模块2位移与位置检测

模块模块2 2 位移与位置检测位移与位置检测主要内容：单元1 电位器式位移检测单元2 电感式位移检测单元3 光栅式位移检测单元4 光电式接近开关位置检测 位移测量分为线位移及角位移测量。根据线位移的测量范围可分为常规尺寸（常规位移：1mm1m）、大尺寸（大位移：大于1m）和微小尺寸测量（微位移：小于1mm）。就测量而言，线位移测量与尺寸测量实质是一样的，尺寸测量所采用的方法、传感器和仪器大多能用于线位移的测量。位置检测在工业自动化控制、航天、航海技术、日常生活中都有广泛的应用，接近开关是位置检测的常用传感器。在安全防盗方面，如仓库、物业、博物馆、金库等重要场所都装有各式各样的接近开关；在一般工业生产自动控制中，大都采用涡流式或电容式接近开关；在环境比较好的场合，可采用光电式接近开关；在防盗系统中，大都使用红外热释电接近开关、超声波接近开关和微波接近开关。有时为了提高识别的可靠性，几种接近开关可以复合使用。模块模块2 2 位移与位置检测位移与位置检测【引导语引导语】1线位移与角位移 位移测量分为线位移及角位移测量。2位移测量方法和特点 位移测量通过位移测量仪表来完成测量的，它由位移传感器、测量电路和显示器等部分组成。位移传感器按输出信号的类型可分为模拟式位移传感器和数字式位移传感器两类。小位移和微小位移通常用电位器式、应变式、电感式、电容式、霍尔式等传感器来检测，大位移通常用光栅式、光电编码器式、磁栅式、容栅式、感应同步器式等传感技术来测量。3位置检测的基本概念 位置是指物体所处空间的地点，而位移是指一个质点在运动过程中的位置变化。位置检测的重要器件是位置传感器，能感受被测物的位置并转换成有用输出信号的传感器。位置传感器有接触开关式和接近开关式（非接触式）两种。模块模块2 2 位移与位置检测位移与位置检测【背景知识背景知识】模块模块2 2 位移与位置检测位移与位置检测 常用线位移传感器及其性能特点【背景知识背景知识】模块模块2 2 位移与位置检测位移与位置检测 常用线位移传感器及其性能特点（续）【背景知识背景知识】在生产实践中对位移测量的要求是各种各样的，可以是大位移、小位移、微小位移；可以要求测量精度高或者一般；也可以要求位移速度很快或者较慢。所以，位移测量的要求差异很大。注射机的注塑与锁合模行程控制对一台注塑机的表现和产品精度发挥了决定性的作用。近年来，旧有的机械手动系统已经被现代化的数字自动测量控制系统取代。电气化测量不但提高了精度，而且还可以利用现场总线科技作通讯以提升处理速度，这已成为行业标准。由于电位器式位移传感器具有结构简单、输出信号大、使用方便、价格低廉、测量位移范围适中、测量精度尚可、动态响应一般等特点，因而被大量的用于普通机械、注塑机等行程测量与控制中。单元单元1 1 电位器式位移检测电位器式位移检测【问题引入问题引入】单元单元1 1 电位器式位移检测电位器式位移检测【问题引入问题引入】1电位器式位移传感器的工作原理 电位器是一种常用的电子元件，广泛应用于各种电器和电子设备中。单元单元1 1 电位器式位移检测电位器式位移检测【问题分析问题分析】空载特性KR灵敏度空载电压2电位器式位移传感器的结构类型（1）电位器式位移传感器的结构 电位器式位移传感器由电阻元件、电刷、骨架等组成。其形式有直滑式和旋转式，旋转式有单圈和多圈两种。电刷由触头、臂、导向及轴承等装置组成；触头常用银、铂铱、铂铑等金属；电刷臂用磷青铜等弹性较好的材料；骨架常用陶瓷、酚醛树脂及工程塑料等绝缘材料。（2）电位器式位移传感器的类型 根据测量类型分类 直线式电位器传感器和旋转式电位器传感器。根据使用的材质分类 绕线电位器和非线绕式电位器，非线绕式电位器有合成膜电位器、金属膜电位器、导电塑料电位器、金属玻璃铀电位器、光电式电位器等。根据使用场合分类 KTC、KTF、KPC、KPM、KTM、KTR等。单元单元1 1 电位器式位移检测电位器式位移检测【问题分析问题分析】2电位器式位移传感器的结构类型单元单元1 1 电位器式位移检测电位器式位移检测【问题分析问题分析】电位器位移传感器的结构图1-骨架；2-电刷；3-电阻丝；转轴；5-接线端子3各种材质电位器式位移传感器的特点（1）线绕电位器 线绕电位器电阻元件由康铜丝、铂铱合金及卡玛丝等电阻丝绕制，因而能承受较高的温度，常被制成功率型电位器，其额定功率范围一般为0.2550W，阻值范围为100100k。线绕电位器的突出优点是结构简单，使用方便；缺点是分辨率低。单元单元1 1 电位器式位移检测电位器式位移检测【问题分析问题分析】（2）非线绕电位器 合成膜电位器 合成膜电位器的电阻体是用具有某一电阻值的悬浮液喷涂在绝缘骨架上形成电阻膜而制成的。其优点是分辨率较高，阻值范围很宽（1004.7 M），耐磨性较好，工艺简单，成本低，线性度好等；主要缺点是接触电阻大，功率不够大，容易吸潮，噪声较大等。单元单元1 1 电位器式位移检测电位器式位移检测【问题分析问题分析】（2）非线绕电位器 金属膜电位器 由合金、金属或金属氧化物等材料通过真空溅射或电镀方法，在瓷基体上沉积一层薄膜而制成。具有无限分辨力，接触电阻很小，耐热性好，满负荷达70。与线绕电位器相比，它的分布电容和分布电感很小，特别适合在高频条件下使用。缺点是耐磨性较差，阻值范围窄。单元单元1 1 电位器式位移检测电位器式位移检测【问题分析问题分析】（2）非线绕电位器 导电塑料电位器 由塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成的。耐磨性很好，使用寿命较长，允许电刷的接触压力很大，在振动、冲击等恶劣环境下仍能可靠工作。此外，它的分辨率较高，线性度较好，阻值范围大，能承受较大的功率。导电塑料电位器的缺点是阻值易受湿度影响，故精度不高。单元单元1 1 电位器式位移检测电位器式位移检测【问题分析问题分析】（2）非线绕电位器 导电玻璃釉电位器 又称金属陶瓷电位器，以合金、金属氧化物或难溶化合物等为导电材料，以玻璃釉粉为粘合剂，混合烧结在陶瓷或玻璃基体上制成的。耐高温性、耐磨性好，有较宽的阻值范围，电阻湿度系数小且抗湿性强。缺点是接触电阻变化大、噪声大、不易保证测量的高精度。单元单元1 1 电位器式位移检测电位器式位移检测【问题分析问题分析】（2）非线绕电位器 光电电位器 非接触电位器，采用光束代替电刷。光束在电阻带、光电导层上移动时，光电导层受到光束激发，使电阻带和集电带导通，在负载电阻两端便有电压输出。特点是阻值范围宽、无磨损、寿命长、分辨率高。缺点是不能输出大电流，测量电路复杂。单元单元1 1 电位器式位移检测电位器式位移检测【问题分析问题分析】光电电位器示意图l-光电导层；2-基体；3-电阻带；4-窄光束；5-集电带注意：注意：对于线绕式电位计，其电阻和电压输出空载特性并不是理想直线，而是呈阶梯状，称为阶梯特性。通过阶梯中点的直线是理论特性线，阶梯特性在其上下波动，这种输出误差称为阶梯误差，该误差是一种原理误差。阶梯特性限制了线绕电位计的精度和分辨率。非线性电位计最大阶梯误差发生在特性曲线斜率最高处。单元单元1 1 电位器式位移检测电位器式位移检测【问题分析问题分析】2电位器式位移传感器的使用要求（1）供电电压要稳定（2）防止静电干扰 （3）不能接错三条线 1、3线是电源线，2是输出线，除电源线（1、3线）可以调换外，2线只能是输出线。上述线一旦接错，将出现线性误差大，出现控制非常困难，控制精度差，容易显示跳动等现象。（4）电源容量要充足 （5）安装对中性要好 角度容许12误差，平行度容许0.5mm。（6）防止短路 （7）避免老化单元单元1 1 电位器式位移检测电位器式位移检测【知识链接知识链接】【案例1】电子油门控制 电子油门控制系统主要由油门踏板、踏板电位器角位移传感器、ECU（电控单元）、数据总线、伺服电动机和节气门执行机构组成。位移传感器安装在油门踏板内部，随时检测油门踏板的位置。当检测到油门踏板高度位置有变化时，会瞬间将此信息送往ECU，ECU对信息进行运算处理，产生控制信号，通过伺服电动机驱动节气门执行机构。通过ECU来调整节气门，电子油门系统可以设置各种功能来改善驾驶的安全性、舒适性、油耗及尾气排放质量。单元单元1 1 电位器式位移检测电位器式位移检测【应用案例应用案例】电子油门控制系统【案例2】电位器式压力传感器 线绕电位器式压力传感器是利用弹性元件（如弹簧管、膜片或膜盒）把被测的压力变换为弹性元件的位移，并使此位移变为电刷触点的移动，从而引起输出电压或电流相应的变化。单元单元1 1 电位器式位移检测电位器式位移检测【应用案例应用案例】YCD-150型远程压力传感器原理图1-电位器；2-电刷；3-输出端子【案例2】电位器式压力传感器 YCD-150型远程压力表由一个弹簧管和线绕电位器组成。被测压力变化时，弹簧管自由端移动，通过传动机构，带动压力表指针转动和电刷在线绕电位器上滑动，从而将被测压力值转换为电阻变化，输出与被测压力成正比的电压信号。单元单元1 1 电位器式位移检测电位器式位移检测【应用案例应用案例】膜盒电位器式压力传感器原理图1-杠杆；2-电位器；3-膜盒 印刷纸币时使用了能感觉磁性的特殊磁性油墨，在检测器的磁场中放置磁阻元件，那么随着纸币的移动磁阻元件的阻值依次发生变化，产生了输出波形的变化，这就是假币检测器的原理。这里检测器产生的磁阻变化就是电感量的变化，可见运用检测电感量的变化来检测位移量也是可行的。【问题分析问题分析】1电感式位移传感器简述 电感式位移检测是利用线圈的自感、互感或阻抗的变化来实现非电量检测的一种传感器装置。电感式位移传感器具有结构简单、分辨率好和测量精度高等一系列优点。它的主要缺点是响应较慢，不宜作快速动态测量。它应用很广，可用来测位移、压力、振动等参数。单元单元2 2 电感式位移检测电感式位移检测【问题引入问题引入】电感式位移传感器可分为自感式、互感式、电涡流式三大类。电感式位移传感器通常指自感式传感器，而互感式传感器，则由于它利用了变压器原理，又往往做成差动形式，故常称为差动变压器式位移传感器。单元单元2 2 电感式位移检测电感式位移检测【问题分析问题分析】自感式把被测位移量转换为线圈的自感变化电涡流式把被测位移量转换为线圈的阻抗变化互感式把被测位移量转换为线圈间的互感变化单元单元2 2 电感式位移检测电感式位移检测【问题分析问题分析】变面积自感式电感传感器变间隙自感式电感传感器2差动变压器式位移传感器的工作原理 差动变压器主要由一个线框和一个铁心组成。在线框上绕有一组初级线圈作输入线圈（或称一次侧线圈）。在同一线框上另绕两组完全对称的初级线圈作输出线圈（或称二次侧线圈），它们反向串联组成差动输出形式。单元单元2 2 电感式位移检测电感式位移检测【问题分析问题分析】差动变压器原理图差动变压器结构示意图1初级线圈 2次级线圈 3衔铁 4测杆单元单元2 2 电感式位移检测电感式位移检测 差分变压器【问题分析问题分析】差分变压器输出特性 1理想特性 2实际特性 问题：零点残余电压E0超过一定范围为非 线性单元单元2 2 电感式位移检测电感式位移检测 把铁芯位移量转换成初级线圈及次级线圈互感系数的变化，图中M1、M2与位移x有关。当位移 x 很小时：Uo=k|x|（无法判别位移方向）【问题分析问题分析】单元单元2 2 电感式位移检测电感式位移检测 减小零残电压的方法：提高对称性；减少电源谐波成分；使衔铁工作在磁化线性区；采用电路补偿等。产生零残电压的主要原因：结构不对称；存在寄生参数；电源有高次谐波；磁路的磁化曲线非线性。【问题分析问题分析】3差动变压器式位移传感器的测量转换电路 差动变压器的电压是交流电压，它与衔铁位移成正比，但无法反映衔铁的移动方向，需测量电路予以解决。单元单元2 2 电感式位移检测电感式位移检测【问题分析问题分析】差分相敏检波电路差分整流电路常用测量转换电路全波电流输出型电流输出型电压输出型差分整流电路半波电流输出型全波电压输出型半波电压输出型 差分变压器对测量转换电路的要求为：判别衔铁位移