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1、第第三三章章 傳感檢測系統(tǒng)傳感檢測系統(tǒng)3.3 常見傳感器原理及應(yīng)用常見傳感器原理及應(yīng)用電電阻阻式式傳傳感感器器光電式傳感器光電式傳感器壓壓電電式式傳傳感感器器電感式傳感器電感式傳感器電容式傳感器電容式傳感器半半導(dǎo)導(dǎo)體體式式傳傳感感器器熱電偶式傳感器熱電偶式傳感器3.3.1 電阻式傳感器電阻式傳感器Resistive transducer電阻元件電阻元件電阻元件電阻元件被測量被測量電阻變化電阻變化將被測量變化轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器。將被測量變化轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器。位移、力、壓力、加速度、扭矩等位移、力、壓力、加速度、扭矩等3.3.1.1 電位器電位器式式傳感器傳感器Potentiometri

2、c transducer 利用加激勵(lì)的電阻體上可動(dòng)觸點(diǎn)位置的變化，利用加激勵(lì)的電阻體上可動(dòng)觸點(diǎn)位置的變化，將被測量變化轉(zhuǎn)換成電壓比變化的傳感器。將被測量變化轉(zhuǎn)換成電壓比變化的傳感器。由由電阻元件、電刷、骨架電阻元件、電刷、骨架等組成。等組成。繞線式電位器繞線式電位器線性線繞式電位器示意圖線性線繞式電位器示意圖 Ui為工作電壓，為工作電壓，U0為為RL兩端的輸出電壓，兩端的輸出電壓，x為線繞式電為線繞式電位器電刷移動(dòng)長度，位器電刷移動(dòng)長度，L為其總長度，對應(yīng)于電刷移動(dòng)量為其總長度，對應(yīng)于電刷移動(dòng)量x的阻的阻值為值為Rx。繞線式電位器的結(jié)構(gòu)繞線式電位器的結(jié)構(gòu)線繞式電位器線繞式電位器電位器式傳感器的

3、應(yīng)用電位器式傳感器的應(yīng)用航空飛行高度傳感器航空飛行高度傳感器 在測量在測量比較小比較小的位移的位移時(shí)，可將時(shí)，可將線線位移變換成角位移位移變換成角位移。測小位移傳感器示意圖測小位移傳感器示意圖電位器式傳感器的應(yīng)用電位器式傳感器的應(yīng)用測小位移測小位移電位器式傳感器的應(yīng)用電位器式傳感器的應(yīng)用測加速度測加速度 慣性質(zhì)量塊在被測加速度的作用下，使片狀彈簧產(chǎn)生正慣性質(zhì)量塊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，從而引起電刷在電位器的電阻元件上比于被測加速度的位移，從而引起電刷在電位器的電阻元件上滑動(dòng)，輸出一與加速度成比例的電壓信號(hào)?；瑒?dòng)，輸出一與加速度成比例的電壓信號(hào)。電位器式加速度

4、傳感器示意圖電位器式加速度傳感器示意圖基于電位器的線性基于電位器的線性/角位移傳感器模型角位移傳感器模型若若 ，則傳感器可線性化則傳感器可線性化；其中：其中：是線性位移。是線性位移。將上式中將上式中的 和和 換成角度值后，可以用于角度測換成角度值后，可以用于角度測量。量。3.3.1.2 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片被測量被測量電阻變化電阻變化 電阻應(yīng)變傳感器是一種利用電阻應(yīng)變傳感器是一種利用電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片將將應(yīng)變應(yīng)變轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電阻變化電阻變化的傳感器。的傳感器。任何非電量能轉(zhuǎn)化為任何非電量能轉(zhuǎn)化為應(yīng)變量應(yīng)變量應(yīng)變片應(yīng)變片當(dāng)受到外力時(shí)，導(dǎo)體變長變細(xì)，電

5、阻增加，當(dāng)受到外力時(shí)，導(dǎo)體變長變細(xì)，電阻增加，RR+R應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變傳感器由電阻應(yīng)變傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變片彈性敏感元件、電阻應(yīng)變片和測量電路和測量電路組成組成。傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。當(dāng)被測量物理量作用在彈性元件上時(shí)，構(gòu)成。當(dāng)被測量物理量作用在彈性元件上時(shí)，彈性彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出電量輸出，電量變化的大小反映，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。了被測物理量的大小。常見電阻常見電阻 應(yīng)變片應(yīng)

6、變片（a）金屬線金屬線（b）金屬箔金屬箔（c）半導(dǎo)體半導(dǎo)體 電阻應(yīng)變片是應(yīng)變測量的關(guān)鍵元件，為適應(yīng)各種領(lǐng)域測量電阻應(yīng)變片是應(yīng)變測量的關(guān)鍵元件，為適應(yīng)各種領(lǐng)域測量的需要，可供選擇的電阻應(yīng)變片的種類很多，常用的有的需要，可供選擇的電阻應(yīng)變片的種類很多，常用的有絲式、絲式、箔式和半導(dǎo)體式。箔式和半導(dǎo)體式。應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用1.應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式力傳感器 FF應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用 電子天平的精度可達(dá)電子天平的精度可達(dá)十萬分之一。十萬分之一。2.電子天平電子天平吊鉤秤吊鉤秤 3.3.2 電容式傳感器電容式傳感器Capacitive transducer

7、 將將被測量變化被測量變化轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成電容量變化電容量變化的傳感器。它的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個(gè)平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的形式是由兩個(gè)平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器。的電容器?？梢詰?yīng)用于可以應(yīng)用于位移、振動(dòng)、角度、加速度位移、振動(dòng)、角度、加速度等參數(shù)等參數(shù)的測量中。的測量中。電容傳感器的理想公式為電容傳感器的理想公式為極板間距離；極板間距離；極板面積；極板面積；電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù) 相對介電常數(shù)相對介電常數(shù) 電容式傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)形式電容式傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)形

8、式 ，真空的介電常數(shù)。，真空的介電常數(shù)。1變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器原理動(dòng)畫演示變極距式電容傳感器原理動(dòng)畫演示 設(shè)設(shè)和和A不變，初始狀極距為不變，初始狀極距為d0時(shí)，電容器容量為時(shí)，電容器容量為C0。若動(dòng)極板有。若動(dòng)極板有位移，使極板間距離減小位移，使極板間距離減小x，則電容，則電容則增大到則增大到 cx。2變面積式電容式傳感器變面積式電容式傳感器3變介電常數(shù)電容式傳感器變介電常數(shù)電容式傳感器變介電常數(shù)電容式傳感器原理動(dòng)畫演示變介電常數(shù)電容式傳感器原理動(dòng)畫演示電容傳感器的應(yīng)用電容傳感器的應(yīng)用 電容傳感器聲波測量動(dòng)畫演示電容傳感器聲波測量動(dòng)畫演示1聲波測量聲波測量電容

9、式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖2壓力測量壓力測量高壓側(cè)高壓側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)氣口低壓側(cè)低壓側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)氣口電子線電子線路位置路位置內(nèi)部內(nèi)部不銹不銹鋼膜鋼膜片的片的位置位置電容式差壓變送器外形圖電容式差壓變送器外形圖3數(shù)字無損耗信號(hào)傳輸數(shù)字無損耗信號(hào)傳輸 利用利用單晶硅諧振傳感器，單晶硅諧振傳感器，采用采用微電子表面加工技術(shù)，微電子表面加工技術(shù)，保證保證0.2%的測量精度，可實(shí)現(xiàn)抵制的測量精度，可實(shí)現(xiàn)抵制靜壓、溫飄靜壓、溫飄對其影響。對其影響。電容傳感器加速度測量動(dòng)畫演示電容傳感器加速度測量動(dòng)畫演示4加速度測量加速度測量硅微加工電容加速度傳感器硅微加工電容加速度傳感器 電容式硅微加速度傳感器電容

10、式硅微加速度傳感器是一種重要的慣性傳感是一種重要的慣性傳感器，是慣性測量組合系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件之一。它與傳統(tǒng)器，是慣性測量組合系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件之一。它與傳統(tǒng)的加速度計(jì)相比具有的加速度計(jì)相比具有重量輕重量輕,成本低成本低,功耗小功耗小,體積小體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)。等諸多優(yōu)點(diǎn)。5電容式指紋傳感器電容式指紋傳感器3.3.3 接近開關(guān)接近開關(guān) 接近開關(guān)又稱接近開關(guān)又稱無無觸點(diǎn)行程開關(guān)。觸點(diǎn)行程開關(guān)。它能在它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測有一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測有無物體靠近。當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時(shí)，無物體靠近。當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時(shí)，就可以發(fā)出就可以發(fā)出“動(dòng)作動(dòng)作”信號(hào)。信號(hào)。接近

11、開關(guān)的核心部分是接近開關(guān)的核心部分是“感辨頭感辨頭”，它，它對正在接近的物體有很高的感辨能力。對正在接近的物體有很高的感辨能力。接近開關(guān)外形接近開關(guān)外形 接近開關(guān)外形（續(xù)）接近開關(guān)外形（續(xù)）接近開關(guān)接近開關(guān)分類分類只對導(dǎo)只對導(dǎo)磁物體磁物體起作用起作用對接地對接地的金屬的金屬起作用起作用只對導(dǎo)電只對導(dǎo)電良好的金良好的金屬起作用屬起作用對磁性對磁性物體起物體起作用作用接近開關(guān)的特點(diǎn)接近開關(guān)的特點(diǎn) 接近開關(guān)與被測物不接觸、不會(huì)產(chǎn)生機(jī)接近開關(guān)與被測物不接觸、不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損和疲勞損傷、工作壽命長、響應(yīng)快、械磨損和疲勞損傷、工作壽命長、響應(yīng)快、無觸點(diǎn)、無火花、無噪聲、防潮、防塵、防無觸點(diǎn)、無火花、無噪聲

12、、防潮、防塵、防爆性能較好、輸出信號(hào)負(fù)載能力強(qiáng)、體積小、爆性能較好、輸出信號(hào)負(fù)載能力強(qiáng)、體積小、安裝、調(diào)整方便。安裝、調(diào)整方便。缺點(diǎn)是缺點(diǎn)是觸點(diǎn)容量較小、輸出短路時(shí)易燒觸點(diǎn)容量較小、輸出短路時(shí)易燒毀毀。3.3.4 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器線圈和磁芯完全線性完全線性便宜便宜耐用耐用有有“中心位置中心位置”用于執(zhí)行器 通常嵌入使用通常嵌入使用低非線性低非線性大位移大位移LVDTLVDT結(jié)構(gòu)示意圖和電原理圖結(jié)構(gòu)示意圖和電原理圖LVDTLVDT 是線性可變差動(dòng)變壓器是線性可變差動(dòng)變壓器(Linear Variable Differential Transformer)。LVDT 位移傳感器的工作原理簡單地

13、說是位移傳感器的工作原理簡單地說是鐵芯鐵芯 可動(dòng)變壓器。可動(dòng)變壓器。次級(jí)線圈1 初級(jí)線圈 次級(jí)線圈2 鐵芯（有色 金屬棒）兩個(gè)次級(jí)線圈間的輸出電壓輸入初級(jí)線圈的恒定交流電壓從中心位置移動(dòng)THANK YOUSUCCESS2022/10/2037可編輯1.1.結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，壽命長，線性度好，重復(fù)性好，性能價(jià)格比高。結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，壽命長，線性度好，重復(fù)性好，性能價(jià)格比高。2.2.精度：最高精度可達(dá)精度：最高精度可達(dá)0.05%，一般為，一般為0.25%、0.5%。3.3.絕對誤差：最高可達(dá)絕對誤差：最高可達(dá)0.10.1 m m。4.4.重復(fù)性：好，最高可達(dá)重復(fù)性：好，最高可達(dá)0.1m。5.

14、5.靈敏度：高，一般每靈敏度：高，一般每mmmm位移輸出為數(shù)百位移輸出為數(shù)百mv,mv,最高可達(dá)幾伏。最高可達(dá)幾伏。6.6.分辨率：高，一般為分辨率：高，一般為0.1m，最高可達(dá)最高可達(dá)104m。7.7.測量范圍：寬，測量范圍：寬，0.1mm500mm甚至更大甚至更大。8.8.工作溫度范圍：大，一般為工作溫度范圍：大，一般為55+150可擴(kuò)展到可擴(kuò)展到+300，傳感傳感器或變送器分為三級(jí)：器或變送器分為三級(jí)：商業(yè)級(jí)：商業(yè)級(jí)：0+70 工業(yè)級(jí)：工業(yè)級(jí)：40+85 軍軍 級(jí)：級(jí)：55+125 9.9.時(shí)間常數(shù)小，動(dòng)態(tài)特性好，頻帶寬一般為時(shí)間常數(shù)小，動(dòng)態(tài)特性好，頻帶寬一般為200HZ200HZ（5m

15、s5ms）最高可最高可 500HZ500HZ（2ms2ms）。LVDT特點(diǎn)特點(diǎn)5.體積小，價(jià)格低，性能價(jià)格比高。體積小，價(jià)格低，性能價(jià)格比高。1.動(dòng)態(tài)特性好，可用于高速在線檢測，進(jìn)行自動(dòng)測量，自動(dòng)態(tài)特性好，可用于高速在線檢測，進(jìn)行自動(dòng)測量，自 動(dòng)控制。光柵、磁柵等測量速度一般為動(dòng)控制。光柵、磁柵等測量速度一般為1.5m/s以內(nèi)，以內(nèi)，只只能用于靜態(tài)測量能用于靜態(tài)測量。LVDT特點(diǎn)特點(diǎn)LVDT與光柵、磁柵等高精度測長儀器與光柵、磁柵等高精度測長儀器相比有以下幾個(gè)相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：3.可以做成在特殊條件下工作的傳感器，如耐高壓，高溫，可以做成在特殊條件下工作的傳感器，如耐高壓，高溫，耐輻射

16、全密封在水下工作。耐輻射全密封在水下工作。4.可靠性非常好，能承受沖擊可靠性非常好，能承受沖擊1000g/11ms，振動(dòng)：頻率，振動(dòng)：頻率 2000HZ，加速度，加速度20g。2.LVDT可在強(qiáng)磁場，大電流，潮濕，粉塵等惡劣環(huán)境下使可在強(qiáng)磁場，大電流，潮濕，粉塵等惡劣環(huán)境下使用。用。u編碼器是將編碼器是將直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)變換為變換為數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測量進(jìn)行測量的一種傳感器。的一種傳感器。u它通過光電原理或電磁原理將一個(gè)它通過光電原理或電磁原理將一個(gè)機(jī)械的幾何位移量機(jī)械的幾何位移量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為為電子信號(hào)電子信號(hào)（電子脈沖信號(hào)或者數(shù)據(jù)串）。（電子脈沖信號(hào)或者數(shù)據(jù)串）。u這種電

17、子信號(hào)通常需要連接到控制系統(tǒng)這種電子信號(hào)通常需要連接到控制系統(tǒng)(e.g.PLC、高速計(jì)高速計(jì)數(shù)模塊、變頻器等數(shù)模塊、變頻器等),控制系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算便可以得到測量的數(shù)控制系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算便可以得到測量的數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行下一步工作。據(jù)，以便進(jìn)行下一步工作。u編碼器一般應(yīng)用于編碼器一般應(yīng)用于機(jī)械角度、速度、位置機(jī)械角度、速度、位置的測量。的測量。3.3.5 編碼器編碼器Coder編碼器的分類（工作原理）編碼器的分類（工作原理）增量編碼器絕對值編碼器一般用來測試一般用來測試速度與方向速度與方向也可以用也可以用角度測量，但在角度測量，但在掉電或電源出現(xiàn)故障時(shí)位掉電或電源出現(xiàn)故障時(shí)位置信息丟失置信息丟失傳送在一轉(zhuǎn)

18、中傳送在一轉(zhuǎn)中每一步的唯一每一步的唯一的位置信息的位置信息位置信息一直可用位置信息一直可用,即使在掉即使在掉電或電源出現(xiàn)故障時(shí)電或電源出現(xiàn)故障時(shí)一般用于一般用于角度測量角度測量、往復(fù)運(yùn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)動(dòng)編碼器編碼器的的一般特性一般特性編碼器外形編碼器外形 拉線式拉線式角編角編碼器利用線輪，碼器利用線輪，能將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)能將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（1 1）信號(hào)性質(zhì)）信號(hào)性質(zhì)0 0 0 0 0 0 0 0 1 22.5 0 0 1 0 45 1 1 1 1 337.5 輸出輸出n位二進(jìn)制編碼，每一位二進(jìn)制編碼，每一個(gè)編碼對應(yīng)唯一的角度。個(gè)編碼對應(yīng)唯一的角度。絕對式測量絕對式測量（ABS）（2

19、 2）絕對式光電碼盤基本原理）絕對式光電碼盤基本原理LED光敏光敏元件元件 輸輸出出信信號(hào)號(hào)為為一一串串脈脈沖沖，每每一一個(gè)個(gè)脈脈沖沖對對應(yīng)應(yīng)一一個(gè)個(gè)分分辨辨角角，對對脈脈沖沖進(jìn)進(jìn)行行計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)N，就就是是對對 的的累加，即，角位移累加，即，角位移 N。如如：0.352，脈脈沖沖N1000，則：，則：0.352 1000 352 增量式測量增量式測量（INC）（1 1）信號(hào)性質(zhì)）信號(hào)性質(zhì)（2 2）增量式光電編碼器的結(jié)構(gòu)）增量式光電編碼器的結(jié)構(gòu)碼盤碼盤光欄板光欄板LED零位標(biāo)志零位標(biāo)志（一轉(zhuǎn)脈沖）（一轉(zhuǎn)脈沖）光敏元件光敏元件 360條紋數(shù)條紋數(shù) 36010240.352 透光條紋透光條紋（3 3）

20、辨向）辨向90 ABAB 光光敏敏元元件件所所產(chǎn)產(chǎn)生生的的信信號(hào)號(hào)A、B彼彼此此相相差差90 相相位位，用用于于辨辨向向。當(dāng)當(dāng)碼碼盤盤正正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時(shí)時(shí)，A信信號(hào)號(hào)超超前前B信信號(hào)號(hào)90；當(dāng)當(dāng)碼碼盤盤反反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時(shí)時(shí)，B信信號(hào)號(hào)超超前前A信號(hào)信號(hào)90。（4 4）辨向信號(hào)）辨向信號(hào)ABABA 超前于超前于B 90，正向，正向A 滯后于滯后于B 90，反向，反向（5 5）倍頻（細(xì)分）倍頻（細(xì)分）/4細(xì)分前細(xì)分前4細(xì)分后細(xì)分后 在在現(xiàn)現(xiàn)有有編編碼碼器器的的條條件件下下，通通過過細(xì)細(xì)分分技技術(shù)術(shù)能能提提高高編編碼碼器器的的分分辨辨力力。細(xì)細(xì)分分前前，編編碼碼器器的的分分辨辨力力只只有有一一個(gè)個(gè)分分辨辨角角的的大

21、大小小。采采用用4細(xì)細(xì)分分技技術(shù)術(shù)后后，計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)脈脈沖沖的的頻頻率率提提高高了了4倍倍，相相當(dāng)當(dāng)于于將將原原編編碼碼器器的的分分辨辨力力提提高高了了3倍倍，測測量量分分辨辨角角是是原原來來的的1/4，提高了測量精度。，提高了測量精度。（6 6）零標(biāo)志（一轉(zhuǎn)脈沖）零標(biāo)志（一轉(zhuǎn)脈沖）一轉(zhuǎn)（360）CC 在在碼碼盤盤里里圈圈，還還有有一一條條狹狹縫縫C，每每轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)能能產(chǎn)產(chǎn)生生一一個(gè)個(gè)脈脈沖沖，該該脈脈沖沖信信號(hào)號(hào)又又稱稱“一一轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)信信號(hào)號(hào)”或或零零標(biāo)標(biāo)志志脈脈沖沖，作為測量的起始基準(zhǔn)。作為測量的起始基準(zhǔn)。（7 7）零標(biāo)志在回參考點(diǎn)中的作用）零標(biāo)志在回參考點(diǎn)中的作用Z 軸參考點(diǎn)軸參考點(diǎn)X 軸參考點(diǎn)軸參考

22、點(diǎn)Y 軸參考點(diǎn)軸參考點(diǎn)回參考點(diǎn)方式回參考點(diǎn)方式SINUMERIK數(shù)控?cái)?shù)控系統(tǒng)工作方式開關(guān)系統(tǒng)工作方式開關(guān)（8 8）回參考點(diǎn)減速開關(guān)）回參考點(diǎn)減速開關(guān)限位開關(guān)限位開關(guān)參考點(diǎn)減速開關(guān)參考點(diǎn)減速開關(guān)滑塊滑塊（9 9）回參考點(diǎn)示意圖）回參考點(diǎn)示意圖減速尋找減速尋找零標(biāo)志零標(biāo)志零標(biāo)志找到零標(biāo)志找到參考點(diǎn)位置參考點(diǎn)位置速度速度慢速慢速快速快速行程行程碰到參考點(diǎn)減速開關(guān)碰到參考點(diǎn)減速開關(guān)播放播放3.3.6 光柵式傳感器光柵式傳感器光柵尺位移傳感器光柵尺位移傳感器GWC系列光柵位移傳感器系列光柵位移傳感器 光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 由由主光柵、指示光柵、光主光柵、指示光柵、光源源和

23、和光電器件光電器件等組成。等組成。光源：光源：鎢絲燈泡；半導(dǎo)體發(fā)光器件鎢絲燈泡；半導(dǎo)體發(fā)光器件光電元件：光電元件：光電池；光敏二極管光電池；光敏二極管光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)如果把兩塊如果把兩塊柵距柵距W W相等相等的的光柵面光柵面平行安裝平行安裝，且讓它，且讓它們的刻痕之間有們的刻痕之間有較小的夾較小的夾角角時(shí)，這時(shí)光柵上會(huì)出時(shí)，這時(shí)光柵上會(huì)出現(xiàn)若干條現(xiàn)若干條明暗相間明暗相間的條紋，的條紋，這種條紋稱這種條紋稱莫爾條紋莫爾條紋。莫爾條紋是光柵非重合部莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，分光線透過而形成的亮帶，它由它由一系列四棱形圖案組一系列四棱形圖案組成成，圖中，圖

24、中dd線區(qū)所示。線區(qū)所示。圖中圖中ff線區(qū)則是由于線區(qū)則是由于光光柵的遮光效應(yīng)柵的遮光效應(yīng)形成的。形成的。長光柵莫爾條紋長光柵莫爾條紋播放動(dòng)畫播放動(dòng)畫 莫爾條紋莫爾條紋亮帶暗帶（1 1）莫爾條紋移動(dòng)方向與兩光柵相對移動(dòng)方向垂直。莫爾條紋移動(dòng)方向與兩光柵相對移動(dòng)方向垂直。（2 2）莫爾條紋有位移的放大作用。莫爾條紋有位移的放大作用。(1)(1)莫爾條紋的移動(dòng)方向：莫爾條紋的移動(dòng)方向：當(dāng)指示光柵不動(dòng)，當(dāng)指示光柵不動(dòng)，主光柵左右平移主光柵左右平移時(shí)，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向時(shí)，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下移動(dòng)。上下移動(dòng)。查看莫爾條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。紋的上

25、下移動(dòng)方向，即可確定主光柵左右移動(dòng)方向。(2)(2)位移的放大作用：位移的放大作用：當(dāng)主光柵沿與刻線垂直方向移動(dòng)一個(gè)當(dāng)主光柵沿與刻線垂直方向移動(dòng)一個(gè) 柵距柵距W時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距條紋間距B。當(dāng)兩個(gè)等距光柵當(dāng)兩個(gè)等距光柵的柵間夾角的柵間夾角較小時(shí)，主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距較小時(shí)，主光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋移，莫爾條紋移動(dòng)動(dòng)KW距離，距離，K為莫爾條紋的放大系數(shù)：為莫爾條紋的放大系數(shù)：莫爾條紋測位移具有三個(gè)特點(diǎn)莫爾條紋測位移具有三個(gè)特點(diǎn)條紋間距與柵距的關(guān)系為條紋間距與柵距的關(guān)系為 ：當(dāng)當(dāng)角較小時(shí)，例如角較小時(shí)，例如=30=30，則，則K K=115=115，表明莫表明莫

26、爾條紋的爾條紋的放大倍數(shù)放大倍數(shù)相當(dāng)大。相當(dāng)大。這樣，可把肉眼這樣，可把肉眼看不見的光柵位移看不見的光柵位移變成為變成為清晰可清晰可見的莫爾條紋移動(dòng)見的莫爾條紋移動(dòng)，可以用測量條紋的移動(dòng)來檢測光，可以用測量條紋的移動(dòng)來檢測光柵的位移。從而柵的位移。從而實(shí)現(xiàn)高靈敏的位移測量實(shí)現(xiàn)高靈敏的位移測量。(3)(3)誤差的平均效應(yīng)：誤差的平均效應(yīng)：莫爾條紋具有平均光柵誤差的莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。作用。l動(dòng)態(tài)測量范圍廣動(dòng)態(tài)測量范圍廣（01000mm）光柵位移傳感器的應(yīng)用光柵位移傳感器的應(yīng)用l測量精度高（分辨率為測量精度高（分辨率為0.1m）l在機(jī)械工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在在機(jī)械工業(yè)中得到了

27、廣泛的應(yīng)用，特別是在量具、數(shù)量具、數(shù) 控機(jī)床的閉環(huán)反饋控制、工作母控機(jī)床的閉環(huán)反饋控制、工作母機(jī)的坐標(biāo)測量等方面。機(jī)的坐標(biāo)測量等方面。l容易容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化和數(shù)字化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化和數(shù)字化l可進(jìn)行可進(jìn)行無接觸測量無接觸測量3.3.7 磁柵式傳感器磁柵式傳感器u價(jià)格低于光柵、制作簡單、復(fù)制方便；價(jià)格低于光柵、制作簡單、復(fù)制方便；u測量范圍寬（從幾十毫米到數(shù)十米）、不需接測量范圍寬（從幾十毫米到數(shù)十米）、不需接長；長；u易安裝和調(diào)整、抗干擾能力強(qiáng)。易安裝和調(diào)整、抗干擾能力強(qiáng)。磁柵優(yōu)點(diǎn)磁柵優(yōu)點(diǎn) 磁柵傳感器是由磁柵傳感器是由磁柵（磁尺）、磁頭、檢測磁柵（磁尺）、磁頭、檢測電路電路組成。組成。磁尺磁

28、尺磁柵外觀圖磁柵外觀圖磁頭磁頭德國德國SIKO 磁柵尺磁柵尺磁柵式傳感器示意圖磁柵式傳感器示意圖磁磁柵式傳感器的應(yīng)用柵式傳感器的應(yīng)用1磁柵測量系統(tǒng)磁柵測量系統(tǒng)壓板壓板磁頭磁頭磁尺磁尺數(shù)顯數(shù)顯3.3.8 壓電式傳感器壓電式傳感器電壓和力電壓和力力和電壓力和電壓瞬態(tài)測量瞬態(tài)測量模型模型電源電源并聯(lián)電阻并聯(lián)電阻并聯(lián)電容并聯(lián)電容料斗料斗無紅無紅外輻外輻射射電荷電荷平衡平衡有有紅紅外外線線電極兩電極兩端有剩端有剩余電荷余電荷壓電傳感器的工作原理壓電傳感器的工作原理 壓壓電電式式傳傳感感器器是是一一種種自自發(fā)發(fā)電電式式傳傳感感器器。它它以以某某些些電電介介質(zhì)質(zhì)的的壓壓電電效效應(yīng)應(yīng)為為基基礎(chǔ)礎(chǔ)，在在外外力力

29、作作用用下下，在在電電介介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測的目的。，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測的目的。壓壓電電式式傳傳感感器器主主要要用用途途：壓壓電電傳傳感感元元件件是是力力敏敏感感元元件件，它它可可以以測測量量最最終終能能變變換換為為力力的的那那些些非非電電物物理理量量，例例如如動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)力力、動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)壓壓力力、振振動(dòng)動(dòng)加加速速度度等等，但但不不能能用于靜態(tài)參數(shù)（例如重量）的測量用于靜態(tài)參數(shù)（例如重量）的測量。當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)槌鲭妷旱念l率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)

30、，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。靜態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。石英晶體的壓電效應(yīng)演示石英晶體的壓電效應(yīng)演示石英晶體的壓電效應(yīng)演示石英晶體的壓電效應(yīng)演示正正壓壓電電效效應(yīng)應(yīng)（順順壓壓電電效效應(yīng)應(yīng)）：某某些些電電介介質(zhì)質(zhì)，當(dāng)當(dāng)沿沿著著一一定定方方向向?qū)ζ淦涫┦┝αΧ故顾冏冃涡螘r(shí)時(shí)，內(nèi)內(nèi)部部就就產(chǎn)產(chǎn)生生極極化化現(xiàn)現(xiàn)象象，同同時(shí)時(shí)在在它它的的一一定定表表面面上上產(chǎn)產(chǎn)生生電電荷荷，當(dāng)當(dāng)外外力力去去掉掉后后，又又重重新新恢恢復(fù)復(fù)不不帶帶電電狀狀態(tài)態(tài)的的現(xiàn)現(xiàn)象象。當(dāng)當(dāng)作作用用力力方方向向改改變變時(shí)時(shí)，電荷極性也隨著改變。電荷極性也隨著改變。逆逆壓壓電電效效應(yīng)應(yīng)（電電致致伸伸縮

31、縮效效應(yīng)應(yīng)）：當(dāng)當(dāng)在在電電介介質(zhì)質(zhì)的的極極化化方方向向施施加加電電場場，這這些些電電介介質(zhì)質(zhì)就就在在一一定定方方向向上上產(chǎn)產(chǎn)生生機(jī)機(jī)械械變變形形或或機(jī)機(jī)械械壓壓力力，當(dāng)當(dāng)外外加加電電場場撤撤去去時(shí)時(shí)，這這些些變變形形或或應(yīng)應(yīng)力力也隨之消失的現(xiàn)象。也隨之消失的現(xiàn)象。電能電能機(jī)械能機(jī)械能正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)壓電傳感器只能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測量壓電傳感器只能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測量 由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器式傳感器不能用于靜態(tài)測量不能用于靜態(tài)測量。壓電元件在交變力的。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測量回路以作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測量回路以一定的電流，故一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測量只適用于動(dòng)態(tài)測量（一般必須高于（一般必須高于100Hz，但在，但在30kHz以上時(shí)，靈敏度下降）。以上時(shí)，靈敏度下降）。THANK YOUSUCCESS2022/10/2073可編輯