智能傳感器檢測與應用技術主編楊杰忠葉光顯鄒火軍主編楊杰忠葉光顯鄒火軍副主編黃浩兵林雙媚韋玉秋

參編農晴晴莫小軍李仁芝秦文芳王棟平

韋文杰楊天明韋克寧黃旭張國峰唐國永陳軍主編黃浩兵林雙媚韋玉秋

參編農晴晴莫小軍李仁芝秦文芳王棟平

韋文杰楊天明韋克寧黃旭張國峰唐國永陳軍“十四五”職業教育智能制造技術應用專業系列教材項目6位移的檢測1．掌握電位器式位移傳感器的工作原理及典型應用。2．掌握電感式位移傳感器的工作原理及典型應用。3．掌握光柵式位移傳感器的工作原理及典型應用。知識目標：1．能認識常見位移傳感器并了解其結構及特性。2．會直線位移和角位移的測量。3．能掌握差動螺線管式電感傳感器測量位移的方法和步驟，并會光柵式位移傳感器的安裝與檢修方法。能力目標：

本項目主要包括模擬式位移傳感器檢測位移、數字式位移傳感器檢測位移2個任務，要求學生通過這2個任務的學習，進一步掌握電感式位移傳感器的工作過程及使用方法，加深對光柵式位移傳感器的工作原理的理解，學會光柵式位移傳感器的安裝步驟及簡單故障的判斷方法。項目描述目標與描述知識目標1．掌握電位器式位移傳感器的工作原理。2．掌握電位器式位移傳感器的典型應用。3．了解電感式位移傳感器的分類、結構。4．掌握電感式位移傳感器的工作原理及典型應用。能力目標用差動螺線管式電感傳感器測量位移。工作任務

模擬式位移傳感器有電位器式位移傳感器、電阻應變式位移傳感器、電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、超聲波式位移傳感器、光電式位移傳感器、霍爾式位移傳感器等。本任務是通過學習，了解模擬式位移傳感器的結構、特性及工作原理，并能用差動螺線管式電感傳感器測量位移。項目6位移的檢測任務1模擬式位移傳感器檢測位移任務1模擬式位移傳感器檢測位移

電位器是一種常用的電子元件，廣泛應用于各種電氣和電子設備中。它是一種把機械的直線位移和角位移轉換為與它呈一定函數關系的電阻和電壓的傳感元件。電位器式位移傳感器與電阻應變式位移傳感器、壓阻式位移傳感器一樣都屬于電阻式位移傳感器。電位器式位移傳感器有著結構簡單、價格低廉、性能穩定、適應性強、輸出信號大等優點，缺點是分辨力有限、動態響應較差。電位器式位移傳感器的外形如圖6-1-1所示。項目6位移的檢測圖6-1-1電位器式位移傳感器的外形一、金屬物體的位置檢測（a）直線位移傳感器（b）角位移傳感器任務1模擬式位移傳感器檢測位移

1．電位器式位移傳感器的結構及原理電位器式位移傳感器由電阻元件、電刷和骨架等構成，其結構如圖6-1-2所示。項目6位移的檢測圖6-1-2電位器式位移傳感器的結構一、金屬物體的位置檢測任務1模擬式位移傳感器檢測位移

1．電位器式位移傳感器的結構及原理圖6-1-3所示為常用的直線位移傳感器的原理示意圖，其電阻元件由金屬電阻絲繞成，電阻絲橫截面積相等，電阻沿長度分布均勻。設電位器全長為xmax，總電阻為Rmax，則當電刷由A到B移動x距離后，A到電刷間的電阻為項目6位移的檢測圖6-1-3常用的直線位移傳感器的原理示意圖一、金屬物體的位置檢測式中 kr——電位器的電阻靈敏度。任務1模擬式位移傳感器檢測位移

1．電位器式位移傳感器的結構及原理角位移傳感器的原理與直線位移傳感器的原理相同，如圖6-1-4所示，角位移傳感器的電阻與角度的關系為項目6位移的檢測圖6-1-4角位移傳感器的原理示意圖一、金屬物體的位置檢測電壓與角度的關系為式中 ——電位器的電壓靈敏度。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換為電刷觸點的移動，進而轉換為輸出電阻、電壓或電流的變化，從而實現位移檢測。任務1模擬式位移傳感器檢測位移

2．電位器式位移傳感器的應用圖6-1-5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）將被測的壓力信號變換為彈性元件的位移，然后將此位移轉換為電刷觸點的移動，從而引起輸出電壓或電流的相應變化。在彈性元件膜盒的內腔，施加被測流體壓力，在此壓力作用下，膜盒中心產生位移，推動杠桿上移，使曲柄軸帶動電刷在電位器電阻絲上滑動，從而使傳感器的電阻發生變化，最后輸出一個與被測壓力成正比的電壓信號。項目6位移的檢測圖6-1-5電位器式位移傳感器測量壓力的原理示意圖一、金屬物體的位置檢測任務1模擬式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器是利用電磁感應定律將被測非電量（如位移、壓力、流量、振動速度等）轉換為線圈自感量或互感量的變化，再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量。電感式位移傳感器具有結構簡單、工作可靠、測量精度高、線性度好、輸出功率大等優點而被廣泛應用于工業控制及自動化系統。其不足之處是頻率響應較低，不宜用于快速動態測量。項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移任務1模擬式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式位移傳感器和互感式位移傳感器兩種。1．自感式位移傳感器1）自感當一個線圈中電流i變化時，該電流產生的磁通p也隨之變化，因而線圈本身產生感應電動勢E，這種現象稱為自感，產生的感應電動勢稱為自感電動勢。自感式位移傳感器就是通過測量線圈自感的變化從而確定被測量大小的。項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移任務1模擬式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式位移傳感器和互感式位移傳感器兩種。1．自感式位移傳感器2）自感式位移傳感器的結構及原理自感式位移傳感器也稱為變磁阻式傳感器，主要由線圈、鐵芯、銜鐵三部分組成，其中鐵芯和銜鐵由導磁材料制成。線圈的自感系數計算公式為項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移式中 L——自感系數； Rm——磁路的總磁阻； N——線圈的匝數。該式表明，在線圈的匝數N一定的情況下，自感系數L與總磁阻Rm成反比。如果改變總磁阻Rm的大小，就可以改變線圈的自感系數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，常見的有變氣隙式自感位移傳感器、變截面式自感位移傳感器、螺線管式自感位移傳感器及差動式自感位移傳感器等。任務1模擬式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式位移傳感器和互感式位移傳感器兩種。1．自感式位移傳感器2）自感式位移傳感器的結構及原理圖6-1-6所示為自感式液位檢測裝置。當液位升高時，液體對浮子有浮力作用，使浮子上升，磁鐵上移，電感變化，原來的平衡狀態被破壞，輸出信號發生變化，從而檢測出液位的變化。項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移圖6-1-6自感式液位檢測裝置任務1模擬式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式位移傳感器和互感式位移傳感器兩種。1．自感式位移傳感器3）變氣隙式自感位移傳感器的工作原理變氣隙式自感位移傳感器的結構如圖6-1-7所示。鐵芯和銜鐵由導磁材料（如硅鋼片或坡莫合金）制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為，傳感器的運動部分與銜鐵相連。當被測物體帶動銜鐵移動時，氣隙厚度發生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的電感量變化，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）。項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移任務1模擬式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式位移傳感器和互感式位移傳感器兩種。1．自感式位移傳感器3）變氣隙式自感位移傳感器的工作原理

項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移圖6-1-7變氣隙式自感位移傳感器的結構任務1模擬式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式位移傳感器和互感式位移傳感器兩種。1．自感式位移傳感器3）變氣隙式自感位移傳感器的工作原理在實際測量使用中，為減小非線性誤差，提高靈敏度，多采用差動變隙式自感位移傳感器，其結構如圖6-1-8所示。

項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移圖6-1-8差動變隙式自感位移傳感器的結構任務1模擬式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式位移傳感器和互感式位移傳感器兩種。1．自感式位移傳感器3）變氣隙式自感位移傳感器的工作原理差動變隙式自感位移傳感器由兩個相同的線圈和磁路組成。當被測物體通過導桿，銜鐵移動偏離中間位置時，兩個回路中磁阻發生大小相等、方向相反的變化，形成差動輸出。使用時，兩個線圈連接成交流電橋的相鄰橋臂，另兩個橋臂由電阻組成。與單線圈自感位移傳感器相比，差動變隙式自感位移傳感器的靈敏度提高了一倍，線性度得到了改善，并且差動變隙式自感位移傳感器的電感結構可消除溫度、噪聲等造成的影響。項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移任務1模擬式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式位移傳感器和互感式位移傳感器兩種。2．互感式位移傳感器互感式位移傳感器是根據變壓器的基本原理制成的，其外形如圖6-1-9所示。它是把被測的機械位移轉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。項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移圖6-1-9互感式位移傳感器的外形任務1模擬式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式位移傳感器和互感式位移傳感器兩種。2．互感式位移傳感器現大多采用螺線管式差動變壓器測量位移，其結構示意圖如圖6-1-10所示。項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移圖6-1-10螺線管式差動變壓器的結構示意圖任務1模擬式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式位移傳感器和互感式位移傳感器兩種。2．互感式位移傳感器圖6-1-11所示為螺線管式差動變壓器的工作原理示意圖。它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。當初級線圈L1加以激勵電壓Ui時，產生激勵電流，由此在線圈中產生磁通，則在兩個次級線圈L21和L22中便會產生感應電動勢E21和E22。若變壓器的結構完全對稱，則當銜鐵處于初始平衡位置時，兩互感系數M1=M2（互感系數由磁路的結構尺寸決定）。根據電磁感應原理，必有E21=E22。由于變壓器兩次級線圈反向串聯，因而Uo=E21-E22=0，即差動變壓器輸出電壓為零。項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移任務1模擬式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式位移傳感器和互感式位移傳感器兩種。2．互感式位移傳感器當銜鐵向上移動時，由于磁阻的影響，L1中磁通將大于L2中磁通，便導致M1>M2，因而E21>E22；反之，E21<E22。所以當E21、E22隨著銜鐵的位移發生變化時，Uo也將隨銜鐵的位移變化而變化，這也就是互感式位移傳感器的工作原理。

項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移圖6-1-11螺線管式差動變壓器的工作原理示意圖任務1模擬式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式位移傳感器和互感式位移傳感器兩種。2．互感式位移傳感器1）測量電路互感式位移傳感器的輸出電壓是幅值受銜鐵位移調制的交流信號，若用交流電壓表直接測量，則只能反映銜鐵位移的大小，而不能反映移動的方向。因此，在實際測量時，互感式位移傳感器常采用專門的測量電路——差動相敏檢波電路和差動整流電路，在此不再贅述。互感式位移傳感器與自感式位移傳感器相比，靈敏度、精度更高，線性范圍更大，工作可靠，抗干擾性強。項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移任務1模擬式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式位移傳感器和互感式位移傳感器兩種。2．互感式位移傳感器2）互感式位移傳感器的應用電感式位移傳感器由于自身頻率響應低，不適用于高頻動態值的測量。它主要用于測量位移和可以轉換成位移量的機械量，如張力、壓力、壓差、加速度、振動、流量、厚度、液位、相對密度、轉矩等物理量。項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移任務1模擬式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式位移傳感器和互感式位移傳感器兩種。2．互感式位移傳感器2）互感式位移傳感器的應用（1）互感式位移傳感器測量壓力。圖6-1-12所示為互感式位移傳感器測量壓力的原理示意圖項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移圖6-1-12互感式位移傳感器測量壓力的原理示意圖任務1模擬式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式位移傳感器和互感式位移傳感器兩種。2．互感式位移傳感器2）互感式位移傳感器的應用（1）互感式位移傳感器測量壓力。當傳感器沒有檢測到壓力時，膜盒在初始位置狀態，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生的信號電壓發生變化，此變化的電壓經電子電路檢波、整形和放大后輸出并顯示，從而實現壓力的檢測。項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移任務1模擬式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式位移傳感器和互感式位移傳感器兩種。2．互感式位移傳感器2）互感式位移傳感器的應用（2）互感式位移傳感器測量加速度。圖6-1-13所示為互感式位移傳感器測量加速度的原理示意圖。它是由懸臂梁和差動變壓器構成的。測量時，將懸臂梁底座與差動變壓器的線圈骨架固定，將銜鐵的A端與被測物體相連，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，使加速度的測量轉變為位移的測量。當被測物體帶動銜鐵以ax(t)位移時，導致差動變壓器的輸出電壓也按相應規律變化。項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移任務1模擬式位移傳感器檢測位移

項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移圖6-1-13互感式位移傳感器測量加速度的原理示意圖任務1模擬式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式位移傳感器和互感式位移傳感器兩種。2．互感式位移傳感器2）互感式位移傳感器的應用（2）互感式位移傳感器測量加速度。圖6-1-13所示為互感式位移傳感器測量加速度的原理示意圖。它是由懸臂梁和差動變壓器構成的。測量時，將懸臂梁底座與差動變壓器的線圈骨架固定，將銜鐵的A端與被測物體相連，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，使加速度的測量轉變為位移的測量。當被測物體帶動銜鐵以ax(t)位移時，導致差動變壓器的輸出電壓也按相應規律變化。項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移任務1模擬式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式位移傳感器和互感式位移傳感器兩種。2．互感式位移傳感器2）互感式位移傳感器的應用（2）互感式位移傳感器測量加速度。互感式位移傳感器具有良好的環境適應性、使用壽命長、靈敏度高和分辨率高等特點。使用時只要把傳感器的殼體夾固在參照物上，其測桿頂（或夾固）在被測點上，就可以直接測量物體間的相對變位。項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移任務1

數字式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式位移傳感器和互感式位移傳感器兩種。2．互感式位移傳感器2）互感式位移傳感器的應用（2）互感式位移傳感器測量加速度。互感式位移傳感器具有良好的環境適應性、使用壽命長、靈敏度高和分辨率高等特點。使用時只要把傳感器的殼體夾固在參照物上，其測桿頂（或夾固）在被測點上，就可以直接測量物體間的相對變位。項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移知識目標1．了解光柵式位移傳感器的外形、結構及工作原理。2．熟悉工業控制系統中光柵式位移傳感器常用的位移檢測方法。3．掌握光柵式位移傳感器檢測系統的安裝工藝、調試步驟和維修方法。4．掌握光柵式位移傳感器的連接方式及應用場合。能力目標會進行光柵式位移傳感器的安裝及調試。工作任務

數字式位移傳感器將被測位移以數字形式表示，它具有測量精度高、測量范圍大、分辨率高、動態范圍大、抗干擾能力強、易于實現數字化和自動控制等優點。常用的數字式位移傳感器有光柵式位移傳感器、磁柵式位移傳感器、光電編碼器、感應同步器和旋轉變壓器等。本任務是通過學習，了解光柵式位移傳感器的外形、結構及工作原理，并能進行光柵式位移傳感器的安裝及調試。項目6位移的檢測任務2數字式位移傳感器檢測位移任務2數字式位移傳感器檢測位移

電感式位移傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式位移傳感器和互感式位移傳感器兩種。2．互感式位移傳感器2）互感式位移傳感器的應用（2）互感式位移傳感器測量加速度。互感式位移傳感器具有良好的環境適應性、使用壽命長、靈敏度高和分辨率高等特點。使用時只要把傳感器的殼體夾固在參照物上，其測桿頂（或夾固）在被測點上，就可以直接測量物體間的相對變位。項目6位移的檢測二、電感式位移傳感器檢測位移任務2數字式位移傳感器檢測位移

光柵式位移傳感器是基于莫爾條紋的光學原理而制成的測量直線位移和角位移的傳感器。圖6-2-1所示為部分光柵式位移傳感器的實物外形。項目6位移的檢測一、光柵式位移傳感器的外形、結構（a）絕對式光柵角位移傳感器（b）增量式光柵角位移傳感器（c）光纖式光柵位移傳感器圖6-2-1部分光柵式位移傳感器的實物外形任務2數字式位移傳感器檢測位移

光柵式位移傳感器主要由光源、透鏡、主光柵（標尺光柵）、指示光柵和光電接收元件組成，其結構如圖6-2-2所示。項目6位移的檢測一、光柵式位移傳感器的外形、結構圖6-2-2光柵式位移傳感器的結構任務2數字式位移傳感器檢測位移

所謂光柵，就是由等寬等間距的平行狹縫所組成的光學器件。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玻璃基體上均勻地刻畫間距、寬度相等的條紋，形成斷續的透光區和不透光區。反射式光柵一般用不銹鋼作基體，用化學的方法制作出黑白相間的條紋，形成強光反光區和不反光區。項目6位移的檢測一、光柵式位移傳感器的外形、結構任務2數字式位移傳感器檢測位移

直線光柵用于長度的測量，圓光柵用于角度的測量。測量位移的直線光柵的結構如圖6-2-3所示。項目6位移的檢測一、光柵式位移傳感器的外形、結構圖6-2-3測量位移的直線光柵的結構任務2數字式位移傳感器檢測位移

圖6-2-3中，a為刻線寬度，b為縫隙寬度，則W=a+b稱為光柵的柵距（也稱為光柵常數）。通常a=b，或a∶b=1.1∶0.9。線紋寬度一般為200線/mm、100線/mm、50線/mm、25線/mm、10線/mm，標尺光柵的有效長度即測量范圍。指示光柵比標尺光柵短得多，但兩者刻有同樣的柵距。在測量角位移的圓光柵中，其光柵兩條相鄰刻線的中心線的夾角為角節距，線紋密度一般為每周（360°）100～12600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性質的基本參數。項目6位移的檢測一、光柵式位移傳感器的外形、結構圖6-2-3測量位移的直線光