传感器PPT课件

第9章机械位移传感器，第1节电容位移传感器，第2节电感位移传感器，第3节变压器位移传感器，第4节节能涡流位移传感器，第5节电阻位移传感器，第2节电容位移传感器，电容位移传感器是一种将被测物体的位移变化转化为电容的电容变化的传感器，通常用于测量高频振动的小位移。电容式位移传感器将测量的位移转换成电容的变化。它使用各种类型的电容器作为转换元件。在大多数情况下，它是由两个平行板组成的空气基电容器，有时它由两个平行的圆柱体或其他平行表面组成。因此，电容传感器的工作原理可以用平行板电容器来解释，如图9-1所示。当不考虑边缘电场的影响时，其电容为：其中：电容C，单位为f；板之间介质的介电系数，单位为FM-1；由两块平行的A板覆盖的有效面积，单位为平方米；两平行板之间的距离，单位为米。根据不同的工作原理，第一节电容式位移传感器可分为三种类型：可变间隙型(变化)、可变面积型(a变化)和可变介电系数型(变化)。根据不同的板形，有两种类型：平板型和圆柱型。图9-2中的(a)至(b)是电容式位移传感器的结构示意图，并且电容变化是由可移动电极的位移引起的。其中，图9-2(a)、(b)是线性位移传感器，图9-2(c)、(d)是角位移传感器。图9-2(a)是可变间隙类型，图9-2(b)、(c)和(d)是可变面积类型。图9-2 (I)至(1)属于可变介电系数公式。图9-2(i)和(j)中的电容变化是由板之间固体或液体介质的运动引起的。图9-2(k)和(l)中的电容变化主要由介质的温度和密度的变化引起。图9-2 (e)至(h)是差动电容传感器，其由具有相同结构的两个电容传感器组成。它们共享一个可移动的电极。当可移动电极处于初始中间位置时，两个传感器的电容相等。当可移动电极偏离中间位置时，一个电容增加，另一个电容减少。与单个传感器相比，差动传感器的灵敏度提高了一倍，非线性得到改善，温度误差得到补偿。上一页，下一页，返回，4、第一节电容式位移传感器，可变间隙式一般用于测量微小的线性位移(可小到0.01m 0.01 mm)，也可用于改变由力、位移、振动等引起的板间距离。它灵敏度高，易于实现非接触测量，因此应用广泛。可变面积公式通常用于测量角位移或较大的线性位移。变介电系数公式常用于固体或液体的液位测量，也用于测量各种介质的温度、密度等状态参数。图9-3是可变面积电容位移传感器的结构图。测量杆1随着待测量物体的位移而移动，这驱动可移动极板4上下移动，从而改变可移动极板和两个固定极板10、11之间的极板面积并改变电容。由于传感器采用可变面积差动形式，线性度更好。图中的测力弹簧3、5保证了测量杆和可动极板能够很好地随被测物体移动，调节螺钉用于调节位移传感器的零点。上一页，下一页，返回，5、第一节电容式位移传感器，图9-4为南京传感器厂生产的LVCT型电容式位移测量仪结构图，可将输入的线性位移转换为电输出，输出灵敏度为200毫伏/毫米 1000毫伏/毫米，测量范围为20毫米，线性度为0.050.3，可用于测试压力、应变、液位等可转换为线性位移的各种机械和物理量。在电容式位移传感器的实际使用过程中，传感器本身的电容很小，只有几十微法到几微法，所以很容易受到外部寄生电容的干扰。如果传感器和放大电路之间采用电缆连接，电缆本身的寄生电容可能比传感器的工作电容大得多。因此，当它与传感器电容相关联时，会严重影响传感器的输出特性，大大降低电容的相对变化率，甚至使传感器无法工作。为了解决这个问题，一种方法是将测量电路安装在传感器附近，或者用集成电路的方法将所有的测量电路安装在传感器外壳内，并对外壳和引线采取屏蔽措施。上一页，下一页，返回，6、第一种电容式位移传感器，另一种方法是使用驱动电缆法，如图9-5所示。图中，传感器的输入引线采用双层屏蔽电缆。电缆引线将电容板上的电压传输到测量电路，同时传输到增益比为1: 1的放大器。放大器的输出端连接到内屏蔽层。由于内屏蔽和引线之间的等电位，两者之间没有电容电流，这等效于消除了引线和内屏蔽之间的电容连接。然而，外部屏蔽接地后，对地电容将成为1: 1放大器的负载，不再与传感器电容并联。这样，无论电缆的形状和位置如何变化，都不会影响传感器的工作。用这种方法，即使传感器的电容很小，传输电缆也有几米长，传感器仍能正常工作。在上一页，返回。7，第2节感应位移传感器，一种结构类型的感应位移传感器有多种类型，目前有三种常用类型，即可变气隙型、可变面积型和螺旋型，如图9-6所示。虽然形式不同，但都包括线圈、铁芯和活动电枢。对于可变间隙传感器，气隙的大小随测量的变化而变化，这改变了磁路中气隙的磁阻，从而导致线圈电感的变化。电感的这种变化对应于气隙的大小(即位移)。因此，只要可以测量电感的这种变化，就可以测量位移。可变面积型是指气隙的长度保持不变，而铁芯和电枢之间的相对覆盖面积随着测量位移的变化而变化，导致线圈电感的变化。线圈型传感器的特征在于线圈的电感随着电枢的插入长度而变化。理论上，电感的相对变化与电枢位移的相对变化成正比，但实际上，由于线圈中磁场强度沿轴向的不均匀分布，其输出仍然是非线性的。在下一页，返回。8、第二电感位移传感器，在三种传感器中，可变气隙型的灵敏度最高，并且随着气隙的增大而减小，具有较大的非线性误差。为了减小非线性误差，测量范围必须限制在一个小范围内，所以它只能用于测量小位移，一般为0.001毫米 1毫米；变面积传感器的灵敏度小于变间隙传感器，理论灵敏度为常数，线性度好，测量范围大于变间隙传感器，应用范围大于变间隙传感器。在这三种传感器中，螺旋管传感器的测量范围最大，可达几十毫米，灵敏度低，但其结构简单，易于制造，因此应用广泛。对于这三种类型的传感器，由于流过线圈的电流不等于零，所以存在初始电流，该初始电流是非线性的，并且电磁引力作用在可移动电枢上。易受外部干扰，如电源电压和频率波动、温度变化等。会使输出产生误差，所以它不适合精确测量，只用于一些继电器信号装置。在实际应用中，差动感应传感器被广泛使用。上一页，下一页，返回，9、第二节感应式位移传感器，两个差动感应式差动电感传感器的两个线圈通常连接到交流电桥的两个臂上。如图9-8所示，它们由交流电源供电，输出交流电压U0在电桥的另一对角端。在初始位置，电枢处于中间位置，两侧的气隙相等，因此两个线圈的电感理论上相等，Z1=Z2，Z3=Z4=R0，电桥平衡，输出U0=0。当电枢从中间位置向上(左)或向下(右)移动时，两个线圈的电感增加或减少，电桥失去平衡，因此有电压输出。输出电压的幅度与电枢运动的幅度成正比，其相位与电枢的运动方向有关。如果可以测量输出电压的大小和相位，就可以确定电枢位移的大小和方向。与单线圈电感传感器相比，差动电感传感器具有改善的输出非线性、小的初始零信号和双重灵敏度。由于使用差分电桥输出，对外界的抗干扰能力，如温度和电源频率的变化，也大大增强。由于两个线圈铁芯对电枢的吸引方向相反，中间位置的吸引力为零，铁芯对活动电枢的吸引力大大减小。因为差动传感器有许多优点，所以被广泛使用。第二段的感应式位移传感器和差动式可变间隙传感器的工作行程只有几微米到几毫米，因此适用于小位移的测量，螺旋位移传感器常用于大范围位移的测量。图9-9是使用差动电感的轴向位移传感器的结构图。图中，可更换的测量颈10通过螺纹拧在测量杆8上，测量杆8可以在钢球导轨7上轴向移动，电枢3固定在测量杆的上端，当测量杆移动时，电枢3被驱动在电感线圈中移动，线圈4放置在圆柱形开口磁芯2中；当电枢3在中间位置向上移动时，上线圈的电感增加，下线圈的电感减小，电感变化由导线1引出，从而与测量电路连接。为了使测量头总是接触被测件，弹簧5产生一定的接触力。防转销6用于限制测量杆8的旋转，密封套9用于防止灰尘进入测量头。由于测量杆直接与滚动导轨连接，消除了径向间隙，提高了测量精度，灵敏度和使用寿命达到较高指标。LG系列差动感应位移传感器的型号和规格见表9-1。它与CBS数字静态位移测量仪配合使用。它不仅能检测和控制物体的位移，还能监测和控制物体的长度和厚度等变量。差动电感传感器的测量电路一般采用交流电桥，如图9-8所示，其实际输出特性曲线如图9-10实线所示。上一页，return，13，第三节变压器式位移传感器，差动变压器式位移传感器是目前位移测量中使用最广泛的传感器，它利用线圈的互感将位移转换成感应电势的变化。传感器本身是一个变压器，其结构如图9-11所示。它由一个初级线圈、两个相同的次级线圈和一个可移动电枢组成。由于两个次级线圈根据电势反相串联，并以差动模式输出，因此它们被称为差动变压器型传感器。当某一正弦交流电压u1施加到初级线圈P时，在次级线圈中产生感应电势e21和e22。当电枢处于中间位置时，两个次级线圈的互感相同，感应电势e21=e22，输出电压为零。当电枢向上移动时，S1互感大，S2互感小，感应电势e21e22，输出电压u2=e21-e22不为零，并且在传感器的范围内，移动越大，输出电压越大。当电枢向下运动时，S2互感大，S1互感小，在其中，u01是零位输出电压，曲线1是理想输出特性曲线，曲线2是实际输出特性曲线。为了区分零点两侧磁芯位移产生的输出相位，可以通过相位测量和相位敏感电路来确定。差动变压器的结构如图9-13所示。在图9-13(a)和(c)所示结构的传感器中，电枢是具有高灵敏度和小测量范围的平板，并且通常用于从几微米到几百微米的位移测量。如图9-13(b)所示，为了测量从1毫米到几百毫米的位移，通常使用圆柱形电枢线圈型差动变压器。图9-13(d)所示的结构是用于测量旋转角度的差动变压器，其通常可以测量几个角秒的小角位移，并且输出的线性范围通常约为10。图9-14是实际差动变压器位移传感器的结构图。在前一页，在下一页，返回。15，第三节变压器式位移传感器，探头1通过轴套2与测量杆3连接，活动衔铁4固定在测量杆上，线圈架上缠绕有三级线圈，中间为初级线圈，两端为次级线圈，均通过导线6与测量电路连接。7是一个屏蔽圆筒，旨在提高灵敏度和防止外部磁场的干扰。该杆使用碟形弹簧8作为导轨，以从弹簧9获得回复力。10是防尘罩，用于防止灰尘进入测量杆。这种位移传感器的特性取决于差动变压器的特性，主要包括灵敏度、零电压和线性度。差动变压器位移传感器的灵敏度由单位位移输出的电压或电流表示，当测量电路的输入阻抗为低电阻时，则由电流灵敏度表示。一般差动变压器的灵敏度可达0.1V/mm5V/mm或100毫安/mm，高精度差动变压器位移传感器的灵敏度更高。由于其灵敏度高，在测量大位移时不需要放大器，所以测量电路非常简单。上一页，下一页，返回。16、变压器位移传感器的第三节，线性度是传感器精度的另一个重要指标，它表明传感器的输出电压是否与位移有线性关系，以及在什么范围内可动衔铁的位移保持线性关系，它对于所设计的传感器是一个恒定值。常用的线圈式差动变压器的线性范围一般为：线性度可达0.1%0.5%。激励频率也称为载波频率，它不仅影响灵敏度和线性度，还限制了变压器的动态特性。因此，正确选择激励频率也很重要。灵敏度与激励电压成正比，并随着激励频率的增加而增加。然而，这种现象仅在某一频率范围内，超过该频率范围，灵敏度将降低。这是由于当频率非常高时，有效电阻、涡流损耗、磁滞损耗和其他原因的增加。差动变压器的有效励磁频率为50Hz1MHz，但通常为400Hz10kHz。在动态测量中，通常认为激励频率和移动电枢的信号频率之间的最小比率是101，换句话说，可测量的信号频率取决于激励频率。如果比率小于10: 1，信号分辨率将会下降。在实际传感器中，由于结构不对称、输入电流和磁通量的不同相位、线圈间的寄生电容等因素，输出电压不为零。这个值称为零电压。零电压的存在使得传感器的输出特性在零位置附近的范围内不敏感。在大多数情况下，这种情况并不严重。然而，当变压器的灵敏度要求非常高并且输出需要放大时，必须在测量电路中采取补偿措施。零补偿电路如图9-15所示。与许多可选的传感器相比，差动变压器有以下优点：没有机械过载问题，因为铁芯可以完全分离差动变压器的最大缺点可能是动态测量，因为铁芯的质量相当大，这使得差动变压器的质量相当大。此外，过高的激励频率对灵敏度和线性度的影响也是一个不利因素，因此差动变压器不适合高频动态测量。差动变压器位移传感器可用于测量压力、振动、加速度和位移以外的其他方面。表9-2显示了南京传感器厂生产的差动变压器位移传感器的类型和性能。上一页，return，19，第四节电涡流位移传