第二章 位移检测传感器.ppt

第二章第二章位移检测传感器位移检测传感器 通过本章的学习，了解常用位移检测传感通过本章的学习，了解常用位移检测传感器的类型，每类传感器的结构、工作原理、器的类型，每类传感器的结构、工作原理、静动态特性、测量范围、使用条件及后接测静动态特性、测量范围、使用条件及后接测试装置。试装置。重点掌握：参量型位移传感器和光栅型位移重点掌握：参量型位移传感器和光栅型位移传感器。传感器。12/20/20221 位移分为线位移和角位移两种，测量位移的位移分为线位移和角位移两种，测量位移的常用方法有机械法、光测法和电测法。常用方法有机械法、光测法和电测法。电测法是利用各种传感器将位移量转换成电电测法是利用各种传感器将位移量转换成电量或电参数，再经后接测量仪器进一步变换完量或电参数，再经后接测量仪器进一步变换完成对位移检测的一种方法。位移测试系统由传成对位移检测的一种方法。位移测试系统由传感器、变换电器、显示装置或记录仪器三部分感器、变换电器、显示装置或记录仪器三部分组成。常用位移传感器有电阻式、电容式、涡组成。常用位移传感器有电阻式、电容式、涡流式、压电式、感应同步式、磁栅式、光电式流式、压电式、感应同步式、磁栅式、光电式等。等。12/20/20222第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器 工作原理：将被测物理量转换成电参数，即工作原理：将被测物理量转换成电参数，即电阻、电容或电感。电阻、电容或电感。一、电阻式位移传感器一、电阻式位移传感器电阻式位移传感器的电阻值取决于材料的几何尺寸和电阻式位移传感器的电阻值取决于材料的几何尺寸和物理特性，即：物理特性，即：式中式中导体电阻率（导体电阻率（m）；）；L导体长度（导体长度（m）S导体横截面积（导体横截面积（m2）。）。改变其中任一参数均可使电阻值发生变化。电位计改变其中任一参数均可使电阻值发生变化。电位计和应变片就是根据这一原理制成的。和应变片就是根据这一原理制成的。12/20/20223电位计通常由截面相等的骨架、绕于骨架电位计通常由截面相等的骨架、绕于骨架上的电阻丝线圈（电阻元件）和沿电位器移动上的电阻丝线圈（电阻元件）和沿电位器移动的电刷等部分组成。电刷相对电阻元件可作直的电刷等部分组成。电刷相对电阻元件可作直线运动、转动或螺旋运动，将直线位移、角位线运动、转动或螺旋运动，将直线位移、角位移成比例地转换成电阻量的变化（线性），非移成比例地转换成电阻量的变化（线性），非线性电位计可将线位移和转角变换成与之成某线性电位计可将线位移和转角变换成与之成某种函数关系的电阻或电压输出。种函数关系的电阻或电压输出。电位计的电阻有线绕电阻、薄膜电阻、导电电位计的电阻有线绕电阻、薄膜电阻、导电塑料（有机实芯）电阻等。塑料（有机实芯）电阻等。12/20/202241.线性电位计的空载特性线性电位计的空载特性线性电位计单位长度线性电位计单位长度(或转角或转角)的电阻值为常数。的电阻值为常数。如图，有：如图，有：R/L=RX/X则：则：KR电位计的电阻灵敏度（电位计的电阻灵敏度（/m）电位计的空载电压为：电位计的空载电压为：Ku电位计的电压灵敏度（电位计的电压灵敏度（V/m）电位计结构及电源电压一定时电位计结构及电源电压一定时,KR和和Ku为常数为常数.12/20/20225 实际线绕电位计的电刷移动时，每移动一匝线圈实际线绕电位计的电刷移动时，每移动一匝线圈使其阻值和输出电压产生一次跳跃，其输出空载特性使其阻值和输出电压产生一次跳跃，其输出空载特性不是直线，而呈阶梯状，称为阶梯特性。不是直线，而呈阶梯状，称为阶梯特性。线绕电位计的阶梯特性限制了其精度和分辨力。线绕电位计的阶梯特性限制了其精度和分辨力。阶梯误差由线绕电位计的匝数决定阶梯误差由线绕电位计的匝数决定,线径越小线径越小,同样长同样长度的骨架所绕的线圈匝数越多，阶梯误差越小度的骨架所绕的线圈匝数越多，阶梯误差越小,分辨分辨力越高。力越高。对角位移式电位器来说，对角位移式电位器来说，Uo与电刷的旋转与电刷的旋转角度成正比：角度成正比：12/20/20226 2.2.非线性电位计空载特性非线性电位计空载特性 非线性电位计其输出电压（或电阻）与电刷非线性电位计其输出电压（或电阻）与电刷位移之间具有非线性函数关系，其空载特性为位移之间具有非线性函数关系，其空载特性为一条曲线，其电阻灵敏度一条曲线，其电阻灵敏度KR=dR/dX，电压灵，电压灵敏度敏度KU=dU0/dX均为变量，其值与电刷位移均为变量，其值与电刷位移X有关有关。最大阶梯误差发生在特性曲线斜率最高。最大阶梯误差发生在特性曲线斜率最高处。处。非线性电位计的结构形式有变骨架式、变节非线性电位计的结构形式有变骨架式、变节距式、分路电阻式和电位给定式等。距式、分路电阻式和电位给定式等。12/20/20227 考题分析：考题分析：1.1.电位计式位移传感器，其后接测量仪器的输入电电位计式位移传感器，其后接测量仪器的输入电阻对传感器的输出特性有何影响？如何减小这个影响阻对传感器的输出特性有何影响？如何减小这个影响？（并联分流，产生测量误差，应使？（并联分流，产生测量误差，应使R R输入输入R R传传）2.2.设一圆型截面绕线式位移传感器的线圈半径为设一圆型截面绕线式位移传感器的线圈半径为5mm5mm，共绕制了，共绕制了100100圈，线圈总电阻为圈，线圈总电阻为1K1K，则传感器的灵敏，则传感器的灵敏度为多大？（度为多大？（1/mm1/mm）3.3.绕线式线性电位计式位移传感器每厘米绕制绕线式线性电位计式位移传感器每厘米绕制200200圈，圈，所以分辨力为所以分辨力为 0.05 0.05 毫米。毫米。12/20/20228 4.4.图示为某电位计式位移传感器的检测电路。图示为某电位计式位移传感器的检测电路。E=10VE=10V，R R0 0=10K=10K，ABAB为线性电位计，总长度为为线性电位计，总长度为150mm150mm，总电阻为总电阻为30K30K，C C点为电刷位置。点为电刷位置。（1 1）计算输出电压）计算输出电压U U0 0=0V=0V时的位移时的位移X X；(100mm)(100mm)（2 2）当位移）当位移X X的变化范围为的变化范围为1010140mm140mm时，计算输时，计算输出电压出电压U U0 0的范围。的范围。(-6V(-6V2.67V)2.67V)E RE R0 0 2R2R0 0A AC CB BU U0 0 x x12/20/20229 二、电阻应变式位移传感器二、电阻应变式位移传感器 工作原理：将被测位移引起的应变元件产工作原理：将被测位移引起的应变元件产生的应变，经后续电路变换成电信号输出，从生的应变，经后续电路变换成电信号输出，从而测出被测位移。而测出被测位移。电阻应变式位移传感器基本结构见教材电阻应变式位移传感器基本结构见教材P15P15图图2-42-4。第四章详细介绍。第四章详细介绍。12/20/202210三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器 平行板的间距平行板的间距d d 远小于平行板的远小于平行板的 尺寸时，边缘效忽略。尺寸时，边缘效忽略。平行板平行板电容器的电容器的容量容量：式中：式中：极板间介质的介极板间介质的介电常电常数（数（F/mF/m），），r r为介质的为介质的相对介电常数，相对介电常数，0 0=8.85=8.851010-12-12（F/mF/m），），真空介真空介电常数；电常数；S S 极板面积（极板面积（m m2 2）；）；极板间距（极板间距（m m）。）。固定三个参量中的任意两个，可以做成固定三个参量中的任意两个，可以做成变极距式、变极距式、变面积式和变介电常数式变面积式和变介电常数式电容位移传感器。电容位移传感器。+-S平行板电容器平行板电容器电力线12/20/202211分类示意图分类示意图c)c)介质变化型介质变化型b)b)面积变化型面积变化型:角位移型角位移型,平面线位移型平面线位移型,柱面线位移型柱面线位移型.+a)a)极距变化型极距变化型;+12/20/202212 1.1.变极距式电容传感器变极距式电容传感器 当动极板受被测物体作用引起位移时，当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离改变了两极板之间的距离，从而使电容量，从而使电容量发生变化。发生变化。变极距式电容位移传感器具有较高的灵敏变极距式电容位移传感器具有较高的灵敏度，但电容变化与极距变化之间为非线性关度，但电容变化与极距变化之间为非线性关系。系。12/20/202213变极距式电容传感器的特性曲线变极距式电容传感器的特性曲线 从图中可以看到，当变极距式电容传感器的初始从图中可以看到，当变极距式电容传感器的初始极距极距0 0较小时，它的测量范围变大还是变小？为了提较小时，它的测量范围变大还是变小？为了提高灵敏度，应使当高灵敏度，应使当0 0小些还是大些？小些还是大些？a）结构示意图结构示意图b）电容量与极板距离的关系电容量与极板距离的关系1定极板定极板2动极板动极板2112/20/202214设极板间的初始距离为设极板间的初始距离为0 0时，电容时，电容量为量为C C0 0：当极板间的距离减小当极板间的距离减小时，电容时，电容量为量为C C：电容的增量为：电容的增量为：12/20/202215当当/0 0 1 1时，时，在小位移时，电容位移传感器的在小位移时，电容位移传感器的灵敏度为：灵敏度为：变极距式电容位移传感器只适用变极距式电容位移传感器只适用于小位移的测量。于小位移的测量。12/20/202216 为提高灵敏度，改善线性度，可采用为提高灵敏度，改善线性度，可采用差动电容传感器。当动极板处于平衡位差动电容传感器。当动极板处于平衡位置时，置时，d d1 1=d=d2 2=d=do o，则，则C C1 1=C=C2 2=C=Co o，C=CC=C1 1-C C2 2=0=0；当动极板右移；当动极板右移d d时，时，d d1 1=d=do o-d,-d,d d2 2=d do o+d+d，电容总的相对变化为，电容总的相对变化为采用差动传感器，灵敏度提采用差动传感器，灵敏度提高了一倍，非线性误差大大高了一倍，非线性误差大大减小。减小。12/20/2022172.变面积式电容传感器变面积式电容传感器 图图a是平板形直线位移式结构，极板是平板形直线位移式结构，极板1为为动极板，动极板，可左右移动；极板可左右移动；极板2为定极板，为定极板，固固定不动。当位移定不动。当位移x=0 x=0时，两极板完全重合，时，两极板完全重合，此时电容量为：此时电容量为：当动极板移动当动极板移动x后，电容为：后，电容为：灵敏度为：灵敏度为：12/20/202218 外圆筒不动，外圆筒不动，内圆筒在外圆内圆筒在外圆筒内作上、下筒内作上、下直线运动。直线运动。2.变面积式电容传感器变面积式电容传感器平板结构对极距变化特别敏感，测量精度平板结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常用的结构。响很小，成为实际中最常用的结构。单组式单组式差动式差动式12/20/202219 图图b b是同心圆筒形位移传感器。外是同心圆筒形位移传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。当位移下直线运动。当位移x=0 x=0时，电容量时，电容量为：为：2.变面积式电容传感器变面积式电容传感器当动极板移动当动极板移动x x时，电容量为：时，电容量为：则：则：灵敏度为：灵敏度为：12/20/2022202.变面积式电容传感器变面积式电容传感器 图图c c是角位移式的结构。极板是角位移式的结构。极板2 2的轴由的轴由被测物体带动旋转被测物体带动旋转 角度时，两极板的角度时，两极板的遮盖面积减小，电容量减小。当遮盖面积减小，电容量减小。当=0=0时，时，电容量为电容量为 当动极板移动当动极板移动后，其电容为：后，其电容为：灵敏度为：灵敏度为：12/20/202221变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的输出特性是线变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数，但灵敏度较低。这一性的，灵敏度是常数，但灵敏度较低。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。寸等参量。12/20/2022223.变介电常数式变介电常数式 在电容器两极板间插入不同介质时，由在电容器两极板间插入不同介质时，由于各种介质的相对介电常数不同，所以电容于各种介质的相对介电常数不同，所以电容器的电容量也就不同。器的电容量也就不同。变介电常数式电容传感器可作为测量液变介电常数式电容传感器可作为测量液面高度的电容式液位计使用，还可用于测量面高度的电容式液位计使用，还可用于测量厚度、介值的湿度和温度等。厚度、介值的湿度和温度等。12/20/202223xh2r2R12类型类型1:电容式液位计电容式液位计被测液体的液面在电容式被测液体的液面在电容式传感器元件的两同心同柱型电传感器元件的两同心同柱型电极间变化时，引起极间不同介极间变化时，引起极间不同介电常数的高度发生变化，导致电常数的高度发生变化，导致电容的改变。电容的改变。1空气中介电常数；空气中介电常数；2液体介质介电常数；液体介质介电常数；h电极板总长度（电极板总长度（m）；）；r内电极板外径（内电极板外径（m）；）；R外电极板内径（外电极板内径（m）；）；x液面高度（液面高度（m）。）。当液面高度当液面高度X=0时，电容时，电容为：为：12/20/202224液面高度为液面高度为X时的电容为：时的电容为：可得：可得：电容式液位计具有线性输出特性。电容式液位计具有线性输出特性。灵敏度为：灵敏度为：12/20/202225 电容式液位计电容式液位计棒状电极（金属管）外面棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的棒状电极与导电液体之间的电容变大。电容变大。聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套12/20/202226表表 几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量？介质厚度、湿度等。非电量？介质厚度、湿度等。12/20/202227变介质电容位移传感器变介质电容位移传感器气隙气隙极板面积极板面积类型类型2：电容器的极板间插入某种介质：电容器的极板间插入某种介质(1)若插入介质的厚度若插入介质的厚度d 保持不变，相对介电常数保持不变，相对介电常数r 改变（如湿度变化），可做成湿度传感器；改变（如湿度变化），可做成湿度传感器；(2)若若r不变，可做成测厚传感器不变，可做成测厚传感器.(3)电容电容C与介质厚度与介质厚度d及介电常数及介电常数r均为非线性关均为非线性关系系.12/20/202228 4.4.容栅传感器容栅传感器测量大位移测量大位移 容容栅传栅传感器是基于感器是基于变变面面积积工作原理的新型工作原理的新型电电容容传传感器，它的感器，它的电电极排列如同极排列如同栅栅状状,分分为长为长容容栅栅和和圆圆容容栅栅两种。两种。长长容容栅传栅传感器用于直感器用于直线线位移的位移的测测量，量，圆圆容容栅栅传传感器用于角位移的感器用于角位移的测测量。量。容容栅传栅传感器由于多极感器由于多极电电容及平均效容及平均效应应，所以分辨，所以分辨力高、精度高、量程大，适用于大位移力高、精度高、量程大，适用于大位移测测量。量。12/20/202229容栅传感器工作原理容栅传感器工作原理一个极板由均匀排列电极的定栅组成，另一极板由一个极板由均匀排列电极的定栅组成，另一极板由一对相同尺寸的交错对插动栅对组成。运行时，两电极一对相同尺寸的交错对插动栅对组成。运行时，两电极栅片相对安装，其中暗区域是两电极栅的重叠面积，从栅片相对安装，其中暗区域是两电极栅的重叠面积，从而形成一对随位移反向变化的差动电容而形成一对随位移反向变化的差动电容C C1 1和和C C2 2。将电容。将电容极板刻成栅状提高了测量精度并实现了大位移测量。极板刻成栅状提高了测量精度并实现了大位移测量。定栅定栅动栅对动栅对12/20/202230 n n可动容栅的栅极数；可动容栅的栅极数；a a，b b栅极片长度和宽度栅极片长度和宽度 测量位移时，动栅与定栅相覆盖的宽度发生测量位移时，动栅与定栅相覆盖的宽度发生变化，其电容量随之变化。根据所测电容量的变化，其电容量随之变化。根据所测电容量的变化可知位移的变化量。变化可知位移的变化量。忽略电容边缘效应，长容栅最大电容忽略电容边缘效应，长容栅最大电容量为：量为：12/20/202231片状圆容栅片状圆容栅r r2 2,r,r1 1圆盘栅极片外半径和内半径圆盘栅极片外半径和内半径 每条栅极片对应的圆心角（每条栅极片对应的圆心角（radrad）12/20/202232柱状圆容栅柱状圆容栅12/20/202233各种容栅测量装置各种容栅测量装置12/20/202234各种容栅数显卡尺各种容栅数显卡尺12/20/2022355.5.电容式位移传感器的绝缘和屏蔽电容式位移传感器的绝缘和屏蔽电容传感器容量较小（电容传感器容量较小（pF），本身容抗很大，其），本身容抗很大，其绝缘电阻视为电容传感器的旁路电阻。若绝缘材料性绝缘电阻视为电容传感器的旁路电阻。若绝缘材料性能不佳，会使电容传感器产生零位漂移。要求其绝缘能不佳，会使电容传感器产生零位漂移。要求其绝缘材料具有高绝缘电阻、低膨胀系数，几何尺寸稳定和材料具有高绝缘电阻、低膨胀系数，几何尺寸稳定和低吸潮性。低吸潮性。使用时，电容传感器及其引线应采取屏蔽措施：使用时，电容传感器及其引线应采取屏蔽措施：置于金属壳内，接地应可靠。以消除寄生电容和外界置于金属壳内，接地应可靠。以消除寄生电容和外界静电场及交变磁场的干扰。静电场及交变磁场的干扰。12/20/202236思考题：思考题：1.1.有一变极距型电容传感器，两极板的重合面积为有一变极距型电容传感器，两极板的重合面积为8cm8cm2 2，两极板间的距离为，两极板间的距离为1mm1mm，已知空气的相对介电，已知空气的相对介电常数为常数为1.00061.0006，试计算该传感器的位移灵敏度。，试计算该传感器的位移灵敏度。2.2.一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r=4mmr=4mm，工作初始间隙，工作初始间隙=0.3mm=0.3mm，问：，问：(1(1）工作时，如果传）工作时，如果传感器的工作间隙变化量感器的工作间隙变化量=1 1 m m时，电容变化量时，电容变化量是多少？是多少？(2(2）如果测量电路的灵敏度）如果测量电路的灵敏度S S1 1=100mV/pF=100mV/pF，读数仪表的灵敏度读数仪表的灵敏度S S2 2=5=5格格/mV/mV，在，在=1 1 m m时，读时，读数仪表的指示值变化多少格？数仪表的指示值变化多少格？12/20/202237四、电感式位移传感器四、电感式位移传感器 电感式位移传感器基于电磁感应原理将被测物理电感式位移传感器基于电磁感应原理将被测物理量位移转换成自感量位移转换成自感L L或互感或互感M M的变化，并通过测量电的变化，并通过测量电感量的变化确定位移量。电感式位移传感器有自感感量的变化确定位移量。电感式位移传感器有自感式、互感式、涡流式和压磁式等。其输出功率大、式、互感式、涡流式和压磁式等。其输出功率大、灵敏度高、稳定性好，应用广泛。凡可转换成位移灵敏度高、稳定性好，应用广泛。凡可转换成位移的物理量的物理量如压力、振动等如压力、振动等均可测量均可测量。12/20/2022381.电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理原理N匝的线圈通以交变电流匝的线圈通以交变电流i时，产生磁通时，产生磁通m则自则自感感L(H)为为:L=Nm/i(绕了类似绕了类似R=U/I)根据磁路欧姆定律：根据磁路欧姆定律：m=Ni/Rm式中，式中，R磁阻（磁阻（H-1）。）。则：则：L=Nm/i=N2/Rm磁阻包括铁心、衔铁和气隙中的磁阻。磁阻包括铁心、衔铁和气隙中的磁阻。12/20/202239当传感器结构材料确定后，当传感器结构材料确定后，自感自感L是气隙厚度和气隙导是气隙厚度和气隙导磁截面积的函数。磁截面积的函数。12/20/202240螺管式电感传感器是在线圈中插入圆柱形螺管式电感传感器是在线圈中插入圆柱形衔铁衔铁，当衔铁上下移动时，当衔铁上下移动时，磁路磁阻随着衔磁路磁阻随着衔铁插入深度的不同而变化铁插入深度的不同而变化，自感量相应发生自感量相应发生变化。变化。变气隙型传感器变气隙型传感器变截面型传感器变截面型传感器 2.自感传感器的基本类型自感传感器的基本类型12/20/202241自感式电感传感器常见的形式自感式电感传感器常见的形式 变隙式变隙式变截面式变截面式螺线管式螺线管式 12/20/202242(1)(1)变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器 气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻L L与与与与 之间是非线性关系。之间是非线性关系。之间是非线性关系。之间是非线性关系。磁路总的磁阻为磁路总的磁阻为线圈的电感为线圈的电感为12/20/202243变隙式电感传感器变隙式电感传感器L-特性特性：与：与电容容传感器感器类似。似。为了提高其灵敏度，增大线性工作范围，减小非线性为了提高其灵敏度，增大线性工作范围，减小非线性误差，采用差动电感式位移传感器。误差，采用差动电感式位移传感器。12/20/202244差动电感传感器的特点差动电感传感器的特点 在在变变隙式差隙式差动电动电感感传传感器中，当感器中，当衔铁衔铁随被随被测测量移量移动动而偏离中而偏离中间间位位置置时时，两个，两个线线圈的圈的电电感感量一个增加，一个减小，量一个增加，一个减小，形成差形成差动动形式。形式。1-1-差动线圈差动线圈 2-2-铁心铁心 3-3-衔铁衔铁 4-4-测杆测杆 5-5-工件工件12/20/202245差动电感传感器的特点差动电感传感器的特点 曲线曲线1、2为为L1、L2的特性，的特性，3为差动特性为差动特性差动式电感传感器结构对称，对外界影响，如温度的变化、差动式电感传感器结构对称，对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。也较小，从而减小了测量误差。从曲线图可以看出，差动从曲线图可以看出，差动式电感传感器的线性较好，且输式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。式电感传感器的两倍。12/20/2022463.3.改善性能考虑的因素改善性能考虑的因素 (1)(1)损耗问题损耗问题:自感线圈不是一个纯电感，自感线圈不是一个纯电感，除了电感量除了电感量L之外，还存在线圈的铜耗、铁之外，还存在线圈的铜耗、铁心的涡流及磁滞损耗。心的涡流及磁滞损耗。（2 2）气隙边缘效应问题：使输出特性有所）气隙边缘效应问题：使输出特性有所变化，需修正。变化，需修正。（3 3）温度误差：需加以补偿。）温度误差：需加以补偿。（4 4）差动式电感位移传感器的零点剩余电）差动式电感位移传感器的零点剩余电压问题：使用时后续电路上需采取补偿措施。压问题：使用时后续电路上需采取补偿措施。12/20/2022472.2.互感式位移传感器互感式位移传感器差动变压器式差动变压器式 单相变压器有一个一次线圈（初级线圈），有若单相变压器有一个一次线圈（初级线圈），有若干个二次线圈（次级线圈）。互感式位移干个二次线圈（次级线圈）。互感式位移传感器传感器把被把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量M M的变的变化的装置。当一次线圈加上交流激磁电压化的装置。当一次线圈加上交流激磁电压Ui后，将在二后，将在二次线圈中产生与互感次线圈中产生与互感M M成正比的感应电动势成正比的感应电动势，当线圈间，当线圈间的互感量的互感量M变化时，感应电动势也相应变化。由于两个变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈采用二次线圈采用差动接法差动接法，故称为差动变压器。目前应，故称为差动变压器。目前应用最广泛的结构型式是用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。螺线管式差动变压器。12/20/202248差动变压器式传感器的等效电路差动变压器式传感器的等效电路 结构特点：结构特点：两个二次线圈反向串两个二次线圈反向串联，组成差动输出形联，组成差动输出形式。式。差动变压器的结构原理如图。在线框上绕有一组一次线圈；差动变压器的结构原理如图。在线框上绕有一组一次线圈；在同一线框的上端和下端再绕制两组完全对称的二次线圈，它在同一线框的上端和下端再绕制两组完全对称的二次线圈，它们反向串联，组成差动输出形式。图中标有黑点的一端称为同们反向串联，组成差动输出形式。图中标有黑点的一端称为同名端，即线圈的名端，即线圈的“头头”。12/20/202249差动变压器式传感器的工作原理差动变压器式传感器的工作原理 当铁心处于中间对称位置时，当铁心处于中间对称位置时，M M1 1=M=M2 2=M=M，互感电动，互感电动势势E E1 1=E=E2 2=-=-Mdi/dtMdi/dt，故输出电压，故输出电压E E0 0=E=E1 1-E-E2 2=0=0，此为铁心的，此为铁心的原始平衡位置，即零位。若铁心上移，则原始平衡位置，即零位。若铁心上移，则M1 1M2 2，互，互感电动势感电动势E1 1E2 2，故输出电压，故输出电压E0 0与与E1 1同相位，大小与铁同相位，大小与铁心位移成线性关系；若铁心下移，则相反。心位移成线性关系；若铁心下移，则相反。铁心偏离零位上、下移动的距离和方向的信息，反铁心偏离零位上、下移动的距离和方向的信息，反映在二次侧线圈输出电动势映在二次侧线圈输出电动势E E0 0的幅值和相位之中。将其的幅值和相位之中。将其进行放大和相敏检波，即可得到被测位移进行放大和相敏检波，即可得到被测位移x的变化。的变化。12/20/202250当二次侧线圈不对称、一次线圈铜损电阻的存在、当二次侧线圈不对称、一次线圈铜损电阻的存在、铁磁材质不均匀、线圈间有分布电容等均会造成铁心铁磁材质不均匀、线圈间有分布电容等均会造成铁心处于零位时，其输出不为零，即存在零点残余电压，处于零位时，其输出不为零，即存在零点残余电压，造成测量误差。应进行零点调整。造成测量误差。应进行零点调整。差压变送器式电感位移传感器的测量精度高，分辨差压变送器式电感位移传感器的测量精度高，分辨力可达力可达0.1m，线性范围大，能达，线性范围大，能达250mm，稳定性好，稳定性好，使用方便，可用于直线位移、角位移及能转换成位移使用方便，可用于直线位移、角位移及能转换成位移的压力、重量、膨胀等机械量的测量。的压力、重量、膨胀等机械量的测量。12/20/2022513.3.涡流式位移传感器涡流式位移传感器涡流式位移传感器利用电涡流效应将被测涡流式位移传感器利用电涡流效应将被测量变换成传感器线圈阻抗量变换成传感器线圈阻抗Z变化进行测量。变化进行测量。块状金属置于变化的磁场中或在磁场中运块状金属置于变化的磁场中或在磁场中运动时，金属体内产生感应电流，此电流的流动时，金属体内产生感应电流，此电流的流线在金属体内自行闭合，称为涡流。这种现线在金属体内自行闭合，称为涡流。这种现象称为电涡流效应。象称为电涡流效应。12/20/202252电涡流效应演示电涡流效应演示(高频反射式高频反射式)在靠近金属板的电感线圈在靠近金属板的电感线圈L1中中接入高频电源时接入高频电源时，将产生高频，将产生高频磁场磁场H1。如金属板置于该交变。如金属板置于该交变磁场范围内时，金属板内就产磁场范围内时，金属板内就产生电涡流生电涡流i2。i2会产生一个与会产生一个与H1方向相反的方向相反的新磁场新磁场H H2，因而抵消，因而抵消部分原磁场，从而导致线圈的部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生电感量、阻抗和品质因数发生改变。改变。涡流的大小与金属体的电阻率涡流的大小与金属体的电阻率、磁导率、磁导率、厚度、厚度t及线圈与金及线圈与金属体的距离属体的距离x、线圈的激励电流、线圈的激励电流i、角频率、角频率有关。有关。12/20/202253涡流位移传感器在金属体上产生的电涡流，其渗透涡流位移传感器在金属体上产生的电涡流，其渗透深度的并不是均匀分布的，与传感器线圈的激励电深度的并不是均匀分布的，与传感器线圈的激励电流的频率有关，流的频率有关，频率频率f f越高越高，电涡流，电涡流渗透的深度就越渗透的深度就越浅浅。据此，涡流位移传感器主要分为。据此，涡流位移传感器主要分为高频反射和低高频反射和低频透射频透射两类，高频反射式应用较为广泛。两类，高频反射式应用较为广泛。12/20/202254（1）高频反射型涡流传感器）高频反射型涡流传感器 检测深度与激励源频率有何关系？检测深度与激励源频率有何关系？电电涡涡流流线线圈圈受受电电涡涡流流影影响响时时的的等等效效阻阻抗抗Z的的函数表达式为：函数表达式为：Z=R+jL=f（i1、f、t、x）如如果果控控制制上上式式中中的的i1、f、t不不变变，电电涡涡流流线线圈圈的的阻阻抗抗Z就就成成为为哪哪个个非非电电量量的的单单值值函函数数？属于接触式测量还是非接触式测量？属于接触式测量还是非接触式测量？12/20/202255（2 2）高频反射型涡流传感器结构及特性）高频反射型涡流传感器结构及特性电涡流探头电涡流探头外形外形交变磁场交变磁场12/20/202256电涡流探头电涡流探头内部结构内部结构1电涡流线圈电涡流线圈2探头壳体探头壳体3壳体上的位置调节螺纹壳体上的位置调节螺纹4印制线路板印制线路板5夹持螺母夹持螺母6电源指示灯电源指示灯7阈值指示灯阈值指示灯8输出屏蔽电缆线输出屏蔽电缆线9电缆插头电缆插头12/20/202257CZF-1系列传感器的性能系列传感器的性能 分析上表请得出结论：分析上表请得出结论：探头的直径与测量范围及分辨力之间探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？有何关系？12/20/202258（3）基本转换电路）基本转换电路a.交流电桥交流电桥桥路输出电压幅值随传感器线圈阻抗变化而变化。桥路输出电压幅值随传感器线圈阻抗变化而变化。b.谐振测幅电路谐振测幅电路传感器等效电感传感器等效电感L和固定电容组成谐振电路，谐振和固定电容组成谐振电路，谐振频率频率源源极极跟跟踪踪器器交交流流放放大大器器检检波波滤滤波波器器xVDC振荡器振荡器RC0L12/20/202259石英晶体石英晶体振荡器向振荡器向L和和C0组成的并联谐振回路提供组成的并联谐振回路提供频率及振幅稳定的高频激励信号，它相当于一个恒流频率及振幅稳定的高频激励信号，它相当于一个恒流源。当无金属导体时源。当无金属导体时(金属导体远离电涡流探头金属导体远离电涡流探头)，谐，谐振频率为回路的固有频率，这时谐振回路的阻抗最大，振频率为回路的固有频率，这时谐振回路的阻抗最大，输出电压最大。当被测金属导体靠近电涡流探头时，输出电压最大。当被测金属导体靠近电涡流探头时，由于电涡流效应使传感器线圈的电感也随之发生变化，由于电涡流效应使传感器线圈的电感也随之发生变化，从而使谐振回路工作在失谐状态，金属导体与电涡流从而使谐振回路工作在失谐状态，金属导体与电涡流探头的距离探头的距离x越小，回路输出的电压也越小。谐振回路越小，回路输出的电压也越小。谐振回路输出的信号经检波、滤波放大后送给后续电路，可直输出的信号经检波、滤波放大后送给后续电路，可直接显示出被测物体的位移量。接显示出被测物体的位移量。工作原理：工作原理：12/20/202260低频透射式涡流传感器的工作原低频透射式涡流传感器的工作原理如右图所示，发射线圈理如右图所示，发射线圈1和接收线和接收线圈圈2分别置于被测金属板材料分别置于被测金属板材料G的上、的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频透深，当低频(音频范围音频范围)电压电压e1加到线加到线圈圈1的两端后，所产生磁力线的一部的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料分透过金属板材料G,使线圈使线圈2产生感产生感应电动势应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势能量，使感应电动势e2减少，当金属板减少，当金属板材料材料G越厚时，损耗的能量越大，输出越厚时，损耗的能量越大，输出电动势电动势e2越小。因此，越小。因此，e2的大小与的大小与G的的厚度及材料的性质有关，试验表明，厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度随材料厚度h的增加按负指数规律减少的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用质一定，则利用e2的变化即可测量其厚的变化即可测量其厚度。度。12/20/202261（2）低频透射型涡流传感器）低频透射型涡流传感器 发发射射线线圈圈和和接接收收线线圈圈分分别别置置于于被被测测物物体体的的上上、下下方方，发发射射线线圈圈加加音音频频电电压压时时，线线圈圈中中产产生生同同频频电电流流，并并在在周周围围空空间间产产生生交交变变磁磁场场。这这一一磁磁场场穿穿透透金金属属片片后后作作用用于于接接收收线线圈圈，并并感感应应出出输输出出电电压压。当当磁磁场场穿穿过过金金属属片片时时，金金属属片片中中产产生生涡涡流流，消消耗耗部部分分磁磁场场能能量量，金金属属片片越越厚厚，涡涡流流损耗越大，输出电压越低。损耗越大，输出电压越低。输输出出电电压压的的大大小小间间接接反反映映了了金金属属片片的厚度。的厚度。12/20/2022623.涡流式传感器的特点涡流式传感器的特点 结结构构简简单单、易易于于非非接接触触测测量量，灵灵敏敏度度高高，应应用用广广泛泛，可可测测位位移移、厚厚度度、振振动动、转转速速、硬硬度度等等参参数数，还还可进行无损探伤。可进行无损探伤。第二节第二节发电型（压电）位移传感器发电型（压电）位移传感器发发电电型型位位移移传传感感器器是是将将被被测测物物理理量量转转换换为为电电源源性性参参量量,如如电电动动势势、电电压压等等，是是一一种种能能量量转转换换型型传传感感器器.自学自学P2512/20/202263 1.1.在测量线位移的传感器中，结构简单、灵敏度高、在测量线位移的传感器中，结构简单、灵敏度高、不受油污等介质影响，并能进行非接触测量的是不受油污等介质影响，并能进行非接触测量的是(）A.A.电容式传感器电容式传感器 B.B.电阻式传感器电阻式传感器 C.C.压电式传感压电式传感器器 D.D.电涡流式传感器电涡流式传感器 2.2.什么是差动变压器式位移传感器的零点残余电压什么是差动变压器式位移传感器的零点残余电压?零点残余电压的存在对传感器的工作性能有何影响零点残余电压的存在对传感器的工作性能有何影响?（当铁芯处于零位或中间位置时的输出的电压；造成测（当铁芯处于零位或中间位置时的输出的电压；造成测量误差。）量误差。）3 3测量范围大的电容式位移传感器的类型为测量范围大的电容式位移传感器的类型为()()A.A.变极板面积型变极板面积型 B.B.变极距型变极距型 C.C.变介质型变介质型D.D.容栅型容栅型12/20/202264