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1、第 7章 位 移 傳 感 器 7.1 機(jī) 械 位 移 傳 感 器 7.2 光 柵 位 移 傳 感 器 7.3 磁 柵 位 移 傳 感 器 7.4 熱 釋 電 式 接 近 傳 感 器 7.5 磁 電 式 轉(zhuǎn) 速 傳 感 器 7.6 多 普 勒 傳 感 器 7.7 導(dǎo) 電 式 液 位 傳 感 器 7.8 流 量 及 流 速 傳 感 器 7.9 實(shí) 訓(xùn) 7.1 機(jī) 械 位 移 傳 感 器 v 機(jī) 械 位 移 傳 感 器 用 來 測(cè) 量 位 移 、 距 離 、位 置 、 尺 寸 、 角 度 、 角 位 移 等 幾 何 學(xué) 量 。v 根 據(jù) 傳 感 器 的 信 號(hào) 輸 出 形 式 ， 可 以 分 為模

2、擬 式 和 數(shù) 字 式 兩 大 類 ， 如 圖 7-1所 示 。v 根 據(jù) 被 測(cè) 物 體 的 運(yùn) 動(dòng) 形 式 可 細(xì) 分 為 線 性位 移 傳 感 器 和 角 位 移 傳 感 器 。v 機(jī) 械 位 移 傳 感 器 是 應(yīng) 用 最 多 的 傳 感 器 之一 ， 品 種 繁 多 。 機(jī)械位移傳感器 數(shù)字式模擬式 光 柵 式磁 柵 式電 位 器 式電 阻 應(yīng) 變 式電 容 式螺 旋 管 電 感 式差 動(dòng) 變 壓 器 式渦 流 式光 電 式霍 爾 器 件 式微 波 式超 聲 波 式圖 7.1 機(jī) 械 位 移 傳 感 器 的 分 類 v7.1.1 電 位 器 式 機(jī) 械 位 移 傳 感 器v1.電 位

3、 器 的 基 本 概 念v 圖 7-2是 電 位 器 的 結(jié) 構(gòu) 圖 。v 由 電 阻 體 、 電 刷 、 轉(zhuǎn) 軸 、 滑 動(dòng) 臂 、 焊 片等 組 成 ， 電 阻 體 的 兩 端 和 焊 片 A、 C相 連 ，因 此 AC端 的 電 阻 值 就 是 電 阻 體 的 總 阻 值 。v 轉(zhuǎn) 軸 和 滑 動(dòng) 臂 相 連 ， 在 滑 動(dòng) 臂 的 一 端 裝有 電 刷 ， 靠 滑 動(dòng) 臂 的 彈 性 壓 在 電 阻 體 上 并 與之 緊 密 接 觸 ， 滑 動(dòng) 臂 的 另 一 端 與 焊 片 B相 連 。 圖 7-2 電 位 器 的 一 般 結(jié) 構(gòu) v 圖 7-3是 電 位 器 電 路 圖 。v 電

4、位 器 轉(zhuǎn) 軸 上 的 電 刷 將 電 阻 體 電 阻 R0分 為 R12和 R23兩 部 分 ， 輸 出 電 壓 為 U12。v 改 變 電 刷 的 接 觸 位 置 ， 電 阻 R12亦 隨 之改 變 ，v 輸 出 電 壓 U12也 隨 之 變 化 。 圖 7-3 電 位 器 電 路 v 常 見 用 于 傳 感 器 的 電 位 器 有 ：v 線 繞 式 電 位 器 、v 合 成 膜 電 位 器 、v 金 屬 膜 電 位 器 、v 導(dǎo) 電 塑 料 電 位 器 、v 導(dǎo) 電 玻 璃 釉 電 位 器 、v 光 電 電 位 器 。 v2.電 位 器 的 主 要 技 術(shù) 參 數(shù)v(1)最 大 阻 值

5、和 最 小 阻 值 ， 指 電 位 器 阻 值 變化 能 達(dá) 到 的 最 大 值 和 最 小 值 ；v(2)電 阻 值 變 化 規(guī) 律 ， 指 電 位 器 阻 值 變 化 的規(guī) 律 ， 例 如 對(duì) 數(shù) 式 、 指 數(shù) 式 、 直 線 式 等 ；v(3)線 性 電 位 器 的 線 性 度 ， 指 阻 值 直 線 式 變化 的 電 位 器 的 非 線 性 誤 差 ；v(4)滑 動(dòng) 噪 聲 ， 指 調(diào) 電 位 器 阻 值 時(shí) ， 滑 動(dòng) 接觸 點(diǎn) 打 火 產(chǎn) 生 的 噪 聲 電 壓 的 大 小 。 v7.1.2電 容 式 位 移 傳 感 器v 將 機(jī) 械 位 移 量 轉(zhuǎn) 換 為 電 容 量 變 化

6、的 傳感 器 稱 為 電 容 式 位 移 傳 感 器 。v 變 極 距 式 電 容 傳 感 器 可 進(jìn) 行 線 位 移 的測(cè) 量 ，v 變 面 積 式 電 容 傳 感 器 可 進(jìn) 行 角 位 移 的測(cè) 量 。v 圖 7-4是 變 極 距 式 電 容 傳 感 器 用 于 軋 制板 材 厚 度 自 動(dòng) 控 制 的 工 作 原 理 圖 。 圖 7-4 自 動(dòng) 控 制 軋 制 板 材 設(shè) 備 v 在 被 軋 制 板 材 的 上 、 下 兩 側(cè) 各 置 一 塊面 積 相 等 、 與 板 材 距 離 相 等 的 金 屬 極 板 ，極 板 與 板 材 形 成 兩 個(gè) 電 容 器 C1、 C2。v 兩 塊 極

7、 板 連 接 為 一 個(gè) 電 極 ， 板 材 為 另一 個(gè) 電 極 ， 則 總 電 容 為 兩 個(gè) 電 容 器 并 聯(lián) ，CX C1 C2。v 總 電 容 CX和 調(diào) 節(jié) 電 容 C0、 變 壓 器 次 級(jí)L1、 L2構(gòu) 成 交 流 電 橋 。 v 電 橋 輸 出 信 號(hào) 為v v v 當(dāng) 軋 制 板 材 的 厚 度 為 要 求 值 時(shí) ，v 交 流 電 橋 平 衡 ， 無 輸 出 信 號(hào) 。 in0X12out UZZ1 1-LL1 1(U ） 0X12 ZZLL v 當(dāng) 被 軋 制 板 材 的 厚 度 相 對(duì) 于 要 求 值 發(fā)生 變 化 時(shí) ， 則 CX變 化 。v 若 CX增 大 ，

8、表 明 板 材 厚 度 變 厚 ， 若 CX減 小 ， 表 明 板 材 變 薄 。v 電 橋 失 去 平 衡 ， 輸 出 和 CX變 化 成 比 例的 信 號(hào) 。 計(jì) 算 后 顯 示 變 化 的 板 材 厚 度 。v 該 變 化 信 號(hào) 送 到 壓 力 調(diào) 節(jié) 設(shè) 備 ， 調(diào) 節(jié)軋 輥 ， 使 軋 制 的 板 材 的 厚 度 向 要 求 值 變 化 。 鐵 芯 隨 被 測(cè) 物 體 一 起 移 動(dòng) ， 導(dǎo) 致 線 圈 電 感 量 發(fā)生 變 化 。 其 檢 測(cè) 位 移 量 可 從 數(shù) 毫 米 到 數(shù) 百 毫 米 。 缺點(diǎn) 是 靈 敏 度 低 。 v7.1.4 差 動(dòng) 變 壓 器 式 機(jī) 械 位 移

9、 傳 感 器v 如 圖 7-6所 示 。 初 級(jí) 線 圈 L1加 交 流 勵(lì) 磁 電壓 Uin， 次 級(jí) 線 圈 上 產(chǎn) 生 感 應(yīng) 電 壓 。v 由 于 兩 個(gè) 次 級(jí) 線 圈 相 反 極 性 串 接 ， 所 以兩 個(gè) 次 級(jí) 線 圈 中 的 感 應(yīng) 電 壓 UOUT1和 UOUT2的 相 位 相 反 ， 當(dāng) 鐵 芯 處 于 中 心 對(duì) 稱 位 置 時(shí) ，則 UOUT1=UOUT2， 所 以 UOUT=0。v 當(dāng) 鐵 芯 向 兩 端 位 移 時(shí) ， UOUT1大 于 或 小于 UOUT2， 使 UOUT不 等 于 零 ， 其 值 與 鐵 芯 的位 移 成 正 比 。 圖 7-6 差 動(dòng) 變

10、壓 器 結(jié) 構(gòu) 原 理 圖 7.2 光 柵 位 移 傳 感 器 光 柵 傳 感 器一 .光 柵 及 其 測(cè) 量 系 統(tǒng)1.光 柵 的 結(jié) 構(gòu) 類 型 1） 長(zhǎng) 光 柵 尺 主 光 柵 指 示 光 柵 a是 柵 線的 寬 度 b是 柵 線 的縫 隙 寬 度W 是 柵 距W =a+b 2） 圓 光 柵 刻 劃 在 玻 璃 盤 上 的 光 柵 稱 為 圓 光 柵 也 稱 光 柵 盤 ，用 來 測(cè) 量 角 度 或 角 位 移 。 根 據(jù) 柵 線 刻 劃 的 方 向 ， 圓 光 柵 分 兩 種 ， 一 種 是徑 向 光 柵 ， 其 柵 線 的 延 長(zhǎng) 線 全 部 通 過 光 柵 盤 的 圓 心 ；另 一

11、 種 是 切 向 光 柵 ， 其 全 部 柵 線 與 一 個(gè) 和 光 柵 盤 同心 的 直 徑 只 有 零 點(diǎn) 兒 或 幾 個(gè) 毫 米 的 小 圓 相 切若 按 光 線 的 走 向 ， 圓 光 柵 只 有 透 射 光 柵 。 徑 向 光 柵 切 向 光 柵 2.光 柵 測(cè) 量 系 統(tǒng) （ 光 柵 讀 數(shù) 頭 ） 二 .光 柵 傳 感 器 的 工 作 原 理 當(dāng) 指 示 光 柵 和 標(biāo) 尺 光 柵 的 刻 線 相 交 一 個(gè) 微 小的 夾 角 時(shí) , 光 源 照 射 光 柵 尺 ， 由 于 擋 光 效 應(yīng) ， 兩塊 光 柵 刻 線 的 相 交 處 形 成 亮 帶 ， 而 在 刻 線 彼 此 錯(cuò)開

12、 處 形 成 暗 帶 。 在 與 光 柵 線 紋 大 致 垂 直 的 方 向 上 , 產(chǎn) 生 出 亮 暗 相 間 的 條 紋 , 這 些 條 紋 稱 為 “ 莫 爾 條紋 ” （ 莫 爾 ： 法 語 絲 綢 的 波 紋 ） 。 1.莫 爾 條 紋 的 形 成 及 其 特 征 (重 點(diǎn) 掌 握 ) 莫 爾 條 紋 間 距光 柵 柵 距1、 指 示 光 柵 2、 主 光 柵 兩 柵 尺 的 夾 角兩 柵 尺 的 夾 角 莫 爾 條 紋 的 特 征1) 放 大 作 用 WWBCABBH 2422sin22結(jié) 論 ： 放 大 倍 數(shù) 為 1/ , 越 小 ,B越 大 。例 如 =0.1 時(shí) =0.1

13、=0.1 2 /360 =0.00175432radW=0.02mm B H=11.4592mm。 如 主 光 柵 沿 著 刻 線 垂 直 方 向 向 右 移 動(dòng) 時(shí) ， 莫 爾 條 紋將 沿 著 指 示 光 柵 的 柵 線 向 上 移 動(dòng) ； 反 之 ， 當(dāng) 主 光 柵 向左 移 動(dòng) 時(shí) ， 莫 爾 條 紋 沿 著 指 示 光 柵 的 柵 線 向 下 移 動(dòng) 。 因 此 根 據(jù) 莫 爾 條 紋 移 動(dòng) 方 向 就 可 以 對(duì) 主 光 柵 的 運(yùn) 動(dòng) 進(jìn)行 辨 向 。 莫 爾 條 紋 的 特 征（ 2） 莫 爾 條 紋 移 動(dòng) 方 向 莫 爾 條 紋 的 特 征（ 2） 莫 爾 條 紋 移 動(dòng)

14、 方 向 與 光 柵 移 動(dòng) 方 向 的 對(duì) 應(yīng) 關(guān) 系 即 ： 辨 別 方 向 性主 光 柵 相 對(duì) 指 示光 柵 的 轉(zhuǎn) 角 主 光 柵 相 對(duì) 指 示光 柵 的 移 動(dòng) 方 向 莫 爾 條 紋 的 移 動(dòng)方 向順 時(shí) 針 轉(zhuǎn) 動(dòng) 角 向 左 向 上 向 右 向 下 逆 時(shí) 針 轉(zhuǎn) 動(dòng) 角 向 左 向 下 向 右 向 上 光 電 元 件 對(duì) 光 柵 的 柵 距 誤 差 具 有 消 差 作 用 。莫 爾 條 紋 由 光 柵 的 大 量 刻 線 形 成 , 對(duì) 線 紋 的 刻 劃 誤差 有 平 均 抵 消 作 用 , 幾 條 刻 線 的 柵 距 誤 差 或 斷 裂 對(duì)莫 爾 條 紋 的 位 置

15、 和 形 狀 影 響 甚 微 。 能 在 很 大 程 度 上消 除 短 周 期 誤 差 的 影 響 。 （ 3） 誤 差 的 平 均 效 應(yīng)莫 爾 條 紋 的 特 征例 ： W=0.02mm, 接 收 元 件 尺 寸 10 10mm2,在 10mm范圍 內(nèi) 有 500條 刻 線 參 與 工 作 ， 某 幾 條 刻 線 誤 差 對(duì) 莫 爾 條紋 位 置 和 形 狀 基 本 無 影 響 。 五 .光 柵 傳 感 器 的 應(yīng) 用 v7.2.1莫 爾 條 紋v 由 大 量 等 寬 等 間 距 的 平 行 狹 縫 組 成 的光 學(xué) 器 件 稱 為 光 柵 ， 如 圖 7-7所 示 。v 用 玻 璃 制

16、成 的 光 柵 稱 為 透 射 光 柵 ， 它是 在 透 明 玻 璃 上 刻 出 大 量 等 寬 等 間 距 的 平行 刻 痕 ， 每 條 刻 痕 處 是 不 透 光 的 ， 而 兩 刻痕 之 間 是 透 光 的 。 圖 7-7 光 柵 結(jié) 構(gòu) 放 大 圖 v 光 柵 的 刻 痕 密 度 一 般 為 每 厘 米 10、 25、 50、 100線 。v 刻 痕 之 間 的 距 離 為 柵 距 W。v 如 果 把 兩 塊 柵 距 W相 等 的 光 柵 面 平 行安 裝 ， 且 讓 它 們 的 刻 痕 之 間 有 較 小 的 夾 角時(shí) ， 這 時(shí) 光 柵 上 會(huì) 出 現(xiàn) 若 干 條 明 暗 相 間的

17、 條 紋 ， 這 種 條 紋 稱 莫 爾 條 紋 。 圖 7-8 莫 爾 條 紋 v 莫 爾 條 紋 是 光 柵 非 重 合 部 分 光 線 透 過而 形 成 的 亮 帶 ， 它 由 一 系 列 四 棱 形 圖 案 組成 ， 如 圖 7-8中 d d線 區(qū) 所 示 。v 圖 7-8中 f f線 區(qū) 則 是 由 于 光 柵 的 遮 光效 應(yīng) 形 成 的 。 v 莫 爾 條 紋 有 兩 個(gè) 重 要 的 特 性 ：v(1) 當(dāng) 指 示 光 柵 不 動(dòng) ， 主 光 柵 左 右 平 移時(shí) ， 莫 爾 條 紋 將 沿 著 指 示 柵 線 的 方 向 上下 移 動(dòng) 。v 查 看 莫 爾 條 紋 的 上 下

18、移 動(dòng) 方 向 ， 即可 確 定 主 光 柵 左 右 移 動(dòng) 方 向 。 v(2) 莫 爾 條 紋 有 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) 柵 距 W時(shí) ， 莫爾 條 紋 移 動(dòng) 一 個(gè) 條 紋 間 距 B。v 當(dāng) 兩 個(gè) 等 距 光 柵 的 柵 間 夾 角 較 小 時(shí) ，主 光 柵 移 動(dòng) 一 個(gè) 柵 距 W， 莫 爾 條 紋 移 動(dòng) KW距 離 ， K為 莫 爾 條 紋 的 放 大 系 數(shù) ：1/ WBK v 當(dāng) 角 較 小 時(shí) ， 例 如 =30， 則 K=115，表 明 莫 爾 條 紋 的 放 大 倍 數(shù) 相 當(dāng) 大 。v 這

19、樣 ， 可 把 肉 眼 看 不 見 的 光 柵 位 移 變成 為 清 晰 可 見 的 莫 爾 條 紋 移 動(dòng) ， 可 以 用 測(cè)量 條 紋 的 移 動(dòng) 來 檢 測(cè) 光 柵 的 位 移 。v 可 以 實(shí) 現(xiàn) 高 靈 敏 的 位 移 測(cè) 量 。條 紋 間 距 與 柵 距 的 關(guān) 系 為 ：WB v7.2.2光 柵 位 移 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 及 工 作 原 理v 如 圖 7-9所 示 ， 由 主 光 柵 、 指 示 光 柵 、光 源 和 光 電 器 件 等 組 成 。v 主 光 柵 和 被 測(cè) 物 體 相 連 ， 它 隨 被 測(cè) 物 體的 直 線 位 移 而 產(chǎn) 生 移 動(dòng) 。 當(dāng) 主 光 柵

20、 產(chǎn) 生 位移 時(shí) ， 莫 爾 條 紋 便 隨 著 產(chǎn) 生 位 移 。v 用 光 電 器 件 記 錄 莫 爾 條 紋 通 過 某 點(diǎn) 的 數(shù)目 ， 便 可 知 主 光 柵 移 動(dòng) 的 距 離 ， 也 就 測(cè) 得了 被 測(cè) 物 體 的 位 移 量 。 圖 7-9 光 柵 位 移 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 原 理 圖 v7.2.3 光 柵 位 移 傳 感 器 的 應(yīng) 用v 測(cè) 量 精 度 高 （ 分 辨 率 為 0.1m） ，v 動(dòng) 態(tài) 測(cè) 量 范 圍 廣 （ 0 1000mm） ，v 可 進(jìn) 行 無 接 觸 測(cè) 量 ，v 容 易 實(shí) 現(xiàn) 系 統(tǒng) 的 自 動(dòng) 化 和 數(shù) 字 化 。v 廣 泛 應(yīng) 用

21、 于 量 具 、 數(shù) 控 機(jī) 床 的 閉 環(huán) 反 饋控 制 、 工 作 母 機(jī) 的 坐 標(biāo) 測(cè) 量 等 方 面 。 7.3 磁 柵 位 移 傳 感 器 v 磁 柵 是 一 種 有 磁 化 信 息 的 標(biāo) 尺 。v 它 是 在 非 磁 性 體 的 平 整 表 面 上 鍍 一 層 約0.02mm厚 的 Ni-Co-P磁 性 薄 膜 。v 并 用 錄 音 磁 頭 沿 長(zhǎng) 度 方 向 按 一 定 的 激 光波 長(zhǎng) 錄 上 磁 性 刻 度 線 而 構(gòu) 成 的 。v 因 此 又 把 磁 柵 稱 為 磁 尺 。 v 磁 柵 錄 制 后 的 磁 化 結(jié) 構(gòu) 相 當(dāng) 于 一 個(gè) 個(gè)小 磁 鐵 按 NS、 SN、

22、 NS的 狀 態(tài) 排 列 起來 ， 如 圖 7-10所 示 。v 磁 柵 的 種 類 可 分 為 單 型 直 線 磁 柵 、v 同 軸 型 直 線 磁 柵 和v 旋 轉(zhuǎn) 型 磁 柵 等 。v 磁 柵 主 要 用 于 大 型 機(jī) 床 和 精 密 機(jī) 床 作為 位 置 或 位 移 量 的 檢 測(cè) 元 件 。 圖 7-10 磁 柵 的 基 本 結(jié) 構(gòu) v 磁 柵 和 其 它 類 型 的 位 移 傳 感 器 相 比 ，具 有v 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、v 使 用 方 便 、v 動(dòng) 態(tài) 范 圍 大 （ 1 20m） 和v 磁 信 號(hào) 可 以 重 新 錄 制 等 優(yōu) 點(diǎn) 。v 缺 點(diǎn) 是 需 要 屏 蔽 和 防

23、 塵 。v 磁 柵 位 移 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 如 圖 7-11所 示 。它 由 磁 尺 （ 磁 柵 ） 、 磁 頭 和 檢 測(cè) 電 路 組 成 。 圖 7-11 磁 柵 位 移 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 v 當(dāng) 磁 尺 與 磁 頭 之 間 產(chǎn) 生 相 對(duì) 位 移 時(shí) ，磁 頭 的 鐵 芯 使 磁 尺 的 磁 通 有 效 地 通 過 輸 出繞 組 ， 在 繞 組 中 產(chǎn) 生 感 應(yīng) 電 壓 。v 該 電 壓 隨 磁 尺 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 周 期 的 變 化 而變 化 ， 從 而 將 位 移 量 轉(zhuǎn) 換 成 電 信 號(hào) 輸 出 。v 圖 7-12為 磁 信 號(hào) 與 輸 出 信 號(hào) 波

24、 形 圖 。v 磁 頭 輸 出 信 號(hào) 經(jīng) 檢 測(cè) 電 路 轉(zhuǎn) 換 成 電 脈沖 信 號(hào) 并 以 數(shù) 字 形 式 顯 示 出 來 。 圖 7-12 磁 信 號(hào) 與 磁 頭 輸 出 信 號(hào) 波 形 圖 7.4 熱 釋 電 式 接 近 傳 感 器 v 接 近 傳 感 器 是 一 種 具 有 感 知 物 體 接 近能 力 的 器 件 。v 位 移 傳 感 器 對(duì) 所 接 近 的 物 體 具 有 的 敏感 特 性 來 識(shí) 別 物 體 的 接 近 ， 并 輸 出 相 應(yīng) 開關(guān) 信 號(hào) 。v 接 近 傳 感 器 又 稱 為 接 近 開 關(guān) 。v 常 見 的 接 近 傳 感 器 有 電 容 式 、 渦 流

25、式 、霍 爾 效 應(yīng) 式 、 光 電 式 、 熱 釋 電 式 、 多 普 勒式 、 電 磁 感 應(yīng) 式 、 微 波 式 、 超 聲 波 式 。 v 熱 釋 電 式 接 近 傳 感 器 是 用 熱 釋 電 元 件的 熱 釋 電 效 應(yīng) 探 測(cè) 人 體 接 近 時(shí) 發(fā) 出 的 紅 外線 。v 它 用 于 防 盜 、 報(bào) 警 、 來 客 告 之 及 非 接觸 開 關(guān) 等 設(shè) 備 中 。v 圖 7-13為 熱 釋 電 紅 外 報(bào) 警 器 電 路 ， 由熱 釋 電 式 接 近 傳 感 器 、 濾 波 器 、 輸 出 轉(zhuǎn) 換器 、 比 較 器 、 驅(qū) 動(dòng) 器 和 報(bào) 警 電 路 組 成 。 圖 7-13

26、熱 釋 電 紅 外 報(bào) 警 器 電 路 原 理 7.5 磁 電 式 轉(zhuǎn) 速 傳 感 器 v 如 圖 7-14所 示 ， 由 永 久 磁 鐵 、 感 應(yīng)線 圈 、 磁 盤 等 組 成 。v 在 磁 盤 上 加 工 有 齒 形 凸 起 ， 磁 盤 裝在 被 測(cè) 轉(zhuǎn) 軸 上 ， 與 轉(zhuǎn) 軸 一 起 旋 轉(zhuǎn) 。 圖 7-14 磁 電 式 轉(zhuǎn) 速 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 v 當(dāng) 轉(zhuǎn) 軸 旋 轉(zhuǎn) 時(shí) ， 磁 盤 的 凸 凹 齒 形 將 引起 磁 盤 與 永 久 磁 鐵 間 氣 隙 大 小 的 變 化 ，v 從 而 使 永 久 磁 鐵 組 成 的 磁 路 中 磁 通 量隨 之 發(fā) 生 變 化 。v

27、感 應(yīng) 線 圈 感 應(yīng) 脈 沖 電 勢(shì) ， 其 頻 率 為 f=Zn 根 據(jù) 測(cè) 定 的 脈 沖 頻 率 ， 可 得 知 被 測(cè) 物 體的 轉(zhuǎn) 速 。 如 果 配 接 數(shù) 字 電 路 ， 組 成 數(shù) 字 式轉(zhuǎn) 速 測(cè) 量 儀 ， 可 直 接 讀 出 被 測(cè) 物 體 的 轉(zhuǎn) 速 。 被 測(cè) 轉(zhuǎn) 速 很 低 時(shí) ， 輸 出 脈 沖 電 勢(shì) 的 幅 值很 小 ， 以 致 無 法 測(cè) 量 出 來 。 所 以 ， 這 種 傳 感 器 不 適 合 測(cè) 量 過 低 的 轉(zhuǎn)速 ， 其 測(cè) 量 轉(zhuǎn) 速 下 限 一 般 為 50轉(zhuǎn) /秒 左 右 ，上 限 可 達(dá) 數(shù) 百 千 轉(zhuǎn) /秒 。 7.6 多 普 勒 傳

28、感 器 多 普 勒 效 應(yīng) v多 普 勒 （ Christian Doppler） 多 普 勒 是 奧 地 利 物 理 學(xué) 家 和 數(shù) 學(xué) 家 .他 于 1842年 首 先 發(fā) 現(xiàn) 了 這 種 效 應(yīng) .為 了 理 解 這 一 現(xiàn) 象 ，就 需 要 考 察 火 車 以 恒 定 速 度 駛 近 時(shí) ， 汽 笛 發(fā)出 的 聲 波 在 傳 播 時(shí) 的 規(guī) 律 .其 結(jié) 果 是 聲 波 的 波長(zhǎng) 縮 短 ， 好 象 波 被 壓 縮 了 .因 此 ， 在 一 定 時(shí) 間間 隔 內(nèi) 傳 播 的 波 數(shù) 就 增 加 了 ， 這 就 是 觀 察 者為 什 么 會(huì) 感 受 到 聲 調(diào) 變 高 的 原 因 ； 相

29、 反 ， 當(dāng)火 車 駛 向 遠(yuǎn) 方 時(shí) ， 聲 波 的 波 長(zhǎng) 變 大 ， 好 象 波被 拉 伸 了 . 因 此 ， 聲 音 聽 起 來 就 顯 得 低 沉 . v 假 定 波 源 、 觀 察 者 的 運(yùn) 動(dòng) 在 同 一 直 線 上 1. 波 源 相 對(duì) 于 介 質(zhì) 的 運(yùn) 動(dòng) 速 度 為 vs 2. 觀 察 者 相 對(duì) 于 介 質(zhì) 的 運(yùn) 動(dòng) 速 度 為 vR 3. 波 在 介 質(zhì) 中 傳 播 的 速 度 為 u 4. 波 源 的 頻 率 fs (單 位 時(shí) 間 內(nèi) 波 源 振 動(dòng) 的 次 數(shù) 或 發(fā) 出 的 完 整 波 數(shù) ) 5. 觀 察 者 接 收 到 的 頻 率 f R (是 觀 察

30、 者 在 單 位 時(shí) 間 內(nèi) 接 受 到 的 振 動(dòng) 數(shù) 或 完 整 波 數(shù) ) v相 對(duì) 于 媒 質(zhì) 、 波 源 和 觀 察 者 都 不 動(dòng) 的 情 況波 長(zhǎng) 0 是 波 源 相 對(duì)于 媒 質(zhì) 靜 止 時(shí) ， 單 位時(shí) 間 波 在 媒 質(zhì)中 傳 播 距 離 。 Rf sf0u 波 源 不 動(dòng) ,觀 察 者 以 速 度 相 對(duì) 于 介 質(zhì) 運(yùn) 動(dòng)0 sv vRvRvR RR vuf sfu sRRR fuvuvuf sRR fuvuf sRR fuvuf Rv 觀 察 者 不 動(dòng) ,波 源 以 速 度 相 對(duì) 于 介 質(zhì) 運(yùn) 動(dòng)svufR s ssss f vuTvuT S sv ssTv v

31、R=0 0suTS ssTv svssR fvu uuf ssR fvu uf ssR fvu uf 觀 察 者 相 對(duì) 于 介 質(zhì) 運(yùn) 動(dòng) : sRR fuvuf ssR fvu uf 波 源 相 對(duì) 于 介 質(zhì) 運(yùn) 動(dòng) : ssRR fu vuf 觀 察 者 和 波 源 同 時(shí) 相 對(duì) 于 介 質(zhì) 運(yùn) 動(dòng) 0sv vR如 果 波 源 和 觀 察 者 是 沿 著它 們 連 線 的 垂 直 方 向 運(yùn) 動(dòng) ,則 s = R,即 沒 有 多 普 勒效 應(yīng) 發(fā) 生如 果 波 源 和 觀 察 者 的 運(yùn) 動(dòng)是 任 意 方 向 的 ,那 只 要 將 速度 在 連 線 上 的 分 量 代 入 公式 即

32、可 . ssxRxR fvu vuf v 電 磁 波 的 多 普 勒 效 應(yīng) 電 磁 波 （ 光 波 ） 可 以 在 真 空 中 傳 播 ， 真 空 中 不 存在 介 質(zhì) ， 只 需 要 考 察 光 源 與 觀 測(cè) 者 之 間 的 相 對(duì) 運(yùn)動(dòng) ， 需 要 根 據(jù) 相 對(duì) 論 確 定 其 多 普 勒 效 應(yīng) 的 頻 率 變化 關(guān) 系 。 sR fcucuf 1/)cos1( 22 多 普 勒 效 應(yīng) 的 應(yīng) 用交 通 警 向 行 進(jìn) 中 的 車 輛 發(fā) 射 頻 率 已 知 的 電 磁 波 ，通 常 是 紅 外 線 ， 同 時(shí) 測(cè) 量 反 射 波 的 頻 率 ， 根 據(jù) 反射 波 頻 率 變 化

33、 的 多 少 就 能 知 道 車 輛 的 速 度 裝 有多 普 勒 測(cè) 速 儀 的 警 車 有 時(shí) 就 停 在 公 路 旁 ， 在 測(cè) 速的 同 時(shí) 把 車 輛 牌 號(hào) 拍 攝 下 來 ， 并 把 測(cè) 得 的 速 度 自動(dòng) 打 印 在 照 片 上 v7.6.1 多 普 勒 效 應(yīng)v 假 若 發(fā) 射 機(jī) 與 接 收 機(jī) 之 間 的 距 離 發(fā) 生變 化 ， 則 發(fā) 射 機(jī) 發(fā) 射 信 號(hào) 的 頻 率 與 接 收 機(jī)收 到 信 號(hào) 的 頻 率 就 不 同 。v 此 現(xiàn) 象 是 由 奧 地 利 物 理 學(xué) 家 多 普 勒 發(fā)現(xiàn) 的 ， 所 以 稱 為 多 普 勒 效 應(yīng) 。 v 發(fā) 射 機(jī) 發(fā) 射

34、無 線 電 波 向 被 測(cè) 物 體 輻 射 ，被 測(cè) 物 體 以 速 度 v運(yùn) 動(dòng) ， 如 圖 7-15（ a） 所示 。v 被 測(cè) 物 體 做 為 接 收 機(jī) 接 收 到 的 頻 率 為v f1=f0+v/0v 如 果 把 f1做 為 反 射 波 向 接 收 機(jī) 發(fā) 射 信 號(hào) ，如 圖 6-15（ b） 所 示 。 接 收 機(jī) 接 收 到 的 信號(hào) 頻 率 為v f 2=f1+v/1= f0+ v/0+ v/1 圖 7-15 多 普 勒 效 應(yīng) 示 意 圖 v 由 于 被 測(cè) 物 體 的 運(yùn) 動(dòng) 速 度 遠(yuǎn) 小 于 電 磁 波的 傳 播 速 度 ， 則 可 近 似 認(rèn) 為v 0=1v則 ：

35、 f2= f0+ 2v/0 v 由 多 普 勒 效 應(yīng) 產(chǎn) 生 的 頻 率 之 差 稱 為 多 普勒 頻 率 ， 即 ：v Fd= f2 - f0 = 2v/0 v7.6.2 多 普 勒 雷 達(dá) 測(cè) 速v 被 測(cè) 物 體 的 運(yùn) 動(dòng) 速 度 v可 以 用 多 普 勒 頻率 來 描 述 。v 多 普 勒 雷 達(dá) 的 電 路 原 理 如 圖 7-16所 示 。它 由 發(fā) 射 機(jī) 、 接 收 機(jī) 、 混 頻 器 、 檢 波 器 、放 大 器 及 處 理 電 路 等 組 成 。 圖 7-21 多 普 勒 雷 達(dá) 檢 測(cè) 線 速 度 工 作 原 理 圖 v 發(fā) 射 信 號(hào) 和 接 收 到 的 回 波 信

36、 號(hào) 經(jīng) 混頻 器 混 頻 ， 兩 者 產(chǎn) 生 差 頻 輸 出 ，v 差 頻 的 頻 率 正 好 為 多 普 勒 頻 率 。v Fd 2vcos/0 Kv (Hz)v 由 差 頻 Fd 可 計(jì) 算 得 到 物 體 的 運(yùn) 動(dòng) 速度 v。v 該 方 法 廣 泛 用 于 道 路 上 檢 測(cè) 車 輛 行駛 速 度 。 7.7 導(dǎo) 電 式 液 位 傳 感 器 v 液 位 傳 感 器 按 測(cè) 定 原 理 可 分 為 ：v 浮 子 式 液 位 傳 感 器 、v 平 衡 浮 筒 式 液 位 傳 感 器 、v 壓 差 式 液 位 傳 感 器 、v 電 容 式 液 位 傳 感 器 、v 導(dǎo) 電 式 液 位 傳

37、感 器 、v 超 聲 波 式 液 位 傳 感 器 、v 放 射 線 式 液 位 傳 感 器 。 v 導(dǎo) 電 式 水 位 傳 感 器 如 圖 7-17所 示 。v 電 極 可 根 據(jù) 檢 測(cè) 水 位 的 要 求 進(jìn) 行 升 降調(diào) 節(jié) ，v 當(dāng) 水 位 低 于 檢 知 電 極 時(shí) ， 兩 電 極 間 呈絕 緣 狀 態(tài) ， 檢 測(cè) 電 路 沒 有 電 流 流 過 ， 傳 感器 輸 出 電 壓 為 零 。 圖 7-17 導(dǎo) 電 式 水 位 傳 感 器 基 本 工 作 原 理 圖 v 如 果 水 位 上 升 到 與 檢 知 電 極 端 都 接 觸 時(shí) ，由 于 水 有 一 定 的 導(dǎo) 電 性 ， 因 此

38、 測(cè) 量 電 路 中有 電 流 流 過 ，v 指 示 電 路 中 的 顯 示 儀 表 就 會(huì) 發(fā) 生 偏 轉(zhuǎn) ，v 同 時(shí) 在 限 流 電 阻 兩 端 有 電 壓 輸 出 。v 如 果 把 輸 出 電 壓 和 控 制 電 路 連 接 起 來 ，便 可 對(duì) 供 水 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 自 動(dòng) 控 制 。 v 圖 7-23是 一 種 實(shí) 用 的 導(dǎo) 電 式 水 位 檢 測(cè) 器 的電 路 原 理 圖 。v 電 路 主 要 由 兩 個(gè) 運(yùn) 算 放 大 器 組 成 ，v IC1a運(yùn) 算 放 大 器 及 外 圍 元 件 組 成 方 波 發(fā) 生器 ， 通 過 電 容 器 C1與 檢 知 電 極 相 接 。v I

39、C1b運(yùn) 算 放 大 器 與 外 圍 元 件 組 成 比 較 器 ，以 識(shí) 別 儀 表 水 位 的 電 信 號(hào) 狀 態(tài) 。v 采 用 發(fā) 光 二 極 管 作 為 水 位 的 指 示 。 圖 7-18 導(dǎo) 電 式 水 位 檢 測(cè) 器 電 路 原 理 圖 v 導(dǎo) 電 式 水 位 傳 感 器 ， 在 日 常 工 作 和 生活 中 應(yīng) 用 很 廣 泛 ，v 抽 水 及 儲(chǔ) 水 設(shè) 備 、v 工 業(yè) 水 箱 、v 汽 車 水 箱 等 方 面 均 被 采 用 。 7.8 流 量 及 流 速 傳 感 器 v 流 量 及 流 速 傳 感 器 的 種 類 有 ：v 電 磁 式 流 量 傳 感 器 、 渦 流 式

40、 流 量 傳 感 器 、v 超 聲 波 式 流 量 傳 感 器 、 熱 導(dǎo) 式 流 速 傳 感 器 、v 激 光 式 流 速 傳 感 器 、 光 纖 式 流 速 傳 感 器 、v 浮 子 式 流 量 傳 感 器 、 渦 輪 式 流 量 傳 感 器 、v 空 間 濾 波 器 式 流 量 傳 感 器 。 v7.8.1 電 磁 式 流 量 傳 感 器v 如 圖 7-19所 示 ， 在 勵(lì) 磁 線 圈 加 上 勵(lì) 磁電 壓 后 ， 絕 緣 導(dǎo) 管 便 處 于 磁 力 線 密 度 為 B的均 勻 磁 場(chǎng) 中 ， 當(dāng) 導(dǎo) 電 性 液 體 流 經(jīng) 絕 緣 導(dǎo) 管時(shí) ， 電 極 上 便 會(huì) 產(chǎn) 生 電 動(dòng) 勢(shì)

41、 ：)(vDvBe 圖 7-19 電 磁 式 流 量 計(jì) 工 作 原 理 圖 1-鐵 芯 2-電 極 3-絕 緣 導(dǎo) 管 4-勵(lì) 磁 線 圈 5-液 體 v 管 道 內(nèi) 液 體 流 動(dòng) 的 容 積 流 量 與 電 動(dòng) 勢(shì)的 關(guān) 系 為 )/(44 32 smeBDvDQ 可 以 通 過 對(duì) 電 動(dòng) 勢(shì) 的 測(cè) 定 ， 求 出 容 積流 量 。 v7.8.2 電 磁 式 流 速 傳 感 器v 如 圖 7-20所 示 。v 勵(lì) 磁 電 壓 信 號(hào) 為 方 波 信 號(hào) 。v 由 方 波 發(fā) 生 器 發(fā) 出 的 方 波 信 號(hào) 一 路 經(jīng) 勵(lì)磁 放 大 器 功 率 放 大 后 ， 送 入 傳 感 器

42、的 勵(lì) 磁線 圈 進(jìn) 行 勵(lì) 磁 ；v 另 一 路 作 為 采 樣 、 鑒 相 脈 沖 信 號(hào) 。 傳 感 器 輸 入 回 路 前 置 放 大 器 主 放 大 器勵(lì) 磁 放 大 器直 流 放 大 器 濾 波 器方 波發(fā) 生 器 采 樣 、倒 相 、鑒 相 器UOUT流動(dòng)液體 圖 7-20 電 磁 式 流 速 傳 感 器 的 電 路 框 圖 v 流 動(dòng) 液 體 在 電 極 上 產(chǎn) 生 的 信 號(hào) 經(jīng) 輸 入回 路 阻 抗 變 換 和 前 置 放 大 ， 再 由 主 放 大 器進(jìn) 行 放 大 。v 放 大 后 的 信 號(hào) 經(jīng) 采 樣 、 倒 相 、 鑒 相 。v 所 得 信 號(hào) 濾 去 雜 波 后

43、 由 直 流 放 大 器 放大 輸 出 ， 為 檢 測(cè) 到 的 流 速 信 號(hào) UOUT。v 用 于 自 來 水 、 工 業(yè) 用 水 、 農(nóng) 業(yè) 用 水 、海 水 、 污 水 、 污 泥 、 化 學(xué) 藥 品 、 食 品 、 礦漿 等 流 量 檢 測(cè) 。 v7.8.3 渦 輪 式 流 速 傳 感 器v 渦 輪 式 流 速 傳 感 器 是 利 用 放 在 流 體 中的 葉 輪 的 轉(zhuǎn) 速 進(jìn) 行 流 量 測(cè) 試 的 一 種 傳 感 器 。v 葉 輪 轉(zhuǎn) 速 的 測(cè) 量 如 圖 7-21所 示 。 圖 7-21 渦 輪 流 量 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 原 理 圖 v 葉 輪 的 葉 片 可 以 用 導(dǎo) 磁 材 料 制 作 ，v 由 永 久 磁 鐵 、 鐵 芯 及 線 圈 與 葉 片 形 成 磁路 。v 當(dāng) 葉 片 旋 轉(zhuǎn) 時(shí) ， 磁 阻 將 發(fā) 生 周 期 性 的 變化 ， 從 而 使 線 圈 中 感 應(yīng) 出 脈 沖 電 壓 信 號(hào) 。v 該 信 號(hào) 經(jīng) 放 大 、 整 形 后 輸 出 ， 作 為 供 檢測(cè) 轉(zhuǎn) 速 用 的 脈 沖 信 號(hào) 。 圖 7-22 太 陽(yáng) 能 熱 水 器 水 位 報(bào) 警 器