第4章-位移、物位傳感器

第4章位移、物位傳感器2/3/20231了解位移的概念及種類熟悉常用位移傳感器的工作原理學(xué)習(xí)目的2/3/202324.1電位器式位移傳感器4.2光柵位移傳感器4.3磁柵位移傳感器4.4接近傳感器4.5液位傳感器4.6電容式物位傳感器4.7流量傳感器本章小結(jié)復(fù)習(xí)思考題主要內(nèi)容返回主目錄2/3/20233概述在自動(dòng)檢測系統(tǒng)中，位移的測量是一種最基本的測量工作，它的特性是測量空間距離的大小，如距離、位置、尺寸、角度等。按照位移的特征位移傳感器分類線位移——機(jī)構(gòu)沿著某一條直線移動(dòng)的距離角位移——機(jī)構(gòu)沿著某一定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度根據(jù)傳感器的工作原理電阻式位移傳感器電容式位移傳感器電感式位移傳感器光電式位移傳感器、光柵以及磁柵感應(yīng)同步器、激光位移傳感器根據(jù)輸出信號(hào)模擬式數(shù)字式根據(jù)傳感器原理和使用方法接觸式非接觸式2/3/20234電容式位移傳感器、差動(dòng)電感式位移傳感器和電阻應(yīng)變式位移傳感器，一般用于小位移的測量(幾微米～幾毫米)，差動(dòng)變壓器式位移傳感器用于中等位移的測量(幾毫米～100毫米左右)。電阻電位器式位移傳感器適用于較大范圍位移的測量，但精度不高。感應(yīng)同步器、光柵、磁柵、激光位移傳感器用于精密檢測系統(tǒng)位移的測量，測量精度高(可達(dá)±1m)，量程也可大到幾米。返回本章目錄2/3/20235位移傳感器不僅用于直接測量角位移和線位移的場合，而且在其他物理量如力、壓力、應(yīng)變、液位等能轉(zhuǎn)換成位移的任何場合中，也廣泛作為測量和控制反饋傳感器用。電容式傳感器、電感式傳感器和電阻應(yīng)變式傳感器前面章節(jié)已經(jīng)詳細(xì)講解，本章主要介紹電位器式位移傳感器、光柵位移傳感器、磁柵位移傳感器、液位位移傳感器。返回本章目錄2/3/202364.1電位器式位移傳感器4.1.1.電位器的基本概念電位器是人們常用到的一種電子元件，它作為傳感器可以將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為與其有一定函數(shù)關(guān)系的電阻值的變化，從而引起電路中輸出電壓的變化。圖4-1電位器結(jié)構(gòu)電位器由電阻體和電刷（也稱可動(dòng)觸點(diǎn)）兩部分組成，可作為變阻器使用，如圖4-1a所示，也可作為分壓器使用，如圖4-1b所示。2/3/202374.1電位器式位移傳感器圖4-1電位器結(jié)構(gòu)分壓器兩邊電阻的比值為

若以恒定電流I從電阻體的a端流入，并將電阻體的b端接地，則變阻器和分壓器的輸出電阻體b端接地，則分壓器輸出電壓若在分壓器的兩端施加電壓當(dāng)電刷沿電阻體的接觸表面從b端移向a時(shí)，在電刷兩邊的電阻體阻值隨之發(fā)生變化。設(shè)電阻體全長為L，總電阻為R，則當(dāng)電刷移動(dòng)距離為x時(shí)，變阻器的電阻值為2/3/202384.1電位器式位移傳感器由上可見，電位器的輸出信號(hào)均與電刷的位移量成比例，實(shí)現(xiàn)了位移與輸出電信號(hào)的對應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系。因此，這類傳感器可用于測量機(jī)械位移量，或可測量已轉(zhuǎn)換成位移量的其它物理量（如壓力、振動(dòng)加速度等）。這種類型傳感器特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉，輸出信號(hào)大，一般不需放大，但是，它的分辨率不高，精度也不高，所以不適于精度要求較高的場合。另外，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，不適于動(dòng)態(tài)快速測量。2/3/202394.1.2電位器的類型、結(jié)構(gòu)與材料電位器式傳感器按結(jié)構(gòu)形式圖4-2電位器結(jié)構(gòu)形式直線位移型角位移型按工藝特點(diǎn)線繞式非線繞式按制作材料繞線式電位器合成膜電位器金屬膜電位器導(dǎo)電塑料電位器導(dǎo)電玻璃釉電位器光電式電位器2/3/2023101.電阻絲電阻絲的材料應(yīng)是電阻率大、電阻溫度系數(shù)小、柔軟，但強(qiáng)度高，抗蝕性好、抗拉強(qiáng)度高、容易焊接，且熔點(diǎn)高。常用的材料為：銅鎳合金、銅錳合金、鉑鉻合金及鎳鉻絲等。2.骨架與基體骨架與基體應(yīng)形狀穩(wěn)定，表面絕緣電阻高，并有較好的散熱能力。常用的材料有陶瓷、酚醛樹脂、工程塑料以及經(jīng)過絕緣處理的鋁合金等。圖4-3常見電刷結(jié)構(gòu)電位器由電阻體包括電阻絲（或電阻薄膜）、骨架和電刷組成2/3/2023113.電刷電刷是電位器中關(guān)鍵零件之一，一般用貴金屬材料或金屬薄片制成。金屬絲直徑約0.1～0.2mm，電刷頭部應(yīng)彎成弧形，以防接觸面過大而磨損，如圖4-3所示為常見電刷結(jié)構(gòu)。電刷要有一定的彈性，以保證與電阻體可靠接觸，另外抗蝕性好、抗拉強(qiáng)度高、容易焊接，且熔點(diǎn)高。圖4-3常見電刷結(jié)構(gòu)電位器由電阻體包括電阻絲（或電阻薄膜）、骨架和電刷組成2/3/2023124.1.3電位器的主要技術(shù)指標(biāo)1.最大阻值和最小阻值——指電位器阻值變化能達(dá)到的最大值和最小值。2.電阻值變化規(guī)律——指電位器阻值變化的規(guī)律，例如對數(shù)式、指數(shù)式、直線式等。3.線形電位器的線性度——指阻值直線式變化的電位器的非線性誤差。4.滑動(dòng)噪聲——電刷移動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)接觸點(diǎn)打火產(chǎn)生的噪聲電壓大小。2/3/2023134.1.4線位移傳感器電位器式線位移傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖4-4所示當(dāng)滑桿隨待測物體往返運(yùn)動(dòng)時(shí)，電刷在電阻體上也來回滑動(dòng)。使電位器兩端輸出電壓隨位移量改變而變化

圖4-4線位移傳感器2/3/2023144.1.5角位移傳感器圖

傳感器的轉(zhuǎn)軸與被測角度轉(zhuǎn)軸相連，電刷在電位器上轉(zhuǎn)過一個(gè)角位移時(shí)，在檢測輸出端有一個(gè)與轉(zhuǎn)角成比例的電壓輸出2/3/202315慣性敏感元件在被測加速度的作用下，使片狀彈簧產(chǎn)生正比于被測加速度的位移，從而引起電刷在電阻體上下滑動(dòng)，輸出與加速度成比例的電壓信號(hào)4.1.6電位器式傳感器的應(yīng)用當(dāng)被測流體通入彈性敏感元件膜盒的內(nèi)腔時(shí)，在流體壓力作用下，膜合硬中心產(chǎn)生彈性位移，推動(dòng)連桿上移，使曲柄軸帶動(dòng)電位器的電刷在電阻體上滑動(dòng)，輸出與被測壓力成正比的電壓信號(hào)返回本章目錄2/3/202316４.2光柵位移傳感器

4.2.1光柵的概念由大量等寬等間距的平行狹縫組成的光學(xué)器件稱為光柵，如圖4-8所示。用玻璃制成的光柵稱為透射光柵，它是在透明玻璃上刻出大量等寬等間距的平行刻痕，每條刻痕處是不透光的，而兩刻痕之間是透光的；圖4-8光柵2/3/202317４.2光柵位移傳感器

4.2.1光柵的概念用不銹鋼制成的光柵稱為反射式光柵。光柵的刻痕密度一般為每毫米10、25、50、100、250線。刻痕之間的距離稱為柵距W。設(shè)刻痕寬度為a，狹縫寬度為b，則，一般情況下取。圖4-8光柵2/3/2023182/3/2023192/3/2023204.2.2光柵位移傳感器的工作原理——莫爾條紋莫爾條紋——如果把兩塊柵距W相等的光柵面平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ，這時(shí)光柵上會(huì)出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，如圖4-9所示。莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成，圖4-9中d-d線區(qū)所示。f-f

線區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的。

圖4-9莫爾條紋2/3/202321θW莫爾條紋演示2/3/202322圖7-8莫爾條紋莫爾條紋放大系數(shù)2/3/202323莫爾條紋有兩個(gè)重要的特性位移的方向性：當(dāng)指示光柵不動(dòng)，主光柵左右平移時(shí)，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下移動(dòng)，查看莫爾條紋的上下移動(dòng)方向，即可確定主光柵左右移動(dòng)方向。莫爾條紋有位移的放大作用。當(dāng)主光柵沿有刻線垂直的方向移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距B。當(dāng)兩個(gè)等距光柵的柵間夾角θ較小時(shí)，主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移動(dòng)KW距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)，可由下式確定，即上式可以看出，當(dāng)θ角較小時(shí)，例如θ=30′，則K=115，表明莫爾條紋的放大倍數(shù)相當(dāng)大。當(dāng)θ=0.1o時(shí)，K=573這樣，就可以把肉眼看不到的光柵位移變成為清晰可見的莫爾條紋移動(dòng)，可以用測量條紋的位移來檢測光柵的位移，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度的位移測量。2/3/2023244.2.3光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖4-10所示。它主要由主光柵、指示光柵、光源和光電器件等組成，其中主光柵和被測物體相連，它隨被測物體的直線位移而產(chǎn)生移動(dòng)。當(dāng)主光柵產(chǎn)生位移時(shí)，莫爾條紋便隨著產(chǎn)生位移，若用光電器件記錄莫爾條紋通過某點(diǎn)的數(shù)目，便可知主光柵移動(dòng)的距離，也就測得了被測物體的位移量。利用上述原理，通過多個(gè)光敏器件對莫爾條紋信號(hào)的內(nèi)插細(xì)分，便可檢測出比光柵距還小的位移量及被測物體的移動(dòng)方向。圖4-10光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖2/3/2023254.2.4光柵位移傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用由于莫爾條紋是明暗交替的，當(dāng)莫爾條紋上下移動(dòng)時(shí)，只要用光敏元件檢測出來明、暗的變化，就可得知位移的大小，實(shí)現(xiàn)測量結(jié)果的二值化。另外莫爾條紋是由光柵的大量刻線形成的，對刻線誤差有平均作用，能在很大程度上消除刻線不均勻引起的誤差。由于光柵位移傳感器測量精度高（分辨率為0.1μm）、動(dòng)態(tài)測量范圍廣（0～1000mm），可進(jìn)行無接觸測量，而且容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化和數(shù)字化，因而在機(jī)械工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在量具、數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)反饋控制、工作主機(jī)的坐標(biāo)測量等方面，光柵位移傳感器都起著重要的作用。返回本章目錄2/3/202326４.3磁柵位移傳感器4.3.1磁柵的概念磁柵是一種有磁化信息的標(biāo)尺，它是在非磁性體的平整表面上鍍一層約0.02㎜厚的Ni-Co-P磁性薄膜，并用錄音磁頭沿長度方向按一定的激光波長λ錄上磁性刻度線而構(gòu)成的，因此又把磁柵稱為磁尺。錄制磁信息時(shí)，要使磁尺固定，磁頭根據(jù)來自激光波長的基準(zhǔn)信號(hào)，以一定的速度在其長度方向上邊運(yùn)行邊流過一定頻率的相等電流，這樣，就在磁尺上記錄了相等節(jié)距的磁化信息而形成磁柵。磁柵錄制后的磁化結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)個(gè)小磁鐵按NS、SN、NS……的狀態(tài)排列起來，如圖４-１１

所示。因此在磁柵上的磁場強(qiáng)度呈周期性地變化，并在N-N或S-S相接處為最大處。圖4-11磁柵的基本結(jié)構(gòu)2/3/2023272/3/202328４.３.２磁柵的種類磁柵的種類可分為單面型直線磁柵、同軸型直線磁柵和旋轉(zhuǎn)型磁柵等。磁柵主要用于大型機(jī)床和精密機(jī)床作為位置或位移量的檢測元件。磁柵和其他類型的位移傳感器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，動(dòng)態(tài)范圍大（1～20m）和磁信號(hào)可以重新錄制等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是需要屏蔽和防塵。

2/3/2023294.3.3磁柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理磁柵位移傳感器由磁尺（磁柵）、磁頭和檢測電路組成。工作原理是電磁感應(yīng)原理，當(dāng)線圈在一個(gè)周期性磁體表面附近勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈上就會(huì)產(chǎn)生不斷變化的感應(yīng)電動(dòng)勢。感應(yīng)電動(dòng)勢的大小，既和線圈的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，還和磁性體與線圈接觸時(shí)的磁性大小及變化率有關(guān)。根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢的變化情況，就可獲得線圈與磁體相對位置和運(yùn)動(dòng)的信息。磁尺是檢測位移的基準(zhǔn)尺，磁頭用來讀取磁尺上的記錄信號(hào)。按讀取方式不同，磁頭分為動(dòng)態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭兩種。2/3/2023301.動(dòng)態(tài)磁頭動(dòng)態(tài)磁頭上只有一個(gè)輸出繞組，只有當(dāng)磁頭和磁尺相對運(yùn)動(dòng)時(shí)才有信號(hào)輸出，因此又稱動(dòng)態(tài)磁頭為速度響應(yīng)磁頭。運(yùn)動(dòng)速度不同，輸出信號(hào)的大小和周期也不同，因此，對運(yùn)動(dòng)速度不均勻的部件，或時(shí)走時(shí)停的機(jī)床，不宜采用動(dòng)態(tài)磁頭進(jìn)行測量。但動(dòng)態(tài)磁頭測量位移較簡單，磁頭輸出為正弦信號(hào)，在N、N處達(dá)到正向峰值，在S、S處為負(fù)向峰值如圖4-12所示，通過計(jì)數(shù)磁尺的磁節(jié)距個(gè)數(shù)（或正弦波周期個(gè)數(shù)），就可知道磁頭與磁尺間的相對位移量。圖4-12動(dòng)態(tài)磁頭輸出波形與磁柵位置關(guān)系式中n——正弦波周期個(gè)數(shù)（磁節(jié)距個(gè)數(shù)）W——磁節(jié)距圖4-12動(dòng)態(tài)磁頭輸出波形與磁柵位置關(guān)系2/3/2023312.靜態(tài)磁頭靜態(tài)磁頭是一種調(diào)制式磁頭，磁頭上有兩個(gè)繞組，一個(gè)是激勵(lì)繞組，加以激勵(lì)電源電壓，另一個(gè)是輸出繞組。即使在磁頭與磁尺之間處于相對靜止時(shí)，也會(huì)因?yàn)橛薪蛔兗?lì)信號(hào)使輸出繞組有感應(yīng)電壓信號(hào)輸出。如圖4-13所示，可見輸出信號(hào)是一個(gè)幅值不變，相位隨磁頭與磁柵相對位置變化而變化的信號(hào)，可用鑒相電路測出該調(diào)相信號(hào)的相位，從而測出位移。靜態(tài)磁頭和磁尺之間有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出繞組產(chǎn)生一個(gè)新的感應(yīng)電壓信號(hào)輸出，它作為包絡(luò)，調(diào)制在原感應(yīng)電壓信號(hào)頻率上。該電壓隨磁尺磁場強(qiáng)度周期的變化而變化，從而將位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。這提高了測量精度。檢測電路主要用來供給磁頭激勵(lì)電壓和把磁頭檢測到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)輸出并以數(shù)字形式顯示出來。磁頭總的輸出信號(hào)為:2/3/2023324.3.4磁柵位移傳感器的應(yīng)用磁柵位移傳感器和其他類型的位移傳感器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，動(dòng)態(tài)范圍大（1～20m）和磁信號(hào)可以重新錄制等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是需要屏蔽和防塵。磁柵位移傳感器主要用于大型機(jī)床和精密機(jī)床作為位置或位移量的檢測元件，其行程可達(dá)數(shù)十米，分辨率優(yōu)于。磁柵位移傳感器允許最高工作速度為12m/min，系統(tǒng)的精度可達(dá)0.01mm/m，最小指示值0.001mm，使用范圍0～40℃，是一種測量大位移的傳感器。2/3/202333返回本章目錄2/3/202334４.4接近傳感器接近傳感器是一種具有感知物體接近能力的器件。它利用位移傳感器對接近的物體具有的敏感特性來識(shí)別物體的接近，并輸出相應(yīng)開關(guān)信號(hào)。因此，通常又把接近傳感器稱為接近開關(guān)。常見的接近傳感器有電容式、渦流式、霍爾效應(yīng)式、光電式、熱釋電式、多普勒式、電磁感應(yīng)式及微波式、超聲波式等等。

2/3/202335４.4.1電容式接近傳感器

電容式接近傳感器是一個(gè)以電極為檢測端的靜電電容式接近開關(guān)，它由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成，如圖４-１４

所示：平時(shí)檢測電極與大地之間存在一定的電容量，它成為振蕩電路的一個(gè)組成部分。當(dāng)被檢測電極接近檢測電極時(shí)，由于檢測電極加有電壓，檢測電極就會(huì)受到靜電感應(yīng)而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，被測物體越靠近檢測電極，檢測電極上的電荷就越多，由于檢測電極的靜電電容為C=Q/V，所以電荷的增多，使檢測電極電容C隨之增大，進(jìn)而又使振蕩電路的振蕩減弱，甚至停止振蕩。振蕩電路的振蕩與停振這兩種狀態(tài)被檢測電路轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號(hào)后向外輸出。圖4-14電容式接近傳感器原理框圖電容式接近傳感器檢測的被測物體是金屬導(dǎo)體，非金屬導(dǎo)體不能用該方法測量.2/3/202336４.4.2電感式接近傳感器電感式接近傳感器由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成。如圖4-15所示。檢測用敏感元件為檢測線圈，它是振蕩電路的一個(gè)組成部分，振蕩電路的振蕩頻率為。當(dāng)檢測線圈通以交流電時(shí)，在檢測線圈的周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場，當(dāng)金屬物體接近檢測線圈時(shí)，金屬物體就會(huì)產(chǎn)生電渦流而吸收磁場能量，使檢測線圈的電感L發(fā)生變化，從而使振蕩電路的振蕩頻率減小，以至停振。振蕩與停振這兩種狀態(tài)經(jīng)檢測電路轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)輸出。圖4-15a）電感式接近傳感器原理框圖2/3/202337圖4-15b）電感式接近傳感器工作過程電感式接近傳感器檢測的被測物體也是金屬導(dǎo)體，非金屬導(dǎo)體不能用該方法測量。振幅變化隨目標(biāo)物金屬種類而不同，因此檢測距離也隨目標(biāo)物金屬的種類而不同。2/3/202338接近開關(guān)外形2/3/2023394.4.3接近傳感器的應(yīng)用接近傳感器主要用于檢測物體的位移．在航空、航天技術(shù)以及工業(yè)生產(chǎn)中都有廣泛的應(yīng)用。在日常生活中，如賓館、飯店、車庫的自動(dòng)門、自動(dòng)熱風(fēng)機(jī)上都有應(yīng)用。在安全防盜方面，如資料檔案、財(cái)會(huì)、金融、博物館、金庫等重地，通常都裝有由各種接近開關(guān)組成的防盜裝置。在測量技術(shù)中，如長度，位置的測量．在控制技術(shù)中，如位移、速度、加速度的測量和控制，也都使用著大量的接近開關(guān)。返回本章目錄2/3/2023404.5液位傳感器測量液位的目的：一種是為了液體儲(chǔ)藏量的管理，一種是為了液位的安全或自動(dòng)化控制，有時(shí)需要精確的液位數(shù)據(jù)，有時(shí)只需液位升降的信息。液位傳感器浮子式液位傳感器平衡浮筒式液位傳感器壓差式液位傳感器電容式液位傳感器導(dǎo)電式液位傳感器超聲波式液位傳感器放射線式液位傳感器2/3/2023414.5.1導(dǎo)電式水位傳感器導(dǎo)電式水位傳感器的基本工作原理，如圖4-16所示。電極可根據(jù)檢測水位的要求進(jìn)行升降調(diào)節(jié)，它實(shí)際上是一個(gè)導(dǎo)電性的檢測電路。當(dāng)水位低于檢知電極時(shí)，兩電極間呈絕緣狀態(tài)，檢測電路沒有電流流過，傳感器輸出電壓為0。假如水位上升到與兩檢知電極端都接觸時(shí)，由于水有一定的導(dǎo)電性，因此測量電路中有電流流過，指示電路中的顯示儀表就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)在限流電阻兩端有電壓輸出。人們通過儀表或輸出電壓便得知水位已達(dá)到預(yù)定的高度了。如果把輸出電壓和控制電路連接起來，便可對供水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。圖4-16導(dǎo)電式水位傳感器基本工作原理2/3/202342圖4-17

導(dǎo)電式水位傳感器的電路原理圖方波發(fā)生器比較器

水位上升與檢知電極接觸

矩形波信號(hào)被旁路

低電平

高電平

熄滅水位低于檢知電極

低電平

閃爍發(fā)光

高電平

2/3/2023434.5.2壓差式液位傳感器壓差式液位傳感器是根據(jù)液面的高度與液壓成比例的原理制成的。如果液體的密度恒定，則液體加在測量基準(zhǔn)面上的壓力與液面到基準(zhǔn)面的高度成正比，因此通過壓力的測定便可知液面的高度。當(dāng)儲(chǔ)液罐為開放型時(shí)，如圖4-18所示，其基準(zhǔn)面上的壓力由下式確定，即

圖4-18開放型儲(chǔ)液罐壓力示意圖由于需要測定的是高度，因此調(diào)整壓力傳感器的零點(diǎn)，把壓力傳感器的零點(diǎn)提高，就可以得到壓力與液面高度成比例的輸出2/3/202344圖4-19密封型儲(chǔ)液罐測壓示意圖兩側(cè)的壓力差

2/3/2023454.5.3磁致伸縮液位（位移）傳感器1.磁致伸縮效應(yīng)大家知道物質(zhì)有熱脹冷縮的現(xiàn)象。除了加熱外，磁場和電場也會(huì)導(dǎo)致物體尺寸的伸長或縮短。鐵磁性物質(zhì)在外磁場作用下，其尺寸伸長（或縮短），去掉外磁場后，其又恢復(fù)原來的長度，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象（或效應(yīng)）。另外有些物質(zhì)（多數(shù)是金屬氧化物）在電場作用下，其尺寸也伸長（或縮短），去掉外電場后又恢復(fù)其原來的尺寸，這種現(xiàn)象稱為電致伸縮現(xiàn)象。2/3/2023464.5.3磁致伸縮液位（位移）傳感器磁致伸縮效應(yīng)可用磁致伸縮系數(shù)（或應(yīng)變）λ來描述，物體原來的長度

在外磁場作用下伸長（或縮短）后的長度

磁致伸縮用的材料較多，主要有鎳、鐵、鈷、鋁類合金與鎳銅鈷鐵氧陶瓷，其磁致伸縮系數(shù)為量級(jí)2/3/2023472.磁致伸縮液位傳感器的工作原理圖磁致伸縮液位傳感器是根據(jù)磁致伸縮測量原理研制而成，可精確地測量液位、界面的高度和溫度。具有測量精度高、穩(wěn)定可靠、抗干擾、安裝方便快捷、免定期維護(hù)和標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)。適用于石化、電力、生物制劑、糧油、釀造等行業(yè)各種油面和界面的精確計(jì)量。圖4-20磁致伸縮液位傳感器測量示意圖2/3/2023482.磁致伸縮液位傳感器的工作原理圖磁致伸縮線性位移(液位)傳感器主要由測桿、電子倉和套在測桿上的非接觸的磁環(huán)或浮球（子）組成。如圖4-20所示。測桿內(nèi)裝有磁致伸縮線(波導(dǎo)線)，測桿由不導(dǎo)磁的不銹鋼管制成，可靠地保護(hù)了波導(dǎo)絲。浮子內(nèi)裝有一組永久磁鐵，所以浮子同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)磁場。圖4-20磁致伸縮液位傳感器測量示意圖2/3/202349工作時(shí)，由電子倉內(nèi)電子電路產(chǎn)生一起始脈沖，此起始脈沖在波導(dǎo)線中傳輸時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生了一沿波導(dǎo)線方向前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)磁場，當(dāng)這個(gè)磁場與磁環(huán)或浮球中的永久磁場相遇時(shí)，產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，使波導(dǎo)絲發(fā)生扭動(dòng)，這一扭動(dòng)被安裝在電子倉內(nèi)的拾能機(jī)構(gòu)所感知并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流脈沖即終止脈沖，通過電子電路計(jì)算出起始脈沖和終止脈沖之間的時(shí)間差，即可精確測出被測的位移和液位。圖4-21磁致伸縮液位傳感器結(jié)構(gòu)原理圖電子倉內(nèi)電子電路產(chǎn)生起始脈沖旋轉(zhuǎn)磁場磁致伸縮效應(yīng)波導(dǎo)絲發(fā)生扭動(dòng)終止脈沖圖4-22磁致伸縮液位傳感器的外形圖2/3/202350返回本章目錄2/3/2023514.6電容式物位傳感器原理——電容式物位傳感器是利用被測物不同，其介電常數(shù)不同的特點(diǎn)進(jìn)行檢測的。可用于各種導(dǎo)電、非導(dǎo)電液體的液位或粉裝料位的遠(yuǎn)距離連續(xù)測量和指示。由于其結(jié)構(gòu)簡單，沒有可動(dòng)部分，因此用應(yīng)范圍較廣。由于被測介質(zhì)的不同，電容式物位傳感器也有不同的形式，現(xiàn)以測量導(dǎo)電液體的電容式物位傳感器和測量非導(dǎo)電液體的電容物位傳感器為例進(jìn)行簡介。2/3/2023524.6.1電容式液位傳感器的工作原理電容式液位傳感器是把液體位置的變化變換成電容量的變化，以實(shí)現(xiàn)非電量電測的。通過測量電容量的變化間接得到液位的變化。圖4-23圓柱形電容器電容式液位傳感器是根據(jù)圓柱形電容器傳感器原理進(jìn)行工作的，其結(jié)構(gòu)形式如圖4-23所示，有兩個(gè)長度為L,半徑分別為R和r的圓筒形金屬導(dǎo)體，中間隔以絕緣物質(zhì)便構(gòu)成圓柱形電容器。當(dāng)中間所充介質(zhì)的介電常數(shù)為時(shí)，則兩圓柱間的電容量為圖4-23圓柱形電容器非導(dǎo)電性材料兩圓柱形電極間填充了介電常數(shù)為的液體（非導(dǎo)電性）時(shí)，則兩圓柱間的電容量就會(huì)發(fā)生變化。假如液體的高度為，此時(shí)兩電極間的電容量為電容量的變化量為：2/3/2023532.導(dǎo)電性液體高度測量如果被測介質(zhì)為導(dǎo)電性液體時(shí)，在液體中插入一根帶絕緣套的電極。由于液體是導(dǎo)電的，容器和液體可看作為電容器的一個(gè)電極，插入的金屬電極作為另一個(gè)電極，絕緣套管為中間介質(zhì)，三者組成圓筒電容器，如圖4-24所示。當(dāng)液位變化時(shí)，就改變了電容器兩極覆蓋面積的大小，液位越高，覆蓋面積就越大，容器的電容量就越大。假如中間介質(zhì)的介電常數(shù)為，電極被導(dǎo)電液體浸沒的長度為，則此時(shí)電容器的電容量為圖4-24導(dǎo)電性液位測量絕緣覆蓋層外半徑

內(nèi)電極的外半徑2/3/2023542/3/2023554.6.2電容式物位傳感器當(dāng)測量粉狀導(dǎo)電固體料位和粘滯非導(dǎo)電液位時(shí)，可采用光電極直接插入圓筒形容器的中央，將儀表地線與容器相連，以容器作為外電極，物料或液體作為絕緣物構(gòu)成圓筒形電容器，如圖4-25為電容式料位傳感器結(jié)構(gòu).電容物位傳感器主要由電極（敏感元件）和電容檢測電路組成?？捎糜趯?dǎo)電和非導(dǎo)電液體之間及兩種介電常數(shù)不同的非導(dǎo)電液體之間的界面測量。因測量過程中電容的變化都很小，因此準(zhǔn)確的檢測電容量的大小是物位檢測的關(guān)鍵。圖4-25

電容式料位傳感器結(jié)構(gòu)2/3/2023564.6.3電容式物位傳感器的應(yīng)用晶體管電容料位指示儀是用來監(jiān)視密封料倉內(nèi)導(dǎo)電性不良的松散物質(zhì)的料位，并能對加料系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。在儀器的面板上裝有指示燈：紅燈指示“料位上限”，綠燈指示“料位下限”。當(dāng)紅燈亮?xí)r表示料面已經(jīng)達(dá)到上限，此時(shí)應(yīng)停止加料；當(dāng)紅燈熄滅，綠燈仍然亮?xí)r，表示料面在上下限之間；當(dāng)綠燈熄滅時(shí)，表示料面低于下限，應(yīng)該加料。圖4-26晶體管電容料位指示儀電路原理圖返回本章目錄2/3/2023574.7流量傳感器流量是指流體在單位時(shí)間內(nèi)通過管道某一截面的體積或質(zhì)量數(shù)。前者稱為體積流量，后者稱為質(zhì)量流量。因?yàn)榱黧w有一定的粘性，流速在管截面上的分布是不均勻的，所以流速一般用平均流速表示。根據(jù)流量的概念，流體的流量可以表示為：體積流量質(zhì)量流量平均流速管截面積質(zhì)量密度測量流量的傳感器常用的有：電磁式、速度式、渦流式、超聲波式等流量傳感器。常用的流體單位有2/3/2023584.7.1電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)是20世紀(jì)50~60年代隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型流量測量儀表。電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制成的，用來測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛地被應(yīng)用于工業(yè)過程中各種導(dǎo)電液體的流量測量，如各種酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì)；各種漿液流量測量，形成了獨(dú)特的應(yīng)用領(lǐng)域。在結(jié)構(gòu)上，電磁流量計(jì)由電磁流量傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。傳感器安裝在工業(yè)過程管道上，它的作用是將流進(jìn)管道內(nèi)的液體體積流量值線性的變換成感應(yīng)電勢信號(hào)，并通過傳輸線將此信號(hào)送到轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器安裝在離傳感器不太遠(yuǎn)的地方，它將傳感器送來的流量信號(hào)進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成與流量信號(hào)成正比的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出，以進(jìn)行顯示、累積和調(diào)節(jié)控制。

2/3/2023591.電磁流量計(jì)的基本原理根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)一導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí)，在導(dǎo)體的兩端即產(chǎn)生感生電勢e，其方向由右手定則確定，其大小與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，導(dǎo)體在磁場內(nèi)的長度L及導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度成正比，如果B，L，三者互相垂直，則2/3/202360在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場中，垂直于磁場方向放一個(gè)內(nèi)徑為D的不導(dǎo)磁管道，當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中以流速流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電流體就切割磁力線。如果在管道截面上垂直于磁場的直徑兩端安裝一對電極，如圖4-27所示。圖4-27

電磁流量計(jì)原理簡圖管道的體積流量

可以證明，只要管道內(nèi)流速分布均勻，兩電極之間也將產(chǎn)生感生電動(dòng)勢：2/3/202361電磁式流量傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)(1)沒有機(jī)械可動(dòng)部分，安裝使用簡單可靠。

(2)電極的距離正好為導(dǎo)管的內(nèi)徑，因此沒有妨礙流體流動(dòng)的障礙，壓力損失極小。(3)能夠得到與容積流量成正比的輸出信號(hào)。(4)測量結(jié)果不受流體粘度的影響。(5)由于電動(dòng)勢是包含電極的導(dǎo)管的斷面處作為平均流量測得的，因此受流速分布影響較小(6)測量范圍寬，可以從0.005～190000。(7)測量的精度高，可達(dá)0.5%。2/3/202362使用電磁式流量傳感器時(shí)應(yīng)注意(1)由于導(dǎo)管是絕緣體，電流在流體中流動(dòng)很容易受雜波的干擾，因此必須在安裝流量傳感器的管道兩端設(shè)置接地環(huán)接地。(2)雖然流速的分布對精度的影響不大，但為了消除這種影響，應(yīng)保證液體流動(dòng)管道有足夠的直線長度。(3)使用電磁式流量計(jì)時(shí)，必須使管道內(nèi)充滿液體。最好是把管道垂直設(shè)置，讓被測液體從上至下流動(dòng)。(4)測定電導(dǎo)率較小的液體時(shí)，由于兩電極間的內(nèi)部阻抗（電動(dòng)勢的內(nèi)阻）比較高，故所接信號(hào)放大器要有100MΩ左右的輸入阻抗。為保證傳感器正常的工作，液體的速率必須保證在5cm/s以上。電磁式流量計(jì)可以廣泛應(yīng)用于自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、海水、污水、污泥及化學(xué)藥品、食品和礦漿等流量的檢測。2/3/2023634.7.2渦流式流量傳感器渦流式流量傳感器也是一種速度式流量傳感器。它是通過測量安裝在管道中的渦輪轉(zhuǎn)速而間接測量流體的流速，進(jìn)而測得流量的。當(dāng)葉輪置于流體中時(shí)，由于葉輪的迎流面和背流面流速不同，因此在流向方向形成壓差，所產(chǎn)生的推力使葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。如果選擇摩擦力小的軸承來支撐葉輪，且葉輪采用輕型材料制作，那么