項目五測量物體位移量2生活中的計算機網絡【項目思維導圖】【項目教學目標】【知識目標】1．能明白自感式電感傳感器的工作原理；2．能看懂自感式傳感器類型及應用場合；3.能掌握互感式電感傳感器的工作原理；4.能明白編碼器和光電編碼器工作原理；5.能掌握編碼器的分類；6.能掌握脈沖盤式編碼器工作原理；7.能了解脈沖盤式編碼器的參數。【技能目標】1.會識別互感式傳感器使用的測量電路；2.會發現電感式傳感器在生產中具體應用；3.會使用電渦流傳感器測量軸位移；4.會識別碼盤式編碼器的進制編碼；5.會選擇數字測速中編碼器的方法。【素養目標】1.通過工作頁式小組活動，培養學生的團隊合作精神；2.通過接近傳感器的學習，體會自強不息對個人、國家和民族的意義，主動地學會自立，培養自強精神；3.通過編碼器的學習，任何一個狹縫都是團體的一部分，培養“合作共羸”、“協同創新”團隊協作意識。任務5.1電感式傳感器測量位移量位移是物體在一定方向上的位置變化，在自動化生產與工程自動控制中經常需要測量位移。測量時應當根據不同的測量對象選擇測量點、測量方向和測量系統，其中，位移傳感器的測量精度在測量中起重要作用。位移測量的分類：按被測量分為線位移測量和角位移測量。按測量參數的特性，位移測量分為靜態位移測量和動態位移測量。位移測量是線位移和角移測量的統稱。實際上就是長度和角度的測量。位移是矢量。它表示物體上某一點在兩個不同瞬間的位置變化。因而對位長移的度量，應使測量方向與位移方向重合，這樣才能真實地測量出位移量的大小。任務描述任務描述：在工程技術中，測量機械零件的長度、厚度和液位等，實際上都是利用不同的位移傳感器進行線位移的測量。如在裝配軸承滾柱時，為保證軸承的質量，一般要先對滾柱的直徑進行分選，各滾柱直徑的誤差在幾個微米，因此要進行微位移檢測。以往用人工測量和分選軸承用滾柱的直徑是一件十分費時且容易出錯的工作。在自動檢測系統中，往往要用到電感式測微傳感器進行測量，測量精度較高，電感式位移傳感器的工作原理是什么？其結構、特點如何？這就是我們本節課的任務目標。知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

電感式傳感器是建立在電磁感應基礎上的，電感式傳感器可以把輸入的物理量（如位移、振動、壓力、流量、比重）轉換為線圈的自感系數L或互感系數M的變化，并通過測量電路將L或M的變化轉換為電壓或電流的變化，從而將非電量轉換成電信號輸出，實現對非電量的測量。電感式傳感器具有工作可靠、壽命長、靈敏度高、分辨力高、精度高、線性好、性能穩定、重復性好等優點。根據工作原理的不同，電感式傳感器可分為變磁阻式（自感式）、變壓器式（互感式）和電渦流式（互感式）等種類，如圖5-1所示。圖5-1各種電感測微傳感器知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

一、自感式電感傳感器自感式傳感器是利用自感量隨氣隙變化而改變的原理制成的，用來測量位移。自感式傳感器主要有閉磁路變隙式和開磁路螺線管式，它們又都可以分為單線圈式與差動式兩種結構形式。1．電感式傳感器工作原理自感式傳感器的結構如圖5-2所示。它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。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δ，傳感器的運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時，氣隙厚度δ發生改變，引起磁路中磁阻變化，從兩導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。圖5-2自感式傳感器的結構知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

由電工學磁路知識可知，線圈的自感量為

式中，N為線圈匝數；Rm為磁路總磁阻（H-1）。由于自感式電感傳感器中鐵心和銜鐵的磁阻比空氣隙磁阻小很多，因此鐵心和銜鐵的磁阻可忽略不計，磁路總磁阻Rm近似空氣隙磁阻，即式中，δ為空氣隙厚度；A為空氣氣隙的有效截面積；μ0為真空磁導率，與空氣的磁導率相近。因此電感線圈的電感量為一個上式表明，當線圈匝數為常數時，電感L僅僅是磁路磁阻Rm的函數，只要改變δ或A均可導致電感變化，因此電感式傳感器又可分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積A的傳感器。前者可用于測量直線位移，后者則可測量角位移。知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

2.自感式電感傳感器常見形式自感式電感傳感器常見的形式有變氣隙式、變截面式和螺線管式等三種，電感式傳感器的結構原理如圖5-3所示。（a）變氣隙式自感傳感器（b）變截面式自感傳感器（c）螺管式自感傳感器

圖5-3自感式電感傳感器常見結構知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

（1）變氣隙式自感傳感器變氣隙式自感式傳感器的結構原理如圖5-4所示，圖5-4（a）為單邊式，圖5-4（b）為差動式。它們由鐵芯、線圈和銜鐵組成。由式（5.1）可知，變氣隙長度式傳感器的線性度差、示值范圍窄、自由行程小，但在小位移下靈敏度很高，常用于小位移的測量。為了擴大示值范圍和減小非線性誤差，可采用差動結構。將兩個線圈接在電橋的相鄰臂，構成差動電橋，不僅可使靈敏度提高一倍，而且使非線性誤差大為減小。

1-線圈2-鐵芯3-銜鐵圖5-4變氣隙式自感式電感傳感器常見結構知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

（2）變截面式自感式傳感器如果變隙式電感傳感器的氣隙長度不變，鐵芯與銜鐵之間相對覆蓋面積隨被測量的變化而改變，從而導致線圈的電感量發生變化，這種形式稱之為變截面積式電感傳感器，通過式（5.3）可知，變截面式傳感器具有良好的線性度、自由行程大、示值范圍寬等特點，由于漏感等原因，變截面型電感傳感器在A=0時，仍有一定的電感，所以其線性區較小，而且靈敏度較低，通常用來測量較大的位移。（3）螺線管式自感式傳感器如圖5-3（c）所示為螺線管式電感傳感器的結構示意圖。當活動銜鐵隨被測物移動時，線圈磁力線路徑上的磁阻發生變化，線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關。知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

螺線管式自感傳感器結構簡單、裝配容易、自由行程大、示值范圍寬，缺點是：靈敏度較低，易受外部磁場干擾。目前，該類傳感器隨放大器性能提高而得以廣泛應用。

以上三種電感傳感器使用時，由于線圈中通有交流勵磁電流，因而銜鐵始終承受電磁吸力，會引起振動及附加誤差，而且非線性誤差較大；另外，外界的干擾如電源電壓頻率的變化，溫度的變化都使輸出產生誤差。所以，在實際工作中常采用兩個相同的傳感器線圈共用一個銜鐵，構成差動式電感傳感器，這樣可以提高傳感器的靈敏度，減少測量誤差。知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

3．電感式傳感器測量電路自感式傳感器的測量電路用來將電感轉換成相應的電壓或電流信號，以便供放大器進行放大，然后用測量儀表顯示或記錄。電感傳感器可以通過交流電橋將線圈電感的變化轉換成電壓或電流信號輸出。但是，為了判別銜鐵位移的方向，測量電路一般采用帶相敏整流的交流電橋，如圖5-5所示。

圖中，電橋的兩個臂Z1.Z2分別為差動式傳感器中的電感線圈，另兩個臂為平衡阻抗Z3.Z4（Z3=Z4=Z0），VD1.VD2.VD3.VD4四只二極管組成相敏整流器，激勵交流電壓加在A、B兩點之間，輸出直流電壓U0由C、D兩點輸出，測量儀表可以是零刻度居中的直流電壓表或數字電壓表。知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

當銜鐵處于中間位置時，傳感器兩上差動線圈的阻抗Z1=Z2=Z0，電橋處于平衡狀態，C點電位等于D點電位，電表指示為零。圖5-5帶相敏整流的交流電橋電路圖

當銜鐵向一邊移動時，傳感器兩個差動線圈的阻抗發生變化，當銜鐵上移時，上部線圈阻抗增大，Z1=Z0+，下部線圈阻抗減少，Z2=Z0-。如果輸入交流電壓為正半周，則A點電位由于Z1增大而比平衡時的C點電位降低；而在A—E—C—B支路中，C點電位由于Z1增大而比平衡時的C點電位降低；而在A—F—D—B去路中，D點電位由于Z2減少而比平衡時的D點電位增高，所以D點電位高于C點電位，直流電壓表正向偏轉。知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

如果輸入交流電壓為負半周，則A點電位為負，B點電位為正，二極管VD2.VD3導通，VD1.VD4截止，在A—E—C—B支路中，C點電位由于Z2減少而比平衡時的C點電位降低；而在A—F—D—B支路中，D點位由于Z1增大而比平衡時的D點電位增高，所以仍然是D點電位高于C點電位，直流電壓表正向偏轉。同樣可以得出結論：當銜鐵下移時，電壓表總是反向偏轉，輸出為負。

由此可見，采用帶相敏整流的交流電橋，輸出電壓既能反映位移量的大小，又能反映位移的方向，所以應用較為廣泛。知識鏈接：電感式傳感器測量位移量4.自感式傳感器的應用（1）自感式測厚儀圖5-6自感式測厚儀知識鏈接：電感式傳感器測量位移量（2）測位移軸向式測試頭如圖5.7（a）所示，1—引線2—線圈3—銜鐵4—測力彈簧5—導桿6—密封罩7—測頭

電感測微儀的原理框圖如圖5.7（b）所示，電感測微儀是一種能夠測量微小尺寸變化的精密測量儀器，它由主體和測頭兩部分組成，配上相應的測量裝置（例如測量臺架等），能夠完成各種精密測量。

被廣泛應用于精密機械制造業、晶體管和集成電路制造業以及國防、科研、計量部門的精密長度測量。圖5-7（a）軸向式測試頭（b）電感測微儀的原理框圖知識鏈接：電感式傳感器測量位移量二、差動變壓器（互感式）傳感器把被測的非電量變化轉換為線圈互感量M變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據變壓器的基本原理制成的，當初級繞組接入激勵電源之后，次級繞組就將產生感應電動勢，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器結構形式：變隙式、變面積式和螺線管式等。目前應用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量l—100μm機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結構簡單和性能可靠等優點。知識鏈接：電感式傳感器測量位移量1．差動變壓器工作原理差動式電感傳感器的結構如圖5-8所示。兩個完全相同的單純圈電感傳感器共同一個活動銜鐵就構成了差動式電感傳感器。在變隙型差動電感傳感器中，當銜鐵隨被測量移動而偏離中間位置時，兩個線圈的電感量一個增加，一個減小，形成差動形式。差動式電感傳感器靈敏度約為非差動式電感傳感器的兩倍。并且差動式式電感傳感器的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度較高。采用差動結構除了可以改善線性、提高靈敏度外，對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等也基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。所以，實用的電感傳感器幾乎全是差動的。知識鏈接：電感式傳感器測量位移量（a）變隙型（b）螺管型圖5-8差動式電感傳感器知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

螺線管式差動變壓器結構如圖5-9所示，它由初級線圈、兩個次級線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。差動變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響），它的等效電路如圖5-9所示。圖中為一次繞組激勵電壓；、

分別為一次繞組與兩個二次繞組間的互感，L1為一次繞組的電感：L2.L’2：分別為兩個二次繞組的電感。

圖5-9螺線管式差動變壓器結構和等效電路知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

當鐵心處于中心對稱位置時，則Uout1=Uout2，所以Uout=0；兩個二次繞組互感相同，因而由一次側激勵引起的感應電動勢相同，由于兩個二次繞組反向串接，所以差動輸出電動勢為零。在傳感器的量程內，銜鐵移動越大，差動輸出電動勢就越大。當鐵心向兩端位移時，Uout1大于或小于Uout2，使Uout不等于零，其值與鐵心的位移成正比。當銜鐵向二次繞組一邊移動差動輸出電動勢仍不為零，但由于移動方向改變，所以輸出電動勢反相。因此通過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。

特點：結構簡單、靈敏度高、線性度好和測量范圍寬。缺點是存在零點殘余電動勢。可采用相敏檢波電路等措施進行補償。

知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

2．零點殘余電壓（1）零點殘余電壓當差動變壓器的銜鐵處于中間位置時，理想條件下其輸出電壓為零。但實際上，當使用橋式電路時，在零點仍有一個微小的電壓值存在，稱為零點殘余電壓。圖5-10差動變壓器輸出特性曲線圖5-11差動整流電路知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

（2）零點殘余電壓產生的原因①傳感器的兩個次級繞組的電氣參數、幾何尺寸不對稱，導致它們產生的感應電勢幅值不等，相位不同，因此不論怎樣調整銜鐵位置，兩線圈中感應電勢都不能完全抵消。②磁性材料磁化曲線的非線性，導致電源電壓中含有高次諧波。③導磁材料存在鐵損、不均勻，一次繞組有銅耗電阻，線圈間存在寄生電容，導致差動變壓器的輸入電流與磁通不相同。（3）減小零點殘余電壓的方法①盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數和磁路Φ對稱。磁性材料要經過處理，消除內部的殘余應力，使其性能均勻穩定。②選用合適的測量電路。③采用補償線路減小零點殘余電壓。知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

3.差動變壓器式傳感器測量電路差動變壓器的輸出電壓是交流分量，它與銜鐵位移成正比，其輸出電壓如用交流電壓表來測量時存在下述問題：①總有殘余電壓輸出，因而零點附近的小位移測量困難。②無法判斷銜鐵移動的方向。為此，常采用相敏檢波電路和差動整流電路來處理。（1）差動整流電路。這種電路是把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出，如圖5-11所示。（2）相敏檢波電路。相敏檢波電路由變壓器T1和T2以及接成環形的四個半導體二極管組成。差動變壓器輸出電壓經過交流放大器放大后輸出的幅值應為幅值的3~5倍。知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

如圖5-12所示是差動相敏檢波電路的一種形式。相敏檢波電路要求比較電壓的幅值盡可能大，比較電壓與差動變壓器二次側輸出電壓的頻率相同，相位相同或相反。圖5-12差動相敏檢波電路知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

4.差動變壓器的應用實例差動變壓器傳感器一般用于接觸測量，它主要用于位移測量，也可以用于振動、加速度、壓力、流量和液位等與位移有關的任何機械量。（1）壓力的測量如圖5-13所示是變隙電感式壓力傳感器的結構圖。它由膜盒、鐵芯、銜鐵及線圈等組成，銜鐵與膜盒的上端連在一起。當壓力進入膜盒時，膜盒的頂端在壓力P的作用下，產生與壓力P大小成正比的位移。于是銜鐵也發生移動，從而使氣隙發生變化，流過線圈的電流也發生相應的變化，電流表指示值就反映了被測壓力的大小。圖5-13變隙電感式壓力傳感器結構圖知識鏈接：電感式傳感器測量位移量（2）電感式仿形機床在加復雜機械零件時，采用仿形加工是一種較簡單的方法。圖5-14是電感式（或差動變壓器式）仿形機床的示意圖，1-標準靠模樣板；2-測端（靠模輪）；3-電感測微器；4-銑刀龍門框架；5-立柱；6-伺服電動機。假設被加工的工件為凸輪。機床的左邊轉軸上固定一個已加工好的標準凸輪。毛坯固定在右邊的轉軸上，左、右兩軸同步旋轉。銑刀與電感測微儀安裝在由伺服電機驅動的、可以沿著立柱的導軌上、下移動的龍門架上。電感測微儀的硬質合金測端與標準凸輪外表輪廓接觸。當銜鐵不在差動電感線圈的中心位置時，測微儀有輸出。輸出電壓經伺服放大器放大后，伺服電機正轉（或反轉）。知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

帶動龍門框架上移（或下移），直到測微儀的銜鐵恢復到差動電感線圈的中間位置為止。龍門框架的上下位置決定了銑刀的切削深度。當標準凸輪轉過一具微小的角度時，銜鐵再一次被頂高（或下降），測微儀必然有輸出，伺服電機轉動，使銑刀也上升（或下降），從而減小（或增加）切削深度。這個過程一直持續到加工出與標準凸輪完全一樣的工件為止。圖5-14電感式仿形銑床圖5-15差動變壓器式加速度傳感器知識鏈接：電感式傳感器測量位移量（3）加速度的測量

如圖5-15所示為差動變壓器式加速度傳感器的原理結構示意圖。它同懸臂梁和差動變壓器構成。測量時，將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵與被測振動體相連，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，使加速度測量轉變為位移的測量。當被測體發生振動時，銜鐵隨著一起振動，使得差動變壓器的輸出電壓發生變化，輸出電壓的大小及頻率與振動物體的振幅與頻率有關。知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

（3）加速度的測量

如圖5-15所示為差動變壓器式加速度傳感器的原理結構示意圖。它同懸臂梁和差動變壓器構成。測量時，將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵與被測振動體相連，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，使加速度測量轉變為位移的測量。當被測體發生振動時，銜鐵隨著一起振動，使得差動變壓器的輸出電壓發生變化，輸出電壓的大小及頻率與振動物體的振幅與頻率有關。知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

（3）加速度的測量

如圖5-15所示為差動變壓器式加速度傳感器的原理結構示意圖。它同懸臂梁和差動變壓器構成。測量時，將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵與被測振動體相連，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，使加速度測量轉變為位移的測量。當被測體發生振動時，銜鐵隨著一起振動，使得差動變壓器的輸出電壓發生變化，輸出電壓的大小及頻率與振動物體的振幅與頻率有關。知識鏈接：電感式傳感器測量位移量（3）加速度的測量

如圖5-15所示為差動變壓器式加速度傳感器的原理結構示意圖。它同懸臂梁和差動變壓器構成。測量時，將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵與被測振動體相連，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，使加速度測量轉變為位移的測量。當被測體發生振動時，銜鐵隨著一起振動，使得差動變壓器的輸出電壓發生變化，輸出電壓的大小及頻率與振動物體的振幅與頻率有關。知識鏈接：電感式傳感器測量位移量（3）加速度的測量

如圖5-15所示為差動變壓器式加速度傳感器的原理結構示意圖。它同懸臂梁和差動變壓器構成。測量時，將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵與被測振動體相連，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，使加速度測量轉變為位移的測量。當被測體發生振動時，銜鐵隨著一起振動，使得差動變壓器的輸出電壓發生變化，輸出電壓的大小及頻率與振動物體的振幅與頻率有關。知識鏈接：電感式傳感器測量位移量（3）加速度的測量

如圖5-15所示為差動變壓器式加速度傳感器的原理結構示意圖。它同懸臂梁和差動變壓器構成。測量時，將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵與被測振動體相連，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，使加速度測量轉變為位移的測量。當被測體發生振動時，銜鐵隨著一起振動，使得差動變壓器的輸出電壓發生變化，輸出電壓的大小及頻率與振動物體的振幅與頻率有關。知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

四、電渦流傳感器（互感式）測量軸位移

電渦流電感式傳感器的內部結構如圖5-16所示，它是根據電渦流效應制成的傳感器。電渦流效應指的是這樣一種現象：根據法拉第電磁感應定律，塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，通過導體的磁通將發生變化，產生感應電動勢，該電動勢在導體表面形成電流并自行閉合，狀似水中的渦流，稱為電渦流。電渦流只集中在金屬導體的表面，這一現象稱為趨膚效應。

電渦流電感式傳感器最大的特點是：能對位移、厚度、表面溫度、速度、應力、材料損傷等進行非接觸式連續測量；還具有體積小、靈敏度高、頻帶響應寬等特點，應用極其廣泛。知識鏈接：電感式傳感器測量位移量

電渦流電感式傳感器對被測材料敏感性強。如果被測對象的材料不同，傳感器的靈敏度和線性范圍都要改變，必須重新矯校正。就是對同一種被測材料來說，如果被測表面的材質不均勻，或者工件內部有裂痕，都會影響測量結果。測量軸振動時，軸的不圓度也將反映的振幅值中。所以測量時要選擇合適的測量點和均質光滑的測量表面。要測量準確，對被測體的幾何形狀也是