位移传感器及工程应用.ppt

7.5.2 钢球生产流水线自动计数系统案例 黑色金属器件生产流水线上的自动检测和计数装置结构如图7-45 (a)所示。它是采用线性霍尔传感器UGN3501来实现的，该传感器灵敏度高，能感受很小的磁场变化，从而可实现对黑色金属球的自动检测。图7-45 (b)是它的测量电路，当一个钢球从霍尔传感器上面滚过时，霍尔传感器可输出一个峰值为20mⅤ的脉冲电压信号，经运算放大器(μA741)放大后，驱动半导体三极管VT(2N5812)工作在开关状态，使三极管输出一个矩形脉冲信号，经计数器累加计算后，显示器就可显示出当前生产小铁球的数量。 图7-45 霍尔计数装置结构示意图及测量电路 作业： 课间休息 式(7?36)表明，输出电压Uo与极距d呈线性关系。这种测量电路较好的解决了变极距电容传感器的非线性问题。由此可知，只要能测量出输出电压Uo就能计算出极距d，进而计算出位移的大小和方向。 2. 变压器式单臂电桥测量电路 图7?27 变压器式单臂电桥测量电路 图7?27为变压器式单臂电桥测量电路，其中固定电容C和电容位移传感器Cx构成电桥的两臂，而变压器的两个次级线圈作为电桥的另外两臂。 令Z1=1/(jωCx)，Z2=1/(jωC)，当负载阻抗为无穷大时，桥路的输出电压为 假设该传感器的初始电容量为C0，被测位移使Cx=C0+?C，且满足?C/C01，取固定电容C=C0则式(7?37)变成 式(7?38)说明输出电压大小与电容的变化量近似呈线性关系。 (7?37) (7?38) 若Cx为变极距电容位移传感器，则 。假设该传感器的初始极距为d0，初始电容量为 ，当位移x使极距d=d0-x时，将它们代入式(7?37)得 当x/d01时，分母2-x/d0≈2，式(7?39)可近似为 (7?39) (7?40) 式(7?40)说明，此测量电路的输出Uo与电容极距的变化量⊿d近似呈线性关系。由于它输出的是交流电压，所以它只能测量位移的大小，而不能测量位移的方向。若要测量位移的方向，还需要添加相应的相敏检波电路。 3. 差动脉冲宽度调制电路 脉冲宽度调制电路如图7?28所示。 图7?28 差动脉冲宽度调制电路 设 R1=R2=R，当Cx1=Cx2时，各点电压波形如图7?29(a)所示，输出电压uAB的平均值为零。 图7?29 脉宽调制电路电压波形图 但当差动电容Cx1和Cx2值不相等(比如Cx1Cx2)时，则充电时间常数τ1=RCx1τ2=RCx2，电路中各点电压波形如图7?29(b)所示，输出电压uAB的平均值不再为零。经低通滤波器后即可得到一个直流输出电压Uo为 式中，T1为电容Cx1充电至Ur时所需时间；T2为电容Cx2充电至Ur时所需时间；U1为触发器的输出高电平。显然， (7?42) (7?43) (7?41) 将T1和T2的表达式代入(7?41)得 式(7?44)表明，直流输出电压Uo正比于电容Cx1与Cx2的差值，其极性可正可负。 若该差动电容是变极距的，设它的初始极距为d0，当位移x使Cx1的极距变为 d1=d0-x，Cx2的极距变为 d2=d0+x时，则有 式(7?45)说明，它的输出电压Uo与变极距差动电容的位移x呈线性关系。若该差动电容位移传感器是变面积的或是变介质的，同理可以证明，它的输出电压仍然与位移呈线性关系。 (7?45) (7?44) 1.电容式电缆偏心测量传感器 图7-30给出了电容式电缆偏心测量传感器原理图。在实际应用中，是采用两对互相垂直的极板(图中只画出一对)。 当电缆芯不偏心时，有C1=C2=C0。 7.3.4 常见电容式位移传感器及其应用 图7-30 电容式电缆偏心测量传感器原理 当电缆芯偏心时，C1≠C2。利用差动电容测量电路就可将电容的变化量测量出来，这个变化量与x方向的偏移量x1有关。 2.差动电容测厚传感器 　 差动电容测厚传感器的结构及工作原理如图7-31所示。它是在被测带材的上下两边各放置一块面积相同，且与金属带材距离相等的极板，这样两块极板与带材就形成了差动电容C1和C2（带材也作为一个极板）。 图7-31 差动电容测厚传感器工作原理 若把两块极板用导线连结起来，就成为一个极板，而带材则是电容器的另一极板，其总电容Cx为 金属带材在轧制过程中不断向前推进，如果带材厚度发生变化，它将引起上、下两个极板间距变化，即引起两个电容Cx1和Cx2的变化。从而引起总电容Cx的变化。用测量电路把这个变化测量出来就可知道厚度变化情况。由于这种测厚传感器是采用了差动电容器，因此带材的振动不会影响厚度的测量结果。 7.4 霍尔式位移传感器 7.5.1 霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体或半导体薄片，当通过它的电流方向与磁场方向不一致时，那么在