石英晶体振荡器即上一页下一页返回5.2任务二电涡流位移测量装置(2)调频式测量转换电路将传感线圈的电感L与可调电容C0构成LC振荡回路，调频法是以LC振谐回路的频率作为输出量的，如图5.18所示。5.2.4任务实施1.电涡流接近开关电涡流接近开关(行业多称电感接近开关)是应用电磁振荡原理而制作的传感器，主要由振荡器、检波器(解调器)、放大器、触发器及放大输出电路等部分组成。上一页下一页返回5.2任务二电涡流位移测量装置

如图5.19所示，接近开关离金属目标较远时，振荡器在传感器感应面产生一个交变电磁场，振荡器输出振荡波形，检波输出高电平信号，触发器整形输出低电平信号(OFF);当金属待目标接近这一磁场达动作距离时，金属目标内部产生涡流吸收了振荡器的能量，导致振荡衰减直到停振，检波输出低电平信号，触发器输出低电平信号(ON)。利用振荡器的振荡及停振这两种状态，将距离转换为电信号并通过整形放大转换成开关信号，经驭动级放大后输出，如图5-20所示。上一页下一页返回5.2任务二电涡流位移测量装置电涡流接近开关主要特性:①非接触检测，避免了对传感器自身和目标物的损坏;②无触点输出，操作寿命长;③重复定位精度高;④性能可靠，即使在有水或油喷溅的苛刻环境中也能稳定检测;⑤开关频率高，反应速度快;⑥体积小、安装灵活。上一页下一页返回5.2任务二电涡流位移测量装置2.电涡流位移计电涡流位移(振动)传感器也称电涡流位移计，它能静态和动态地，非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离，测量范围可以为0~15μm，分辨率为0.05μm或0~50mm，分辨率可达0.1%。凡是可以变换为位移量的参数，都可用电涡流传感器来测量。电涡流位移计以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，广泛应用在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中，如冶金、化工、航天、科研和学校实验中的位移、振动、转速、长度、厚度、表面不平度等位移量和位移相关量的检测。上一页下一页返回5.2任务二电涡流位移测量装置

电涡流位移计是一种非接触的线性化计量工具。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究和分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数，如轴的径向振动、振幅及轴向位置，如图5-23所示。其中，图5.23(a)直接检测传动轮的轴向位移量，图5.23(b)间接检测金属试件的轴向膨胀量。3.JX20系列电涡流位移测量装置

(1)组成系统主要包括探头、延伸电缆(用户可以根据需要选择)、前置器和附件，如图5.24所示。上一页下一页返回5.2任务二电涡流位移测量装置(2)系统连接系统连接如图5-27所示，包括将传感器探头、延伸电缆(如果有的话)、前置器及监测仪表之间的电气连接，以组成能投入工作的测量系统。探头、延伸电缆、前置器之间是通过将其标准的高频接头连接;前置器与监测仪表之间用三芯屏蔽电缆连接。通常将其中的红色线接电源(U，端)，黑色线接信号地(COM端)，黄色线接信号输出(OUT端)。(3)系统指标系统线性特性的主要参数指标见表5.4系统的输入输出特性如图5.28所示。上一页返回5.3任务三光纤位移测量装置5.3.1学习目标

(1)具有光纤位移测量装置系统组成和基本原理的知识;(2)了解光纤的结构、传光的原理及光纤传感器的基本知识;(3)了解可用于位移检测的功能型光纤传感器，掌握反射式光纤位移传感器的结构、原理与特性;(4)学会应用典型光纤位移测量仪。下一页返回5.3任务三光纤位移测量装置5.3.2学习任务(1)了解光纤的结构和光纤传光的原理。(2)理解光纤传感器的概念、基本特性与类型。(3)了解可用于位移检测的功能型光纤传感器。(4)掌握非功能型反射式光纤位移传感器的结构、工作原理与特性。(5)了解MTI一2100振动与位移光纤测量仪的特性、原理及应用。上一页下一页返回5.3任务三光纤位移测量装置5.3.3知识准备1.光纤基本知识

(1)光纤的结构光纤是光导纤维的简称，主要用石英玻璃、铅玻璃或塑料的细丝而制成，其结构如图5.31所示，由纤芯、包层和外层三个同心圆柱组成。

(2)光的全反射和光纤的传光原理光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。如图5.32(a)所示，入射光以入射角φ1从光密介质(折射率n1)射到光疏介质(折射率n2)

，n1>n2上一页下一页返回5.3任务三光纤位移测量装置

如图5.33所示，光线从空气以入射角θ0射入光纤，在光纤内折射成角θ1再以角φ1(φ1=90°-θ1)入射到纤芯与包层的界面，只要小，大于临界角小门除了光纤材料吸收和散射的小损耗外，光纤利用全反射的原理对光信号进行高效传播，这就是光纤的传光原理。上一页下一页返回5.3任务三光纤位移测量装置2.光纤传感器的基本知识

(1)光纤传感器的概念光纤传感器:光导纤维传感器简称为光纤传感器，是目前发展速度很快的一种传感器，具有抗干扰能力强、柔韧性好、重量轻、灵敏度高、绝缘性好、耐腐蚀等特点。广泛用于工业生产过程控制、军事技术、航空航天技术、医疗等行业中。光纤传感器主要由光发送器、敏感元件、光接受器、信号处理器组成，如图5.34所示。光纤不仅可以用来作为光波的传输介质在长距离通信中应用，而且光在光纤中传播时，表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)因外界因素(如温度、压力、磁场、电场和位移等)的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤作为传感元件来探测各种待测量。上一页下一页返回5.3任务三光纤位移测量装置(2)光纤传感器的基本特性与类型1)基本特性①数值孔径②光纤模式③传播损耗

2)光纤传感器类型光纤传感器种类很多，按光纤在传感器中的作用可分为功能型(FunctionalFiber,FF，又称传感型)和非功能型(NonFunctionalFiber,NFF，又称传光型)两类。功能型光纤传感的光纤自身就是敏感元件，直接接收外界的被测量;而非功能型光纤传感器的光纤不是敏感元件，它只起到传递信号的作用。上一页下一页返回5.3任务三光纤位移测量装置5.3.4任务实施1.可用于位移检侧的功能型光纤传感器利用被测量的因素改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量外界物理量，称为强度调制。强度调制是光纤传感器使用最早的调制方法，其特点是技术简单、可靠，价格低;光源可采用LED和高强度的自炽光等非相干光源。探测器一般用光敏二极管、晶体管和光电池等。

图5.35是光强调制型光纤位移传感器原理图，利用了光纤的微弯损耗效应，光纤在微弯时引起传输光强度损耗，光纤在上下两块机械压板之间，压力尸作用下使活动板产生位移X时，活动板与固定板挤压光纤，使光纤的弯曲度发生变化，进而输出光强度发生相应变化，通过检测光线输出的光强度就能检测出位移信号的大小。上一页下一页返回5.3任务三光纤位移测量装置2.常见的位移检侧的非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器多见的有:传输光强度调制型光纤传感器、反射光强度调制型光纤传感器和波长(频率)调制型光纤传感器。以下将介绍反射光强度调制型光纤传感器。常常将机械量转换成位移来检测，利用光纤可实现无接触位移测量，光纤位移传感器具有探头小，响应速度快，测量线性化(在小位移范围内)等优点，可在小位移范围内进行高速检测。反射式光纤位移传感器一般采用Y型结构，两束光缆一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为传输光缆和接收光缆，如图5.36所示。上一页下一页返回5.3任务三光纤位移测量装置

光源经传输光缆将光信号传送至测量的端部，并照射到被测物体上;接收光缆接收反射的光信号，并光信号传送到光敏元件上。规范的光纤位移传感器的光缆由600根光纤捆成直径0.762mm的光缆，纤芯的折射率为1.62的火石玻璃，包层的折射率为1.52的玻璃纤维，传输光缆和接收光缆的捆束有三种不同形式，不规则分布式、半圆分布式、同心圆分布式，如图5.37所示。其中不规则分布式的灵敏度高，半圆分布式测量范围大，如图5.38所示。上一页下一页返回5.3任务三光纤位移测量装置3.MTI-2100高解析非接触振动与位移光纤侧量仪MTI-2100高解析非接触振动与位移光纤测量仪如图5.41所示。

(1)操作原理

MTI-2100探针模块具备两组光纤，传输光缆和输出光缆，位移量根据接收被测物的反射光量来决定。前坡和后坡两个线性区域可进行位移的线性测量，光峰区域可进行物件的表面缺陷分析，曲线如图5.42所示。

(2)光纤探头标准光纤探头的光纤分布有不规则分布式、半圆分布式、同心圆分布式。上一页下一页返回5.