第4章 位移与速度测量传感器.ppt

2020 2 16 1 实用传感器技术教程 2 电感式位移传感器 第4章位移与速度测量传感器 电容式位移传感器 4 3 霍尔传感器 电涡流式传感器 光栅传感器 微波传感器 超声波传感器 位移检测传感器性能比较 3 无论是科学研究还是生产实践中 需要进行位移测量的场合非常多 此外 还有许多被测物理量可以转化为位移进行测量 如压力 位置等都可以通过某种转换部件 先将它们转换为直线位移 然后通过测量位移间接得到被测量 在不同的场合 不同的应用领域 对位移测量传感器的要求差异也很大 比如测量范围 测量精度 动态响应等 因此 位移测量传感器的种类也是相当多 并且各自的特性也不相同 4 4 1电感式位移传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理 将输入量转换成电感变化量的一种装置 常配以不同的敏感元件用来测量位移 压力 振动等物理参数 5 4 1电感式位移传感器 4 1 1电感位移传感器原理与分类 图4 1电感式传感器的结构原理 6 自感L与气隙 成反比 而与气隙导磁截面积A成正比 W 线圈匝数 0 空气磁导率 气隙型传感器的结构原理图 7 4 1 1电感位移传感器原理与分类 差动变隙式电感传感器的原理结构初态时 若结构对称 且动铁居中 则 1 2 U0 0 动铁上移时 则 1 L1 I1 I1 I 2 L2 I2 I2 II I2 I1 2 IU0 2 IZL同理 动铁下移时 U0 2 IZL 8 4 1 2电感位移传感器输出特性 由图可以看出L f 不是线性的 即变气隙式传感器 和L之间不满足线形变化关系 理论上 当 0时 L为 如果考虑到导磁体的磁阻 即当 0时 L不等于 而有一定的数值 变截面积式传感器的面积S与L值则是线性关系 即L f S 的特性曲线为一条直线 9 4 1 2电感位移传感器输出特性 变气隙式 变面积式和螺线管式三种类型电感传感器相比较 变气隙式灵敏度最高 因而它对电路的放大倍数要求很低 缺点是非线性严重 为了限制非线性误差 示值范围只能很小 导致自由行程小 因此制造装配比较困难 变面积式的优点是具有较好的线性 自由行程较大 螺线管式主要优点是结构简单 制造装配容易 自由行程大 但是灵敏度最低 但灵敏度低可以通过放大电路加以解决 因此 目前螺管型电感传感器用得越来越多 10 4 1 3电感位移传感器测量电路 1 变压器电桥输出特性公式为在初始位置时Z1 Z2 Z 电桥处于平衡状态 U0 0动铁芯上移时 1 L1 Z1 Z Z 2 L2 Z2 Z Z代入式 4 2 得 图4 4变压器电桥 11 4 1 3电感位移传感器测量电路 2 相敏检波电路相敏检波电路是常用的判别电路 下面以带二极管式环形相敏检波的交流电桥为例介绍该电路的作用 图4 5相敏检波电路 带相敏检波的交流电桥 实用电路 12 4 1 3电感位移传感器测量电路 如图3 11 a 所示 Z1 Z2为传感器两线圈的阻抗 Z3 Z4构成另两个桥臂 U为供桥电压 U为输出 当衔铁处于中间位置时 Z1 Z2 Z 电桥平衡 U 0 若衔铁上移 Z1增大 Z2减小 如供桥电压为正半周 即A点电位高于B点 二极管D1 D4导通 D2 D3截止 在A E C B支路中 C点电位由于Z1增大而降低 在A F D B支路中 D点电位由于Z2减小而增高 因此D点电位高于C点 输出信号为正 13 4 1 3电感位移传感器测量电路 如供桥电压为负半周 B点电位高于A点 二极管D2 D3导通 D1 D4截止 在B C F A支路中 C点电位由于Z2减小而比平衡时降低 在B D E A支路中 D点电位则因Z1增大而比平衡时增高 因此D点电位仍高于C点 输出信号仍为正 同理可以证明 衔铁下移时输出信号总为负 于是 输出信号的正负代表了衔铁位移的方向 实际采用的电路如图3 11 b 所示 L1 L2为传感器的两个线圈 C1 C2为另两个桥臂 电桥供桥电压由变压器B的次级提供 R1 R2 R3 R4为四个线绕电阻 用于减小温度误差 C3为滤波电容 Rw1为调零电位器 Rw2为调倍率电位器 输出信号由电压表V指示 14 其中 金属电阻率 金属磁导率 r线圈与被测物体的尺寸因子 f激磁电流频率 x线圈与导体间的距离 基于法拉第电磁感应原理 当传感器线圈通以正弦交变电流I1时 线圈周围空间将产生正弦交变磁场H1 被测导体内产生呈涡旋状的交变感应电流I2 称电涡流效应 电涡流产生的交变磁场H2与H1方向相反 它使传感器线圈等效阻抗发生变化 4 2电涡流式传感器 15 应用 x 位移 厚度 振幅 表面温度 电解质浓度 材质判别等 无损探伤等 特点 非接触连续测量 灵敏度高 频响宽 分辨率高 涡流分布在导体表面 4 2电涡流式传感器 16 电涡流在我们日常生活中应用 干净 高效的电磁炉 17 电涡流探雷器 18 电磁炉内部的励磁线圈 19 4 2电涡流式传感器 20 4 2电涡流式传感器 21 低频透射式电涡流式传感器 音频 20kHz 激励电流 低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度 4 2电涡流式传感器 22 4 2电涡流式传感器 3 技术参数 表4 1英国真尚有电涡流传感器主要技术指标 23 电磁炉的工作原理图 电磁炉是采用磁场感应涡流加热原理 它利用电流通过线圈产生磁场 当磁场内之磁力通过含铁质锅底部时 即会产生无数之小涡流 使锅体本身自行高速发热 然后再加热于锅内食物 电磁炉工作时产生的电磁波 完全被线圈底部的屏蔽层和顶板上的含铁质锅所吸收 不会泄漏 对人体健康绝对无危害 24 电涡流探头外形 交变磁场 电涡流式传感器的结构 25 电涡流探头内部结构 1 线圈2 线圈管架3 壳体4 输出电缆5 接插件6 瓷罩 26 测量电路 交流电桥 谐振电路 4 2电涡流式传感器 27 4 2电涡流式传感器 LC并联阻抗 28 4 2电涡流式传感器 LC回路是振荡器的一部分 29 4 2电涡流式传感器 2 电桥测量电路电桥将反映线圈阻抗的变化 线圈阻抗的变化反映被测金属导体的接近程度 当静态时 电桥平衡 输出电压u0 0 当传感器接近被测金属导体时 传感器线圈的阻抗发生变化 电桥失去平衡 即u0 0 该信号经经过线性放大和检波器检波后输出直流电压 其幅值经过标定即可以实现对位移量的测量 图4 11涡流传感器电桥测量电路 30 4 2电涡流式传感器 电涡流式传感器的特点 非接触测量 不易受油液介质影响 结构简单 使用方便 灵敏度高 最高分辨率达0 05微米 频率响应范围宽 0 10kHz 适合动态测量 31 4 2 3电涡流传感器应用 1 位移测量 图4 12电涡流位移测量方法 32 4 2 3电涡流传感器应用 2 振动测量 图4 13电涡流振动测量方法 33 4 20mA电涡流位移传感器外形图 3 传感器外形 34 V系列电涡流位移传感器外形图 35 无损探伤 4 2 3电涡流传感器应用 36 4 2 3电涡流传感器应用 测转速 测厚度 计数 测裂纹 37 4 2 3电涡流传感器应用 5 液位测量与控制 图4 15利用电涡流传感器构成的液位监控系统 38 偏心和振动检测 39 汽轮机叶片测试 40 3 转速测量 转速测量类型1 传感器2 被测体 41 转速n 单位为r min 的计算公式为 电涡流传感器转速测量动画演示 42 齿轮转速测量示意图 例 下图中 设齿数z 48 测得频率f 120Hz 求该齿轮的转速n 43 用于ABS系统的速度传感器 44 45 4 电涡流表面探伤 手持式裂纹测量仪 油管探伤 46 用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹 47 电涡流传感器探伤检测动画演示 48 5 厚度测量 测量前 可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出 厚度 输出 电压的标定曲线 以便测量时对照 49 电涡流涂层厚度仪 50 电涡流传感器测量厚度动画演示 51 其它应用 电涡流传感器计数动画演示 52 电涡流传感器轴心轨迹测量动画演示 53 原理 被测非电量转换为电容量的变化 种类 变极距 变面积A 变介质 A或 发生变化时 都会引起电容的变化 4 3电容式位移传感器 4 3 1电容式位移传感器原理与分类 54 55 56 1 变极距型电容传感器 57 1 变极距型电容传感器 58 输入输出特性 灵敏度 面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系 但与极板变化型相比 灵敏度较低 适用于较大角位移及直线位移的测量 2 变面积型电容传感器 59 介质含水量 介质厚度 温度 密度等变化引起介电常数变化 因此可以构成含水量 物位高度 温度等测量用传感器 图中 厚度为 2的介质 2为其介电常数 在电容器中左右运动 由于电容器中介质的介电常数改变 电容量改变 3 变介电常数型电容传感器 60 4 3 2电容式位移传感器特点 1 优点 温度稳定性好电容式传感器的电容值一般与电极材料无关 有利于选择温度系数低的材料 又因本身发热极小 影响稳定性甚微 而电阻传感器有铜损等 易发热产生零漂 结构简单电容式传感器结构简单 易于制造 易于保证高的精度 可以做得非常小巧 以实现某些特殊的测量 能工作在高温 强辐射及强磁场等恶劣的环境中 可以承受很大的温度变化 承受高压力 高冲击 过载等 能测量超高温和低压差 也能对带磁工作进行测量 61 4 3 2电容式位移传感器特点 动态响应好电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小 约几个10 5N 需要的作用能量极小 又由于它的可动部分可以做得很小很薄 即质量很轻 因此其固有频率很高 动态响应时间短 能在几兆Hz的频率下工作 特别适用于动态测量 又由于其介质损耗小可以用较高频率供电 因此系统工作频率高 它可用于测量高速变化的参数 可以非接触测量 具有平均效应例如非接触测量回转轴的振动或偏心率 小型滚珠轴承的径向间隙等 当采用非接触测量时 电容式传感器具有平均效应 可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响 电容式传感器除了上述的优点外 还因其带电极板间的静电引力很小 所需输入力和输入能量极小 因而可测极低的压力 力和很小的加速度 位移等 可以做得很灵敏 分辨力高 能敏感0 01 m甚至更小的位移 由于其空气等介质损耗小 采用差动结构并接成电桥式时产生的零残极小 因此允许电路进行高倍率放大 使仪器具有很高的灵敏度 62 4 3 2电容式位移传感器特点 63 4 3 2电容式位移传感器特点 64 65 4 3 3电容式位移传感器测量电路 1 交流电桥电路交流电桥电路如图4 22所示 高频电源经变压器接到电桥的一条对角线上 电容C1 C2 C3 Cx构成电桥的4个臂 Cx为电容传感器 交流电桥平衡时则U0 0 当Cx改变时 U0 0 有电压输出 此种电桥电路要求交流电源的幅度和频率都十分稳定 电桥放大器的输入阻抗要高 测量系统的动态响应受电桥供电电源的频率限制 一般要求电源频率为被测信号最高频率的5 10倍 图4 22交流电桥电路 66 4 3 3电容式位移传感器测量电路 2 变压器电桥如图4 23所示 C1 C2为传感器的两个差动电容 电桥的空载输出电压为对变极距型电容传感器 代入上式得 4 23变压器电桥 67 4 3 3电容式位移传感器测量电路 3 调频电路 68 69 70 71 72 4 3 3电容式位移传感器测量电路 4 脉冲宽度调制电路当接通电源后 若触发器Q端为高电平 端为低电平 则触发器通过R1对C1充电 当F点电位UF升到与参考电压Ur相等时 比较器A1产生一脉冲使触发器翻转 从而使Q端为低电平 端为高电平 此时 由电容C1通过二极管D1迅速放电至零 而触发器由端经R2向C2充电 当G点电位UG与参考电压Ur相等时 比较器A2输出一脉冲使触发器翻转 从而循环上述过程 图4 25脉冲宽度调制电路 73 4 3 3电容式位移传感器测量电路 可以看出 电路充放电的时间 即触发器输出方波脉冲的宽度受电容C1 C2调制 当C1 C2时 各点的电压波形如图4 26 a 所示 Q和两端电平的脉冲宽度相等 两端间的平均电压为零 当C1 C2时 各点的电压波形如图4 26 b 所示 Q 两端间的平均电压 经一低通滤波器 为 4 13 式中 T1和T2分别为Q端和端输出方波脉冲的宽度 亦即C1和C2的充电时间 74 75 4 3 3电容式位移传感器测量电路 76 4 3 3电容式位移传感器测量电路 77 78 4 17 4 3 3电容式位移传感器测量电路 79 4 3 3电容式传感器的应用 80 4 3 3电容传感器应用 1 电容式位移传感器 图4 28电容式移传感器应用 81 4 3 3电容传感器应用 2 电容加速度传感器 图4 29电容式加速度传感器结构 82 4 3 3电容传感器应用 3 电容式物位传感器 图4 30电容式物位传感器原理 83 当两圆筒间充以介电常数为 1的气体时 则由该圆筒组成的电容器的电容量为 4 16 如果两圆筒形电极间的一部分被介电常数为 2的液体所浸没 设被浸没得电极长度为H 此时的电容量为图4 30电容式物位传感器原理 4 17 经整理可得 4 18 式中 C为电容器的电容值得增量 其值为 4 3 3电容传感器应用 84 4 3 3电容传感器应用 3 电容式物位传感器 图4 31电容传感器进行料位测量 传感器的电容可由下式表示 式中 k为比例常数 s为被测物料的相对介电常数 0为空气的相对介电常数 D为罐内直径 d为测定电极的直径 h为物料的高度 85 非接触检测塑料管道内溶液液位 当液位达到设定高度并超出时 溶液进入电容式传感器检测范围 传感器产生输出信号传送给控制机构 控制机构报警或进行其它动作 达到液位控制的目的 4 3 3电容式传感器的应用 86 4 3 3电容式传感器的应用 4 电容式测厚传感器 图4 32差动式电容测厚传感器测量原理 87 4 3 3电容式传感器的应用 88 4 3 3电容式传感器的应用 89 4 3 3电容式传感器的应用 90 91 92 置于磁场中的载流导体 当它的电流方向与磁场方向不一致时 载流导体上平行电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势 这种现象称为霍尔效应 4 4霍尔位移传感器 4 4 1霍尔传感器结构与工作原理 2020 2 16 93 长l 宽b 厚d N型半导体材料 霍尔效应 1 1 2020 2 16 94 推导目的 得到霍尔电势UH与I B的关系 二力动态平衡时 有 n N型半导体中的电子浓度 电流密度 霍尔电势 霍尔效应 2020 2 16 95 灵敏度系数 表示在单位B和单位I时的霍尔电势的大小 2020 2 16 96 材料要求 金属材料 绝缘材料 半导体材料 霍尔系数 灵敏度系数 载流子的迁移率 霍尔元件都是由半导体材料做成 尤其是N型 锗 Ge 硅 Si 砷化铟 InAs 锑化铟 InSb 2020 2 16 97 霍尔电势 续 UH IB成正比关系 KH n 半导体的电子浓度 e 电子当量 d 霍尔元件的厚度 成反比关系 2020 2 16 98 霍尔元件的构造 控制电流端引线 红色 黑端 霍尔输出端引线 绿色 白端 4端器件 2020 2 16 99 霍尔元件的测量电路 提供激励电流 调节激励电流的大小 负载电阻 通常是显示仪表 记录装置 放大器的输入阻抗 UH一般在毫伏量级 实际使用后端应加放大器 2020 2 16 100 1 额定激励电流IH使霍尔元件温升10 所施加的控制电流值称为额定激励电流 通常用IH表示 2 输入电阻Ri它是指控制电流极间的电阻值 它规定要在室温 20 5 的环境温度中测取 3 输出电阻Rs它是指霍尔电极间的电阻值 规定中要求在 20 5 的条件下测取 霍尔元件主要技术指标 2020 2 16 101 霍尔元件主要技术指标 不等位电阻 ro Uo IH 4 不等位电势Uo及零位电阻r0当霍尔元件通以控制电流IH而不加外磁场时 它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在 该电势就称为不等位电势 或零位电势 2020 2 16 102 霍尔电极位置不对称或不在同一等位面上 2 材料不均匀或几何尺寸不均匀3 激励电极接触不良 产生不等位电势的主要原因 理想状况下Uo 0 但由于霍尔元件的某种结构原因造成Uo 0 则电桥处于不平衡状态 即四个分布电阻的阻值不等 可采用不等位电势补偿线路进行补偿 103 4 4 3霍尔传感器测量电路与误差补偿 2 误差补偿 2 温度误差及其补偿 图4 39霍尔元件温度补偿方法 2020 2 16 104 补偿 将霍尔元件视为一个电桥 则A B为控制电流极 C D为霍尔电极 在极间分布的电阻用4个电阻r1 r2 r3 r4表示 理想情况下 4个电阻相等 则不等位电势为0 实际情况下 4个电阻并不相等 即电桥不平衡 所以对外显示有不等位电势 1 不等电位电势补偿 2020 2 16 105 不等位电势的补偿电路 106 霍尔器件在x方向上长度为b x0是位于气隙下的初始长度 此传感器常采用差动结构 4 4 4霍尔传感器应用 2020 2 16 107 霍尔式传感器的应用 测量位移 梯度磁场 磁场梯度变化越大 灵敏度越高 梯度变化越均匀 霍尔电势与位移的关系越接近线性 2020 2 16 108 霍尔式位移传感器 霍尔式位移传感器原理示意图 梯度磁场 磁场梯度变化越大 灵敏度越高 梯度变化越均匀 霍尔电势与位移的关系越接近线性 2020 2 16 109 霍尔式压力传感器 霍尔式压力传感器结钩原理图及磁钢外形 110 4 4 4霍尔传感器应用 111 112 113 2020 2 16 114 霍尔传感器是一种磁敏感元件 利用霍尔效应工作 霍尔效应产生的霍尔电势与通过的控制电流以及垂直于霍尔元件的磁感应强度有关 霍尔元件的技术指标中最重要的是 不等位电势和不等位电阻 若将霍尔元件视为电桥 则可采用桥臂上并联电阻的方式进行不等位电势的补偿 利用霍尔传感器可以测量最终能够转换成电流 磁感应强度的物理量 实际应用中 常利用霍尔集成电路测量位移 磁场强度 转速以及电流 电压 小结 115 4 7 1超声波及其特性波动 简称波 振动在弹性介质内的传播声波 其频率在16 2 104Hz之间 能为人耳所闻的机械波次声波 低于16Hz的机械波超声波 高于2 104Hz的机械波微波 频率在3 108 3 1011Hz之间的波 4 7超声波传感器 116 声波的频率界限图 117 4 7 1超声波及其特性 超声波的反射和折射 2 反射与折射 118 4 7 1超声波及其特性 声波在介质中传播时 随着传播距离的增加 能量逐渐衰减 其声压和声强的衰减规律满足以下函数关系 式中 声波在距声源x处的声压和声强 声波在声源处的声压和声强 声波与声源间的距离 衰减系数 3 声波的衰减 119 4 7 2超声