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位移传感器资料

编辑:admin 日期:2020-11-20 04:21 分类:澳门49码开奖直播现场 点击:
简介:位移传感器资料整理 一 定义 位移传感器又称为线性传感器,它分为电感式位移传感器,电容式位移传感器,光电 式位移传感器,位移传感器超声波式位移传感器,霍尔式位移传感器。 电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件,接通电源后,在开关的感应面将

  位移传感器资料整理 一 定义 位移传感器又称为线性传感器,它分为电感式位移传感器,电容式位移传感器,光电 式位移传感器,位移传感器超声波式位移传感器,霍尔式位移传感器。 电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件,接通电源后,在开关的感应面将 产生一个交变磁场,当金属物体接近此感应面时,金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能 量,使振荡器输出幅度线性衰减,然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。 二 分类 2.1 按运动分类型 直线位移传感器和角度位移传感器 2.2 按材料分类 a.金属膜位移传感器 b.导电位移传感器 c.光电式位移传感器 d.磁敏式位移传感器 e.金属 玻璃铀传感器 f.绕线式位移传感器 g.电位器位移传感器 2.3 广义分类 A 机械式 1)模拟式 电位器式,电阻应变式,电容式,螺旋管电感式,差动变压式,涡流式,光电 式,霍尔器件式,微波式,超声波式 2)数字式 光栅式和磁栅式 B 接近式 电容式,涡流式,霍尔效应式,光电式,热释电式,多普勒式,电磁感应式, 微波式,超声波式 C 转速式 D 多普勒式 E 液位式 浮子式,平衡浮筒式,压差电容式,导电式,超声波式,放射式 一般有光电式 F 流量及流量式 电磁式,涡流式,超声波式,热导式,激光式,光纤式,浮子式,涡轮 式,空间滤波式 G 激光位移式 三 原理及适用范围 1. 机械位移传感器 a.电位器式 图 3.1.1 电位器的一般结构 图 3.1.2 电位器电路 如图 3.1.1 所示为电位器的一般结构。图 3.1.2 所示,电位器上电刷将电阻体电阻分成 R12 和 R23,输出电压为 U12。改变电刷的接触位置 R12 亦随之改变,输出电压 U12 也随着改变。 b.电容式 常用的有变极距和变面积两种。 下面以变极距式 电容传感器为例(如图 3.1.3 所示)进行说明。可动 极板移动引起 d 发生变化, C=εA/d 只要测出电容 由 变化量 C 就可以求出位移变化量 d 。 c.螺旋管式电感位移传感器 图 3.1.3 变极距式电容传感器原理 原理:螺旋管中铁芯的位移引起电感的变化,从而通过电感的变化量可求出位移的变 化量。 L = 4π N 2 A l (其中 l 为插入线圈的铁芯长度) 螺旋管电感位移传感器检测位移从数毫米到数百毫米,缺点是灵敏度低。 d.差动变压式 从图 3.14 中可知,两次极线圈反极性串 接,Uout1 与 Uout2 相位相反。当铁芯为中 间位置时,Uout1=Uout2=Uout=0。向两端移 动时,Uout1 与 Uout2 不相等,Uout 不等于 0。Uout 正比于铁芯位移。 e.光栅式 图 3.1.4 差动变压式位移传感器原理图 K=B/ω=1/θ(K 为放大倍数) B=ω/θ 经过放大, 可将看不见的光栅位移转变成清晰可见的莫尔条纹位移。 莫尔条纹如图 3.1.5 所示。光栅位移传感器原理为主光栅与被测物相连,跟随被测物移动,产生莫尔条纹。通 过光电器件记录莫尔条纹通过某点数量,计算物体位移。图 3.1.6 为光栅位移传感器的结 构示意图。 图 3.1.5 莫尔条纹 图 3.1.6 光栅位移传感器结构示意图 应用:测量精度高,动态测量范围广,可无接触测量,易实现自动化和数字化,在量 具,数控机床的闭环反馈控制,工作母机坐标测量等方面广泛应用。 f.磁栅式 在非磁性物体平整表面上镀一层约 0.2mm 厚的 Ni-Co-P 磁性薄膜。并用录音磁头沿长 度方向按一定激光波长 λ 录上磁性刻度线而构成的。因此也称其为磁尺。磁栅结构图如图 3.1.7 所示。磁栅位移传感器的结构图如图 3.1.8 所示。 图 3.1.7 磁栅的基本结构 图 3.1.8 磁栅位移传感器结构示意图 原理:磁尺与磁头之间产生相对位移时,磁头的铁芯使磁尺的磁通有效地通过输出绕 组,早绕组中产生感应电压。该电压随磁尺磁场强度周期的变化而变化,从而将位移量转 换成电信号输出。 磁头输出信号经检测电路 转换成电脉冲信号并以数字形式显示出来。 如图 3.1.9 为磁信号与磁头信号输出波形 图。 应用:主要用于大型机床和精密机床作 为位置或位移量的检测元件。 优点为: 结构 简单, 使用方便, 动态范围大和磁信号可以 重新录制。缺点为:需要屏蔽和防尘。 图 3.1.9 磁信号与磁头信号输出波形图 2.接近传感器(接近开关) a.电容式 电容式接近传感器是一个以电极为检 测端的静电电容式接近开关。被测物体越 靠近检测电极, 检测电极上的电荷就越多, 电容随之增大,使振荡电路的振荡减弱直 至停止。电路的振荡与停振两种状态被检 测电路转换为开关信号向外输出。电容式 接近传感器电路框图如图 3.2.1 所示。 b.电感式 图 3.2.1 电容式接近传感器的电路框图 当金属物体接近检测线圈时, 金属物 体就会产生涡流而吸收振荡能量,使振 荡减弱以至停止。振荡电路的振荡与停 振两种状态被检测电路转换为开关信号 向外输出。电感式接近传感器原理框图 如图 3.2.2 所示。 c.热释电红外接近传感器 热释电效应:当一些晶体受热时, 在晶体两端将会产生数量相等而符号 相反的电荷。 热释电红外传感器是用热释电效 应探测人体发出的红外线的一种传感 器。它用于防盗,警来客告之及非接 触开关等设备中。 如图 3.2.3 为热释电 红外报警电路。 图 3.2.3 热释电红外报警器电路原理图 图 3.2.2 电感式接近传感器原理框图 3.转速传感器 a.磁电式转速传感器 如图 3.3.1 所示,当转轴旋转时,磁盘 的凹凸齿形将引起磁盘与永久磁铁间气隙 大小的变化, 从而使永久磁铁组成的磁通量 随之发生改变。 感应线圈会感应出一定幅度 的脉冲电势,其频率为: f = Z n . 可由频 率得知被测物的转速,在配上数字电路,便 可直接读出被测物的转速 。 图 3.3.1 磁电式转速传感器结构示意图 b.光电式转速传感器 从光源发射的光, 通过开孔盘和缝隙照射 到光敏元件上,使光敏元件感光,产生脉冲 信号, 送到测量电路计数, 测得转速。 3.3.2 图 为直射式光电转速传感器原理图。现多采用 图 3.3.3 所示开缝隙盘式光电转速传感器结 构。图 3.3.4 所示为光脉冲电路。 图 3.3.2 直射式光电转速传感器原理图 图 3.3.3 光电转速传感器结构 图 3.3.4 光电脉冲变换电路原理图 4.多普勒传感器 多普勒效应:发射机与接收机之间距离发生变化,则发射机发射信号的频率与接收机 接收到信号的频率就不同。 如图 3.4.1(a)中接收机接收到的频率为: f1=f0+v/λ0 而图 3.4.1(b)图中接收机接收到的频率为: f2=f1+ v/λ1=f0+ v/λ0+ v/λ1 由于被测物体的运动速度远小于电磁的传播速度,则可近似认为: λ0=λ1,则:f2=f0+2v/λ0 由多普勒产生的频率之差称为多普勒频率,即: Fd=f2-f0=2v/λ0 (a) 图 3.4.1 多普勒效应示意图 (b ) 被测物体的运动速度 v 可以用多普勒频率来 描述。多普勒雷达电路原理图如图 4.3.2 所示。 发射信号和接收到的回波信号经混频器混频, 两 者差频输出,差频的频率正好为多普勒频率。 Fd=2Vcosθ/λ0=Kv(Hz) 图 3.4.2 多普勒雷达检测线.液位传感器 a.导电式水位传感器 如图 3.5.1 所示,电极可根据检测水位的要 求进行升降调节,当水位低于检知电极时,两 电极间呈绝缘状态,检测电路没有电流流过, 传感器输出电压为零。如果水位上升到与检知 电极端都接触时,由于水有一定的导电性,因 此测量电路中有电流流过,指示电路中的仪表 就会发生偏转,同时在限流电阻两端有电压输 出。如果把输出电压和控制电路连接起来,便 可对供水系统进行自动控制。 图 3.5.1 导电式水位传感器基本工作原理图 由电路原理图 3.5.2 知,电路主要由两个运放组成,IC1a 运放及外围元件组成方波发生 器,通过电容 C1 与检知电路相接。IC1b 运放与外围元件组成比较器,以识别仪表水位的 电信号状态。采用发光二极管作为水位的指示。 图 3.5.2 导电式水位检测电路原理图 b.压差式液位传感器 如果液体的密度恒定,则液体加在测量基 准面上的压力与液面到基准面的高度成正比, 因此通过压力的测定便可知液面的高度。 如 图 3.5.3 所示,当储液缸为开放型时,其基准 面上的压力由下式确定: P=ρh=ρ(h1+h2) 需要测定的是 h1 的高度,因此移动压力传 感器的零点,把零点提高 ρh2,就可以得到压力 与液面高度 h1 成比例输出。 而当储液缸为密封型时(如图 3.5.4),压 差,液位高度及零点的移动关系为: P=P1-P2 =ρ(h1+h2)-ρ0(h3+h2) =ρh1-(ρ0h3+ρ0h2-ρh2) 同样,只要移动压差式传感器的零点,就可 以得到压差与液面成正比输出。 图 3.5.5 为压差式液位传感器结构原理图,当 被测的压力差加在高压侧和低压侧的输入口时, 该压力差经隔液膜片的传递作用于感压膜片上, 感压膜片便产生位移,从而使动电极与固定电极 之间的电容量发生变化。 图 3.5.4 密封罐测压示意图 图 3.5.3 开放罐测压示意图 图 3.5.5 压差式液位传感器结构原理图 6.流量及流速传感器 a.电磁式流量传感器 如图 3.6.1 所示, 在励磁线圈加上励磁电压后, 绝缘导管便处于磁力线密度为 B 的均匀 磁场中,当导电性液体流经绝缘导管时,电极便会产生如下式所示的电动势: e = BvD(v) 管道内液体流动的容积流量与电动 势的关系为: Q = π D2 4 v= πD 4B .e 可通过对电动势的测定,求出容积流 量。 1-铁芯 2-电极 3-绝缘导管 4-励磁电流 5-液体 b.电磁式流速传感器 由框图 3.6.2 知励磁电压信号,经过一系列的 变化后,经滤波去杂后直接由直流放大器放大输 出,得到所检测的流速信号。 c.涡轮式流速传感器 如图 3.6.3 所示,当叶片旋转时,磁阻将发生 周期性的变化,从而使线圈中感应出脉冲电压信 号。该信号经放大,整形后输出,作为检测转速 用的脉冲信号。 图 3.6.1 电磁流量计工作原理 图 3.6.2 电磁式流速传感器的电路框图 图 3.6.3 涡轮流量传感器结构原理图 7.数字激光位移传感器 激光位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化,主要应用于检测物 的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。 按照测量原理,激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法,激光三角 测量法一般适用于高精度、短距离的测量,而激光回波分析法则用于远距离测量。 a. 激光三角测量法原理 激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测 物体表面,体反射激光通过接收器镜头,被内部的 CCD 线性相机接收,根据不同的距离,CCD 线性 根据这 相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。 个角度及已知的激光和相机之间的距离, 数字信号 处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。 图 3.7.1 激光三角测试原理图 同时,光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理,并通过微处理器分析,计算 出相应的输出值,并在用户设定的模拟量窗口内,按比例输出标准数据信号。如果使 用开关量输出,则在设定的窗口内导通,窗口之外截止。另外,模拟量与开关量输出 可独立设置检测窗口。其原理图如图 3.7.1 所示。 b.回波分析原理 激光位移传感器采用回 波分析原理来测量距离以达 到一定程度的精度。传感器 内部是由处理器单元、回波 处理单元、激光发射器、激 光接收器等部分组成。激光 位移传感器通过激光发射器 图 3.7.2 激光回波分析原理框图 每秒发射一百万个激光脉冲到检测物并返回至接收器, 处理器计算激光脉冲遇到检测 物并返回至接收器所需的时间,以此计算出距离值,该输出值是将上千次的测量结果 进行的平均输出。激光回波分析法适合于长距离检测,但测量精度相对于激光三角测 量法要低。其原理框图如图 3.7.2 所示: 三 各种传感器的特点 平滑性好,分辨能力优异,耐磨性好,寿命长,动噪声小, ① 导电塑料位移传感器 可靠性极高,耐化学腐蚀。用于宇宙装置,导弹,飞机雷达的无线伺服系统等。 ② 绕线式位移传感器 阻值小,精度高,温度系数小。其缺点是:分辨能力差,阻值 偏低,高频特性差。主要用作分压器,变阻器,仪器中调零和工作等。 ③ 金属玻璃铀位移传感器 阻值范围宽,耐热性好,过载能力强,耐潮,耐磨都很 好。缺点是:接触电阻和电流噪声大。应用上很有潜力。 ④ ⑤ 金属膜位移传感器 磁敏式位移传感器 分辨力高,耐高温,温度系数小,动噪声小,平滑性好. 消除机械接触,寿命长,可靠性高。缺点是:对工作环境要求 较高。 ⑥ 光电式位移传感器 消除机械接触,寿命长,可靠性高。缺点是:数字信号输出, 处理繁琐。 ⑦ 电位器式位移传感器 结构简单,输出信号大,使用方便,价格低廉。 四 主要特性参数 标称阻值:电位器上面所标示的阻值。 重复精度:此参数越小越好。 分辨率:位移传感器所能反馈的最小位移数值.此参数越小越好.导电塑料位移传感器 分辨率为无穷小。 允许误差:标称阻值与实际阻值的差值跟标称阻值之比的百分数称阻值偏差,它表示 电位器的精度。允许误差一般只要在 ±20%以内就符合要求,因为一般位移传感器是 以分压的方式来使用,具体电阻的大小对传感器的数据采集没有影响。 线性精度:直线性误差.此参数越小越好。 寿命:导电塑料位移传感器都在 200 万次以上。 五 传感器市场发展前景 咨询公司 INTECHNOCONSULTING 的传感器市场报告显示,2008 年全球传感器 市场容量为 506 亿美元,预计 2010 年全球传感器市场可达 600 亿美元以上。调查显 示,东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区,而美国、德国、日本依 旧是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言,传感器市场上增长最快的依旧是 汽车市场,占第二位的是过程控制市场,看好通讯市场前景。 一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现 出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大,分别占 到整个传感器市场的 21%、19%和 14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、 MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems,微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传 感器。其中,无线 年复合年增长率预计会超过 25%。 目前,全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专 家指出,传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高,各国将竞相加速新 一代传感器的开发和产业化,竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传 感器市场,比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感 器的出现与市场份额的扩大。

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