項目五位移的檢測新課導(dǎo)入知識目標(biāo)能力目標(biāo)課件

項目五位移的檢測[新課導(dǎo)入]位移包括直線位移和角位移。在各行各業(yè)的自動控制系統(tǒng)中對位移的檢測是最常見和基本的檢測項目。位移傳感器按輸出信號可分為模擬式位移傳感器和數(shù)字式位移傳感器；按工作原理可分為電位器式、電感式、電容式、超聲波式、光電式及光柵式位移傳感器；按使用方法的不同可分為接觸式和非接觸式兩大類。本項目將通過對電位器式、電感式、光柵式位移傳感器的介紹，學(xué)習(xí)工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中位移檢測的方法及應(yīng)用。[知識目標(biāo)]·

掌握電位器式位移傳感器的工作原理及典型應(yīng)用·

掌握電感式位移傳感器的工作原理及典型應(yīng)用·

理解光柵式位移傳感器的工作原理，掌握其應(yīng)用[能力目標(biāo)]·

能認(rèn)識常見位移傳感器并了解其結(jié)構(gòu)及特性·

能掌握電位器式、電感式及光柵式位移傳感器的使用方法，學(xué)會直線位移和角位移的測量·

能掌握螺線管式電感傳感器測量位移的方法和步驟；學(xué)會光柵傳感器的安裝與檢修方法項目要求項目五位移的檢測任務(wù)一模擬式位移傳感器檢測位移一、電位器式傳感器檢測位移

模擬式位移傳感器有電位器式、電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、超聲波式、光電式、霍爾式位移傳感器等，本次任務(wù)著重學(xué)習(xí)電位器式和電感式位移傳感器。

電位器是一種常用的電子元件，廣泛應(yīng)用于各種電器和電子設(shè)備中。它是一種把機(jī)械的線位移和角位移轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻和電壓輸出的傳感元件。電位器式傳感器與電阻應(yīng)變片式傳感器、壓阻式傳感器一樣同統(tǒng)屬于電阻式傳感器。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、性能穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)、輸出信號大等優(yōu)點，不足是分辨力有限，動態(tài)響應(yīng)較差。其實物外形見圖5-1所示。（a）直線位移式(b)角位移式圖5-1部分電位器式位移傳感器外形圖項目五位移的檢測任務(wù)一模擬式位移傳感器檢測位移

一、電位器式傳感器檢測位移1.電位器式位移傳感器的結(jié)構(gòu)及原理

（1）結(jié)構(gòu)：電位器式位移傳感器是由電阻元件、電刷和骨架等構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)見圖5-2所示。圖5-2電位器式位移傳感器結(jié)構(gòu)圖項目五位移的檢測任務(wù)一模擬式位移傳感器檢測位移

一、電位器式傳感器檢測位移1.電位器式位移傳感器的結(jié)構(gòu)及原理

（2）原理：圖5-3所示為常用的線性直線位移傳感器的原理圖，其電阻元件由金屬電阻絲繞成，電阻絲截面積相等，電阻沿長度分布均勻。設(shè)電位器全長為Xmax，總電阻為Rmax，則當(dāng)電刷由A到B移動x距離后，A到電刷間的電阻為

Rx＝×x＝krx(5-1)若做分壓用，設(shè)加在電位器A、B之間的電壓為Umax，則輸出電壓為

Ux＝×x＝kux(5-2)

kr為電位器的電阻靈敏度，ku為電位器的電壓靈敏度。圖5-3電位器式傳感器直線位移原理圖項目五位移的檢測任務(wù)一模擬式位移傳感器檢測位移

一、電位器式傳感器檢測位移1.電位器式位移傳感器的結(jié)構(gòu)及原理

（2）原理：

與直線式位移傳感器原理相同，如圖5-4所示，角位移傳感器的電阻R與角度α的關(guān)系為：

Rα＝×a＝kra(5-3)

電壓與角度的關(guān)系為：

Uα＝×a＝kua(5-4)

由此可見，電位器式位移傳感器就是將直線位移和角位移的變化轉(zhuǎn)換為電刷觸點的移動，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成輸出電阻、電壓或電流的變化，從而實現(xiàn)位移檢測。圖5-4電位器式傳感器角位移原理圖項目五位移的檢測任務(wù)一模擬式位移傳感器檢測位移

一、電位器式傳感器檢測位移2.電位器式位移傳感器的應(yīng)用如圖5-5所示為電位器式位移傳感器測量壓力的原理示意圖。其原理是利用彈性元件（如彈簧管、膜片或膜盒）把被測的壓力信號變換為彈性元件的位移，然后再將此位移轉(zhuǎn)換為電刷觸點的移動，從而引起輸出電壓或電流相應(yīng)的變化。在彈性敏感元件膜盒的內(nèi)腔，施加被測流體壓力，在此壓力作用下，膜盒中心產(chǎn)生位移，推動連桿上移，使曲柄軸帶動電刷在電位器電阻絲上滑動，使傳感器的電阻值發(fā)生變化，最后輸出一個與被測壓力成正比的電壓信號。圖5-5電位器式位移傳感器測量壓力的原理示意圖項目五位移的檢測任務(wù)一模擬式位移傳感器檢測位移

二、電感式傳感器檢測位移

電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)定律將被測非電量（如位移、壓力、流量、振動速度等）轉(zhuǎn)換為線圈自感量或互感量的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出。電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量精度高、線性度好、輸出功率大等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制及自動化系統(tǒng)中。其不足之處是頻率響應(yīng)較低，不宜用于快速動態(tài)測量。電感式傳感器的種類很多，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理不同，可分為自感式和互感式兩種；根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，可分為變氣隙型和螺管型兩種。1.自感式電感傳感器（1）自感：當(dāng)一個線圈中電流i變化時，該電流產(chǎn)生的磁通Φ也隨之變化，因而線圈本身產(chǎn)生感應(yīng)電勢e，這種現(xiàn)象稱之為自感，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢稱為自感電勢。自感式傳感器就是通過測量線圈自感的變化從而確定被測量的大小。項目五位移的檢測任務(wù)一模擬式位移傳感器檢測位移

二、電感式傳感器檢測位移1.自感式電感傳感器（2）自感式傳感器的結(jié)構(gòu)及原理自感式位移傳感器也稱變磁阻式傳感器，主要由線圈、鐵心、銜鐵三部分組成，其中鐵心和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。線圈的自感系數(shù)計算公式為

L＝（5-5）式中L──自感系數(shù)

Rm──磁路的總磁阻

N──線圈的匝數(shù)式5-5表明，在線圈的匝數(shù)N一定的情況下，自感系數(shù)L與磁阻Rm成反比。如果改變磁阻Rm的大小，就可以改變線圈的自感系數(shù)L。自感式位移傳感器就是利用這個原理制成的。自感式位移傳感器的種類較多，常見的有變氣隙式、變截面式、螺線管式及差動式等。項目五位移的檢測任務(wù)一模擬式位移傳感器檢測位移

二、電感式傳感器檢測位移1.自感式電感傳感器

應(yīng)用：如圖5-6所示為自感式液位檢測裝置。當(dāng)液位升高時，液體對浮子的浮力作用，使浮子上升，鐵心上移，電感變化，原來的平衡狀態(tài)被破壞，輸出信號發(fā)生變化，從而檢測出液位的變化。圖5-6自感式液位檢測裝置項目五位移的檢測任務(wù)一模擬式位移傳感器檢測位移

二、電感式傳感器檢測位移1.自感式電感傳感器

（3）變氣隙式自感位移傳感器的工作原理變氣隙型自感位移電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖5-7所示。鐵心和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成，在鐵心和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為δ，傳感器的運動部分與銜鐵相連。當(dāng)被測物體帶動銜鐵移動時，氣隙厚度發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。變氣隙式自感位移傳感器受靈敏度和線性度的制約只適用于測量微小位移（0.01～0.1mm）。圖5-7變氣隙式自感位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理示意圖項目五位移的檢測任務(wù)一模擬式位移傳感器檢測位移

二、電感式傳感器檢測位移1.自感式電感傳感器

在實際測量使用中，為減小非線性誤差，提高靈敏度，多采用差動變隙式電感傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖5-8所示。

差動變隙式位移傳感器由兩個相同的線圈和磁路組成。當(dāng)被測量通過導(dǎo)桿使銜鐵移動偏離中間位置時，兩個回路中磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，形成差動輸出。使用時，兩個電感線圈連接成交流電橋的相鄰橋臂，另兩個橋臂由電阻組成。與單線圈自感傳感器相比，差動式的靈敏度提高了一倍，線性度得到了改善，并且差動式的電感結(jié)構(gòu)，可抵消溫度、噪聲等干擾的影響。圖5-8差動變隙式位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖項目五位移的檢測任務(wù)一模擬式位移傳感器檢測位移

二、電感式傳感器檢測位移2.互感式電感傳感器

互感式位移傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的。它是把被測的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器。由于該傳感器將次級線圈用差動形式連接，所以又稱為差動變壓器式位移傳感器。現(xiàn)用于位移測量的大多采用螺線管式差動變壓器，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖5-9所示。圖5-9螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)示意圖項目五位移的檢測任務(wù)一模擬式位移傳感器檢測位移

二、電感式傳感器檢測位移2.互感式電感傳感器

圖5-10所示為螺線管式差動變壓器的工作原理示意圖。它是以初級線圈作激勵源，次級線圈由兩個完全相同的線圈反相串接而成。當(dāng)初級線圈L1加以激勵電壓Ui時，產(chǎn)生激勵電流Ii，由此在線圈中產(chǎn)生磁通，則在兩個次級線圈L21和L22中便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢E21和E22。若變壓器的結(jié)構(gòu)完全對稱，則當(dāng)活動銜鐵處于初始平衡位置時，兩互感系數(shù)M1＝M2(互感系數(shù)由磁路的結(jié)構(gòu)尺寸決定)。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，必有E21＝E22。由于變壓器兩次級線圈反向串聯(lián)，因而UO＝E21－E22＝0,即差動變壓器輸出電壓為零。當(dāng)活動銜鐵向上移動時，由于磁阻的影響，L1中磁通將大于L2中磁通，使得M1>M2，因而E21>E22。反之，E21<E22。所以當(dāng)E21、E22隨著銜鐵的位移發(fā)生變化時，UO也將隨銜鐵的位移變化而變化，這就是差動變壓器式位移傳感器的工作原理。項目五位移的檢測任務(wù)一模擬式位移傳感器檢測位移

二、電感式傳感器檢測位移2.互感式電感傳感器圖5-10螺線管式差動變壓器的實物圖及工作原理示意圖項目五位移的檢測任務(wù)一模擬式位移傳感器檢測位移

二、電感式傳感器檢測位移3.互感式位移傳感器的應(yīng)用

電感式位移傳感器由于自身頻率響應(yīng)低，不適用于高頻動態(tài)值的測量。它主要用于測量位移和可以轉(zhuǎn)換成位移量的機(jī)械量，如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動、流量、厚度、液位、相對密度、轉(zhuǎn)矩等物理量。（1）互感式位移傳感器測量壓力如圖5-11所示為差動變壓器式位移傳感器檢測壓力的原理示意圖。當(dāng)傳感器沒有檢測到壓力時，膜盒在初始位置狀態(tài)，固接在膜盒中心的銜鐵位于差動變壓器的中間位置，此時，輸出電壓為零。當(dāng)有壓力作用于接頭時，此壓力被接頭傳入膜盒，使得膜盒受外界壓力而膨脹或收縮，固接在膜盒中心的銜鐵隨膜盒的膨脹或收縮而在差動變壓器線圈中移動，使得差動變壓器兩線圈產(chǎn)生的信號電壓發(fā)生了變化，此變化的電壓經(jīng)電子電路檢波、整形和放大后輸出并顯示，從而實現(xiàn)壓力的檢測。項目五位移的檢測任務(wù)一模擬式位移傳感器檢測位移

二、電感式傳感器檢測位移3.互感式位移傳感器的應(yīng)用圖5-11差動變壓器式位移傳感器檢測壓力的原理示意圖項目五位移的檢測任務(wù)一模擬式位移傳感器檢測位移

二、電感式傳感器檢測位移3.互感式位移傳感器的應(yīng)用圖5-12差動變壓器式位移傳感器檢測加速度的原理示意圖（2）互感式位移傳感器測量加速度如圖5-12所示為差動變壓器式加速度傳感器。它是由懸臂梁和差動變壓器構(gòu)成。測量時，將懸臂梁底座與差動變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵的A端與被測振動物體相連，此時傳感器作為加速度測量中的慣性元件，它的位移與被測加速度成正比，使加速度測量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y量。當(dāng)被測物體帶動銜鐵以x(t)振動時，導(dǎo)致差動變壓器的輸出電壓也按相應(yīng)規(guī)律變化。項目五位移的檢測任務(wù)二數(shù)字式位移傳感器檢測位移

一、認(rèn)識光柵式位移傳感器絕對式光柵角位移傳感器b)增量式式光柵角位移傳感器c)光纖光柵位移傳感器

圖5-14部分光柵式位移傳感器實物外形圖

光柵式位移傳感器是基于莫爾條紋的光學(xué)原理而制成的測量直線位移和角位移的傳感器件。圖5-13為部分光柵位移傳感器的實物外形圖。它主要由光源、透鏡、主光柵（標(biāo)尺光柵)、指示光柵和光電接收元件組成。項目五位移的檢測任務(wù)二數(shù)字式位移傳感器檢測位移

一、認(rèn)識光柵式位移傳感器圖5-14光柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu)組成

光柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu)如圖5-14所示。所謂光柵，就是由等寬等間距的平行狹縫所組成的光學(xué)器件。光柵按光線的走向分，可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類；按用途來分類，光柵又分為直線光柵和圓光柵兩種。透射式光柵是在光學(xué)玻璃基體上均勻地刻畫間距、寬度相等的條紋，形成斷續(xù)的透光區(qū)和不透光區(qū)。反射式光柵一般用不銹鋼做基體，用化學(xué)的方法制作出黑白相間的條紋，形成強(qiáng)光反光區(qū)和不反光區(qū)。直線光柵用于長度的測量，圓光柵用于角度測量。項目五位移的檢測任務(wù)二數(shù)字式位移傳感器檢測位移

一、認(rèn)識光柵式位移傳感器圖5-15位移檢測光柵的結(jié)構(gòu)示意圖

如圖5-15所示為測量位移的直線光柵的結(jié)構(gòu)。圖中a為刻線寬度，b為縫隙寬度，則W=a+b稱為光柵的柵距（也稱光柵常數(shù)）。通常a=b，或a:b=1.1:0.9。線紋寬度一般為每毫米200、100、50、25、10線，標(biāo)尺光柵的有效長度即為測量范圍。指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多，但兩者刻有同樣的柵距。在測量角位移圓光柵中，其光柵兩條相鄰刻線的中心線的夾角為角介距，線紋密度一般為每周（360o）有100到12600不等的線。對于圓光柵，這些線紋是等柵距角的向心條紋。柵距和柵距角是決定光柵光學(xué)性質(zhì)的基本參數(shù)。項目五位移的檢測任務(wù)二數(shù)字式位移傳感器檢測位移

二、光柵式位移傳感器的工作原理圖