第二章-位移檢測傳感器

1、2022-4-61 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(jī)械法、光測法和電測法。常用方法有機(jī)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(zhuǎn)換成電電測法是利用各種傳感器將位移量轉(zhuǎn)換成電量或電參數(shù)，再經(jīng)后接測量儀器進(jìn)一步變換完量或電參數(shù)，再經(jīng)后接測量儀器進(jìn)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(yīng)同步式、磁柵式、光電

2、式流式、壓電式、感應(yīng)同步式、磁柵式、光電式等。等。2022-4-62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(zhuǎn)換成電參數(shù)，即工作原理：將被測物理量轉(zhuǎn)換成電參數(shù)，即電阻、電容或電感。電阻、電容或電感。 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：和物理特性，即：式中式中 導(dǎo)體電阻率（導(dǎo)體電阻率（m）；）；L導(dǎo)體長度（導(dǎo)體長度（m） S導(dǎo)體橫截面積（導(dǎo)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(yīng)

3、變片就是根據(jù)這一原理制成的。和應(yīng)變片就是根據(jù)這一原理制成的。SLR2022-4-63 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(yùn)動、轉(zhuǎn)動或螺旋運(yùn)動，將直線位移、角位線運(yùn)動、轉(zhuǎn)動或螺旋運(yùn)動，將直線位移、角位移成比例地轉(zhuǎn)換成電阻量的變化（線性），非移成比例地轉(zhuǎn)換成電阻量的變化（線性），非線性電位計可將線位移和轉(zhuǎn)角變換成與之成某線性電位計可將線位移和轉(zhuǎn)角變換成與之成某種函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。種函數(shù)關(guān)系的電

4、阻或電壓輸出。 電位計的電阻有線繞電阻、薄膜電阻、導(dǎo)電電位計的電阻有線繞電阻、薄膜電阻、導(dǎo)電塑料（有機(jī)實(shí)芯）電阻等。塑料（有機(jī)實(shí)芯）電阻等。 2022-4-64 1.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(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)及電源電壓一定時電位計結(jié)構(gòu)及電源電壓一定時, KR 和和Ku為常數(shù)為常數(shù).XKXLRRRX

5、XKXLUUUi02022-4-65 實(shí)際線繞電位計的電刷移動時，每移動一匝線圈實(shí)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。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, ,同樣同樣長度的骨架所繞的線圈匝數(shù)越多，階梯誤差越小長度的骨架所繞的線圈匝數(shù)越多，階梯誤差越小, ,分分辨力越高。辨力越高。 對角位移式電位器

6、來說，對角位移式電位器來說，Uo與電刷的旋轉(zhuǎn)與電刷的旋轉(zhuǎn)角度成正比：角度成正比： oi 360UU2022-4-66 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(guān)系，其空載特性為位移之間具有非線性函數(shù)關(guān)系，其空載特性為一條曲線，其電阻靈敏度一條曲線，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(guān)有關(guān)。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(jié)構(gòu)形式有變骨架式、

7、變節(jié)非線性電位計的結(jié)構(gòu)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。2022-4-67 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)生測量誤差，應(yīng)使（并聯(lián)分流，產(chǎn)生測量誤差，應(yīng)使R R輸入輸入R R傳傳） 2.2.設(shè)一圓型截面繞線式位移傳感器的線圈半徑為設(shè)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

8、感器的靈敏度，則傳感器的靈敏度為多大？（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。2022-4-68 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=10V，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(diǎn)為電刷位置。點(diǎn)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

9、位移X X；(100mm)(100mm) （2 2）當(dāng)位移）當(dāng)位移X X的變化范圍為的變化范圍為10140mm10140mm時，計算輸時，計算輸出電壓出電壓U U0 0的范圍。的范圍。(-6V2.67V)(-6V2.67V)E RE R0 0 2R2R0 0A AC CB BU U0 0 x x2022-4-69 二、電阻應(yīng)變式位移傳感器二、電阻應(yīng)變式位移傳感器 工作原理：將被測位移引起的應(yīng)變元件產(chǎn)工作原理：將被測位移引起的應(yīng)變元件產(chǎn)生的應(yīng)變，經(jīng)后續(xù)電路變換成電信號輸出，從生的應(yīng)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(yīng)變式位移傳感器基本結(jié)構(gòu)見教材電阻應(yīng)變式位移

10、傳感器基本結(jié)構(gòu)見教材P15P15圖圖2-42-4。第四章詳細(xì)介紹。第四章詳細(xì)介紹。 2022-4-610 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(yuǎn)小于平行板的遠(yuǎn)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(zhì)的介極板間介質(zhì)的介電常電常數(shù)（數(shù)（F/mF/m），），r r為介質(zhì)的為介質(zhì)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）。）。

11、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。SSCr0+-S平行板電容器平行板電容器電力線2022-4-611 分類示意圖分類示意圖 c) c) 介質(zhì)變化型介質(zhì)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) a) 極距變化型極距變化型; ;+0rSSCddSSCr02022-4-612 1.1.變極距式電容傳感器變極距式電容傳感器 當(dāng)動極板受被測物體作用引起位移時，當(dāng)動極板受被測物體作用引起位移

12、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(guān)度，但電容變化與極距變化之間為非線性關(guān)系。系。 2022-4-613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(dāng)變極距式電容傳感器的初從圖中可以看到，當(dāng)變極距式電容傳感器的初始極距始極距0 0較小時，它的測量范圍變大還是變??？為了較小時，它的測量范圍變大還是變小？為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)0 0小些還是大些？小些還是大些？ a） 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)

13、示意圖 b）電容量與極板距離的關(guān)系）電容量與極板距離的關(guān)系1定極板定極板 2動極板動極板 212022-4-614 設(shè)極板間的初始距離為設(shè)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(dāng)極板間的距離減小當(dāng)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： 00SC 0SC000000000000/1/C）（C）（SSSCCC2022-4-615 當(dāng)當(dāng)/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電容位移傳感器只適用于小位移的測量。于小位移的測量。 0000

14、/1/CC常數(shù)2000*SCCK2022-4-616 為提高靈敏度，改善線性度，可采為提高靈敏度，改善線性度，可采用差動電容傳感器。當(dāng)動極板處于平衡用差動電容傳感器。當(dāng)動極板處于平衡位置時，位置時，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(dāng)動極板右移；當(dāng)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 減小。減

15、小。2022-4-617 2.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(jié)構(gòu)，極板是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，極板1為動極板，為動極板，可左右移動；極板可左右移動；極板2為定極板，為定極板，固定不動。當(dāng)位移固定不動。當(dāng)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： 000dbaC0000)(dxbCdbxaC當(dāng)動極板移動當(dāng)動極板移動x后，電容為：后，電容為：00axCC靈敏度為：靈敏度為：常數(shù)00aCXCK2022-4-618 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(yùn)動。直線運(yùn)動。 2.變面積式電容傳

16、感器變面積式電容傳感器 平板結(jié)構(gòu)對極距變化特別敏感，測量精度平板結(jié)構(gòu)對極距變化特別敏感，測量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實(shí)際中最常用的結(jié)構(gòu)。響很小，成為實(shí)際中最常用的結(jié)構(gòu)。單組式單組式差動式差動式2022-4-619 圖圖b b是同心圓筒形位移傳感器。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)作外圓筒不動，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動。當(dāng)位移上、下直線運(yùn)動。當(dāng)位移x=0 x=0時，時，電容量為：電容量為：rRhC/ln200 2.變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器0000/ln(2hxCCrRx）hC00hxC

17、C當(dāng)動極板移動當(dāng)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：常數(shù)00hCXCK2022-4-620 2.變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器 圖圖c c是角位移式的結(jié)構(gòu)。極板是角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2 2的軸由的軸由被測物體帶動旋轉(zhuǎn)被測物體帶動旋轉(zhuǎn) 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(dāng)遮蓋面積減小，電容量減小。當(dāng)=0=0時，時，電容量為電容量為 2/20rC當(dāng)動極板移動當(dāng)動極板移動后，其電容為：后，其電容為：0CC靈敏度為：靈敏度為：常數(shù)0CCK0022/CC）r（C2022-4-621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

18、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。寸等參量。 2022-4-622 3.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(zhì)時，在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，由于各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以電由于各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以電容器的電容量也就不同。容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，

19、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。2022-4-623xh2r2R12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(dǎo)致電常數(shù)的高度發(fā)生變化，導(dǎo)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(zhì)介電常數(shù)；液體介質(zhì)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）。）。rR

20、hC/ln210當(dāng)液面高度當(dāng)液面高度X=0時，電容時，電容為：為： 2022-4-624 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。rR）x（CrRxx）（hC/ln2/ln2212021hx（CC1120)靈敏度為：靈敏度為：常數(shù)h）C（xCK10122022-4-625 電容式液位計電容式液位計 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(dāng)被包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)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(dǎo)電液體之間的棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。電容變大。 聚四氟乙

21、烯外套聚四氟乙烯外套2022-4-626 表表 幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)幾種介質(zhì)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(zhì)厚度、濕度等。非電量？介質(zhì)厚度、濕度等。2022-4-627變介質(zhì)電容位移傳感器變介質(zhì)電容位移傳感器rdSdSC0211d2S01氣隙氣隙極板面積極板面積r02類型類型2：電容器的極板間插入某種介質(zhì)：電容器的極板間插入某種介質(zhì) (1)若插入介質(zhì)的厚度若插入介質(zhì)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

22、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(zhì)厚度與介質(zhì)厚度d 及介電常數(shù)及介電常數(shù)r均為非線性均為非線性關(guān)系關(guān)系./SSC2022-4-628 4.4.容柵傳感器容柵傳感器測量大位移測量大位移 容柵傳感器是基于變面積工作原理的新型電容傳容柵傳感器是基于變面積工作原理的新型電容傳感器，它的電極排列如同柵狀感器，它的電極排列如同柵狀, ,分為長容柵和圓容分為長容柵和圓容柵兩種。長容柵傳感器用于直線位移的測量，圓容柵兩種。長容柵傳感器用于直線位移的測量，圓容柵傳感器用于角位移的測量。柵傳感器用于角

23、位移的測量。 容柵傳感器由于多極電容及平均效應(yīng)，所以分容柵傳感器由于多極電容及平均效應(yīng)，所以分辨力高、精度高、量程大，適用于大位移測量。辨力高、精度高、量程大，適用于大位移測量。2022-4-629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?xùn)艑M成。運(yùn)行時，兩電一對相同尺寸的交錯對插動?xùn)艑M成。運(yùn)行時，兩電極柵片相對安裝，其中暗區(qū)域是兩電極柵的重疊面積，極柵片相對安裝，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從而形成一對隨位移反向變化的差動電容C C1 1和和

24、C C2 2。將電。將電容極板刻成柵狀提高了測量精度并實(shí)現(xiàn)了大位移測量。容極板刻成柵狀提高了測量精度并實(shí)現(xiàn)了大位移測量。 定柵定柵動?xùn)艑訓(xùn)艑?022-4-630abnCmax nn可動容柵的柵極數(shù)；可動容柵的柵極數(shù)； a a，bb柵極片長度和寬度柵極片長度和寬度 測量位移時，動?xùn)排c定柵相覆蓋的寬度發(fā)生測量位移時，動?xùn)排c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。變化可知位移的變化量。 忽略電容邊緣效應(yīng)，長容柵最大電容忽略電容邊緣效應(yīng)，長容柵最大電容量為：量為：2022-4-631片狀圓容柵片狀圓容柵22122max

25、rrnCr 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(yīng)的圓心角（每條柵極片對應(yīng)的圓心角（radrad）2022-4-632柱狀圓容柵柱狀圓容柵2022-4-633各種容柵測量裝置各種容柵測量裝置2022-4-634各種容柵數(shù)顯卡尺各種容柵數(shù)顯卡尺2022-4-6355.5.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?。娙輦鞲衅魅萘枯^?。╬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

26、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(yīng)采取屏蔽措施：使用時，電容傳感器及其引線應(yīng)采取屏蔽措施：置于金屬殼內(nèi)，接地應(yīng)可靠。以消除寄生電容和外界置于金屬殼內(nèi)，接地應(yīng)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。2022-4-636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，

27、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，如果傳感）工作時，如果傳感器的工作間隙變化量器的工作間隙變化量 = =1m1m時，電容變化量是時，電容變化量是多少？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=100mV/pF=100mV/pF，讀，讀數(shù)儀表的靈敏度數(shù)儀表的靈敏度S S2 2=5=5格格/mV/mV，在，在

28、= =1m1m時，讀數(shù)時，讀數(shù)儀表的指示值變化多少格？儀表的指示值變化多少格？2022-4-637四、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(yīng)原理將被測物理電感式位移傳感器基于電磁感應(yīng)原理將被測物理量位移轉(zhuǎn)換成自感量位移轉(zhuǎn)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。其輸出功率大、靈敏度高、穩(wěn)定性好，應(yīng)用廣泛。凡可轉(zhuǎn)換成位移靈敏度高、穩(wěn)定性好，應(yīng)用廣泛。凡可轉(zhuǎn)換成位移的物理量的物理量

29、如壓力、振動等如壓力、振動等均可測量均可測量。2022-4-6381.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。 2022-4-639331211112200001112222231211122002,2()imiiii imiil

30、llRsSSSSlSlSNNLllRSSS總磁阻分別為氣隙的磁導(dǎo)率、氣隙和截面積。分別為鐵心的磁導(dǎo)率、長度和截面積。分別為銜鐵的磁導(dǎo)率、長度和截面積。 當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)材料確定后，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)材料確定后，自感自感L是氣隙厚度和氣隙導(dǎo)是氣隙厚度和氣隙導(dǎo)磁截面積的函數(shù)。磁截面積的函數(shù)。2022-4-640 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(dāng)銜鐵上下移動時，當(dāng)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(yīng)發(fā)生自感量相應(yīng)發(fā)生變化。變化。LRxnimi1,LfS 2LfS 1Lf變氣隙型傳感器變氣隙型傳感

31、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2022-4-641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 2022-4-642(1) (1) 變氣隙式自感傳感器變氣隙式自感傳感器 002221112sslslRm氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻 002sRm220 02mNsNLR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 2022-4-643變隙式電感傳感器變隙式電感傳感器L-特性特性：與電容傳感器類似。：與電容傳感器類似。 為了提高其靈敏度，增大線性工作

32、范圍，減小非線為了提高其靈敏度，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。性誤差，采用差動電感式位移傳感器。2022-4-644差動電感傳感器的特點(diǎn)差動電感傳感器的特點(diǎn) 在變隙式差動電感在變隙式差動電感傳感器中，當(dāng)銜鐵隨被傳感器中，當(dāng)銜鐵隨被測量移動而偏離中間位測量移動而偏離中間位置時，兩個線圈的電感置時，兩個線圈的電感量一個增加，一個減小，量一個增加，一個減小，形成差動形式。形成差動形式。 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 2022-4-645差動電感傳感器的特點(diǎn)差動電感傳感器的特點(diǎn) 曲線曲線1、2為為L1、L

33、2 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(jié)構(gòu)對稱，對外界影響，如溫度的變化、差動式電感傳感器結(jié)構(gòu)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。2022-4-6463.3.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

34、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(yīng)問題：使輸出特性有所）氣隙邊緣效應(yīng)問題：使輸出特性有所變化，需修正。變化，需修正。 （3 3）溫度誤差：需加以補(bǔ)償。）溫度誤差：需加以補(bǔ)償。 （4 4）差動式電感位移傳感器的零點(diǎn)剩余電）差動式電感位移傳感器的零點(diǎn)剩余電壓問題：使用時后續(xù)電路上需采取補(bǔ)償措施。壓問題：使用時后續(xù)電路上需采取補(bǔ)償措施。2022-4-6472.2.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

35、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）?；ジ惺轿灰聘蓚€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(zhuǎn)換為一次線圈與二次線圈間的互感量測位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次線圈間的互感量M M的變的變化的裝置。當(dāng)一次線圈加上交流激磁電壓化的裝置。當(dāng)一次線圈加上交流激磁電壓Ui后，將在后，將在二次線圈中產(chǎn)生與互感二次線圈中產(chǎn)生與互感M M成正比的感應(yīng)電動勢成正比的感應(yīng)電動勢，當(dāng)線圈，當(dāng)線圈間的互感量間的互感量M變化時，感應(yīng)電動勢也相應(yīng)變化。由于變化時，感應(yīng)電動勢也相應(yīng)變化。由于兩個二次線圈采用兩個二次線圈采用差動接法差動接法，故稱為差動變壓器

36、。目，故稱為差動變壓器。目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是螺線管式差動變壓器。螺線管式差動變壓器。 2022-4-648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(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 兩個二次線圈反向串兩個二次線圈反向串聯(lián)，組成差動輸出聯(lián)，組成差動輸出形式。形式。 差動變壓器的結(jié)構(gòu)原理如圖。在線框上繞有一組一次線圈；差動變壓器的結(jié)構(gòu)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(biāo)有黑點(diǎn)的一端稱為同們反向串聯(lián)，組成差動輸出形式。圖中標(biāo)

37、有黑點(diǎn)的一端稱為同名端，即線圈的名端，即線圈的“頭頭”。 2022-4-649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(dāng)鐵心處于中間對稱位置時，當(dāng)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 E1 1=E=E2 2=-Mdi/dt=-Mdi/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

38、與鐵心位移成線性關(guān)系；若鐵心下移，則相反。心位移成線性關(guān)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(cè)線圈輸出電動勢映在二次側(cè)線圈輸出電動勢E E0 0的幅值和相位之中。將其的幅值和相位之中。將其進(jìn)行放大和相敏檢波，即可得到被測位移進(jìn)行放大和相敏檢波，即可得到被測位移x的變化。的變化。 2022-4-650 當(dāng)二次側(cè)線圈不對稱、一次線圈銅損電阻的存在、當(dāng)二次側(cè)線圈不對稱、一次線圈銅損電阻的存在、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間有分布電容等均會造成鐵心鐵磁材質(zhì)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

39、零點(diǎn)殘余電壓，處于零位時，其輸出不為零，即存在零點(diǎn)殘余電壓，造成測量誤差。應(yīng)進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整。造成測量誤差。應(yīng)進(jìn)行零點(diǎn)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(dá)力可達(dá)0.1m，線性范圍大，能達(dá)，線性范圍大，能達(dá)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(zhuǎn)換成位移使用方便，可用于直線位移、角位移及能轉(zhuǎn)換成位移的壓力、重量、膨脹等機(jī)械量的測量。的壓力、重量、膨脹等機(jī)械量的測量。2022-4-6513.3.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(yīng)將被測渦流式位移傳感器利用電渦流效應(yīng)將被測量變換成

40、傳感器線圈阻抗量變換成傳感器線圈阻抗Z變化進(jìn)行測量。變化進(jìn)行測量。 塊狀金屬置于變化的磁場中或在磁場中運(yùn)塊狀金屬置于變化的磁場中或在磁場中運(yùn)動時，金屬體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流的流動時，金屬體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)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)線在金屬體內(nèi)自行閉合，稱為渦流。這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。象稱為電渦流效應(yīng)。 2022-4-652電渦流效應(yīng)演示電渦流效應(yīng)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

41、，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(dǎo)致線圈的部分原磁場，從而導(dǎo)致線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生電感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生改變。改變。 渦流的大小與金屬體的電阻率渦流的大小與金屬體的電阻率、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)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(guān)。有關(guān)。2022-4-653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

42、分布的，與傳感器線圈的激勵電流的頻率有關(guān)，流的頻率有關(guān)，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(yīng)用較為廣泛。兩類，高頻反射式應(yīng)用較為廣泛。 2022-4-654（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(guān)系？檢測深度與激勵源頻率有何關(guān)系？ 電渦流線圈受電渦流影響時的等效阻抗電渦流線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的的函數(shù)表達(dá)式為：函數(shù)表達(dá)式為： Z=R+jL=f（i1、f、 、 、t、x） 如果控制上式中的如果控制上式中的i

43、1、f、 、t不變，電不變，電渦流線圈的阻抗渦流線圈的阻抗Z就成為哪個非電量的單值函數(shù)？就成為哪個非電量的單值函數(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？ 2022-4-655（2 2）高頻反射型渦流傳感器結(jié)構(gòu)及特性）高頻反射型渦流傳感器結(jié)構(gòu)及特性 電渦流探頭電渦流探頭外外形形交變磁場交變磁場2022-4-656電渦流探頭電渦流探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 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

44、電纜插頭 2022-4-657CZF-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(jié)論：分析上表請得出結(jié)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(guān)系？有何關(guān)系？ 2022-4-658（3）基本轉(zhuǎn)換電路）基本轉(zhuǎn)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RC0L012fLC202

45、2-4-659 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(dāng)于一個恒流頻率及振幅穩(wěn)定的高頻激勵信號，它相當(dāng)于一個恒流源。當(dāng)無金屬導(dǎo)體時源。當(dāng)無金屬導(dǎo)體時(金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離電渦流探頭金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)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，振頻率為回路的固有頻率，這時諧振回路的阻抗最大，輸出電壓最大。當(dāng)被測金屬導(dǎo)體靠近電渦流探頭時，輸出電壓最大。當(dāng)被測金屬導(dǎo)體靠近電渦流探頭時，由于電渦流效應(yīng)使傳感器線圈的電感也隨之發(fā)生變化，由于電渦流效應(yīng)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(dǎo)體與電渦流從而使諧振回路工作在失諧狀態(tài)，金屬導(dǎo)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，可路輸出的信號經(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。直接顯示出被測物體的位移量。 工作原理：工作原理：2022-4-660 低頻透射式