第二章 位移檢測傳感器

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1、第二章第二章位移檢測傳感器位移檢測傳感器 通過本章的學習，了解常用位移檢測傳感通過本章的學習，了解常用位移檢測傳感器的類型，每類傳感器的結構、工作原理、器的類型，每類傳感器的結構、工作原理、靜動態(tài)特性、測量范圍、使用條件及后接測靜動態(tài)特性、測量范圍、使用條件及后接測試裝置。試裝置。重點掌握：參量型位移傳感器和光柵型位移重點掌握：參量型位移傳感器和光柵型位移傳感器。傳感器。2/7/20241 位移分為線位移和角位移兩種，測量位移的位移分為線位移和角位移兩種，測量位移的常用方法有機械法、光測法和電測法。常用方法有機械法、光測法和電測法。電測法是利用各種傳感器將位移量轉換成電電測法是利用各種傳感器將

2、位移量轉換成電量或電參數(shù)，再經(jīng)后接測量儀器進一步變換完量或電參數(shù)，再經(jīng)后接測量儀器進一步變換完成對位移檢測的一種方法。位移測試系統(tǒng)由傳成對位移檢測的一種方法。位移測試系統(tǒng)由傳感器、變換電器、顯示裝置或記錄儀器三部分感器、變換電器、顯示裝置或記錄儀器三部分組成。常用位移傳感器有電阻式、電容式、渦組成。常用位移傳感器有電阻式、電容式、渦流式、壓電式、感應同步式、磁柵式、光電式流式、壓電式、感應同步式、磁柵式、光電式等。等。2/7/20242第一節(jié)第一節(jié) 參量型位移傳感器參量型位移傳感器 工作原理：將被測物理量轉換成電參數(shù)，即工作原理：將被測物理量轉換成電參數(shù)，即電阻、電容或電感。電阻、電容或電感。

3、一、電阻式位移傳感器一、電阻式位移傳感器電阻式位移傳感器的電阻值取決于材料的幾何尺寸和電阻式位移傳感器的電阻值取決于材料的幾何尺寸和物理特性，即：物理特性，即：式中式中導體電阻率（導體電阻率（m）；）；L導體長度（導體長度（m）S導體橫截面積（導體橫截面積（m2）。）。改變其中任一參數(shù)均可使電阻值發(fā)生變化。電位計改變其中任一參數(shù)均可使電阻值發(fā)生變化。電位計和應變片就是根據(jù)這一原理制成的。和應變片就是根據(jù)這一原理制成的。2/7/20243電位計通常由截面相等的骨架、繞于骨架電位計通常由截面相等的骨架、繞于骨架上的電阻絲線圈（電阻元件）和沿電位器移動上的電阻絲線圈（電阻元件）和沿電位器移動的電刷等

4、部分組成。電刷相對電阻元件可作直的電刷等部分組成。電刷相對電阻元件可作直線運動、轉動或螺旋運動，將直線位移、角位線運動、轉動或螺旋運動，將直線位移、角位移成比例地轉換成電阻量的變化（線性），非移成比例地轉換成電阻量的變化（線性），非線性電位計可將線位移和轉角變換成與之成某線性電位計可將線位移和轉角變換成與之成某種函數(shù)關系的電阻或電壓輸出。種函數(shù)關系的電阻或電壓輸出。電位計的電阻有線繞電阻、薄膜電阻、導電電位計的電阻有線繞電阻、薄膜電阻、導電塑料（有機實芯）電阻等。塑料（有機實芯）電阻等。2/7/202441.線性電位計的空載特性線性電位計的空載特性線性電位計單位長度線性電位計單位長度(或轉角或

5、轉角)的電阻值為常數(shù)。的電阻值為常數(shù)。如圖，有：如圖，有：R/L=RX/X則：則：KR電位計的電阻靈敏度（電位計的電阻靈敏度（/m）電位計的空載電壓為：電位計的空載電壓為：Ku電位計的電壓靈敏度（電位計的電壓靈敏度（V/m）電位計結構及電源電壓一定時電位計結構及電源電壓一定時,KR和和Ku為常數(shù)為常數(shù).2/7/20245 實際線繞電位計的電刷移動時，每移動一匝線圈實際線繞電位計的電刷移動時，每移動一匝線圈使其阻值和輸出電壓產(chǎn)生一次跳躍，其輸出空載特性使其阻值和輸出電壓產(chǎn)生一次跳躍，其輸出空載特性不是直線，而呈階梯狀，稱為階梯特性。不是直線，而呈階梯狀，稱為階梯特性。線繞電位計的階梯特性限制了其

6、精度和分辨力。線繞電位計的階梯特性限制了其精度和分辨力。階梯誤差由線繞電位計的匝數(shù)決定階梯誤差由線繞電位計的匝數(shù)決定,線徑越小線徑越小,同樣長同樣長度的骨架所繞的線圈匝數(shù)越多，階梯誤差越小度的骨架所繞的線圈匝數(shù)越多，階梯誤差越小,分辨分辨力越高。力越高。對角位移式電位器來說，對角位移式電位器來說，Uo與電刷的旋轉與電刷的旋轉角度成正比：角度成正比：2/7/20246 2.2.非線性電位計空載特性非線性電位計空載特性 非線性電位計其輸出電壓（或電阻）與電刷非線性電位計其輸出電壓（或電阻）與電刷位移之間具有非線性函數(shù)關系，其空載特性為位移之間具有非線性函數(shù)關系，其空載特性為一條曲線，其電阻靈敏度一

7、條曲線，其電阻靈敏度KR=dR/dX，電壓靈，電壓靈敏度敏度KU=dU0/dX均為變量，其值與電刷位移均為變量，其值與電刷位移X有關有關。最大階梯誤差發(fā)生在特性曲線斜率最高。最大階梯誤差發(fā)生在特性曲線斜率最高處。處。非線性電位計的結構形式有變骨架式、變節(jié)非線性電位計的結構形式有變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式和電位給定式等。距式、分路電阻式和電位給定式等。2/7/20247 考題分析：考題分析：1.1.電位計式位移傳感器，其后接測量儀器的輸入電電位計式位移傳感器，其后接測量儀器的輸入電阻對傳感器的輸出特性有何影響？如何減小這個影響阻對傳感器的輸出特性有何影響？如何減小這個影響？（并聯(lián)分流，產(chǎn)生測

8、量誤差，應使？（并聯(lián)分流，產(chǎn)生測量誤差，應使R R輸入輸入R R傳傳）2.2.設一圓型截面繞線式位移傳感器的線圈半徑為設一圓型截面繞線式位移傳感器的線圈半徑為5mm5mm，共繞制了，共繞制了100100圈，線圈總電阻為圈，線圈總電阻為1K1K，則傳感器的靈敏，則傳感器的靈敏度為多大？（度為多大？（1/mm1/mm）3.3.繞線式線性電位計式位移傳感器每厘米繞制繞線式線性電位計式位移傳感器每厘米繞制200200圈，圈，所以分辨力為所以分辨力為 0.05 0.05 毫米。毫米。2/7/20248 4.4.圖示為某電位計式位移傳感器的檢測電路。圖示為某電位計式位移傳感器的檢測電路。E=10VE=10

9、V，R R0 0=10K=10K，ABAB為線性電位計，總長度為為線性電位計，總長度為150mm150mm，總電阻為總電阻為30K30K，C C點為電刷位置。點為電刷位置。（1 1）計算輸出電壓）計算輸出電壓U U0 0=0V=0V時的位移時的位移X X；(100mm)(100mm)（2 2）當位移）當位移X X的變化范圍為的變化范圍為1010140mm140mm時，計算輸時，計算輸出電壓出電壓U U0 0的范圍。的范圍。(-6V(-6V2.67V)2.67V)E RE R0 0 2R2R0 0A AC CB BU U0 0 x x2/7/20249 二、電阻應變式位移傳感器二、電阻應變式位移

10、傳感器 工作原理：將被測位移引起的應變元件產(chǎn)工作原理：將被測位移引起的應變元件產(chǎn)生的應變，經(jīng)后續(xù)電路變換成電信號輸出，從生的應變，經(jīng)后續(xù)電路變換成電信號輸出，從而測出被測位移。而測出被測位移。電阻應變式位移傳感器基本結構見教材電阻應變式位移傳感器基本結構見教材P15P15圖圖2-42-4。第四章詳細介紹。第四章詳細介紹。2/7/202410三、電容式位移傳感器三、電容式位移傳感器 平行板的間距平行板的間距d d 遠小于平行板的遠小于平行板的 尺寸時，邊緣效忽略。尺寸時，邊緣效忽略。平行板平行板電容器的電容器的容量容量：式中：式中：極板間介質的介極板間介質的介電常電常數(shù)（數(shù)（F/mF/m），），

11、r r為介質的為介質的相對介電常數(shù)，相對介電常數(shù)，0 0=8.85=8.851010-12-12（F/mF/m），），真空介真空介電常數(shù)；電常數(shù)；S S 極板面積（極板面積（m m2 2）；）；極板間距（極板間距（m m）。）。固定三個參量中的任意兩個，可以做成固定三個參量中的任意兩個，可以做成變極距式、變極距式、變面積式和變介電常數(shù)式變面積式和變介電常數(shù)式電容位移傳感器。電容位移傳感器。+-S平行板電容器平行板電容器電力線2/7/202411分類示意圖分類示意圖c)c)介質變化型介質變化型b)b)面積變化型面積變化型:角位移型角位移型,平面線位移型平面線位移型,柱面線位移型柱面線位移型.+a

12、)a)極距變化型極距變化型;+2/7/202412 1.1.變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器 當動極板受被測物體作用引起位移時，當動極板受被測物體作用引起位移時，改變了兩極板之間的距離改變了兩極板之間的距離，從而使電容量，從而使電容量發(fā)生變化。發(fā)生變化。變極距式電容位移傳感器具有較高的靈敏變極距式電容位移傳感器具有較高的靈敏度，但電容變化與極距變化之間為非線性關度，但電容變化與極距變化之間為非線性關系。系。2/7/202413變極距式電容傳感器的特性曲線變極距式電容傳感器的特性曲線 從圖中可以看到，當變極距式電容傳感器的初始從圖中可以看到，當變極距式電容傳感器的初始極距極距0 0較小時，它

13、的測量范圍變大還是變??？為了提較小時，它的測量范圍變大還是變??？為了提高靈敏度，應使當高靈敏度，應使當0 0小些還是大些？小些還是大些？a）結構示意圖結構示意圖b）電容量與極板距離的關系電容量與極板距離的關系1定極板定極板2動極板動極板212/7/202414設極板間的初始距離為設極板間的初始距離為0 0時，電容時，電容量為量為C C0 0：當極板間的距離減小當極板間的距離減小時，電容時，電容量為量為C C：電容的增量為：電容的增量為：2/7/202415當當/0 0 1 1時，時，在小位移時，電容位移傳感器的在小位移時，電容位移傳感器的靈敏度為：靈敏度為：變極距式電容位移傳感器只適用變極距式

14、電容位移傳感器只適用于小位移的測量。于小位移的測量。2/7/202416 為提高靈敏度，改善線性度，可采用為提高靈敏度，改善線性度，可采用差動電容傳感器。當動極板處于平衡位差動電容傳感器。當動極板處于平衡位置時，置時，d d1 1=d=d2 2=d=do o，則，則C C1 1=C=C2 2=C=Co o，C=CC=C1 1-C C2 2=0=0；當動極板右移；當動極板右移d d時，時，d d1 1=d=do o-d,-d,d d2 2=d do o+d+d，電容總的相對變化為，電容總的相對變化為采用差動傳感器，靈敏度提采用差動傳感器，靈敏度提高了一倍，非線性誤差大大高了一倍，非線性誤差大大減

15、小。減小。2/7/2024172.變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器 圖圖a是平板形直線位移式結構，極板是平板形直線位移式結構，極板1為為動極板，動極板，可左右移動；極板可左右移動；極板2為定極板，為定極板，固固定不動。當位移定不動。當位移x=0 x=0時，兩極板完全重合，時，兩極板完全重合，此時電容量為：此時電容量為：當動極板移動當動極板移動x后，電容為：后，電容為：靈敏度為：靈敏度為：2/7/202418 外圓筒不動，外圓筒不動，內(nèi)圓筒在外圓內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下筒內(nèi)作上、下直線運動。直線運動。2.變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器平板結構對極距變化特別敏感，測量精度平板結構對極距變

16、化特別敏感，測量精度受到影響。而圓柱形結構受極板徑向變化的影受到影響。而圓柱形結構受極板徑向變化的影響很小，成為實際中最常用的結構。響很小，成為實際中最常用的結構。單組式單組式差動式差動式2/7/202419 圖圖b b是同心圓筒形位移傳感器。外是同心圓筒形位移傳感器。外圓筒不動，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、圓筒不動，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運動。當位移下直線運動。當位移x=0 x=0時，電容量時，電容量為：為：2.變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器當動極板移動當動極板移動x x時，電容量為：時，電容量為：則：則：靈敏度為：靈敏度為：2/7/2024202.變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器

17、 圖圖c c是角位移式的結構。極板是角位移式的結構。極板2 2的軸由的軸由被測物體帶動旋轉被測物體帶動旋轉 角度時，兩極板的角度時，兩極板的遮蓋面積減小，電容量減小。當遮蓋面積減小，電容量減小。當=0=0時，時，電容量為電容量為 當動極板移動當動極板移動后，其電容為：后，其電容為：靈敏度為：靈敏度為：2/7/202421變面積式電容傳感器的特性變面積式電容傳感器的特性變面積式電容傳感器的輸出特性是線變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數(shù)，但靈敏度較低。這一性的，靈敏度是常數(shù)，但靈敏度較低。這一類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺類傳感器多用于檢測直線位移、角位移、尺寸等參量。寸等

18、參量。2/7/2024223.變介電常數(shù)式變介電常數(shù)式 在電容器兩極板間插入不同介質時，由在電容器兩極板間插入不同介質時，由于各種介質的相對介電常數(shù)不同，所以電容于各種介質的相對介電常數(shù)不同，所以電容器的電容量也就不同。器的電容量也就不同。變介電常數(shù)式電容傳感器可作為測量液變介電常數(shù)式電容傳感器可作為測量液面高度的電容式液位計使用，還可用于測量面高度的電容式液位計使用，還可用于測量厚度、介值的濕度和溫度等。厚度、介值的濕度和溫度等。2/7/202423xh2r2R12類型類型1:電容式液位計電容式液位計被測液體的液面在電容式被測液體的液面在電容式傳感器元件的兩同心同柱型電傳感器元件的兩同心同柱

19、型電極間變化時，引起極間不同介極間變化時，引起極間不同介電常數(shù)的高度發(fā)生變化，導致電常數(shù)的高度發(fā)生變化，導致電容的改變。電容的改變。1空氣中介電常數(shù)；空氣中介電常數(shù)；2液體介質介電常數(shù)；液體介質介電常數(shù)；h電極板總長度（電極板總長度（m）；）；r內(nèi)電極板外徑（內(nèi)電極板外徑（m）；）；R外電極板內(nèi)徑（外電極板內(nèi)徑（m）；）；x液面高度（液面高度（m）。）。當液面高度當液面高度X=0時，電容時，電容為：為：2/7/202424液面高度為液面高度為X時的電容為：時的電容為：可得：可得：電容式液位計具有線性輸出特性。電容式液位計具有線性輸出特性。靈敏度為：靈敏度為：2/7/202425 電容式液位計電

20、容式液位計棒狀電極（金屬管）外面棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當被包裹聚四氟乙烯套管，當被測液體的液面上升時，引起測液體的液面上升時，引起棒狀電極與導電液體之間的棒狀電極與導電液體之間的電容變大。電容變大。聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套2/7/202426表表 幾種介質的相對介電常數(shù)幾種介質的相對介電常數(shù)在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時，在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時，哪一種情況下的電容量大？可以用于測量什么哪一種情況下的電容量大？可以用于測量什么非電量？介質厚度、濕度等。非電量？介質厚度、濕度等。2/7/202427變介質電容位移傳感器變介質電容位移傳感器氣隙氣隙極板

21、面積極板面積類型類型2：電容器的極板間插入某種介質：電容器的極板間插入某種介質(1)若插入介質的厚度若插入介質的厚度d 保持不變，相對介電常數(shù)保持不變，相對介電常數(shù)r 改變（如濕度變化），可做成濕度傳感器；改變（如濕度變化），可做成濕度傳感器；(2)若若r不變，可做成測厚傳感器不變，可做成測厚傳感器.(3)電容電容C與介質厚度與介質厚度d及介電常數(shù)及介電常數(shù)r均為非線性關均為非線性關系系.2/7/202428 4.4.容柵傳感器容柵傳感器測量大位移測量大位移 容容柵傳柵傳感器是基于感器是基于變變面面積積工作原理的新型工作原理的新型電電容容傳傳感器，它的感器，它的電電極排列如同極排列如同柵柵狀狀

22、,分分為長為長容容柵柵和和圓圓容容柵柵兩種。兩種。長長容容柵傳柵傳感器用于直感器用于直線線位移的位移的測測量，量，圓圓容容柵柵傳傳感器用于角位移的感器用于角位移的測測量。量。容容柵傳柵傳感器由于多極感器由于多極電電容及平均效容及平均效應應，所以分辨，所以分辨力高、精度高、量程大，適用于大位移力高、精度高、量程大，適用于大位移測測量。量。2/7/202429容柵傳感器工作原理容柵傳感器工作原理一個極板由均勻排列電極的定柵組成，另一極板由一個極板由均勻排列電極的定柵組成，另一極板由一對相同尺寸的交錯對插動柵對組成。運行時，兩電極一對相同尺寸的交錯對插動柵對組成。運行時，兩電極柵片相對安裝，其中暗區(qū)

23、域是兩電極柵的重疊面積，從柵片相對安裝，其中暗區(qū)域是兩電極柵的重疊面積，從而形成一對隨位移反向變化的差動電容而形成一對隨位移反向變化的差動電容C C1 1和和C C2 2。將電容。將電容極板刻成柵狀提高了測量精度并實現(xiàn)了大位移測量。極板刻成柵狀提高了測量精度并實現(xiàn)了大位移測量。定柵定柵動柵對動柵對2/7/202430 n n可動容柵的柵極數(shù)；可動容柵的柵極數(shù)；a a，b b柵極片長度和寬度柵極片長度和寬度 測量位移時，動柵與定柵相覆蓋的寬度發(fā)生測量位移時，動柵與定柵相覆蓋的寬度發(fā)生變化，其電容量隨之變化。根據(jù)所測電容量的變化，其電容量隨之變化。根據(jù)所測電容量的變化可知位移的變化量。變化可知位移

24、的變化量。忽略電容邊緣效應，長容柵最大電容忽略電容邊緣效應，長容柵最大電容量為：量為：2/7/202431片狀圓容柵片狀圓容柵r r2 2,r,r1 1圓盤柵極片外半徑和內(nèi)半徑圓盤柵極片外半徑和內(nèi)半徑 每條柵極片對應的圓心角（每條柵極片對應的圓心角（radrad）2/7/202432柱狀圓容柵柱狀圓容柵2/7/202433各種容柵測量裝置各種容柵測量裝置2/7/202434各種容柵數(shù)顯卡尺各種容柵數(shù)顯卡尺2/7/2024355.5.電容式位移傳感器的絕緣和屏蔽電容式位移傳感器的絕緣和屏蔽電容傳感器容量較小（電容傳感器容量較?。╬F），本身容抗很大，其），本身容抗很大，其絕緣電阻視為電容傳感器的

25、旁路電阻。若絕緣材料性絕緣電阻視為電容傳感器的旁路電阻。若絕緣材料性能不佳，會使電容傳感器產(chǎn)生零位漂移。要求其絕緣能不佳，會使電容傳感器產(chǎn)生零位漂移。要求其絕緣材料具有高絕緣電阻、低膨脹系數(shù)，幾何尺寸穩(wěn)定和材料具有高絕緣電阻、低膨脹系數(shù)，幾何尺寸穩(wěn)定和低吸潮性。低吸潮性。使用時，電容傳感器及其引線應采取屏蔽措施：使用時，電容傳感器及其引線應采取屏蔽措施：置于金屬殼內(nèi)，接地應可靠。以消除寄生電容和外界置于金屬殼內(nèi)，接地應可靠。以消除寄生電容和外界靜電場及交變磁場的干擾。靜電場及交變磁場的干擾。2/7/202436思考題：思考題：1.1.有一變極距型電容傳感器，兩極板的重合面積為有一變極距型電容傳

26、感器，兩極板的重合面積為8cm8cm2 2，兩極板間的距離為，兩極板間的距離為1mm1mm，已知空氣的相對介電，已知空氣的相對介電常數(shù)為常數(shù)為1.00061.0006，試計算該傳感器的位移靈敏度。，試計算該傳感器的位移靈敏度。2.2.一電容測微儀，其傳感器的圓形極板半徑一電容測微儀，其傳感器的圓形極板半徑r=4mmr=4mm，工作初始間隙，工作初始間隙=0.3mm=0.3mm，問：，問：(1(1）工作時，如果傳）工作時，如果傳感器的工作間隙變化量感器的工作間隙變化量=1 1 m m時，電容變化量時，電容變化量是多少？是多少？(2(2）如果測量電路的靈敏度）如果測量電路的靈敏度S S1 1=10

27、0mV/pF=100mV/pF，讀數(shù)儀表的靈敏度讀數(shù)儀表的靈敏度S S2 2=5=5格格/mV/mV，在，在=1 1 m m時，讀時，讀數(shù)儀表的指示值變化多少格？數(shù)儀表的指示值變化多少格？2/7/202437四、電感式位移傳感器四、電感式位移傳感器 電感式位移傳感器基于電磁感應原理將被測物理電感式位移傳感器基于電磁感應原理將被測物理量位移轉換成自感量位移轉換成自感L L或互感或互感M M的變化，并通過測量電的變化，并通過測量電感量的變化確定位移量。電感式位移傳感器有自感感量的變化確定位移量。電感式位移傳感器有自感式、互感式、渦流式和壓磁式等。其輸出功率大、式、互感式、渦流式和壓磁式等。其輸出功

28、率大、靈敏度高、穩(wěn)定性好，應用廣泛。凡可轉換成位移靈敏度高、穩(wěn)定性好，應用廣泛。凡可轉換成位移的物理量的物理量如壓力、振動等如壓力、振動等均可測量均可測量。2/7/2024381.電感傳感器的基本工作電感傳感器的基本工作原理原理N匝的線圈通以交變電流匝的線圈通以交變電流i時，產(chǎn)生磁通時，產(chǎn)生磁通m則自則自感感L(H)為為:L=Nm/i(繞了類似繞了類似R=U/I)根據(jù)磁路歐姆定律：根據(jù)磁路歐姆定律：m=Ni/Rm式中，式中，R磁阻（磁阻（H-1）。）。則：則：L=Nm/i=N2/Rm磁阻包括鐵心、銜鐵和氣隙中的磁阻。磁阻包括鐵心、銜鐵和氣隙中的磁阻。2/7/202439當傳感器結構材料確定后，

29、當傳感器結構材料確定后，自感自感L是氣隙厚度和氣隙導是氣隙厚度和氣隙導磁截面積的函數(shù)。磁截面積的函數(shù)。2/7/202440螺管式電感傳感器是在線圈中插入圓柱形螺管式電感傳感器是在線圈中插入圓柱形銜鐵銜鐵，當銜鐵上下移動時，當銜鐵上下移動時，磁路磁阻隨著銜磁路磁阻隨著銜鐵插入深度的不同而變化鐵插入深度的不同而變化，自感量相應發(fā)生自感量相應發(fā)生變化。變化。變氣隙型傳感器變氣隙型傳感器變截面型傳感器變截面型傳感器 2.自感傳感器的基本類型自感傳感器的基本類型2/7/202441自感式電感傳感器常見的形式自感式電感傳感器常見的形式 變隙式變隙式變截面式變截面式螺線管式螺線管式 2/7/202442(1

30、)(1)變氣隙式自感傳感器變氣隙式自感傳感器 氣隙的磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻氣隙的磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻L L與與與與 之間是非線性關系。之間是非線性關系。之間是非線性關系。之間是非線性關系。磁路總的磁阻為磁路總的磁阻為線圈的電感為線圈的電感為2/7/202443變隙式電感傳感器變隙式電感傳感器L-特性特性：與：與電容容傳感器感器類似。似。為了提高其靈敏度，增大線性工作范圍，減小非線性為了提高其靈敏度，增大線性工作范圍，減小非線性誤差，采用差動電感式位移傳感器。誤差，采用差動電感式位移傳感器。2/7/202444差動電感傳感器的特點差動電感傳感器的特點 在在變變隙式差隙式差動電動電感感傳

31、傳感器中，當感器中，當銜鐵銜鐵隨被隨被測測量移量移動動而偏離中而偏離中間間位位置置時時，兩個，兩個線線圈的圈的電電感感量一個增加，一個減小，量一個增加，一個減小，形成差形成差動動形式。形式。1-1-差動線圈差動線圈 2-2-鐵心鐵心 3-3-銜鐵銜鐵 4-4-測桿測桿 5-5-工件工件2/7/202445差動電感傳感器的特點差動電感傳感器的特點 曲線曲線1、2為為L1、L2的特性，的特性，3為差動特性為差動特性差動式電感傳感器結構對稱，對外界影響，如溫度的變化、差動式電感傳感器結構對稱，對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力電源頻率的變化等基本上可以互

32、相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。也較小，從而減小了測量誤差。從曲線圖可以看出，差動從曲線圖可以看出，差動式電感傳感器的線性較好，且輸式電感傳感器的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動出曲線較陡，靈敏度約為非差動式電感傳感器的兩倍。式電感傳感器的兩倍。2/7/2024463.3.改善性能考慮的因素改善性能考慮的因素 (1)(1)損耗問題損耗問題:自感線圈不是一個純電感，自感線圈不是一個純電感，除了電感量除了電感量L之外，還存在線圈的銅耗、鐵之外，還存在線圈的銅耗、鐵心的渦流及磁滯損耗。心的渦流及磁滯損耗。（2 2）氣隙邊緣效應問題：使輸出特性有所）氣隙邊緣效應問題：使

33、輸出特性有所變化，需修正。變化，需修正。（3 3）溫度誤差：需加以補償。）溫度誤差：需加以補償。（4 4）差動式電感位移傳感器的零點剩余電）差動式電感位移傳感器的零點剩余電壓問題：使用時后續(xù)電路上需采取補償措施。壓問題：使用時后續(xù)電路上需采取補償措施。2/7/2024472.2.互感式位移傳感器互感式位移傳感器差動變壓器式差動變壓器式 單相變壓器有一個一次線圈（初級線圈），有若單相變壓器有一個一次線圈（初級線圈），有若干個二次線圈（次級線圈）。互感式位移干個二次線圈（次級線圈）?；ジ惺轿灰苽鞲衅鱾鞲衅靼驯话驯粶y位移量轉換為一次線圈與二次線圈間的互感量測位移量轉換為一次線圈與二次線圈間的互感量M

34、 M的變的變化的裝置。當一次線圈加上交流激磁電壓化的裝置。當一次線圈加上交流激磁電壓Ui后，將在二后，將在二次線圈中產(chǎn)生與互感次線圈中產(chǎn)生與互感M M成正比的感應電動勢成正比的感應電動勢，當線圈間，當線圈間的互感量的互感量M變化時，感應電動勢也相應變化。由于兩個變化時，感應電動勢也相應變化。由于兩個二次線圈采用二次線圈采用差動接法差動接法，故稱為差動變壓器。目前應，故稱為差動變壓器。目前應用最廣泛的結構型式是用最廣泛的結構型式是螺線管式差動變壓器。螺線管式差動變壓器。2/7/202448差動變壓器式傳感器的等效電路差動變壓器式傳感器的等效電路 結構特點：結構特點：兩個二次線圈反向串兩個二次線圈

35、反向串聯(lián)，組成差動輸出形聯(lián)，組成差動輸出形式。式。差動變壓器的結構原理如圖。在線框上繞有一組一次線圈；差動變壓器的結構原理如圖。在線框上繞有一組一次線圈；在同一線框的上端和下端再繞制兩組完全對稱的二次線圈，它在同一線框的上端和下端再繞制兩組完全對稱的二次線圈，它們反向串聯(lián)，組成差動輸出形式。圖中標有黑點的一端稱為同們反向串聯(lián)，組成差動輸出形式。圖中標有黑點的一端稱為同名端，即線圈的名端，即線圈的“頭頭”。2/7/202449差動變壓器式傳感器的工作原理差動變壓器式傳感器的工作原理 當鐵心處于中間對稱位置時，當鐵心處于中間對稱位置時，M M1 1=M=M2 2=M=M，互感電動，互感電動勢勢E

36、E1 1=E=E2 2=-=-Mdi/dtMdi/dt，故輸出電壓，故輸出電壓E E0 0=E=E1 1-E-E2 2=0=0，此為鐵心的，此為鐵心的原始平衡位置，即零位。若鐵心上移，則原始平衡位置，即零位。若鐵心上移，則M1 1M2 2，互，互感電動勢感電動勢E1 1E2 2，故輸出電壓，故輸出電壓E0 0與與E1 1同相位，大小與鐵同相位，大小與鐵心位移成線性關系；若鐵心下移，則相反。心位移成線性關系；若鐵心下移，則相反。鐵心偏離零位上、下移動的距離和方向的信息，反鐵心偏離零位上、下移動的距離和方向的信息，反映在二次側線圈輸出電動勢映在二次側線圈輸出電動勢E E0 0的幅值和相位之中。將其

37、的幅值和相位之中。將其進行放大和相敏檢波，即可得到被測位移進行放大和相敏檢波，即可得到被測位移x的變化。的變化。2/7/202450當二次側線圈不對稱、一次線圈銅損電阻的存在、當二次側線圈不對稱、一次線圈銅損電阻的存在、鐵磁材質不均勻、線圈間有分布電容等均會造成鐵心鐵磁材質不均勻、線圈間有分布電容等均會造成鐵心處于零位時，其輸出不為零，即存在零點殘余電壓，處于零位時，其輸出不為零，即存在零點殘余電壓，造成測量誤差。應進行零點調(diào)整。造成測量誤差。應進行零點調(diào)整。差壓變送器式電感位移傳感器的測量精度高，分辨差壓變送器式電感位移傳感器的測量精度高，分辨力可達力可達0.1m，線性范圍大，能達，線性范圍

38、大，能達250mm，穩(wěn)定性好，穩(wěn)定性好，使用方便，可用于直線位移、角位移及能轉換成位移使用方便，可用于直線位移、角位移及能轉換成位移的壓力、重量、膨脹等機械量的測量。的壓力、重量、膨脹等機械量的測量。2/7/2024513.3.渦流式位移傳感器渦流式位移傳感器渦流式位移傳感器利用電渦流效應將被測渦流式位移傳感器利用電渦流效應將被測量變換成傳感器線圈阻抗量變換成傳感器線圈阻抗Z變化進行測量。變化進行測量。塊狀金屬置于變化的磁場中或在磁場中運塊狀金屬置于變化的磁場中或在磁場中運動時，金屬體內(nèi)產(chǎn)生感應電流，此電流的流動時，金屬體內(nèi)產(chǎn)生感應電流，此電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，稱為渦流。這種現(xiàn)線在金屬

39、體內(nèi)自行閉合，稱為渦流。這種現(xiàn)象稱為電渦流效應。象稱為電渦流效應。2/7/202452電渦流效應演示電渦流效應演示(高頻反射式高頻反射式)在靠近金屬板的電感線圈在靠近金屬板的電感線圈L1中中接入高頻電源時接入高頻電源時，將產(chǎn)生高頻，將產(chǎn)生高頻磁場磁場H1。如金屬板置于該交變。如金屬板置于該交變磁場范圍內(nèi)時，金屬板內(nèi)就產(chǎn)磁場范圍內(nèi)時，金屬板內(nèi)就產(chǎn)生電渦流生電渦流i2。i2會產(chǎn)生一個與會產(chǎn)生一個與H1方向相反的方向相反的新磁場新磁場H H2，因而抵消，因而抵消部分原磁場，從而導致線圈的部分原磁場，從而導致線圈的電感量、阻抗和品質因數(shù)發(fā)生電感量、阻抗和品質因數(shù)發(fā)生改變。改變。渦流的大小與金屬體的電阻

40、率渦流的大小與金屬體的電阻率、磁導率、磁導率、厚度、厚度t及線圈與金及線圈與金屬體的距離屬體的距離x、線圈的激勵電流、線圈的激勵電流i、角頻率、角頻率有關。有關。2/7/202453渦流位移傳感器在金屬體上產(chǎn)生的電渦流，其滲透渦流位移傳感器在金屬體上產(chǎn)生的電渦流，其滲透深度的并不是均勻分布的，與傳感器線圈的激勵電深度的并不是均勻分布的，與傳感器線圈的激勵電流的頻率有關，流的頻率有關，頻率頻率f f越高越高，電渦流，電渦流滲透的深度就越滲透的深度就越淺淺。據(jù)此，渦流位移傳感器主要分為。據(jù)此，渦流位移傳感器主要分為高頻反射和低高頻反射和低頻透射頻透射兩類，高頻反射式應用較為廣泛。兩類，高頻反射式應

41、用較為廣泛。2/7/202454（1）高頻反射型渦流傳感器）高頻反射型渦流傳感器 檢測深度與激勵源頻率有何關系？檢測深度與激勵源頻率有何關系？電電渦渦流流線線圈圈受受電電渦渦流流影影響響時時的的等等效效阻阻抗抗Z的的函數(shù)表達式為：函數(shù)表達式為：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不不變變，電電渦渦流流線線圈圈的的阻阻抗抗Z就就成成為為哪哪個個非非電電量量的的單單值值函函數(shù)數(shù)？屬于接觸式測量還是非接觸式測量？屬于接觸式測量還是非接觸式測量？2/7/202455（2 2）高頻反射型渦流傳感器結構及特性）高頻反射型渦流傳感器結構及特性電渦流探頭電渦流探頭外

42、形外形交變磁場交變磁場2/7/202456電渦流探頭電渦流探頭內(nèi)部結構內(nèi)部結構1電渦流線圈電渦流線圈2探頭殼體探頭殼體3殼體上的位置調(diào)節(jié)螺紋殼體上的位置調(diào)節(jié)螺紋4印制線路板印制線路板5夾持螺母夾持螺母6電源指示燈電源指示燈7閾值指示燈閾值指示燈8輸出屏蔽電纜線輸出屏蔽電纜線9電纜插頭電纜插頭2/7/202457CZF-1系列傳感器的性能系列傳感器的性能 分析上表請得出結論：分析上表請得出結論：探頭的直徑與測量范圍及分辨力之間探頭的直徑與測量范圍及分辨力之間有何關系？有何關系？2/7/202458（3）基本轉換電路）基本轉換電路a.交流電橋交流電橋橋路輸出電壓幅值隨傳感器線圈阻抗變化而變化。橋路

43、輸出電壓幅值隨傳感器線圈阻抗變化而變化。b.諧振測幅電路諧振測幅電路傳感器等效電感傳感器等效電感L和固定電容組成諧振電路，諧振和固定電容組成諧振電路，諧振頻率頻率源源極極跟跟蹤蹤器器交交流流放放大大器器檢檢波波濾濾波波器器xVDC振蕩器振蕩器RC0L2/7/202459石英晶體石英晶體振蕩器向振蕩器向L和和C0組成的并聯(lián)諧振回路提供組成的并聯(lián)諧振回路提供頻率及振幅穩(wěn)定的高頻激勵信號，它相當于一個恒流頻率及振幅穩(wěn)定的高頻激勵信號，它相當于一個恒流源。當無金屬導體時源。當無金屬導體時(金屬導體遠離電渦流探頭金屬導體遠離電渦流探頭)，諧，諧振頻率為回路的固有頻率，這時諧振回路的阻抗最大，振頻率為回路

44、的固有頻率，這時諧振回路的阻抗最大，輸出電壓最大。當被測金屬導體靠近電渦流探頭時，輸出電壓最大。當被測金屬導體靠近電渦流探頭時，由于電渦流效應使傳感器線圈的電感也隨之發(fā)生變化，由于電渦流效應使傳感器線圈的電感也隨之發(fā)生變化，從而使諧振回路工作在失諧狀態(tài)，金屬導體與電渦流從而使諧振回路工作在失諧狀態(tài)，金屬導體與電渦流探頭的距離探頭的距離x越小，回路輸出的電壓也越小。諧振回路越小，回路輸出的電壓也越小。諧振回路輸出的信號經(jīng)檢波、濾波放大后送給后續(xù)電路，可直輸出的信號經(jīng)檢波、濾波放大后送給后續(xù)電路，可直接顯示出被測物體的位移量。接顯示出被測物體的位移量。工作原理：工作原理：2/7/202460低頻透

45、射式渦流傳感器的工作原低頻透射式渦流傳感器的工作原理如右圖所示，發(fā)射線圈理如右圖所示，發(fā)射線圈1和接收線和接收線圈圈2分別置于被測金屬板材料分別置于被測金屬板材料G的上、的上、下方。由于低頻磁場集膚效應小，滲下方。由于低頻磁場集膚效應小，滲透深，當?shù)皖l透深，當?shù)皖l(音頻范圍音頻范圍)電壓電壓e1加到線加到線圈圈1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板材料分透過金屬板材料G,使線圈使線圈2產(chǎn)生感產(chǎn)生感應電動勢應電動勢e2。但由于渦流消耗部分磁場但由于渦流消耗部分磁場能量，使感應電動勢能量，使感應電動勢e2減少，當金屬板減少，當金屬板材料材料G越厚時，損耗的能量越大，

46、輸出越厚時，損耗的能量越大，輸出電動勢電動勢e2越小。因此，越小。因此，e2的大小與的大小與G的的厚度及材料的性質有關，試驗表明，厚度及材料的性質有關，試驗表明，e2隨材料厚度隨材料厚度h的增加按負指數(shù)規(guī)律減少的增加按負指數(shù)規(guī)律減少,如圖所示，因此，若金屬板材料的性如圖所示，因此，若金屬板材料的性質一定，則利用質一定，則利用e2的變化即可測量其厚的變化即可測量其厚度。度。2/7/202461（2）低頻透射型渦流傳感器）低頻透射型渦流傳感器 發(fā)發(fā)射射線線圈圈和和接接收收線線圈圈分分別別置置于于被被測測物物體體的的上上、下下方方，發(fā)發(fā)射射線線圈圈加加音音頻頻電電壓壓時時，線線圈圈中中產(chǎn)產(chǎn)生生同同頻

47、頻電電流流，并并在在周周圍圍空空間間產(chǎn)產(chǎn)生生交交變變磁磁場場。這這一一磁磁場場穿穿透透金金屬屬片片后后作作用用于于接接收收線線圈圈，并并感感應應出出輸輸出出電電壓壓。當當磁磁場場穿穿過過金金屬屬片片時時，金金屬屬片片中中產(chǎn)產(chǎn)生生渦渦流流，消消耗耗部部分分磁磁場場能能量量，金金屬屬片片越越厚厚，渦渦流流損耗越大，輸出電壓越低。損耗越大，輸出電壓越低。輸輸出出電電壓壓的的大大小小間間接接反反映映了了金金屬屬片片的厚度。的厚度。2/7/2024623.渦流式傳感器的特點渦流式傳感器的特點 結結構構簡簡單單、易易于于非非接接觸觸測測量量，靈靈敏敏度度高高，應應用用廣廣泛泛，可可測測位位移移、厚厚度度、

48、振振動動、轉轉速速、硬硬度度等等參參數(shù)數(shù)，還還可進行無損探傷?？蛇M行無損探傷。第二節(jié)第二節(jié)發(fā)電型（壓電）位移傳感器發(fā)電型（壓電）位移傳感器發(fā)發(fā)電電型型位位移移傳傳感感器器是是將將被被測測物物理理量量轉轉換換為為電電源源性性參參量量,如如電電動動勢勢、電電壓壓等等，是是一一種種能能量量轉轉換換型型傳傳感感器器.自學自學P252/7/202463 1.1.在測量線位移的傳感器中，結構簡單、靈敏度高、在測量線位移的傳感器中，結構簡單、靈敏度高、不受油污等介質影響，并能進行非接觸測量的是不受油污等介質影響，并能進行非接觸測量的是(）A.A.電容式傳感器電容式傳感器 B.B.電阻式傳感器電阻式傳感器 C.C.壓電式傳感壓電式傳感器器 D.D.電渦流式傳感器電渦流式傳感器 2.2.什么是差動變壓器式位移傳感器的零點殘余電壓什么是差動變壓器式位移傳感器的零點殘余電壓?零點殘余電壓的存在對傳感器的工作性能有何影響零點殘余電壓的存在對傳感器的工作性能有何影響?（當鐵芯處于零位或中間位置時的輸出的電壓；造成測（當鐵芯處于零位或中間位置時的輸出的電壓；造成測量誤差。）量誤差。）3 3測量范圍大的電容式位移傳感器的類型為測量范圍大的電容式位移傳感器的類型為()()A.A.變極板面積型變極板面積型 B.B.變極距型變極距型 C.C.變介質型變介質型D.D.容柵型容柵型2/7/202464