传感器技术实用教程-教学--位移与速测量传感器.pptx

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Xian Jiaotong University,#,单击此处编辑母版标题样式,2024/12/31 周二,1,实用传感器技术教程,2,电感式位移传感器,第,4,章 位移与速度测量传感器,4.1,电容式位移传感器,4.3,霍尔传感器,4.4,电涡流式传感器,4.2,光栅传感器,4.5,微波传感器,4.6,超声波传感器,4.7,位移检测传感器性能比较,4.8,3,无论是科学研究还是生产实践中，需要进行位移测量的场合非常多。此外，还有许多被测物理量可以转化为位移进行测量，如压力、位置等都可以通过某种转换部件，先将它们转换为直线位移，然后通过测量位移间接得到被测量。在不同的场合、不同的应用领域，对位移测量传感器的要求差异也很大，比如测量范围、测量精度、动态响应等。因此，位移测量传感器的种类也是相当多，并且各自的特性也不相同。,4,4.1,电感式位移传感器,电感式传感器是基于,电磁感应原理,，将输入量转换成电感变化量的一种装置。常配以不同的敏感元件用来测量,位移、压力、振动,等物理参数。,5,4.1,电感式位移传感器,4.1.1,电感位移传感器原理与分类,图,4-1,电感式传感器的结构原理,6,自感,L,与气隙,成反比，而与气隙导磁截面积,A,成正比。,W,线圈匝数，,0,空气磁导率。,气隙型传感器的结构原理图,7,4.1.1,电感位移传感器原理与分类,差动变隙式电感传感器的原理结构,初态时：若结构对称，且动铁居中，则,1,=,2,，,U,0,=0,。,动铁上移时：则,1,L,1,I,1,=,I,1,-,I,2,L,2,I,2,=,I,2,+,I,I,=,I,2,-,I,1,=2,I,U,0,=2,I,ZL,同理，动铁下移时：,U,0,=-2,I,Z,L,8,4.1.2,电感位移传感器输出特性,由图可以看出,L,=,f(,),不是线性的，即变气隙式传感器,和,L,之间不满足线形变化关系。理论上，当,=0,时，,L,为，如果考虑到导磁体的磁阻，即当,=0,时，,L,不等于，而有一定的数值。变截面积式传感器的面积,S,与,L,值则是线性关系，即,L,=,f(S),的特性曲线为一条直线。,9,4.1.2,电感位移传感器输出特性,变气隙式、变面积式和螺线管式三种类型电感传感器相比较，变气隙式灵敏度最高，因而它对电路的放大倍数要求很低，缺点是非线性严重。为了限制非线性误差，示值范围只能很小，导致自由行程小，因此制造装配比较困难。变面积式的优点是具有较好的线性，自由行程较大。螺线管式主要优点是结构简单、制造装配容易、自由行程大，但是灵敏度最低。但灵敏度低可以通过放大电路加以解决，因此，目前螺管型电感传感器用得越来越多。,10,4.1.3,电感位移传感器测量电路,1.,变压器电桥,输出特性公式为,在初始位置时,Z,1,=Z,2,=Z,，电桥处于平衡状态，,U,0,=0,动铁芯上移时：,1L1Z1=Z+Z,2L2Z2=Z-Z,代入式（,4-2,），得,图,4-4,变压器电桥,11,4.1.3,电感位移传感器测量电路,2.,相敏检波电路,相敏检波电路是常用的判别电路。下面以带二极管式环形相敏检波的交流电桥为例介绍该电路的作用。,图,4.5,相敏检波电路,(,),带相敏检波的交流电桥；,(,),实用电路,12,4.1.3,电感位移传感器测量电路,如图,3.11(a),所示，,Z,1,、,Z,2,为传感器两线圈的阻抗，,Z,3,Z,4,构成另两个桥臂，,U,为供桥电压，,U,为输出。当衔铁处于中间位置时，,Z,1,Z,2,Z,，电桥平衡，,U,0,。若衔铁上移，,Z,1,增大，,Z,2,减小。如供桥电压为正半周，即,A,点电位高于,B,点，二极管,D,1,、,D,4,导通，,D,2,、,D,3,截止。在,A,E,C,B,支路中，,C,点电位由于,Z,1,增大而降低；在,A,F,D,B,支路中，,D,点电位由于,Z,2,减小而增高。因此,D,点电位高于,C,点，输出信号为正,13,4.1.3,电感位移传感器测量电路,如供桥电压为负半周，,B,点电位高于,A,点，二极管,D,2,、,D,3,导通，,D,1,、,D,4,截止。,在,B,C,F,A,支路中，,C,点电位由于,Z,2,减小而比平衡时降低；在,B,D,E,A,支路中，,D,点电位则因,Z,1,增大而比平衡时增高,。因此,D,点电位仍高于,C,点，输出信号仍为正。同理可以证明，衔铁下移时输出信号总为负。于是，输出信号的正负代表了衔铁位移的方向。,实际采用的电路如图,3.11(b),所示。,L,1,、,L,2,为传感器的两个线圈，,C,1,、,C,2,为另两个桥臂。电桥供桥电压由变压器,B,的次级提供。,R,1,、,R,2,、,R,3,、,R,4,为四个线绕电阻，用于减小温度误差。,C,3,为滤波电容，,R,w1,为调零电位器，,R,w2,为调倍率电位器，输出信号由电压表,V,指示。,14,4.2,电涡流式传感器,15,其中：,金属电导率，,金属磁导率，,r,线圈与被测物体的尺寸因子，,f,激磁电流频率，,x,线圈与导体间的距离,基于法拉第电磁感应原理，当传感器线圈通以正弦交变电流,I,1,时，线圈周围空间将产生正弦交变磁场,H,1,，,被测导体内产生呈涡旋状的交变感应电流,I,2,，,称电涡流效应。电涡流产生的交变磁场,H,2,与,H,1,方向相反，它使传感器线圈等效阻抗发生变化。,4.2,电涡流式传感器,16,应用：,x,位移、厚度、振幅；,表面温度、电解质浓度、材质判别等；,，,无损探伤等。,特点：非接触连续测量，灵敏度高、频响宽、分辨率高,涡流分布在导体表面,4.2,电涡流式传感器,17,4.2,电涡流式传感器,18,4.2,电涡流式传感器,19,低频透射式电涡流式传感器：,音频(20,kHz),激励电流,低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度。,4.2,电涡流式传感器,20,4.2,电涡流式传感器,3.,技术参数,型号,测量范围,mm,分辨率,m,重复性,m,线性度,频响,kHz,温漂,静态,动态,KD1925,1.27,0.76,1.3,0.762,1.5,0,10,0.054,/,KD1950,3.81,1.3,2.5,2.54,1,0,10,0.036,/,KD1975,5,2.5,2.5,2.54,1,0,2.5,0.018,/,KD1925M,0.9,0.76,1.3,0.762,1.5,0,10,0.054,/,表,4-1,英国真尚有电涡流传感器主要技术指标,21,测量电路,交流电桥、谐振电路,4.2,电涡流式传感器,22,4.2,电涡流式传感器,LC,并联阻抗,23,4.2,电涡流式传感器,LC,回路是振荡器的一部分,24,4.2,电涡流式传感器,2.,电桥测量电路,电桥将反映线圈阻抗的变化，线圈阻抗的变化反映被测金属导体的接近程度。当静态时，电桥平衡，输出电压,u,0,=0,。当传感器接近被测金属导体时，传感器线圈的阻抗发生变化，电桥失去平衡，即,u,0,0,，该信号经经过线性放大和检波器检波后输出直流电压，其幅值经过标定即可以实现对位移量的测量。,图,4-11,涡流传感器电桥测量电路,25,4.2,电涡流式传感器,电涡流式传感器的特点：,非接触测量，不易受油液介质影响；,结构简单，使用方便，灵敏度高，最高分辨率达,0.05,微米；,频率响应范围宽（,010kHz,），适合动态测量。,26,4.2.3,电涡流传感器应用,1.,位移测量,图,4-12,电涡流位移测量方法,27,4.2.3,电涡流传感器应用,2.,振动测量,图,4-13,电涡流振动测量方法,28,无损探伤,4.2.3,电涡流传感器应用,29,4.2.3,电涡流传感器应用,测转速,测厚度,计数,测裂纹,30,4.2.3,电涡流传感器应用,5.,液位测量与控制,图,4-15,利用电涡流传感器构成的液位监控系统,31,4.2.3,电涡流传感器应用,6.,厚度测量,（,1,）金属表面的厚膜测量,32,4.2.3,电涡流传感器应用,6.,厚度测量,（,2,）金属板厚度测量,图,4-19,高频反射式电涡流测厚仪,33,原理：被测非电量转换为电容量的变化,种类：变极距,、,变面积,A,、,变介质,、,A,或,发生变化时，都会引起电容的变化。,4.3,电容式位移传感器,4.3.1,电容式位移传感器原理与分类,34,输入输出关系：,/,0,C,/,C,0,具有严重非线性。,灵敏度：,1.,变极距型电容传感器,35,1.,变极距型电容传感器,36,1.,变极距型电容传感器,37,1.,变极距型电容传感器,38,输入输出特性：,灵敏度：,面积变化型电容传感器的优点是,输出与输入成线性关系,，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于,较大角位移及直线位移的测量,。,2.,变面积型电容传感器,39,介质含水量、介质厚度、温度、密度等变化引起介电常数变化，因此可以构成含水量、物位高度、温度等测量用传感器。,图中，厚度为,2,的介质（,2,为其介电常数）在电容器中左右运动，由于电容器中介质的介电常数改变，电容量改变。,3.,变介电常数型电容传感器,40,电容式传感器 测量电路,常用的有电桥电路、谐振电路、调频电路、运算放大电路、,差动脉冲宽度调制电路,等。,参考电位,比较器,41,4.3.2,电容式位移传感器特点,1.,优点：,.,温度稳定性好,电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有铜损等，易发热产生零漂。,.,结构简单,电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。,42,4.3.2,电容式位移传感器特点,.,动态响应好,电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个,10,5,N,），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆,Hz,的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。,.,可以非接触测量，具有平均效应,例如 非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。,电容式传感器除了上述的优点外，还因其带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力高，能敏感,0.01m,甚至更小的位移；由于其空气等介质损耗小，采用差动结构并接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。,43,2.,缺点,（,1,）输出阻抗高，负载能力差,电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般微几十导几百皮法，其值只有几个皮法，使 传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达,108,106,。因此传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来极大的不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十兆欧以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围的环境如湿度、清洁度等。,4.3.2,电容式位移传感器特点,44,（,2,）寄生电容影响大。,电容式传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等,“,寄生电容,”,却较大，降低了传感器的灵敏度，影响测量精度，因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。,（,3,）输出特性非线性。,变极距型电容传感器的输出是非线性的。其它类型传感器也只有忽略电场的边缘效应时，输出才是线性的。,4.3.2,电容式位移传感器特点,45,4.3.3,电容式位移传感器测量电路,1.,交流电桥电路,交流电桥电路如图,4-22,所示，高频电源经变压器接到电桥的一条对角线上，电容,C1,、,C2,、,C3,、,Cx,构成电桥的,4,个臂，,Cx,为电容传感器，交流电桥平衡时则,U0,=0,。当,Cx,改变时，,U0,0,，有电压输出。,此种电桥电路要求交流电源的幅度和频率都十分稳定；电桥放大器的输入阻抗要高；测量系统的动态响应受电桥供电电源的频率限制，一般要求电源频率为被测信号最高频率的,5,10,倍。,图,4-22,交流电桥电路,46,4.3.3,电容式位移传感器测量电路,2.,变压器电桥,如图,4-23,所示，,C1,、,C2,为传感器的两个差动电容。电桥的空载输出电压为,对变极距型电容传感器，代入上式得,4-23,变压器电桥,47,4.3.3,电容式位移传感器测量电路,3.,调频电路,电容式传感器的调频电路原理如图,4-24,所示。该电路将电容式传感器接入高频振荡器的,LC,回路中，当被测量变化时，电容也随之变化，产生一个变化量,C,，使得振荡频率也相应变化。调频振荡器的振荡频率为,48,4.3.3,电容式位移传感器测量电路,4.,脉冲宽度调制电路,当接通电源后，若触发器,Q,端为高电平,(U,1,),，端为低电平,(0),，则触发器通过,R,1,对,C,1,充电；当,F,点电位,U,F,升到与参考电压,U,r,相等时，比较器,IC,1,产生一脉冲使触发器翻转，从而使,Q,端为低电平，端为高电平,(U,1,),。此时，由电容,C,1,通过二极管,D,1,迅速放电至零，而触发器由端经,R,2,向,C,2,充电；当,G,点电位,U,G,与参考电压,U,r,相等时，比较器,IC,2,输出一脉冲使触发器翻转，从而循环上述过程。,图,4-25,脉冲宽度调制电路,49,4.3.3,电容式位移传感器测量电路,可以看出，电路充放电的时间，即触发器输出方波脉冲的宽度受电容,C1,、,C2,调制。,当,C1=C2,时，各点的电压波形如图,4.26(a),所示，,Q,和 两端电平的脉冲宽度相等，两端间的平均电压为零。,当,C1,C2,时，各点的电压波形如图,4.26(b),所示，,Q,、两端间的平均电压,(,经一低通滤波器,),为,(4-13),式中：,T1,和,T2,分别为,Q,端和 端输出方波脉冲的宽度，亦即,C1,和,C2,的充电时间。,50,图,4-26,各点电压波形图,4.3.3,电容式位移传感器测量电路,51,当该电路用于差动式变极距型电容传感器时，式,(4-13),有,(4-14),这种电路只采用直流电源，无需振荡器，要求直流电源地电压稳定度较高，但比高稳定度地稳频稳幅交流电源易于做到。,用于差动式变面积型电容传感器时有,(4-15),4.3.3,电容式位移传感器测量电路,52,4.3.3,电容式位移传感器测量电路,5,运算放大器电路,这种电路不需要载频和附加解调线路，无波形和相移失真；输出信号只需要通过低通滤波器引出；直流信号的极性取决于,C,1,和,C,2,；对变极距和变面积的电容传感器均可获得线性输出。这种脉宽调制线路也便于与传感器做在一起，从而使传输误差和干扰大大减小。,图,4-27,为其电原理图。,C1,为传感器电容，它跨接在高增益运算放大器的输入端和输出端之间。放大器的输入阻抗很高,(Zi),，因此可视作理想运算放大器。其输出端输出一与,C1,成反比的电压,U,0,，即,(4-16),53,图,4-27,运算放大器电路,4.3.3,电容式位移传感器测量电路,式中,Ui,为信号源电压，,C0,为固定电容，要求它们都很稳定。,对变极距型电容传感器,(C1,0rA/),，式,(4-16),可写为,54,(4-17),可见配用运算放大器测量电路的最大特点是克服了变极距型电容传感器的非线性。,4.3.3,电容式位移传感器测量电路,55,4.3.3,电容式传感器的应用,56,4.3.3,电容传感器应用,1.,电容式位移传感器,图,4-28,电容式移传感器应用,57,4.3.3,电容传感器应用,2.,电容加速度传感器,图,4-29,电容式加速度传感器结构,58,4.3.3,电容传感器应用,3.,电容式物位传感器,图,4-30,电容式物位传感器原理,59,当两圆筒间充以介电常数为,1,的气体时，则由该圆筒组成的电容器的电容量为,（,4-16,）,如果两圆筒形电极间的一部分被介电常数为,2,的液体所浸没，设被浸没得电极长度为,H,，此时的电容量为 图,4-30,电容式物位传感器原理,（,4-17,）,经整理可得,（,4-18,）,式中，,C,为电容器的电容值得增量，其值为,4.3.3,电容传感器应用,60,4.3.3,电容传感器应用,3.,电容式物位传感器,图,4-31,电容传感器进行料位测量,传感器的电容可由下式表示,式中，,k,为比例常数；,s,为被测物料的相对介电常数；,0,为空气,的相对介电常数；,D,为罐内直径；,d,为测定电极的直径；,h,为物料的高度。,61,非接触检测塑料管道内溶液液位,。当液位达到设定高度并超出时，溶液进入电容式传感器检测范围，传感器产生输出信号传送给控制机构，控制机构报警或进行其它动作，达到液位控制的目的。,4.3.3,电容式传感器的应用,62,4.3.3,电容式传感器的应用,4.,电容式测厚传感器,图,4-32,差动式电容测厚传感器测量原理,63,4.3.3,电容式传感器的应用,64,4.3.3,电容式传感器的应用,65,4.3.3,电容式传感器的应用,66,置于磁场中的载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称为,霍尔效应,。,4.4,霍尔位移传感器,4.4.1,霍尔传感器结构与工作原理,67,霍尔式传感器基本原理,载流子在磁场中受到,洛伦兹力,的作用而发生偏转，从而形成电场,E,，当载流子受到的电场力与洛伦兹力达到动态平衡时，累积电荷形成稳定的电势,U,H,。,其中,霍尔常数,磁场与元件平面法线方向的夹角,d,与磁场方向一致的霍尔元件厚度,68,由 得知，,d,越小，越大，则感生电动势越大，故一般霍尔元件是由霍尔系数很大的,N,型半导体材料制作的薄片，厚度微米级。,霍尔式传感器的结构,69,4.4.2,霍尔传感器主要参数,（,1,）额定控制电流,I,H,（,2,）灵敏度,K,H,（,3,）不等位电势,U,0,（,4,）输入电阻,Ri,和输出电阻,R,o,（,5,）霍尔电势温度系数,（,6,）工作温度范围,70,4.4.2,霍尔传感器主要参数,额定激励电流和最大允许激励电流,当霍尔元件自身温升,10,度时所流过的激励电流,以元件最大温升为限制所对应的激励电流,输入电阻和输出电阻,激励电极间的电阻,电压源内阻,不等位电势和不等位电阻,当霍尔元件的激励电流为,I,时，若元件所处位置磁感应强度为零，此时测得的空载霍尔电势。,不等位电势就是激励电流经不等位电阻所产生的电压。,寄生直流电势,霍尔电势温度系数,U,H,I,H,R,i,R,o,71,部分国产霍尔元件型号及参数表,型号,最大霍尔输出电压,mV,灵敏度,mV,(mAkGs),-1,输入电阻,输出电阻,不等位电势,mV,灵敏度温度系数,-1,霍尔电势,温度系数,-1,工作温度范围,HSJ-1A,250,2,5,400,400,1,2,10,-4,-5,10,-4,-55,+125,HJS-2,2000,10,20,0.2,2000,0.2,2000,0.02,10,2,10,-4,3.5,10,-3,-50,+250,HJS-3B,750,10,15,0.5,1000,0.5,1000,0.5,2,10,-4,-5,10,-4,-55,+125,HJS-5,2000,40,0.2,2000,0.2,2000,0.02,10,2,10,-4,3.5,10,-3,-50,+250,HZ-1,1.4,0.2,110(,20,),1,5,10,-4,-0,+60,72,4.4.3,霍尔传感器测量电路与误差补偿,1.,测量电路,（,1,）霍尔元件及符号,73,4.4.3,霍尔传感器测量电路与误差补偿,（,2,）测量电路,图,4-35,霍尔元件基本测量电路,74,4.4.3,霍尔传感器测量电路与误差补偿,（,3,）霍尔传感器直流放大电路,75,4.4.3,霍尔传感器测量电路与误差补偿,2.,误差补偿,（,1,）不等位电势及其补偿,图,4-37,霍尔元件等效电路,76,4.4.3,霍尔传感器测量电路与误差补偿,2.,误差补偿,（,1,）不等位电势及其补偿,图,4-38,霍尔元件不等位电势的补偿电路,77,4.4.3,霍尔传感器测量电路与误差补偿,2.,误差补偿,（,2,）温度误差及其补偿,图,4-39,霍尔元件温度补偿方法,78,霍尔器件在,x,方向上长度为,b,，,x,0,是位于气隙下的初始长度。此传感器常采用差动结构。,4.4.4,霍尔传感器应用,79,图,4-41,给出的是线性霍尔元件放大电路。它将霍尔输出电压放大到,5V,。,4.4.4,霍尔传感器应用,图,4-41,线性霍尔元件放大电路,80,4.4.4,霍尔传感器应用,81,82,83,84,85,86,87,88,4.5,光栅传感器,4.5.1,光栅结构与种类,光栅是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等宽而又等间距的刻线。没有刻线的地方透光（或反光），刻线的地方不透光（或不反光）。图,4-43,所示的是一块黑白型长光栅，平行等距的刻线称为栅线。设其中透光的缝隙宽度为,a,，不透光的缝隙宽度为,b,，一般情况下，,a,b,。图中,w,a+b,称为光栅栅距,(,或光栅节距、光栅常数,),，它是光栅的一个重要参数。对于圆光栅来说，除了参数栅距之外，还经常使用栅距角。栅距角是指圆光栅上相邻两刻线所夹的角。,图,4-43,光栅结构,89,4.5.1,光栅结构与种类,光栅按其用途分长光栅和圆光栅两类。,刻画在玻璃尺上的光栅称为长光栅，也称光栅尺，用于测量长度或几何位移。根据光线的走向，长光栅还分为透射光栅和反射光栅。,透射光栅是将光栅线刻制在透明材料上，通常选用光学玻璃和制版玻璃。反射光栅的栅线刻制在具有强反射能力的金属上，如不锈钢或玻璃镀金属膜（如铝膜），光栅也可刻制在钢带上再粘结在尺基上。,刻画在玻璃盘上的光栅称为圆光栅，也称光栅盘，用来测量角度或角位移。根据栅线刻画的方向，圆光栅分两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的小圆相切。圆光栅只有透射光栅。,90,4.5.2,光栅传感器工作原理,1.,光栅传感器组成,光栅传感器通常由光源、聚光镜、计量光栅、光电器件及测量电路等部分组成。计量光栅由标尺光栅（主光栅）和指示光栅组成，它决定了整个系统的测量精度。,一般主光栅和指示光栅的刻线密度相同，但主光栅要比指示光栅长得多，它们的刻线面相对，中间留有很小的间隙。测量时光源为传感器提供能量（光能），聚光镜将光源发出的可见光收集起来，并将其转换成为平行光束送到计量光栅。主光栅与被测对象连在一起，并随其运动，指示光栅固定不动。,图,4-44,光栅传感器测量原理,91,4.5.2,光栅传感器工作原理,2.,莫尔条纹,由于主光栅和指示光栅的作用，形成了莫尔条纹。如图,4-45,所示，在,aa,线上两光栅的栅线彼此错开，光线无法通过，形成暗带；在,bb,线上两光栅互相重合，互相挡住缝隙，光线从缝隙中通过，形成亮带。这种明暗相间得条纹就成为莫尔条纹，它的方向与刻线方向垂直。,图,4-45,莫尔条纹形成,92,4.5.2,光栅传感器工作原理,莫尔条纹有以下特性：,（,1,）位移放大作用,当光栅移动一个光栅栅距,W,时，莫尔条纹也移动一个条纹宽度,B,。由于主光栅和指示光栅的栅线之间的夹角,很小，且两光栅的光栅栅距相等，因此，它们之间近似关系为,可见其位移放大倍数为,（,2,）运动对应关系,莫尔条纹的位移量和移动方向与主光栅相对于指示光栅的位移量和位移方向有严格的对应关系。,（,3,）误差平均效应,由于莫尔条纹是由大量栅线共同作用形成的，对于光栅刻线误差起到了平均的作用。,93,4.5.3,辩向与细分电路,1.,辨向电路,图,4-46,辨向电路,94,4.5.3,辩向与细分电路,2.,细分电路,95,4.5.4,光栅传感器参数,1.,电气参数,（,1,）分辨率,（,2,）精度,（,3,）信号波形,（,4,）工作频带,（,5,）波形边缘距离,96,4.5.4,光栅传感器参数,2.,机械参数,（,1,）最大速度,（,2,）转动惯量,（,3,）允许轴负载,（,4,）加速度,97,4.5.5,光栅传感器应用,图,4-48,位移测量仪结构框图,98,4.6,微 波 传 感 器,微波作为一种电磁波，具有电磁波的所有性质,微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置,微波传感器是一种新型非接触式测量传感器,微波是波长为,1 mm,1 m,的电磁波，可以细分为三个波段。,99,4.6.1,微波传感器原理与分类,1.,微波概念,微波特点：,需要定向辐射装置；,遇到障碍物容易反射；,绕射能力差；,传输特性好，传输过程中受烟雾、灰尘等的影响较小；,介质对微波的吸收大小与介质介电常数成正比，如水对微波的吸收作用最强。,100,微波传感器的测量原理及分类,原理：由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，实现了微波检测。,分类：分为反射式和遮断式两类。,4.6.1,微波传感器原理与分类,101,1.,反射式微波传感器,反射式微波传感器是通过,检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔,来测量被测量的。通常它可以测量物体的位置、位移、厚度等参数。,2.,遮断式微波传感器,遮断式微波传感器是通过,检测接收天线收到的微波功率大小,来判断发射天线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的厚度、含水量等参数的。,4.6.1,微波传感器原理与分类,102,微波传感器的组成,微波传感器通常由微波发生器（即微波振荡器）、微波天线及微波检测器三部分组成。,1.,微波发生器,是产生微波的装置。由于微波波长很短，即频率很高（,300 MHz,300 GHz,），要求振荡回路中具有非常微小的电感与电容，因此不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有,调速管、磁控管,或,某些固态器件,，小型微波振荡器也可以采用,体效应管,。,103,2,、,微波天线,由微波振荡器产生的振荡信号通过天线发射出去。为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线要具有特殊的结构。常用的天线有喇叭形、抛物面形、介质天线与隙缝天线等。,喇叭形天线结构简单，制造方便，可以看作是波导管的延续。喇叭形天线在波导管与空间之间起匹配作用，可以获得最大能量输出。,抛物面天线使微波发射方向性得到改善。,104,常用的微波天线,扇形喇叭天线,;(b),圆锥形喇叭天线,;,(c),旋转抛物面天线,;(d),抛物柱面天线,105,3.,微波检测器,电磁波作为空间的微小电场变动而传播，所以使用电流,-,电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头。,与其它传感器相比，敏感探头在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度。,作为非线性的电子元件可用种类较多（半导体,PN,结元件、隧道结元件等），根据使用情形选用。,106,微波传感器的特点,一种新型的非接触传感器。,有极宽的频谱（波长,=1.0 mm1.0m,）可供选用，可根据被测对象的特点选择不同的测量频率；,在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高、低温环境中对检测信号的传播影响极小，因此可以在恶劣环境下工作；,时间常数小，反应速度快，可以进行动态检测与实时处理，便于自动控制；,107,测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换，从而简化了传感器与微处理器间的接口。,传输距离远，便于实现遥测和遥控；,微波无显著辐射公害。,缺点：微波传感器存在的主要问题是,零点漂移和标定,尚未得到很好的解决。其次，测量环境对测量结果影响大，如温度、气压、取样位置等。,108,4.6.2,微波传感器应用,1.,微波物位传感器,当被测物位低于设定物,位时，接收天线接收的功率为,当被测物位升高到天线所在高度时，接收天线接收的功率为,109,4.6.2,微波传感器的应用,2.,微波液位计,接收,天,线收到的,功,率,P,r,为,110,微波定位传感器,111,4.7.1,超声波及其特性,波动（简称波）：振动在弹性介质内的传播,声波：其频率在,16210,4,Hz,之间，能为人耳所闻的机械波,次声波：低于,16 Hz,的机械波,超声波：高于,210,4,Hz,的机械波,微波：频率在,310,8,310,11,Hz,之间的波,4.7,超声波传感器,112,声波的频率界限图,113,4.7.1,超声波及其特性,超声波的反射和折射,2.,反射与折射,114,4.7.1,超声波及其特性,声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律满足以下函数关系：,式中,:,、,声波在距声源,x,处的声压和声强；,、,声波在声源处的声压和声强；,声波与声源间的距离；,衰减系数。,3.,声波的衰减,115,4.7.2,超声波传感器,压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。,压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。,压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。当超声波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。,1.,压电式超声波传感器,116,压电式超声波传感器结构图,4.7.2,超声波传感器,117,4.7.2,超声波传感器,3.,超声波的发送与接收,（,1,）发送电路,电路中的,G1,、,G2,、,R1,、,R2,、,RP1,和,C2,构成高频振荡器，振,荡器振荡频率为,图,4-52,集成门电路超声波发送电路,118,4.7.2,超声波传感器,3.,超声波的发送与接收,（,1,）发送电路,图,4-53,脉冲变压器超声波发送电路,119,4.7.2,超声波传感器,3.,超声波的发送与接收,（,1,）发送电路,图中,NE555,构成多谐振荡,器电路，该电路结构简单，稳定性好。其振荡频率近似为,图,4-54 NE555,超声波发送电路,120,4.7.2,超声波传感器,（,2,）接收电路,图,4-55,晶体管的超声波接收电路,图,4-56,运算放大器超声波接收电路,121,4.7.2,超声波传感器,（,3,）超声波发送和接收电路实例,图,4-57,超声波发射电路实例,122,4.7.2,超声波传感器,（,3,）超声波发送和接收电路实例,图,4-58,超声波接收电路实例,123,4.7.3,超声波传感器应用,1.,超声波探伤,124,4.7.3,超声波传感器应用,2.,超声波测流量,图,4-60,超声波测量流量,125,4.7.3,超声波传感器应用,当,A,为发射探头，,B,为接收探头，此时为顺流传播，超声波传播速度为,c,+,v,cos,于是其传播时间,t,1,为,（,4-35,）,当,B,为发射探头，,A,为接收探头，此时为逆流传播，超声波传播速度为,c,-,v,cos,于是其传播时间,t,2,为,（,4-36,）,则时间差为,(4-37),则流体的平均速度为,(4-38),可见，流体速度正比于时间差，也就是流体的流量正比于时间差。因此测出时间差，就测出了流量。,126,4.7.3,超声波传感器应用,3.,超声波测量液位,（,1,）定点式液位测量,127,4.7.3,超声波传感器应用,3.,超声波测液位,图,4-62,所示为,连续式液位测量,(,脉冲回波式测量液位,),的工作原理图。探头发出的超声脉冲通过介质到达液面，经液面反射后又被探头接收。测量发射与接收超声脉冲的时间间隔和介质中的传播速度，即可求出探头与液面之间的距离。根据传声方式和使用探头数量的不同，可以分为单探头液介式,图,(a),；单探头气介式,图,(b),；单探头固介式,图,(c),；双探头液介式,图,(d),等数种。,128,4.7.3,超声波传感器应用,图,4-62,连续式液位测量,129,4.7.3,超声波传感器应用,4.,超声波测厚度,超声波检测厚度的方法有,共振法,、,干涉法,、,脉冲回波法,等。图,4-63,所示为脉冲回波法检测厚度的工作原理,图,4-63,声波测厚工作原理图,130,4.8,位移检测传感器性能比较,传感器,类型,测量范围,mm,灵敏度,线性度,F.S,精度,F.S,分辨率,工作温度,频率响应,kHz,特点,应变片,0,100,0.5,0.1,0.5,1,m,体积小、重量轻、成本低、分辨率高。热稳定性差、非线性大、阻值及灵敏度系数分散度大,电感式,差动电感,2000,0.1,1,0.2,1,0.01,m,线性度好、精度高、量程宽、分辨率高。有残余电压、线性度误差随量程增大而变差,变磁路气隙,0.2,0.5,1,3,1,3,1,m,灵敏度高。量程小、线性范围小、制作和装配较困难,差动变压器,1,1000,0.5,2mV/,m,0.1,0.5,0.2,1,0.01,m,-40,120,0,2,精度高、分辨率高、稳定性好、温度特性好、量程宽、抗干扰能力强。有残余电压、不适合于高频动态测量,电涡流,0.2,250,0.4,80 mV/,m,0.3,3,0.4,3,0.1,10,m,-15,80,0,150,非接触测量、测量范围宽、灵敏度高、结构简单、安装方便、不受油污等介质影响。被测对象的材料不同，灵敏度发生变化,电容式,变面积,0,700,200,1000,mV/mm,0.001,0.1,m,0.001,0.1,0.001,0.1,m,-50,80,0.2,1,结构简单、分辨率高、动态响应好、可非接触测量、可在恶劣环境条件下工作、适宜于测量小震动位移。变面积式灵敏度低、易受温度影响；变极距的灵敏度高，但输出非线性大,变极距,0,10,1,0.001,0.1,0.001,0.1,霍尔片,0.5,5,10,15 mV/mm,（,0.5,2,）,0.5,1,m,结构简单、体积小、重量轻、响应速度快、寿命长。但对温度敏感,光栅,30,1000,0.005,0.01,0.1,10,m,精度高，结构复杂,超声式,数毫米到数万米,0.1,1,单探头式盲区大，双探头式盲区小,