1、第4章 位移、物位传感器1温标量度物体温度数值的标尺 温标的表示方法 华氏温标、摄氏温标、热力学温标 非接触式测温 温度的测量方法接触式膨胀式温度计的工作原理 物体受热体积膨胀 电阻式温度传感器的工作原理 导体或半导体材料的电阻值随 温度变化而变化 热敏电阻的种类负温度系数（NTC）热敏电阻正温度系数（PTC）热敏电阻临界温度系数（CTR）热敏电阻第4章 位移、物位传感器2u 热电偶温度传感器的工作原理热电效应 u 热电势的组成：单一导体的温差电势、两种导体的接触电势u 热电偶的基本定律：中间导体、中间温度、参考电极u 热电偶测量电路：温差电路、温度之和电路、平均温度等u 热电偶冷端温度补偿方
2、法：冰浴法、冷端恒温法、补偿导线法、电桥自动补偿法u 集成温度传感器的工作原理利用晶体管PN结的电流和电压特性与温度的关系制成的u 辐射式温度传感器的工作原理利用物体的辐射能随温度变化的原理制成的第4章 位移、物位传感器44.1 4.1 电位器式位移传感器电位器式位移传感器 4.2 4.2 光栅位移传感器光栅位移传感器 4.3 4.3 磁栅位移传感器磁栅位移传感器 4.4 4.4 接近传感器接近传感器 4.5 4.5 液位传感器液位传感器 4.6 4.6 电容式物位传感器电容式物位传感器 4.7 4.7 流量传感器流量传感器 主要内容主要内容第4章 位移、物位传感器6u位移的概念及种类u电位器
3、式位移传感器的工作原理u光栅位移传感器的工作原理及应用u磁栅的概念、测量位移的工作原理及应用u电容式、电感式接近传感器的工作原理学习要点第4章 位移、物位传感器7u在自动检测系统中，位移的测量是一种最基本的测量工作，它的特性是测量空间距离的大小，如距离、位置、尺寸、角度等。概 述第4章 位移、物位传感器8概 述按照位移的特征位移传感器分类线位移机构沿着某一条直线移动的距离角位移机构沿着某一定点转动的角度根据传感器的工作原理电阻式位移传感器电容式位移传感器电感式位移传感器光电式位移传感器、光栅以及磁栅感应同步器、激光位移传感器根据输出信号模拟式数字式根据传感器原理和使用方法接触式非接触式第4章
4、位移、物位传感器9u电容式位移传感器、差动电感式位移传感器和电阻应变式位移传感器，一般用于小位移的测量(几微米几毫米)，差动变压器式位移传感器用于中等位移的测量(几毫米100毫米左右)。u电阻电位器式位移传感器适用于较大范围位移的测量，但精度不高；感应同步器、光栅、磁栅、激光位移传感器用于精密检测系统位移的测量，测量精度高(可达1m)， 量程也可大到几米u位移传感器不仅用于直接测量角位移和线位移的场合，而且 在其他物理量如力、压力、应变、液位等能转换成位移的任 何场合中也广泛作为测量和控制反馈传感器用。u电容式传感器、电感式传感器和电阻应变式传感器前面章节 已经详细讲解，本章主要介绍电位器式位
5、移传感器、光栅位 移传感器、磁栅位移传感器、液位位移传感器。第4章 位移、物位传感器104.1 电位器式位移传感器u 电位器是人们常用到的一种电子元件，它作为传感器可以将机械位移转换为与其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起电路中输出电压的变化。图4-1 电位器结构u 电位器由电阻体和电刷（也称可动触点）两部分组成，可作为变阻 器使用，如图4-1a所示。也可作为分压器使用，如图4-1b所示。4.1.1 电位器的基本概念第4章 位移、物位传感器114.1 电位器式位移传感器图4-1 电位器结构xRRxLabRLxRxxRUIxLxUUxLu分压器两边电阻的比值为 u若以恒定电流I从电阻体的a端
6、流入，并将电阻体的b端接地，则变阻器和分压器的输出:电阻体b端接地，则分压器输出电压:Uu若在分压器的两端施加电压u 当电刷沿电阻体的接触表面从b端移向a时，在电刷两边的电阻体阻值随之发生变化。设电阻体全长为L，总电阻为R，则当电刷移动距离为x时，变阻器的电阻值为第4章 位移、物位传感器124.1 电位器式位移传感器u由上可见，电位器的输出信号均与电刷的位移量成比例， 实现了位移与输出电信号的对应转换关系。因此，这类 传感器可用于测量机械位移量，或可测量已转换成位移 量的其它物理量（如压力、振动加速度等）。u这种类型传感器特点是：结构简单、价格低廉，输出信 号大，一般不需放大，但是，它的分辨率
7、不高，精度也 不高，所以不适于精度要求较高的场合。另外，动态响 应较差，不适于动态快速测量。第4章 位移、物位传感器134.1.2 电位器的类型、结构与材料电位器式传感器按结构形式图4-2 电位器结构形式直线位移型角位移型按工艺特点线绕式非线绕式按制作材料绕线式电位器合成膜电位器金属膜电位器导电塑料电位器导电玻璃釉电位器光电式电位器第4章 位移、物位传感器141. 电阻丝u电阻丝的材料应是电阻率大、电阻温度系数小、柔软，但强度高，抗蚀性好、抗拉强度高、容易焊接，且熔点高。常用的材料为：铜镍合金、铜锰合金、铂铬合金及镍铬丝等。2. 骨架与基体u骨架与基体应形状稳定，表面绝缘电阻高，并有较好的散热
8、能力。常用的材料有陶瓷、酚醛树脂、工程塑料以及经过绝缘处理的铝合金等。电位器由电阻体包括电阻丝（或电阻薄膜）、骨架和电刷组成图4-3 常见电刷结构第4章 位移、物位传感器153. 电刷u电刷是电位器中关键零件之一，一般用贵金属材料或金属薄片制成。金属丝直径约0.10.2mm，电刷头部应弯成弧形，以防接触面过大而磨损，如图4-3所示为常见电刷结构。电刷要有一定的弹性，以保证与电阻体可靠接触，另外抗蚀性好、抗拉强度高、容易焊接，且熔点高。电位器由电阻体包括电阻丝（或电阻薄膜）、骨架和电刷组成图4-3 常见电刷结构第4章 位移、物位传感器164.1.3 电位器的主要技术指标u最大阻值和最小阻值指电位
9、器阻值变化能达到的最大值和最小值。u电阻值变化规律指电位器阻值变化的规律，例如对数式、指数式、直线式等。u线性电位器的线性度指阻值直线式变化的电位器的非线性误差。u滑动噪声电刷移动时，滑动接触点打火产生的噪声电压大小。第4章 位移、物位传感器174.1.4 线位移传感器u电位器式线位移传感器结构原理如图4-4所示当滑杆随待测物体往返运动时，电刷在电阻体上也来回滑动。使电位器两端输出电压随位移量改变而变化 图4-4 线位移传感器第4章 位移、物位传感器184.1.5 角位移传感器 360OiUU传感器的转轴与被传感器的转轴与被测角度转轴相连，测角度转轴相连，电刷在电位器上转电刷在电位器上转过一个
10、角位移时，过一个角位移时，在检测输出端有一在检测输出端有一个与转角成比例的个与转角成比例的电压输出电压输出: :第4章 位移、物位传感器19惯性敏感元件在被测加速度的作用下，使片状弹簧产生正比于被测加速度的位移，从而引起电刷在电阻体上下滑动，输出与加速度成比例的电压信号 4.1.6 电位器式传感器的应用当被测流体通入弹性敏感元件膜盒的内腔时，在流体压力作用下，膜合硬中心产生弹性位移，推动连杆上移，使曲柄轴带动电位器的电刷在电阻体上滑动，输出与被测压力成正比的电压信号图4-6 电位器式压力传感器图4-7 电位器式加速度传感器第4章 位移、物位传感器204.1.7 电位器传感器的结构 第4章 位移
11、、物位传感器21.2 光栅位移传感器u由大量等宽等间距的平行狭缝组成的光学器件称为光栅，如图4-9 所示。u光栅的刻痕密度一般为每毫米10、25、50、100、250线。刻痕之间的距离称为栅距W。u设刻痕宽度为a，狭缝宽度为b，则，一般情况下取a=bW=a+b图图4-9 4-9 光栅光栅abWab 4.2.1 光栅的概念第4章 位移、物位传感器22.2 光栅位移传感器用玻璃制成的光栅称为透射光栅，它是在透明玻璃上刻出大量等宽等间距的平行刻痕，每条刻痕处是不透光的，而两刻痕之间是透光的第4章 位移、物位传感器23用不锈钢制成的光栅称为反射式光栅第4章 位移、物位传感器244.2.2 光栅位移传感
12、器的工作原理莫尔条纹u 莫尔条纹如果把两块栅距W相等的光栅面平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，如图4-10所示。u 莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成，图4-10中d-d线区所示。f-f 线区则是由于光栅的遮光效应形成的。 图图4-10 4-10 莫尔条纹莫尔条纹第4章 位移、物位传感器25W/B W莫尔条纹演示莫尔条纹演示指示光栅主光栅第4章 位移、物位传感器2600cos22424sin2limcos12limsin22122BWWCotWWB图4-10 莫尔条纹1BKW第4章 位移、物位
13、传感器27u例如=30，则K=115，表明莫尔条纹的放大倍数相当大。u当=0.1o时， K=573u这样，就可以把肉眼看不到的光栅位移变成为清晰可见的莫尔条纹移动，可以用测量条纹的位移来检测光栅的位移，从而实现高灵敏度的位移测量。1BKW=B KW第4章 位移、物位传感器28莫尔条纹有两个重要的特性u位移的方向性：当指示光栅不动，主光栅左右平移时，莫尔条纹将沿着指示栅线的方向上下移动，查看莫尔条纹的上下移动方向，即可确定主光栅左右移动方向。u莫尔条纹有位移的放大作用。当主光栅沿有刻线垂直的方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距B。当两个等距光栅的栅间夹角较小时，主光栅移动一个栅距W，莫
14、尔条纹移动KW距离，K为莫尔条纹的放大系数，可由下式确定，即1BKW第4章 位移、物位传感器294.2.3 光栅位移传感器的结构u 光栅位移传感器的结构及工作原理如图4-11所示。 它主要由主光栅、指示光栅、光源和光电器件等组成，其中主光栅和被测物体相连，它随被测物体的直线位移而产生移动。当主光栅产生位移时，莫尔条纹便随着产生位移，若用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目，便可知主光栅移动的距离，也就测得了被测物体的位移量。利用上述原理，通过多个光敏器件对莫尔条纹信号的内插细分，便可检测出比光栅距还小的位移量及被测物体的移动方向。图4-11 光栅位移传感器的结构原理图第4章 位移、物位传感器30
15、 图4-11b）光栅位移传感器外形图第4章 位移、物位传感器314.2.4 光栅位移传感器的特点及应用u 由于莫尔条纹是明暗交替的，当莫尔条纹上下移动时，只要用光敏元件检测出来明、暗的变化，就可得知位移的大小，实现测量结果的二值化。另外莫尔条纹是由光栅的大量刻线形成的，对刻线误差有平均作用，能在很大程度上消除刻线不均匀引起的误差。u 由于光栅位移传感器测量精度高（分辨率为0.1m）、动态测量范围广（01000mm），可进行无接触测量，而且容易实现系统的自动化和数字化，因而在机械工业中得到了广泛的应用，特别是在量具、数控机床的闭环反馈控制、工作主机的坐标测量等方面，光栅位移传感器都起着重要的作用
16、。图4-12 所示为光栅位移传感器在机床加工方面的应用实例。第4章 位移、物位传感器32图4-12 光栅位移传感器在机床加工方面的应用 第4章 位移、物位传感器33.3 磁栅位移传感器u磁栅是一种有磁化信息的标尺，它是在非磁性体的平整表面上镀一层约0.02厚的Ni-Co-P磁性薄膜，并用录音磁头沿长度方向按一定的激光波长录上磁性刻度线而构成的，因此又把磁栅称为磁尺。u 录制磁信息时，要使磁尺固定，磁头根据来自激光波长的基准信号，以一定的速度在其长度方向上边运行边流过一定频率的相等电流，这样，就在磁尺上记录了相等节距的磁化信息而形成磁栅。4.3.1 磁栅的概念第4章 位移、物位传感器34.3 磁
17、栅位移传感器u磁栅录制后的磁化结构相当于一个个小磁铁按NS、SN、NS的状态排列起来，如图-13所示。因此在磁栅上的磁场强度呈周期性地变化，并在N-N或 S-S相接处为最大处。图4-13 磁栅的基本结构第4章 位移、物位传感器354.3.2 磁栅的种类及特点u磁栅的种类可分为单面型直线磁栅、同轴型直线磁栅和旋转型磁栅等。u磁栅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。磁栅和其他类型的位移传感器相比，具有结构简单，使用方便，动态范围大（120m）和磁信号可以重新录制等优点。其缺点是需要屏蔽和防尘。 第4章 位移、物位传感器364.3.3 磁栅位移传感器的结构和工作原理u 磁栅位移传感
18、器由磁尺（磁栅）、磁头和检测电路组成。u 工作原理是电磁感应原理，当线圈在一个周期性磁体表面附近匀速运动时，线圈上就会产生不断变化的感应电动势。感应电动势的大小，既和线圈的运动速度有关，还和磁性体与线圈接触时的磁性大小及变化率有关。根据感应电动势的变化情况，就可获得线圈与磁体相对位置和运动的信息。u 磁尺是检测位移的基准尺，磁头用来读取磁尺上的记录信号。按读取方式不同，磁头分为动态磁头和静态磁头两种。第4章 位移、物位传感器371.动态磁头u 动态磁头上只有一个输出绕组，只有当磁头和磁尺相对运动时才有信号输出，因此又称动态磁头为速度响应磁头。运动速度不同，输出信号的大小和周期也不同，因此，对运
19、动速度不均匀的部件，或时走时停的机床，不宜采用动态磁头进行测量。但动态磁头测量位移较简单，磁头输出为正弦信号，在N、N处达到正向峰值，在S、S处为负向峰值如图4-14所示，通过计数磁尺的磁节距个数（或正弦波周期个数），就可知道磁头与磁尺间的相对位移量。图4-14 动态磁头输出波形与磁栅位置关系. u 式中 n正弦波周期个数 （磁节距个数） W磁节距xnW图4-14 动态磁头输出波形与磁栅位置关系第4章 位移、物位传感器382.静态磁头u 静态磁头是一种调制式磁头，磁头上有两个绕组，一个是激励绕组，加以激励电源电压，另一个是输出绕组。即使在磁头与磁尺之间处于相对静止时，也会因为有交变激励信号使输
20、出绕组有感应电压信号输出。如图4-15所示，可见输出信号是一个幅值不变，相位随磁头与磁栅相对位置变化而变化的信号，可用鉴相电路测出该调相信号的相位，从而测出位移。静态磁头和磁尺之间有相对运动时，输出绕组产生一个新的感应电压信号输出，它作为包络，调制在原感应电压信号频率上。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。这提高了测量精度。检测电路主要用来供给磁头激励电压和把磁头检测到的信号转换为脉冲信号输出并以数字形式显示出来。2sin(2)mxUUtW磁头总的输出信号为:图4-15 静态磁头结构及输出波形第4章 位移、物位传感器394.3.4 磁栅位移传感器的应用u磁栅位移
21、传感器和其他类型的位移传感器相比，具有结构简单，使用方便，动态范围大（120m）和磁信号可以重新录制等优点，其缺点是需要屏蔽和防尘。u磁栅位移传感器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，其行程可达数十米，分辨率优于。如图4-16所示为磁栅位移传感器的结构及在机床加工方面的应用实例。1 m第4章 位移、物位传感器40第4章 位移、物位传感器41u 磁栅位移传感器允许最高工作速度为12m/min，系统的精度可达0.01mm/m，最小指示值0.001mm，使用范围040，是一种测量大位移的传感器。第4章 位移、物位传感器42.4 接近传感器u 接近传感器是一种具有感知物体接近能力的器
22、件。它利用位移传感器对接近的物体具有的敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号。因此，通常又把接近传感器称为接近开关。u 常见的接近传感器有电容式、涡流式、霍尔效应式、光电式、热释电式、多普勒式、电磁感应式及微波式、超声波式等等。第4章 位移、物位传感器43.4.1 电容式接近传感器u 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，它由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成，如图-17所示：图4-17 电容式接近传感器原理框图第4章 位移、物位传感器444.4.1 电容式接近传感器u 平时检测电极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电路的一个组成部分。当被检
23、测电极接近检测电极时，由于检测电极加有电压，检测电极就会受到静电感应而产生极化现象，被测物体越靠近检测电极，检测电极上的电荷就越多，由于检测电极的静电电容为C=Q/V，所以电荷的增多，使检测电极电容C随之增大，进而又使振荡电路的振荡减弱，甚至停止振荡。振荡电路的振荡与停振这两种状态被检测电路转换为开关信号后向外输出。图4-17 电容式接近传感器原理框图12fLC电容式接近传感器检测的被测物体是金属导体，非金属导体不能用该方法测量 第4章 位移、物位传感器45.4.2 电感式接近传感器u电感式接近传感器由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成。如图4-18所示。检测用敏感元件为
24、检测线圈，它是振荡电路的一个组成部分，振荡电路的振荡频率为 。 图4-18a） 电感式接近传感器原理框图12fL C第4章 位移、物位传感器46.4.2 电感式接近传感器u 当检测线圈通以交流电时，在检测线圈的周围就产生一个交变的磁场，当金属物体接近检测线圈时，金属物体就会产生电涡流而吸收磁场能量，使检测线圈的电感L发生变化，从而使振荡电路的振荡频率减小，以至停振。振荡与停振这两种状态经检测电路转换成开关信号输出。图4-18a） 电感式接近传感器原理框图12fL C第4章 位移、物位传感器47O NO F FO F F被 测物 体传 感 器振 荡 电路 输 出整 形 电路 输 出电 路输 出图
25、4-18b） 电感式接近传感器工作过程电感式接近传感器检测的被测物体也是金属导体，非金属导体不能用该方法测量。振幅变化随目标物金属种类而不同，因此检测距离也随目标物金属的种类而不同。第4章 位移、物位传感器48接近开关外形第4章 位移、物位传感器494.4.3 接近传感器的应用u 接近传感器主要用于检测物体的位移。u 在航空、航天技术以及工业生产中都有广泛的应用。u 在日常生活中，如宾馆、饭店、车库的自动门、自动热风机上都有应用。u 在安全防盗方面，如资料档案、财会、金融、博物馆、金库等重地，通常都装有由各种接近开关组成的防盗装置。u 在测量技术中，如长度，位置的测量。u 在控制技术中，如位移
26、、速度、加速度的测量和控制，也都使用着大量的接近开关。第4章 位移、物位传感器504.4.3 接近传感器结构及应用 图4-19 接近传感器结构及其应用实例第4章 位移、物位传感器51作 业uP109：1、2、3第4章 位移、物位传感器52u电位器式位移传感器u光栅位移传感器u磁栅位移传感器u接近传感器第4章 位移、物位传感器53第4章 位移、物位传感器54学习要点u液位传感器的工作原理 u常见液位检测传感器的工作原理u电容式物位传感器的工作原理 u流量的概念 u常见流量传感器的工作原理第4章 位移、物位传感器554.5 液位传感器u 测量液位的目的：一种是为了液体储藏量的管理，一种是为了液位的
27、安全或自动化控制，有时需要精确的液位数据，有时只需液位升降的信息。液位传感器浮子式液位传感器平衡浮筒式液位传感器压差式液位传感器电容式液位传感器导电式液位传感器超声波式液位传感器放射线式液位传感器第4章 位移、物位传感器564.5.1 导电式水位传感器u 导电式水位传感器的基本工作原理，如图4-20所示。电极可根据检测水位的要求进行升降调节，它实际上是一个导电性的检测电路。u 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0。假如水位上升到与两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，指示电路中的显示仪表就会发生偏转，同时在限流电阻两
28、端有电压输出。人们通过仪表或输出电压便得知水位已达到预定的高度了。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4-20 导电式水位传感器基本工作原理第4章 位移、物位传感器57图4-21 导电式水位传感器的电路原理图方波发生器 比较器 水位上升与检知电极接触 矩形波信号被旁路 熄灭 水位低于检知电极 闪烁发光 低电位高电位高电平低电平第4章 位移、物位传感器584.5.2 压差式液位传感器u 压差式液位传感器是根据液面的高度与液压成比例的原理制成的。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。当储液罐为开放
29、型时，如图4-22所示，其基准面上的压力由下式确定，即 12()Pghghh图4-22 开放型储液罐压力示意图由于需要测定的是高度 ，因此调整压力传感器的零点，把压力传感器的零点提高 ，就可以得到压力与液面高度 成比例的输出 2h1h1h第4章 位移、物位传感器59图4-23 密封型储液罐测压示意图10112()PPg hh20232()PPg hh12112232()()PPPg hhg hh两侧的压力差 第4章 位移、物位传感器604.5.3 常见液位传感器 第4章 位移、物位传感器614.5.3 磁致伸缩液位（位移）传感器1. 磁致伸缩效应u 大家知道物质有热胀冷缩的现象。除了加热外，磁
30、场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。另外有些物质（多数是金属氧化物）在电场作用下，其尺寸也伸长（或缩短），去掉外电场后又恢复其原来的尺寸，这种现象称为电致伸缩现象。磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数（或应变）来描述， 00()Hlll物体原来的长度 在外磁场作用下伸长（或缩短）变化后的长度 磁致伸缩用的材料较多，主要有镍、铁、钴、铝类合金与镍铜钴铁氧陶瓷，其磁致伸缩系数为 量级510第4章 位移、物位传感器622.磁致伸缩液位传感器的工作原理图u 磁致伸缩液位传感器是根据磁致伸缩测
31、量原理研制而成，可精确地测量液位、界面的高度和温度。具有测量精度高、稳定可靠、抗干扰、安装方便快捷、免定期维护和标定等优点。适用于石化、电力、生物制剂、粮油、酿造等行业各种油面和界面的精确计量。u 磁致伸缩线性液位传感器主要由测杆、电子仓和套在测杆上的非接触的磁环或浮球（子）组成。如图4-25所示。测杆内装有磁致伸缩线(波导线)，测杆由不导磁的不锈钢管制成，可靠地保护了波导丝。浮子内装有一组永久磁铁，所以浮子同时产生一个磁场。图4-25 磁致伸缩液位传感器测量示意图第4章 位移、物位传感器63 工作时，由电子仓内电子电路产生一起始脉冲，此起始脉冲在波导线中传输时，同时产生了一沿波导线方向前进的
32、旋转磁场，当这个磁场与磁环或浮球中的永久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，使波导丝发生扭动，这一扭动被安装在电子仓内的拾能机构所感知并转换成相应的电流脉冲即终止脉冲，通过电子电路计算出起始脉冲和终止脉冲之间的时间差，即可精确测出被测的位移和液位。图4-26 磁致伸缩液位传感器结构原理图电子仓内电子电路产生起始脉冲旋转磁场磁致伸缩效应波导丝发生扭动终止脉冲图4-27 磁致伸缩液位传感器的外形图第4章 位移、物位传感器64第4章 位移、物位传感器65第4章 位移、物位传感器66第4章 位移、物位传感器674.6 电容式物位传感器u原理电容式物位传感器是利用被测物不同，其介电常数不同的特点进行检测的。u
33、可用于各种导电、非导电液体的液位或粉装料位的远距离连续测量和指示。由于其结构简单，没有可动部分，因此用应范围较广。由于被测介质的不同，电容式物位传感器也有不同的形式，现以测量导电液体的电容式物位传感器和测量非导电液体的电容物位传感器为例进行简介。第4章 位移、物位传感器684.6.1 电容式液位传感器的工作原理u 电容式液位传感器是把液体位置的变化变换成电容量的变化，以实现非电量电测的。通过测量电容量的变化间接得到液位的变化。图4-28 圆柱形电容器电容式液位传感器是根据圆柱形电容器传感器原理进行工作的，图中有两个长度为L,半径分别为R和r的圆筒形金属导体，中间隔以绝缘物质便构成圆柱形电容器。
34、当中间所充介质的介电常数为 时，则两圆柱间的电容量为图4-28 圆柱形电容器rRLl102lnLCRr 21022()lnlnlLlCCCRRrr 212lnlCRr12非导电性材料1u两圆柱形电极间填充了介电常数为 的液体（非导电性）时，则两圆柱间的电容量就会发生变化。假如液体的高度为 ，此时两电极间的电容量为2l电容量的变化量为：第4章 位移、物位传感器692.导电性液体高度测量u 如果被测介质为导电性液体时，在液体中插入一根带绝缘套的电极。由于液体是导电的，容器和液体可看作为电容器的一个电极，插入的金属电极作为另一个电极，绝缘套管为中间介质，三者组成圆筒电容器，如图4-29所示。当液位变
35、化时，就改变了电容器两极覆盖面积的大小，液位越高，覆盖面积就越大，容器的电容量就越大。假如中间介质的介电常数 ，电极被导电液体浸没的长度为 ，则此时电容器的电容量为:图4-29 导电性液位测量l2R2r电极绝缘套管导电液体32lnlCRr 绝缘覆盖层外半径 内电极的外半径 33l第4章 位移、物位传感器70第4章 位移、物位传感器714.6.2 电容式物位传感器u 当测量粉状导电固体料位和粘滞非导电液位时，可采用光电极直接插入圆筒形容器的中央，将仪表地线与容器相连，以容器作为外电极，物料或液体作为绝缘物构成圆筒形电容器，如图4-30为电容式料位传感器结构.u 电容物位传感器主要由电极（敏感元件
36、）和电容检测电路组成。可用于导电和非导电液体之间及两种介电常数不同的非导电液体之间的界面测量。因测量过程中电容的变化都很小，因此准确的检测电容量的大小是物位检测的关键。图4-30 电容式料位传感器结构第4章 位移、物位传感器724.6.3 电容式物位传感器的应用u 晶体管电容料位指示仪是用来监视密封料仓内导电性不良的松散物质的料位，并能对加料系统进行自动控制。在仪器的面板上装有指示灯：红灯指示“料位上限”，绿灯指示“料位下限”。当红灯亮时表示料面已经达到上限，此时应停止加料；当红灯熄灭，绿灯仍然亮时，表示料面在上下限之间；当绿灯熄灭时，表示料面低于下限，应该加料。kuAL3C1VT1L1L2C
37、2C3CxC4L4VT2L5VD1VT3VT4HL+-R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11VD2图4-31 晶体管电容料位指示仪电路原理图第4章 位移、物位传感器734.7 流量传感器u流量是指流体在单位时间内通过管道某 一截 面的体积或质量数。前者称为体积流量，后者称为质量流量。因为流体有一定的粘性，流速在管截 面上的分布是不均匀的，所以流速一般用平均流速 表 示。第4章 位移、物位传感器744.7 流量传感器u 根据流量的概念，流体的流量可以表示为：vQAmvQAQ体积流量质量流量平均流速管截面积质量密度u 测量流量的传感器常用的有：电磁式、速度式、涡轮式、超声波式等流量传感器
38、。u 常用的流体单位有：33/msmhL skg st s、第4章 位移、物位传感器754.7.1 电磁流量计u电磁流量计是20世纪5060年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表。电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的，用来测量导电液体体积流量的仪表。由于其独特的优点，目前已广泛地被应用于工业过程中各种导电液体的流量测量，如各种酸、碱、盐等腐蚀性介质；各种浆液流量测量，形成了独特的应用领域。第4章 位移、物位传感器76电磁流量计的结构 u 在结构上，电磁流量计由电磁流量传感器和转换器两部分组成。图4-32所示为常见电磁流量计的结构外形图。u 传感器安装在工业过程管道上，它的作
39、用是将流进管道内的液体体积流量值线性的变换成感应电势信号，并通过传输线将此信号送到转换器。转换器安装在离传感器不太远的地方，它将传感器送来的流量信号进行放大，并转换成与流量信号成正比的标准电信号输出，以进行显示、累积和调节控制。图4-32 常见电磁流量计的结构外形图第4章 位移、物位传感器771.电磁流量计的基本原理u根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体的两端即产生感生电势e，其方向由右手定则确定，其大小与磁场的磁感应强度B，导体在磁场内的长度L及导体的运动速度成正比，如果B， L，三者互相垂直，则eBL第4章 位移、物位传感器78u 在磁感应强度为B的均匀磁场中，
40、垂直于磁场方向放一个内径为D的不导磁管道，当导电液体在管道中以流速 流动时，导电流体就切割磁力线。如果在管道截 面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极，如图4-33所示。图4-33 电磁流量计原理简图eBD2144veDQADeBDB管道的体积流量 u 可以证明，只要管道内流速分布均匀，两电极之间也将产生感生电动势：第4章 位移、物位传感器79电磁式流量传感器的优缺点(1) 没有机械可动部分，安装使用简单可靠。(2) 电极的距离正好为导管的内径，因此没有妨 碍流体 流动的障碍，压力损失极小。(3) 能够得到与容积流量成正比的输出信号。(4) 测量结果不受流体粘度的影响。(5) 由于电动势是包含电
41、极的导管的断面处作为 平均流 量测得的，因此受流速分布影响较小(6) 测量范围宽，可以从0.005190000m3/h。(7) 测量的精度高，可达0.5%。第4章 位移、物位传感器80使用电磁式流量传感器时应注意(1) 由于导管是绝缘体，电流在流体中流动很容易受杂波的干扰，因此必须在安装流量传感器的管道两端设置接地环接地。(2) 虽然流速的分布对精度的影响不大，但为了消除这种影响，应保证液体流动管道有足够的直线长度。(3) 使用电磁式流量计时，必须使管道内充满液体。最好是把管道垂直设置，让被测液体从上至下流动。(4) 测定电导率较小的液体时，由于两电极间的内部阻抗（电动势的内阻）比较高，故所接
42、信号放大器要有100M左右的输入阻抗。为保证传感器正常的工作，液体的速率必须保证在5cm/s以上。u电磁式流量计可以广泛应用于自来水、工业用水、农业用水、海水、污水、污泥及化学药品、食品和矿浆等流量的检测。第4章 位移、物位传感器814.7.2 涡轮式流量传感器u 涡轮式流量传感器也是一种速度式流量传感器。它是通过测量安装在管道中的涡轮转速而间接测量流体的流速，进而测得流量的。当叶轮置于流体中时，由于叶轮的迎流面和背流面流速不同，因此在流向方向形成压差，所产生的推力使叶轮转动。如果选择摩擦力小的轴承来支撑叶轮，且叶轮采用轻型材料制作，那么可使流速和转速的关系接近线性，只要测得叶轮的转速，便可得
43、知流体的流速。图4-34 涡轮式流量传感器的原理方框图第4章 位移、物位传感器82导磁材料 u 叶轮转速的测量一般采用图4-29所示的方法。叶轮的叶片可以用导磁材料制作，由永久磁铁，铁心及线圈与叶片形成磁路。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，便可输出作为供检测转速用的脉冲信号。 图4-29 涡轮流量传感器结构原理图第4章 位移、物位传感器83图4-36 涡轮流量传感器结构为了清除涡流和断面流速不均匀对测量的影响，在传感器进出口处常常装有导流器，用以导直流体并支撑涡轮，使流体顺利流过叶轮，增加传感器的线性工作范围。传感器应安装在管道前后直
44、管的距离大于管道直径的1520倍和5倍处. 第4章 位移、物位传感器84图4-37 涡轮流量传感器的外形图4-37为涡轮流量传感器的外形。根据安装条件，涡轮流量传感器可以做成不同的结构形式。由于涡轮流量计输出的是脉冲信号，易于远距离传送和定量控制，并且抗干扰强，因此可以用于纯水、轻质油（汽油、煤油、柴油）、粘度低的润滑油及腐蚀性不大的酸碱溶液的流量测量，测量精度一般在 以内。0.5%第4章 位移、物位传感器85本章小结u 电位器式位移传感器将机械位移转换为与其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起电路中输出电压的变化。 u 光栅位移传感器工作原理莫尔条纹：如果把两块栅距W相等的光栅面平行安装，
45、且让它们的刻痕之间有较小的夹角，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹。 u 莫尔条纹有两个重要的特性：（1）位移的方向性；（2）放大作用 u 磁栅位移传感器电磁感应原理，当线圈在一个周期性磁体表面附近匀速运动时，线圈上就会产生不断变化的感应电动势。 u 接近传感器具有感知物体接近能力的器件。它利用位移传感器对接近的物体具有敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号。第4章 位移、物位传感器86u电容式物位传感器利用被测物不同，其介电常数不同的特点进行检测的 u导电式水位传感器利用水的导电性。 液位传感器u压差式液位传感器 液面的高度与液压成比例的原理制成的。u磁致伸缩液位（位移）传感器 磁致
46、伸缩效应，即铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。 本章小结第4章 位移、物位传感器87流量传感器u流量流体在单位时间内通过管道某一截面的体积或质量数。前者称为体积流量，后者称为质量流量。 u电磁流量计根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体的两端即产生感生电势e。 u涡流式流量传感器也是一种速度式流量传感器。它是通过测量安装在管道中的涡轮转速而间接测量流体的流速，进而测得流量的。 本章小结第4章 位移、物位传感器88复习思考题1. 莫尔条纹的含义是什么？其主要特性有哪些？试画图分析。2. 磁栅位移传感器的工作原理是什么？3. 电容式、电感式接近传感器的工作原理是什么？被测物体是什么材料？为什么？4. 试分析图4-22所示压力传感器是如何测量液位的高度的？5. 电容式物位传感器是如何测量物体位置的？6. 试分析电磁流量计的工作原理，并推导流量的表达式。
