位移與速度測(cè)量傳感器

1、2021-6-271 實(shí)用傳感器技術(shù)教程實(shí)用傳感器技術(shù)教程 2 電感式位移傳感器電感式位移傳感器 第第4章章 位移與速度測(cè)量傳感器位移與速度測(cè)量傳感器 4.1 電容式位移傳感器電容式位移傳感器 4.3 霍爾傳感器霍爾傳感器 4.4 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 4.2 光柵傳感器光柵傳感器 4.5 微波傳感器微波傳感器 4.6 超聲波傳感器超聲波傳感器 4.7 位移檢測(cè)傳感器性位移檢測(cè)傳感器性 能比較能比較 4.8 3 v無論是科學(xué)研究還是生產(chǎn)實(shí)踐中，需要進(jìn)行位無論是科學(xué)研究還是生產(chǎn)實(shí)踐中，需要進(jìn)行位 移測(cè)量的場(chǎng)合非常多。此外，還有許多被測(cè)物移測(cè)量的場(chǎng)合非常多。此外，還有許多被測(cè)物 理量可以轉(zhuǎn)

2、化為位移進(jìn)行測(cè)量，如壓力、位置理量可以轉(zhuǎn)化為位移進(jìn)行測(cè)量，如壓力、位置 等都可以通過某種轉(zhuǎn)換部件，先將它們轉(zhuǎn)換為等都可以通過某種轉(zhuǎn)換部件，先將它們轉(zhuǎn)換為 直線位移，然后通過測(cè)量位移間接得到被測(cè)量。直線位移，然后通過測(cè)量位移間接得到被測(cè)量。 在不同的場(chǎng)合、不同的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)位移測(cè)量在不同的場(chǎng)合、不同的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)位移測(cè)量 傳感器的要求差異也很大，比如測(cè)量范圍、測(cè)傳感器的要求差異也很大，比如測(cè)量范圍、測(cè) 量精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。因此，位移測(cè)量傳感器量精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。因此，位移測(cè)量傳感器 的種類也是相當(dāng)多，并且各自的特性也不相同。的種類也是相當(dāng)多，并且各自的特性也不相同。 4 4.1 電感式位移傳感器

3、電感式位移傳感器 電感式傳感器是基于電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理電磁感應(yīng)原理，將輸入量轉(zhuǎn)換成，將輸入量轉(zhuǎn)換成 電感變化量的一種裝置。常配以不同的敏感元件用來測(cè)量電感變化量的一種裝置。常配以不同的敏感元件用來測(cè)量 位移、壓力、振動(dòng)位移、壓力、振動(dòng)等物理參數(shù)。等物理參數(shù)。 5 4.1 電感式位移傳感器電感式位移傳感器 4.1.1電感位移傳感器原理與分類電感位移傳感器原理與分類 線圈 線圈 鐵芯 銜鐵 銜鐵 (a)(b) (c) 圖圖4-1 4-1 電感式傳感器的結(jié)構(gòu)原理電感式傳感器的結(jié)構(gòu)原理 6 自感自感L與氣隙與氣隙成反比，而與氣隙導(dǎo)磁截面積成反比，而與氣隙導(dǎo)磁截面積A成正比。成正比。 W線圈

4、匝數(shù)，線圈匝數(shù)，0空氣磁導(dǎo)率。空氣磁導(dǎo)率。 氣隙型傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖氣隙型傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 7 4.1.1電感位移傳感器原理與分類電感位移傳感器原理與分類 v 差動(dòng)變隙式電感傳感器的原理差動(dòng)變隙式電感傳感器的原理 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 初態(tài)時(shí)：若結(jié)構(gòu)對(duì)稱，且動(dòng)鐵居中，初態(tài)時(shí)：若結(jié)構(gòu)對(duì)稱，且動(dòng)鐵居中， 則則1=2，U0=0。 動(dòng)鐵上移時(shí)：則動(dòng)鐵上移時(shí)：則1L1I1=I1- I 2L2I2=I2+I I=I2-I1=2I U0=2IZL 同理，動(dòng)鐵下移時(shí)：同理，動(dòng)鐵下移時(shí)：U0=-2IZL 8 4.1.2 電感位移傳感器輸出特性電感位移傳感器輸出特性 v 由圖可以看出由圖可以看出L=f()不是線性的，即變氣

5、隙式不是線性的，即變氣隙式 傳感器傳感器和和L之間不滿足線形變化關(guān)系。理論之間不滿足線形變化關(guān)系。理論 上，當(dāng)上，當(dāng)=0時(shí)，時(shí)，L為為，如果考慮到導(dǎo)磁體的磁，如果考慮到導(dǎo)磁體的磁 阻，即當(dāng)阻，即當(dāng)=0時(shí)，時(shí)，L不等于不等于，而有一定的數(shù)值。，而有一定的數(shù)值。 變截面積式傳感器的面積變截面積式傳感器的面積S與與L值則是線性關(guān)值則是線性關(guān) 系，即系，即L=f(S)的特性曲線為一條直線。的特性曲線為一條直線。 S， d L L=f(s) 0 L=f( ) 9 4.1.2 電感位移傳感器輸出特性電感位移傳感器輸出特性 v 變氣隙式、變面積式和螺線管式三種類型電感傳感器相比較，變氣隙式、變面積式和螺線管

6、式三種類型電感傳感器相比較， 變氣隙式靈敏度最高，因而它對(duì)電路的放大倍數(shù)要求很低，變氣隙式靈敏度最高，因而它對(duì)電路的放大倍數(shù)要求很低， 缺點(diǎn)是非線性嚴(yán)重。為了限制非線性誤差，示值范圍只能很缺點(diǎn)是非線性嚴(yán)重。為了限制非線性誤差，示值范圍只能很 小，導(dǎo)致自由行程小，因此制造裝配比較困難。變面積式的小，導(dǎo)致自由行程小，因此制造裝配比較困難。變面積式的 優(yōu)點(diǎn)是具有較好的線性，自由行程較大。螺線管式主要優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是具有較好的線性，自由行程較大。螺線管式主要優(yōu)點(diǎn) 是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造裝配容易、自由行程大，但是靈敏度最低。是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造裝配容易、自由行程大，但是靈敏度最低。 但靈敏度低可以通過放大電路加以解決，

7、因此，目前螺管型但靈敏度低可以通過放大電路加以解決，因此，目前螺管型 電感傳感器用得越來越多。電感傳感器用得越來越多。 10 4.1.3電感位移傳感器測(cè)量電路電感位移傳感器測(cè)量電路 1. 變壓器電橋變壓器電橋 v 輸出特性公式為輸出特性公式為 v 在初始位置時(shí)在初始位置時(shí) Z1=Z2=Z ，電橋處于平衡狀態(tài)，電橋處于平衡狀態(tài)，U0=0 動(dòng)鐵芯上移時(shí)：動(dòng)鐵芯上移時(shí)：1L1Z1=Z+Z 2L2Z2=Z-Z 代入式（代入式（4-2），得），得 Ui U/2 U/2 Z1 Z2 BA UO 圖圖4-4 4-4 變壓器電橋變壓器電橋 12 0 122 AB ZZU UUU ZZ 0 2 Z UU Z 1

8、1 4.1.3電感位移傳感器測(cè)量電路電感位移傳感器測(cè)量電路 2.相敏檢波電路相敏檢波電路 相敏檢波電路是常用的判別電路。下面以帶二極管式環(huán)形相敏檢波的交流電 橋?yàn)槔榻B該電路的作用。 圖4.5 相敏檢波電路 ()帶相敏檢波的交流電橋；()實(shí)用電路 12 4.1.3電感位移傳感器測(cè)量電路電感位移傳感器測(cè)量電路 如圖3.11(a)所示，Z1、Z2為傳感器兩線圈的阻抗，Z3Z4構(gòu)成 另兩個(gè)橋臂，U為供橋電壓，U為輸出。當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)， Z1Z2Z，電橋平衡，U0。若銜鐵上移，Z1增大，Z2減小。 如供橋電壓為正半周，即A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)，二極管D1、D4導(dǎo)通， D2、D3截止。在AECB支路中，

9、C點(diǎn)電位由于Z1增大而降低； 在AFDB支路中，D點(diǎn)電位由于Z2減小而增高。因此D點(diǎn)電 位高于C點(diǎn)，輸出信號(hào)為正 13 4.1.3電感位移傳感器測(cè)量電路電感位移傳感器測(cè)量電路 如供橋電壓為負(fù)半周，B點(diǎn)電位高于A 點(diǎn)，二極管D2、D3導(dǎo)通， D1、D4截止。在BCFA支路中，C點(diǎn)電位由于Z2減小而比平 衡時(shí)降低；在BDEA支路中，D點(diǎn)電位則因Z1增大而比平衡 時(shí)增高。因此D點(diǎn)電位仍高于C點(diǎn)，輸出信號(hào)仍為正。同理可以 證明，銜鐵下移時(shí)輸出信號(hào)總為負(fù)。于是，輸出信號(hào)的正負(fù)代 表了銜鐵位移的方向。 實(shí)際采用的電路如圖3.11(b)所示。L1、L2為傳感器的兩個(gè)線圈， C1、C2為另兩個(gè)橋臂。電橋供橋電

10、壓由變壓器B的次級(jí)提供。R1、 R2、R3、R4為四個(gè)線繞電阻，用于減小溫度誤差。C3為濾波電容， Rw1為調(diào)零電位器，Rw2為調(diào)倍率電位器，輸出信號(hào)由電壓表V指 示。 14 4.2 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 15 H2 被測(cè)導(dǎo)體被測(cè)導(dǎo)體 H1 傳感器激勵(lì)電流傳感器激勵(lì)電流 電渦流傳感器原理圖電渦流傳感器原理圖 I1 I2 ( , , )ZFr f x 其中：其中： 金屬電導(dǎo)率，金屬電導(dǎo)率， 金屬磁導(dǎo)率，金屬磁導(dǎo)率， r 線圈與被測(cè)物體的尺寸因子，線圈與被測(cè)物體的尺寸因子， f 激磁激磁 電流頻率，電流頻率， x 線圈與導(dǎo)體間的距離線圈與導(dǎo)體間的距離 基于法拉第電磁感應(yīng)原理，當(dāng)傳感基于法拉

11、第電磁感應(yīng)原理，當(dāng)傳感 器線圈通以正弦交變電流器線圈通以正弦交變電流 I1 時(shí)，線圈周時(shí)，線圈周 圍空間將產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)圍空間將產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng) H1，被測(cè)導(dǎo)被測(cè)導(dǎo) 體內(nèi)產(chǎn)生呈渦旋狀的交變感應(yīng)電流體內(nèi)產(chǎn)生呈渦旋狀的交變感應(yīng)電流I2 ， 稱電渦流效應(yīng)。電渦流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)稱電渦流效應(yīng)。電渦流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng) H2與與H1方向相反，它使傳感器線圈等效方向相反，它使傳感器線圈等效 阻抗發(fā)生變化。阻抗發(fā)生變化。 4.2 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 16 應(yīng)用：應(yīng)用：x位移、厚度、振幅；位移、厚度、振幅； 表面溫度、電解質(zhì)濃度、材質(zhì)判別等；表面溫度、電解質(zhì)濃度、材質(zhì)判別等； ，無損探傷等。無損探傷等。

12、 特點(diǎn)：非接觸連續(xù)測(cè)量，靈敏度高、頻響寬、分辨率高特點(diǎn)：非接觸連續(xù)測(cè)量，靈敏度高、頻響寬、分辨率高 渦流分布在導(dǎo)體表面渦流分布在導(dǎo)體表面 4.2 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 17 4.2 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 18 4.2 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 19 低頻透射式電渦流式傳感低頻透射式電渦流式傳感 器：器： 音頻音頻(20kHz)激勵(lì)電流激勵(lì)電流 低頻透射式渦流傳感器多低頻透射式渦流傳感器多 用于測(cè)定材料厚度。用于測(cè)定材料厚度。 4.2 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 20 4.2 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 v 3. 技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù) 型號(hào)測(cè)量范圍 mm 分辨率m重復(fù)性 m

13、線性度 頻響 kHz 溫漂 靜態(tài) 動(dòng)態(tài) KD19251.270.761.30.7621.50100.054/ KD19503.811.32.52.5410100.036/ KD197552.52.52.54102.50.018/ KD1925M0.90.761.30.7621.50100.054/ 表表4-1 4-1 英國(guó)真尚有電渦流傳感器主要技術(shù)指標(biāo)英國(guó)真尚有電渦流傳感器主要技術(shù)指標(biāo) 21 w 測(cè)量電路測(cè)量電路交流電橋、諧振電路交流電橋、諧振電路 4.2 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 22 4.2 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 LC并聯(lián)阻抗并聯(lián)阻抗 23 4.2 電渦流式傳感器電渦流式傳感器

14、 LC回路是振蕩器的一部分回路是振蕩器的一部分 24 4.2 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 v 2. 電橋測(cè)量電路電橋測(cè)量電路 v 電橋?qū)⒎从尘€圈阻抗的變化，電橋?qū)⒎从尘€圈阻抗的變化， 線圈阻抗的變化反映被測(cè)金屬線圈阻抗的變化反映被測(cè)金屬 導(dǎo)體的接近程度。當(dāng)靜態(tài)時(shí)，導(dǎo)體的接近程度。當(dāng)靜態(tài)時(shí)， 電橋平衡，輸出電壓電橋平衡，輸出電壓u u0 0=0=0。當(dāng)。當(dāng) 傳感器接近被測(cè)金屬導(dǎo)體時(shí)，傳感器接近被測(cè)金屬導(dǎo)體時(shí)， 傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化，傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化， 電橋失去平衡，即電橋失去平衡，即u u0 000，該信，該信 號(hào)經(jīng)經(jīng)過線性放大和檢波器檢號(hào)經(jīng)經(jīng)過線性放大和檢波器檢 波后輸出直流電壓

15、，其幅值經(jīng)波后輸出直流電壓，其幅值經(jīng) 過標(biāo)定即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)位移量的過標(biāo)定即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)位移量的 測(cè)量。測(cè)量。 u u0 Z1 Z2 C1 C2 R1 R2 圖4-11 渦流傳感器電橋測(cè)量電路 25 4.2 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 v 電渦流式傳感器的特點(diǎn)：電渦流式傳感器的特點(diǎn)： 非接觸測(cè)量，不易受油液介質(zhì)影響；非接觸測(cè)量，不易受油液介質(zhì)影響； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，靈敏度高，最高分辨率達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，靈敏度高，最高分辨率達(dá)0.05 微米；微米； 頻率響應(yīng)范圍寬（頻率響應(yīng)范圍寬（010kHz），適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。），適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。 26 4.2.3電渦流傳感器應(yīng)用電渦流傳感器應(yīng)用 v 1. 位

16、移測(cè)量位移測(cè)量 試件 試件 電渦流傳感器 電渦流傳感器 (a) (b) 圖4-12 電渦流位移測(cè)量方法 27 4.2.3電渦流傳感器應(yīng)用電渦流傳感器應(yīng)用 v 2. 振動(dòng)測(cè)量振動(dòng)測(cè)量 (a)(b) 試件 試件 渦流傳感器 渦流傳感器 圖4-13 電渦流振動(dòng)測(cè)量方法 28 無損探傷無損探傷 4.2.3電渦流傳感器應(yīng)用電渦流傳感器應(yīng)用 29 4.2.3電渦流傳感器應(yīng)用電渦流傳感器應(yīng)用 測(cè)轉(zhuǎn)速測(cè)轉(zhuǎn)速 測(cè)厚度測(cè)厚度 計(jì)數(shù)計(jì)數(shù) 測(cè)裂紋測(cè)裂紋 30 4.2.3電渦流傳感器應(yīng)用電渦流傳感器應(yīng)用 v 5. 液位測(cè)量與控制液位測(cè)量與控制 測(cè)量電路微處理器串行接口 繼電器 電動(dòng)泵 浮子 渦流板 渦流傳感器 圖4-1

17、5 利用電渦流傳感器構(gòu)成的液位監(jiān)控系統(tǒng) 31 4.2.3電渦流傳感器應(yīng)用電渦流傳感器應(yīng)用 v 6. 厚度測(cè)量厚度測(cè)量 v （1）金屬表面的厚膜測(cè)量 磁傳感器 x0 x 金屬材料 膜 - + - + A1 A2 - + A3- + - + A4 A5 R1 R2 R3R4 VD1 VD2 C1 C2 B1 L1 L2 測(cè)量 橋路 R5 R6 VZ1 VZ2 RP1 R7 R8 R9 R10RP2 +V C3 R11 R12 VD3 VD4 UOUT 32 4.2.3電渦流傳感器應(yīng)用電渦流傳感器應(yīng)用 v 6. 厚度測(cè)量厚度測(cè)量 v （2）金屬板厚度測(cè)量 傳感器探頭 傳感器探頭 傳感器探頭 x1 x

18、2 D 被測(cè)板被測(cè)板 (a)(b) 檢波 檢波 比較電壓加法器指示儀表 x1 x2 x +- - S1 S2 圖4-19 高頻反射式電渦流測(cè)厚儀 33 A 介電常數(shù) 電容式傳感器結(jié)構(gòu)圖 原理：被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電容量的變化原理：被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電容量的變化 種類：變極距種類：變極距、變面積變面積A、變介質(zhì)變介質(zhì) A C 、A或或發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。 4.3 電容式位移傳感器電容式位移傳感器 4.3.1 電容式位移傳感器原理與分類電容式位移傳感器原理與分類 34 輸入輸出關(guān)系：輸入輸出關(guān)系： / 0C /C0 具有嚴(yán)重非線性。具有嚴(yán)重非線性。 23 0

19、00 0000 0 23 00 00000 1 1 1, CS CCC CCC 靈敏度：靈敏度： 0 2 00 S CCA K 1.變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器 35 C 0 1.變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器 36 1.變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器 37 1.變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器 38 0 CA 0 S C Kconst A 輸入輸出特性：輸入輸出特性： 靈敏度：靈敏度： 面積變化型電容傳感器的優(yōu)面積變化型電容傳感器的優(yōu) 點(diǎn)是點(diǎn)是輸出與輸入成線性關(guān)系輸出與輸入成線性關(guān)系，但，但 與極板變化型相比，靈敏度較低，與極板變化型相比，靈敏度較低， 適用于適用于較

20、大角位移及直線位移的較大角位移及直線位移的 測(cè)量測(cè)量。 2. 變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器 39 0 A C 介質(zhì)含水量、介質(zhì)厚度、溫度、密度等變化引起介電常介質(zhì)含水量、介質(zhì)厚度、溫度、密度等變化引起介電常 數(shù)變化，因此可以構(gòu)成含水量、物位高度、溫度等測(cè)量用傳數(shù)變化，因此可以構(gòu)成含水量、物位高度、溫度等測(cè)量用傳 感器。感器。 圖中，厚度為圖中，厚度為2的介質(zhì)（的介質(zhì)（2 為其介電常數(shù)）在電容器為其介電常數(shù)）在電容器 中左右運(yùn)動(dòng)，由于電容器中左右運(yùn)動(dòng)，由于電容器 中介質(zhì)的介電常數(shù)改變，中介質(zhì)的介電常數(shù)改變， 電容量改變。電容量改變。 3. 變介電常數(shù)型電容傳感器變介電常數(shù)型電容傳感器 4

21、0 電容式傳感器電容式傳感器 測(cè)量電路測(cè)量電路 常用的有電橋電路、諧振電路、調(diào)頻電路、運(yùn)算常用的有電橋電路、諧振電路、調(diào)頻電路、運(yùn)算 放大電路、放大電路、差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路等。等。 參考電位參考電位 比較器比較器 41 4.3.2 電容式位移傳感器特點(diǎn)電容式位移傳感器特點(diǎn) 1.優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： .溫度穩(wěn)定性好溫度穩(wěn)定性好 電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，有利于選擇溫度系數(shù)低的 材料，又因本身發(fā)熱極小，影響穩(wěn)定性甚微。 而電阻傳感器有銅損等，易 發(fā)熱產(chǎn)生零漂。 .結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，易于保證高的精度，可以做得非常 小巧，以實(shí)現(xiàn)某些特殊的測(cè)量

22、；能工作在高溫，強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán) 境中，可以承受很大的溫度變化，承受高壓力，高沖擊，過載等；能測(cè)量超 高溫和低壓差，也能對(duì)帶磁工作進(jìn)行測(cè)量。 42 4.3.2 電容式位移傳感器特點(diǎn)電容式位移傳感器特點(diǎn) .動(dòng)態(tài)響應(yīng)好動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 電容式傳感器由于帶電極板間的靜電引力很?。s幾個(gè)105N），需要的作用能 量極小，又由于它的可動(dòng)部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很 高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆Hz的頻率下工作，特別適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。又由于其 介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測(cè)量高速變化的 參數(shù)。 .可以非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)可以非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)

23、例如 非接觸測(cè)量回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)或偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當(dāng)采用 非接觸測(cè)量時(shí)，電容式傳感器具有平均效應(yīng)，可以減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的 影響。 電容式傳感器除了上述的優(yōu)點(diǎn)外，還因其帶電極板間的靜電引力很小，所需輸 入力和輸入能量極小，因而可測(cè)極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做 得很靈敏，分辨力高，能敏感0.01m 甚至更小的位移；由于其空氣等介質(zhì)損耗小， 采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)并接成電橋式時(shí)產(chǎn)生的零殘極小，因此允許電路進(jìn)行高倍率放大，使 儀器具有很高的靈敏度。 43 2.缺點(diǎn)缺點(diǎn) （1）輸出阻抗高，負(fù)載能力差）輸出阻抗高，負(fù)載能力差 電容式傳感器的容量受其電極的幾何尺寸等限制，一般微

24、 幾十導(dǎo)幾百皮法，其值只有幾個(gè)皮法，使 傳感器的輸出阻抗 很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時(shí)，輸出阻抗高達(dá) 108106。因此傳感器的負(fù)載能力很差，易受外界干擾影 響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至無法工作，必須采取屏蔽 措施，從而給設(shè)計(jì)和使用帶來極大的不便。容抗大還要求傳 感器絕緣部分的電阻值極高（幾十兆歐以上），否則絕緣部 分將作為旁路電阻而影響儀器的性能（如靈敏度降低），為 此還要特別注意周圍的環(huán)境如濕度、清潔度等。 4.3.2 電容式位移傳感器特點(diǎn)電容式位移傳感器特點(diǎn) 44 （2）寄生電容影響大。）寄生電容影響大。 電容式傳感器的初始電容量很小，而傳感器的引線電纜電 容、測(cè)量電路的雜散

25、電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成 的電容等“寄生電容”卻較大，降低了傳感器的靈敏度，影 響測(cè)量精度，因此對(duì)電纜的選擇、安裝、接法都要有要求。 （3）輸出特性非線性。）輸出特性非線性。 變極距型電容傳感器的輸出是非線性的。其它類型傳感器 也只有忽略電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)時(shí)，輸出才是線性的。 4.3.2 電容式位移傳感器特點(diǎn)電容式位移傳感器特點(diǎn) 45 4.3.3 電容式位移傳感器測(cè)量電路電容式位移傳感器測(cè)量電路 1. 交流電橋電路交流電橋電路 v 交流電橋電路如圖交流電橋電路如圖4-22所示，高頻電源經(jīng)所示，高頻電源經(jīng) 變壓器接到電橋的一條對(duì)角線上，電容變壓器接到電橋的一條對(duì)角線上，電容 C1、C2、C

26、3、Cx構(gòu)成電橋的構(gòu)成電橋的4個(gè)臂，個(gè)臂，Cx 為電容傳感器，交流電橋平衡時(shí)則為電容傳感器，交流電橋平衡時(shí)則U0=0。 當(dāng)當(dāng)Cx改變時(shí)，改變時(shí)，U00，有電壓輸出。，有電壓輸出。 v 此種電橋電路要求交流電源的幅度和頻此種電橋電路要求交流電源的幅度和頻 率都十分穩(wěn)定；電橋放大器的輸入阻抗率都十分穩(wěn)定；電橋放大器的輸入阻抗 要高；測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)受電橋供電要高；測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)受電橋供電 電源的頻率限制，一般要求電源頻率為電源的頻率限制，一般要求電源頻率為 被測(cè)信號(hào)最高頻率的被測(cè)信號(hào)最高頻率的510倍。倍。 U Uo C1 C2 C3 Cx 圖4-22 交流電橋電路 46 4.3.3 電容式

27、位移傳感器測(cè)量電路電容式位移傳感器測(cè)量電路 2.2.變壓器電橋變壓器電橋 如圖4-23所示，C1、C2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容。 電橋的空載輸出電壓為 對(duì)變極距型電容傳感器，代入上式得對(duì)變極距型電容傳感器，代入上式得 21 21 2CC CCU U o Ui Uo C1 C2 U/2 U/2 4-23 變壓器電橋 )/();/( 002001 ACAC 0 2 U U o 47 4.3.3 電容式位移傳感器測(cè)量電路電容式位移傳感器測(cè)量電路 3. 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 v 電容式傳感器的調(diào)頻電路電容式傳感器的調(diào)頻電路 原理如圖原理如圖4-244-24所示。該電所示。該電 路將電容式傳感器接入高路將電容

28、式傳感器接入高 頻振蕩器的頻振蕩器的LCLC回路中，當(dāng)回路中，當(dāng) 被測(cè)量變化時(shí)，電容也隨被測(cè)量變化時(shí)，電容也隨 之變化，產(chǎn)生一個(gè)變化量之變化，產(chǎn)生一個(gè)變化量 CC，使得振蕩頻率也相應(yīng)，使得振蕩頻率也相應(yīng) 變化。調(diào)頻振蕩器的振蕩變化。調(diào)頻振蕩器的振蕩 頻率為頻率為 L C0+CCiC1 C2 C3 C4 C5 C6 VT1VT2 R1 R2 R3 R4 R5 R6 46 H UOUT +VCC 01 11 22() i f LCL CCCC 48 4.3.3 電容式位移傳感器測(cè)量電路電容式位移傳感器測(cè)量電路 4. 脈沖寬度調(diào)制電路脈沖寬度調(diào)制電路 當(dāng)接通電源后，若觸發(fā)器當(dāng)接通電源后，若觸發(fā)器Q

29、Q端為端為 高電平高電平( (U U1 1) )，端為低電平，端為低電平(0)(0)， 則觸發(fā)器通過則觸發(fā)器通過R R1 1對(duì)對(duì)C C1 1充電；當(dāng)充電；當(dāng)F F 點(diǎn)電位點(diǎn)電位U UF F升到與參考電壓升到與參考電壓U Ur r相等相等 時(shí)，比較器時(shí)，比較器ICIC1 1產(chǎn)生一脈沖使觸產(chǎn)生一脈沖使觸 發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而使發(fā)器翻轉(zhuǎn)，從而使Q Q端為低電平，端為低電平， 端為高電平端為高電平( (U U1 1) )。此時(shí)，由電。此時(shí)，由電 容容C C1 1通過二極管通過二極管D D1 1迅速放電至零，迅速放電至零， 而觸發(fā)器由端經(jīng)而觸發(fā)器由端經(jīng)R R2 2向向C C2 2充電；當(dāng)充電；當(dāng) G G點(diǎn)電位

30、點(diǎn)電位U UG G與參考電壓與參考電壓U Ur r相等時(shí)，相等時(shí)， 比較器比較器ICIC2 2輸出一脈沖使觸發(fā)器輸出一脈沖使觸發(fā)器 翻轉(zhuǎn)，從而循環(huán)上述過程。翻轉(zhuǎn)，從而循環(huán)上述過程。 圖4-25 脈沖寬度調(diào)制電路 雙穩(wěn) 態(tài)觸 發(fā)器 + + - - A1 A2 VD1 VD2 R1 R2 Cx1 Cx2 Ur Q Q A B F G U0 49 4.3.3 電容式位移傳感器測(cè)量電路電容式位移傳感器測(cè)量電路 可以看出，電路充放電的時(shí)間，即觸發(fā)器輸出方波脈 沖的寬度受電容C1、C2調(diào)制。 當(dāng)C1=C2時(shí)，各點(diǎn)的電壓波形如圖4.26(a)所示，Q和 兩端電平的脈沖寬度相等，兩端間的平均電壓為零。 當(dāng)C1

31、C2時(shí)，各點(diǎn)的電壓波形如圖4.26(b)所示，Q、兩 端間的平均電壓(經(jīng)一低通濾波器)為 _ Q _ Q 1 21 21 1 21 21 0 U CC CC U TT TT U (4-13) 式中：T1和T2分別為Q端和 端輸出方波脈沖的寬度， 亦即C1和C2的充電時(shí)間。 _ Q 50 圖4-26 各點(diǎn)電壓波形圖 4.3.3 電容式位移傳感器測(cè)量電路電容式位移傳感器測(cè)量電路 51 當(dāng)該電路用于差動(dòng)式變極距型電容傳感器時(shí)，式(4-13) 有 (4-14) 這種電路只采用直流電源，無需振蕩器，要求直流電源 地電壓穩(wěn)定度較高，但比高穩(wěn)定度地穩(wěn)頻穩(wěn)幅交流電源易 于做到。 用于差動(dòng)式變面積型電容傳感器時(shí)

32、有 (4-15) 4.3.3 電容式位移傳感器測(cè)量電路電容式位移傳感器測(cè)量電路 21 01 21 SS UU SS 21 01 21 dd UU dd 52 4.3.3 電容式位移傳感器測(cè)量電路電容式位移傳感器測(cè)量電路 5 5運(yùn)算放大器電路運(yùn)算放大器電路 這種電路不需要載頻和附加解調(diào)線路，無波形和相移失真； 輸出信號(hào)只需要通過低通濾波器引出；直流信號(hào)的極性取決于 C1和C2；對(duì)變極距和變面積的電容傳感器均可獲得線性輸出。 這種脈寬調(diào)制線路也便于與傳感器做在一起，從而使傳輸誤差 和干擾大大減小。 圖4-27為其電原理圖。C1為傳感器電容，它跨接在高增益 運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端之間。放大器的輸

33、入阻抗很高 (Zi)，因此可視作理想運(yùn)算放大器。其輸出端輸出一與C1 成反比的電壓U0，即 1 0 C C UU io (4-16) 53 圖4-27 運(yùn)算放大器電 路 4.3.3 電容式位移傳感器測(cè)量電路電容式位移傳感器測(cè)量電路 式中 Ui為信號(hào)源電壓，C0為固定電容，要求它們都 很穩(wěn)定。 對(duì)變極距型電容傳感器(C10rA/)，式(4-16)可寫 為 54 A C UU r io 0 0 (4-17) 可見配用運(yùn)算放大器測(cè)量電路的最大特點(diǎn)是克服了變極距 型電容傳感器的非線性。 4.3.3 電容式位移傳感器測(cè)量電路電容式位移傳感器測(cè)量電路 55 4.3.3 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用

34、 56 4.3.3 電容傳感器應(yīng)用電容傳感器應(yīng)用 v 1.電容式位移傳感器電容式位移傳感器 電容傳感器電容傳感器 C C (a)(b) 圖4-28 電容式移傳感器應(yīng)用 57 4.3.3 電容傳感器應(yīng)用電容傳感器應(yīng)用 v2.電容加速度傳感器電容加速度傳感器 固定板 殼體 簧片 質(zhì)量塊 絕緣體A面 B面 C1 C2 圖4-29 電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu) 58 4.3.3 電容傳感器應(yīng)用電容傳感器應(yīng)用 v 3.電容式物位傳感器電容式物位傳感器 R r L H 圖4-30 電容式物位傳感器原理 59 v 當(dāng)兩圓筒間充以介電常數(shù)為1的氣體時(shí)，則由該圓筒組成的電 容器的電容量為 v （4-16） v 如果兩

35、圓筒形電極間的一部分被介電常數(shù)為2的液體所浸沒， 設(shè)被浸沒得電極長(zhǎng)度為H，此時(shí)的電容量為 圖4-30 電容式物位 傳感器原理 v （4-17） v 經(jīng)整理可得 v （4-18） v 式中，C為電容器的電容值得增量，其值為 v 4.3.3 電容傳感器應(yīng)用電容傳感器應(yīng)用 1 0 2 ln L C R r 12 12 2()2 lnln LHH CCC RR rr 0 CCC 21 2 () ln CH R r 60 4.3.3 電容傳感器應(yīng)用電容傳感器應(yīng)用 v3.電容式物位傳感器電容式物位傳感器 檢測(cè)電路 h D d 測(cè)定電極 儲(chǔ)罐 圖4-31 電容傳感器進(jìn)行料位測(cè)量 0 () ln s kh C

36、 D d 傳感器的電容可由下式表示傳感器的電容可由下式表示 式中，k為比例常數(shù)； s為被測(cè)物料的相對(duì)介電常數(shù) ； 0為空氣的相對(duì)介電常數(shù)； D為罐內(nèi)直徑； d為測(cè)定電極的直徑； h為物料的高度。 61 非接觸檢測(cè)塑料管道內(nèi)溶液液位非接觸檢測(cè)塑料管道內(nèi)溶液液位。當(dāng)液位達(dá)到。當(dāng)液位達(dá)到 設(shè)定高度并超出時(shí)，溶液進(jìn)入電容式傳感器檢測(cè)范設(shè)定高度并超出時(shí)，溶液進(jìn)入電容式傳感器檢測(cè)范 圍，傳感器產(chǎn)生輸出信號(hào)傳送給控制機(jī)構(gòu)，控制機(jī)圍，傳感器產(chǎn)生輸出信號(hào)傳送給控制機(jī)構(gòu)，控制機(jī) 構(gòu)報(bào)警或進(jìn)行其它動(dòng)作，達(dá)到液位控制的目的。構(gòu)報(bào)警或進(jìn)行其它動(dòng)作，達(dá)到液位控制的目的。 4.3.3電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 6

37、2 4.3.3電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 v 4.電容式測(cè)厚傳感器電容式測(cè)厚傳感器 放大器 整流濾波差動(dòng)放大 信號(hào)發(fā)生器顯示器 軋輥 C2 C1 C0 L1 L2 C B 圖4-32 差動(dòng)式電容測(cè)厚傳感器測(cè)量原理 63 4.3.3電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 64 4.3.3電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 65 4.3.3電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 66 置于磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體，當(dāng)它置于磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體，當(dāng)它 的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)， 載流導(dǎo)體上平行電流和磁場(chǎng)方向上載流導(dǎo)體上平行電流和磁場(chǎng)方向上 的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)

38、的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn) 象稱為象稱為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)。 FevB B F I UH d v 4.4 霍爾位移傳感器霍爾位移傳感器 4.4.1 4.4.1 霍爾傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理霍爾傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理 67 霍爾式傳感器基本原理霍爾式傳感器基本原理 載流子在磁場(chǎng)中受到載流子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而形的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而形 成電場(chǎng)成電場(chǎng)E，當(dāng)載流子受到的電場(chǎng)力與洛倫茲力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，當(dāng)載流子受到的電場(chǎng)力與洛倫茲力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)， 累積電荷形成穩(wěn)定的電勢(shì)累積電荷形成穩(wěn)定的電勢(shì)UH 。 。 cos HH IB UR d 其中其中 霍爾常數(shù)霍爾常數(shù) 磁場(chǎng)與元件平

39、面法線方向的夾角磁場(chǎng)與元件平面法線方向的夾角 d 與磁場(chǎng)方向一致的霍爾元件厚度與磁場(chǎng)方向一致的霍爾元件厚度 H R 68 霍爾元件 aa b b 霍爾元件示意圖 由由 得知，得知，d 越小，越小， 越大，則感生電動(dòng)勢(shì)越大，則感生電動(dòng)勢(shì) 越大，故一般霍爾元件是由霍爾系數(shù)很大的越大，故一般霍爾元件是由霍爾系數(shù)很大的N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 材料制作的薄片，厚度微米級(jí)。材料制作的薄片，厚度微米級(jí)。 cos HH IB UR d H R 霍爾式傳感器的結(jié)構(gòu)霍爾式傳感器的結(jié)構(gòu) 69 4.4.2 霍爾傳感器主要參數(shù)霍爾傳感器主要參數(shù) v （1）額定控制電流）額定控制電流IH v （2）靈敏度）靈敏度KH v （

40、3）不等位電勢(shì)）不等位電勢(shì)U0 v （4）輸入電阻）輸入電阻Ri和輸出電阻和輸出電阻Ro v （5）霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)）霍爾電勢(shì)溫度系數(shù) v （6）工作溫度范圍）工作溫度范圍 70 4.4.2 霍爾傳感器主要參數(shù)霍爾傳感器主要參數(shù) v 額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流 當(dāng)霍爾元件自身溫升10度時(shí)所流過的激勵(lì)電流 以元件最大溫升為限制所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流 v 輸入電阻和輸出電阻 激勵(lì)電極間的電阻 電壓源內(nèi)阻 v 不等位電勢(shì)和不等位電阻 當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為I時(shí)，若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零， 此時(shí)測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)。 不等位電勢(shì)就是激勵(lì)電流經(jīng)不等位電阻所產(chǎn)生的電壓。 v 寄生直流電勢(shì) v 霍爾電勢(shì)溫度

41、系數(shù) UH IH Ri Ro 71 部分國(guó)產(chǎn)霍爾元件型號(hào)及參數(shù)表部分國(guó)產(chǎn)霍爾元件型號(hào)及參數(shù)表 型號(hào)最大霍爾 輸出電 壓 mV 靈敏度 mV(mAkGs) -1 輸入電 阻 輸出電 阻 不等位 電勢(shì) mV 靈敏度溫 度系 數(shù) -1 霍爾電勢(shì) 溫度系 數(shù) -1 工作溫度 范圍 HSJ-1A250254004001210-4-510-4-55+125 HJS-2200010200.2 2000 0.2 2000 0.02 10 210-43.510-3-50+250 HJS-3B75010150.5 1000 0.5 1000 0.5210-4-510-4-55+125 HJS-52000400.2

42、 2000 0.2 2000 0.02 10 210-43.510-3-50+250 HZ-11.40.2 110(2 0) 1510-4-0+60 72 4.4.3霍爾傳感器測(cè)量電路與誤差補(bǔ)償霍爾傳感器測(cè)量電路與誤差補(bǔ)償 v 1. 測(cè)量電路測(cè)量電路 v （1）霍爾元件及符號(hào)）霍爾元件及符號(hào) 73 4.4.3霍爾傳感器測(cè)量電路與誤差補(bǔ)償霍爾傳感器測(cè)量電路與誤差補(bǔ)償 v（2）測(cè)量電路 E RP RL I UH 圖4-35 霍爾元件基本測(cè)量電路 74 4.4.3霍爾傳感器測(cè)量電路與誤差補(bǔ)償霍爾傳感器測(cè)量電路與誤差補(bǔ)償 + + - - + - A1 A2 A3 E RP1 OH002 R1 R2 R

43、3 R4 R5 R6 R7 5.1k 100k 100k 10k 10k 10k 10k UOUT （3 3）霍爾傳感器直流放大電路）霍爾傳感器直流放大電路 75 4.4.3霍爾傳感器測(cè)量電路與誤差補(bǔ)償霍爾傳感器測(cè)量電路與誤差補(bǔ)償 v 2.誤差補(bǔ)償誤差補(bǔ)償 v （1）不等位電勢(shì)及其補(bǔ)償）不等位電勢(shì)及其補(bǔ)償 r1r2 r3 r4 UH ab c d 圖圖4-37 4-37 霍爾元件等效電路霍爾元件等效電路 76 4.4.3霍爾傳感器測(cè)量電路與誤差補(bǔ)償霍爾傳感器測(cè)量電路與誤差補(bǔ)償 RP RP R RP1 RP2 R1R2 R3 Rt (a) (b)(c) v 2.誤差補(bǔ)償誤差補(bǔ)償 v （1）不等位

44、電勢(shì)及其補(bǔ)償）不等位電勢(shì)及其補(bǔ)償 圖4-38 霍爾元件不等位電勢(shì)的補(bǔ)償電路 77 4.4.3霍爾傳感器測(cè)量電路與誤差補(bǔ)償霍爾傳感器測(cè)量電路與誤差補(bǔ)償 v2.誤差補(bǔ)償誤差補(bǔ)償 v （2）溫度誤差及其補(bǔ)償 R (a) (b) Rt I Rt RL 輸入回路溫度補(bǔ)償 輸出回路溫度補(bǔ)償 圖4-39 霍爾元件溫度補(bǔ)償方法 78 0 , H HHH xxR Uk IBk bd 霍爾器件在霍爾器件在x方向上長(zhǎng)度為方向上長(zhǎng)度為b，x0 是位于氣隙下的初始長(zhǎng)度。是位于氣隙下的初始長(zhǎng)度。 此傳感器常采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。此傳感器常采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。 4.4.4 霍爾傳感器應(yīng)用霍爾傳感器應(yīng)用 S NN S 霍爾元件 X x-x

45、 0 79 圖圖4-414-41給出的是線性霍爾元件放大電路。它將霍爾輸給出的是線性霍爾元件放大電路。它將霍爾輸 出電壓放大到出電壓放大到5V5V。 4.4.4 霍爾傳感器應(yīng)用霍爾傳感器應(yīng)用 + - H + - + - MC1403 +V R1 RP1 R2 A1 R3 R4 A2 A3 R5 R6 R7 R9 R10 RP2 R11 R8 RP3 C1 C2 UOUT +V -V 圖4-41 線性霍爾元件放大電路 80 4.4.4 4.4.4 霍爾傳感器應(yīng)用霍爾傳感器應(yīng)用 81 82 83 84 85 86 87 88 4.5 光柵傳感器光柵傳感器 v4.5.1光柵結(jié)構(gòu)與種類光柵結(jié)構(gòu)與種類

46、v 光柵是在透明的玻璃上刻有大量相互平光柵是在透明的玻璃上刻有大量相互平 行、等寬而又等間距的刻線。沒有刻線行、等寬而又等間距的刻線。沒有刻線 的地方透光（或反光），刻線的地方不的地方透光（或反光），刻線的地方不 透光（或不反光）。圖透光（或不反光）。圖4-434-43所示的是一所示的是一 塊黑白型長(zhǎng)光柵，平行等距的刻線稱為塊黑白型長(zhǎng)光柵，平行等距的刻線稱為 柵線。設(shè)其中透光的縫隙寬度為柵線。設(shè)其中透光的縫隙寬度為a a，不，不 透光的縫隙寬度為透光的縫隙寬度為b b，一般情況下，一般情況下，a a b b。圖中。圖中w wa+ba+b稱為光柵柵距稱為光柵柵距( (或光柵節(jié)或光柵節(jié) 距、光柵常

47、數(shù)距、光柵常數(shù)) )，它是光柵的一個(gè)重要，它是光柵的一個(gè)重要 參數(shù)。對(duì)于圓光柵來說，除了參數(shù)柵距參數(shù)。對(duì)于圓光柵來說，除了參數(shù)柵距 之外，還經(jīng)常使用柵距角。柵距角是指之外，還經(jīng)常使用柵距角。柵距角是指 圓光柵上相鄰兩刻線所夾的角。圓光柵上相鄰兩刻線所夾的角。 圖4-43 光柵結(jié)構(gòu) 89 4.5.1光柵結(jié)構(gòu)與種類 v 光柵按其用途分長(zhǎng)光柵和圓光柵兩類。光柵按其用途分長(zhǎng)光柵和圓光柵兩類。 v 刻畫在玻璃尺上的光柵稱為長(zhǎng)光柵，也稱光柵尺，用于測(cè)量長(zhǎng)刻畫在玻璃尺上的光柵稱為長(zhǎng)光柵，也稱光柵尺，用于測(cè)量長(zhǎng) 度或幾何位移。根據(jù)光線的走向，長(zhǎng)光柵還分為透射光柵和反度或幾何位移。根據(jù)光線的走向，長(zhǎng)光柵還分為透

48、射光柵和反 射光柵。射光柵。 v 透射光柵是將光柵線刻制在透明材料上，通常選用光學(xué)玻璃和透射光柵是將光柵線刻制在透明材料上，通常選用光學(xué)玻璃和 制版玻璃。反射光柵的柵線刻制在具有強(qiáng)反射能力的金屬上，制版玻璃。反射光柵的柵線刻制在具有強(qiáng)反射能力的金屬上， 如不銹鋼或玻璃鍍金屬膜（如鋁膜），光柵也可刻制在鋼帶上如不銹鋼或玻璃鍍金屬膜（如鋁膜），光柵也可刻制在鋼帶上 再粘結(jié)在尺基上。再粘結(jié)在尺基上。 v 刻畫在玻璃盤上的光柵稱為圓光柵，也稱光柵盤，用來測(cè)量角刻畫在玻璃盤上的光柵稱為圓光柵，也稱光柵盤，用來測(cè)量角 度或角位移。根據(jù)柵線刻畫的方向，圓光柵分兩種，一種是徑度或角位移。根據(jù)柵線刻畫的方向，圓

49、光柵分兩種，一種是徑 向光柵，其柵線的延長(zhǎng)線全部通過光柵盤的圓心；另一種是切向光柵，其柵線的延長(zhǎng)線全部通過光柵盤的圓心；另一種是切 向光柵，其全部柵線與一個(gè)和光柵盤同心的小圓相切。圓光柵向光柵，其全部柵線與一個(gè)和光柵盤同心的小圓相切。圓光柵 只有透射光柵。只有透射光柵。 90 4.5.2 光柵傳感器工作原理光柵傳感器工作原理 1. 光柵傳感器組成光柵傳感器組成 v 光柵傳感器通常由光源、聚光鏡、光柵傳感器通常由光源、聚光鏡、 計(jì)量光柵、光電器件及測(cè)量電路計(jì)量光柵、光電器件及測(cè)量電路 等部分組成。計(jì)量光柵由標(biāo)尺光等部分組成。計(jì)量光柵由標(biāo)尺光 柵（主光柵）和指示光柵組成，柵（主光柵）和指示光柵組成

50、， 它決定了整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。它決定了整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。 v 一般主光柵和指示光柵的刻線密一般主光柵和指示光柵的刻線密 度相同，但主光柵要比指示光柵度相同，但主光柵要比指示光柵 長(zhǎng)得多，它們的刻線面相對(duì)，中長(zhǎng)得多，它們的刻線面相對(duì)，中 間留有很小的間隙。測(cè)量時(shí)光源間留有很小的間隙。測(cè)量時(shí)光源 為傳感器提供能量（光能），聚為傳感器提供能量（光能），聚 光鏡將光源發(fā)出的可見光收集起光鏡將光源發(fā)出的可見光收集起 來，并將其轉(zhuǎn)換成為平行光束送來，并將其轉(zhuǎn)換成為平行光束送 到計(jì)量光柵。主光柵與被測(cè)對(duì)象到計(jì)量光柵。主光柵與被測(cè)對(duì)象 連在一起，并隨其運(yùn)動(dòng)，指示光連在一起，并隨其運(yùn)動(dòng)，指示光 柵固定不動(dòng)。

51、柵固定不動(dòng)。 光源 聚光鏡 主光柵 指示光柵 光電元件 圖4-44 光柵傳感器測(cè)量原理 91 4.5.2 光柵傳感器工作原理光柵傳感器工作原理 2. 莫爾條紋莫爾條紋 v 由于主光柵和指示光柵的作由于主光柵和指示光柵的作 用，形成了莫爾條紋。如圖用，形成了莫爾條紋。如圖 4-45所示，在所示，在aa線上兩光線上兩光 柵的柵線彼此錯(cuò)開，光線無柵的柵線彼此錯(cuò)開，光線無 法通過，形成暗帶；在法通過，形成暗帶；在bb 線上兩光柵互相重合，互相線上兩光柵互相重合，互相 擋住縫隙，光線從縫隙中通擋住縫隙，光線從縫隙中通 過，形成亮帶。這種明暗相過，形成亮帶。這種明暗相 間得條紋就成為莫爾條紋，間得條紋就成

52、為莫爾條紋， 它的方向與刻線方向垂直。它的方向與刻線方向垂直。 a b a b a a B 圖圖4-45 莫爾條紋形成 92 4.5.2 光柵傳感器工作原理光柵傳感器工作原理 v 莫爾條紋有以下特性：莫爾條紋有以下特性： （1）位移放大作用）位移放大作用 v 當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)光柵柵距當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)光柵柵距W時(shí)，莫爾條紋也移動(dòng)一個(gè)條紋寬度時(shí)，莫爾條紋也移動(dòng)一個(gè)條紋寬度 B。由于主光柵和指示光柵的柵線之間的夾角。由于主光柵和指示光柵的柵線之間的夾角很小，且兩光柵很小，且兩光柵 的光柵柵距相等，因此，它們之間近似關(guān)系為的光柵柵距相等，因此，它們之間近似關(guān)系為 可見其位移放大倍數(shù)為可見其位移放大倍數(shù)為

53、（2）運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系）運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系 v 莫爾條紋的位移量和移動(dòng)方向與主光柵相對(duì)于指示光柵的位移莫爾條紋的位移量和移動(dòng)方向與主光柵相對(duì)于指示光柵的位移 量和位移方向有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。量和位移方向有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 （3）誤差平均效應(yīng)）誤差平均效應(yīng) v 由于莫爾條紋是由大量柵線共同作用形成的，對(duì)于光柵刻線誤由于莫爾條紋是由大量柵線共同作用形成的，對(duì)于光柵刻線誤 差起到了平均的作用。差起到了平均的作用。 W BKW 1 K 93 4.5.3 辯向與細(xì)分電路辯向與細(xì)分電路 v1. 辨向電路辨向電路 放大整形 放大整形 微分 微分 反相 Y1 Y2 觸發(fā)器 可逆 計(jì)數(shù)器 延時(shí) 1 Q Q u1 u2 圖4

54、-46 辨向電路 94 4.5.3 辯向與細(xì)分電路辯向與細(xì)分電路 v 2. 細(xì)分電路細(xì)分電路 (b) 圓錐形喇叭天線; (c) 旋轉(zhuǎn)拋物面天線; (d) 拋物柱面天線 (a)(b)(c)(d) 105 3. 微波檢測(cè)器微波檢測(cè)器 電磁波作為空間的微小電場(chǎng)變動(dòng)而傳播，所以使用電流-電壓特 性呈現(xiàn)非線性的電子元件作為探測(cè)它的敏感探頭。 與其它傳感器相比， 敏感探頭在其工作頻率范圍內(nèi)必須有足 夠快的響應(yīng)速度。 作為非線性的電子元件可用種類較多（半導(dǎo)體PN結(jié)元件、隧 道結(jié)元件等），根據(jù)使用情形選用。 106 微波傳感器的特點(diǎn)微波傳感器的特點(diǎn) 一種新型的非接觸傳感器。 有極寬的頻譜（波長(zhǎng)=1.0 mm1

55、.0m）可供選用，可根據(jù)被 測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)選擇不同的測(cè)量頻率； 在煙霧、 粉塵、 水汽、 化學(xué)氣氛以及高、 低溫環(huán)境中對(duì)檢 測(cè)信號(hào)的傳播影響極小， 因此可以在惡劣環(huán)境下工作； 時(shí)間常數(shù)小， 反應(yīng)速度快， 可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)與實(shí)時(shí)處理， 便于自動(dòng)控制； 107 測(cè)量信號(hào)本身就是電信號(hào)，無須進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換， 從而簡(jiǎn) 化了傳感器與微處理器間的接口。 傳輸距離遠(yuǎn)，便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和遙控； 微波無顯著輻射公害。 缺點(diǎn)：微波傳感器存在的主要問題是零點(diǎn)漂移和標(biāo)定零點(diǎn)漂移和標(biāo)定尚未得到 很好的解決。 其次， 測(cè)量環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果影響大， 如溫度、 氣壓、 取樣位置等。 108 4.6.2 微波傳感器應(yīng)用微波傳感器應(yīng)用

56、 v1. 微波物位傳感器微波物位傳感器 振蕩器 前置 放大器 放大器 電壓 比較器 被測(cè) 對(duì)象 S 微波 發(fā)射天線 微波 接收天線 當(dāng)被測(cè)物位低于設(shè)定物位時(shí)，接收天線接收的功率為 當(dāng)被測(cè)物位升高到天線所在高度時(shí)，接收天線接收的功率為 2 0 () 4 ttr PPGG S 0r PP 109 4.6.2 微波傳感器的應(yīng)用微波傳感器的應(yīng)用 微 波 發(fā) 射 天 線 S d 微 波 接 收 天 線 2.微波液位計(jì)微波液位計(jì) 接收接收天天線收到的線收到的功功率率Pr為為2 22 () 44 ttr r PGG P Sd 110 微波定位傳感器微波定位傳感器 111 4.7.1 4.7.1 超聲波及其特

57、性超聲波及其特性 波動(dòng)（簡(jiǎn)稱波）：振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播 聲波：其頻率在162104 Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波 次聲波：低于16 Hz的機(jī)械波 超聲波：高于2104 Hz的機(jī)械波 微波：頻率在310831011 Hz之間的波 4.7 4.7 超聲波傳感器超聲波傳感器 112 聲波的頻率界限圖 113 4.7.1 超聲波及其特性超聲波及其特性 超聲波的反射和折射 2 1 sin sin c c 2. 2. 反射與折射反射與折射 114 4.7.1 超聲波及其特性超聲波及其特性 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和 聲強(qiáng)的衰減規(guī)律滿足以下函數(shù)關(guān)系： x x eII

58、2 0 x x ePP 0 式中: x P、 x I 聲波在距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)； 0 P 、 0 I 聲波在聲源處的聲壓和聲強(qiáng)； x 聲波與聲源間的距離； 衰減系數(shù)。 3. 3. 聲波的衰減聲波的衰減 115 4.7.2超聲波傳感器超聲波傳感器 壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)原理來工作的。壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)原理來工作的。 v 壓電式超聲波發(fā)生器是利用逆壓電效應(yīng)的原理將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換壓電式超聲波發(fā)生器是利用逆壓電效應(yīng)的原理將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換 成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于 壓電

59、材料的固有頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，此時(shí)產(chǎn)生的超聲波最強(qiáng)。壓電材料的固有頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，此時(shí)產(chǎn)生的超聲波最強(qiáng)。 v 壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應(yīng)原理進(jìn)行工作的。當(dāng)超聲壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應(yīng)原理進(jìn)行工作的。當(dāng)超聲 波作用到壓電晶片上時(shí)引起晶片伸縮，在晶片的兩個(gè)表面上便產(chǎn)波作用到壓電晶片上時(shí)引起晶片伸縮，在晶片的兩個(gè)表面上便產(chǎn) 生極性相反的電荷，這些電荷被轉(zhuǎn)換成電壓經(jīng)放大后送到測(cè)量電生極性相反的電荷，這些電荷被轉(zhuǎn)換成電壓經(jīng)放大后送到測(cè)量電 路，最后記錄或顯示出來。路，最后記錄或顯示出來。 1.壓電式超聲波傳感器 116 壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖 4.7.24.7.2超聲波傳感器超聲波傳

60、感器 117 4.7.2超聲波傳感器超聲波傳感器 v 3. 超聲波的發(fā)送與接收超聲波的發(fā)送與接收 v （1）發(fā)送電路）發(fā)送電路 v 電路中的電路中的G1、G2、 R1、R2、RP1和和C2 構(gòu)成高頻振蕩器，振構(gòu)成高頻振蕩器，振 蕩器振蕩頻率為蕩器振蕩頻率為 & 1 1 11 R1 R2 RP1 C1 C2 G1 C3 G2 G3 G4 G5 G6 MA40S2S 0.1f 0.001f 0.01f 82k 15k 5k 圖4-52 集成門電路超聲波發(fā)送電路 212 1 1.4 () f RRPC 118 4.7.2超聲波傳感器超聲波傳感器 v 3. 超聲波的發(fā)送與接收超聲波的發(fā)送與接收 v （