第四章 位移传感器

1、 第四章第四章 位移传感器位移传感器（Displacement Sensors） 位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量。位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量。 位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用电容式、应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传用电容式、应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。传感技术来测量。 常用位移传感器以模拟式结构型居多，本章主要介绍电容常用位移传感器以模拟式结

2、构型居多，本章主要介绍电容式位移传感器、电位器式位移传感器、应变式位移传感器、电式位移传感器、电位器式位移传感器、应变式位移传感器、电感式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。感式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。 dACr0 式中式中 d d -两极板间的间隙两极板间的间隙; ; A A - -两平行极板相互覆盖的有效面积；两平行极板相互覆盖的有效面积； r r 介质的相对介电常数；介质的相对介电常数； 0 0真空中介电常数。真空中介电常数。 因此，电容式传感器可分为：变极距因此，电容式传感器可分为：变极距d d 型；变面积型；变面积A A 型；变型；变介质介

3、质型。型。 第一节第一节 电容式传感器电容式传感器 （capacitive sensors) 特点：结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触特点：结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应，能在高温、辐射等恶劣条件工作。测量、具有平均效应，能在高温、辐射等恶劣条件工作。 应用：可用来检测位移应用：可用来检测位移 、压力等参量。、压力等参量。 一、工作原理一、工作原理 从结构上来分有：平板式、园柱式电容器。以平板式电容从结构上来分有：平板式、园柱式电容器。以平板式电容器为例：平板电容器的容量器为例：平板电容器的容量 metal plate，insulating mater

4、ial，relative permitivity，Permitivity of vaccum 1.变面积型变面积型(Variable Area Type)： （1）直线位移型：平面位移型电容传感器原理图如左图所示。）直线位移型：平面位移型电容传感器原理图如左图所示。线性度好，量程大。宜于测量位移（线性度好，量程大。宜于测量位移（201000m）。）。 C= (a-x)b/d = ab/d - bx/d K=C/x= b/d 为线性灵敏度。为线性灵敏度。 （2）角位移型：角位移电容传感器原理图所右图所示。）角位移型：角位移电容传感器原理图所右图所示。 （3 3）直线型容栅传感器（长容栅）直线型容

5、栅传感器（长容栅） 容栅传感器是一大类变面积原理的电容传感器，它的电极容栅传感器是一大类变面积原理的电容传感器，它的电极不止一对，电极排列呈梳状，不止一对，电极排列呈梳状，故称为容栅传感器。故称为容栅传感器。 图中，图中，1为定尺，为定尺，2为动尺。为动尺。 当动尺沿当动尺沿x方向平行于方向平行于定尺不断移动时，每对电容定尺不断移动时，每对电容的相对遮盖长度的相对遮盖长度a将周期性将周期性变化，电容量值也随之相应变化，电容量值也随之相应周期变化，经电路处理后，周期变化，经电路处理后，则可测得线位移值。则可测得线位移值。 容栅传感器是一种大位移传感器，当安装在不同的设备上容栅传感器是一种大位移传

6、感器，当安装在不同的设备上时可以构成不同的测长仪器。现已成功地在量具（如电子数显卡时可以构成不同的测长仪器。现已成功地在量具（如电子数显卡尺、千分尺）、量仪（如高度仪、坐标仪）和机床数显装置（如尺、千分尺）、量仪（如高度仪、坐标仪）和机床数显装置（如机床行程测量）等方面得到应用。机床行程测量）等方面得到应用。 主要特点：测量精度高，达主要特点：测量精度高，达5mm，量程大，达，量程大，达1m。 2.2.变间隙型变间隙型(Variable Separation Type）： （1 1）基本结构：变极距型电容传感器如图所示。）基本结构：变极距型电容传感器如图所示。 从上式看出，极距从上式看出，极距

7、d与电容与电容C成反比，因此输入输出呈非线性。成反比，因此输入输出呈非线性。 为提高灵敏度，需减小极距。一般初始极距取为为提高灵敏度，需减小极距。一般初始极距取为10-1mm左右。左右。因此，变极距型电容传感器适合测微位移（因此，变极距型电容传感器适合测微位移（0.01102 m） 。当极板初始距离由当极板初始距离由do减少减少d时，则电容量相应增加时，则电容量相应增加C，即，即 电容相对变化量电容相对变化量C/CoC/Co为为 由于由于 ，在实际使用时常采用近似线性处理，在实际使用时常采用近似线性处理，即即 此时产生的相对非线性误差此时产生的相对非线性误差o为为 （2 2）差动结构：变）差动

8、结构：变d d型差动电容传感器结构示意图所示，实型差动电容传感器结构示意图所示，实际应用中，为提高灵敏度，减小非线性，一般采用差动式结构。际应用中，为提高灵敏度，减小非线性，一般采用差动式结构。 它有三个极板，其中两个固定它有三个极板，其中两个固定不动，为固定极板，只有中间极板不动，为固定极板，只有中间极板可产生移动。可产生移动。 当中间的移动极板处于平衡位当中间的移动极板处于平衡位置时，即置时，即d1=d2=d0，则，则C1=C2=C0， 如果活动极板向右移动如果活动极板向右移动d，则则 d1=d0d，d2=d0+d )()(1 3020001 ddddddCC)()(1 3020002 d

9、dddddCC)(22300021 ddddCCCC电容总的变化为电容总的变化为)dd()dd(1 dd2CC402000 3.变介质型（变介质型（Variable Dielectric Type）：）：（1)极扳间充满一种介质：可测粮食及土壤等水分、湿度。极扳间充满一种介质：可测粮食及土壤等水分、湿度。 水的相对介电常数为水的相对介电常数为r =81，比其它材料的相对介电常数大，比其它材料的相对介电常数大得多。介质的含水量越大得多。介质的含水量越大,r 越大。越大。dACr0 电容式数字显电容式数字显示水份测定仪，采示水份测定仪，采用两根不修钢直接用两根不修钢直接插入法测定粮食的插入法测定粮

10、食的含水量含水量 （2）两种介质构成的电容并联形式的传感器：可测液位。）两种介质构成的电容并联形式的传感器：可测液位。dDLCln2 （3 3）两种介质构成的电容串联形式的传感器：可测绝缘）两种介质构成的电容串联形式的传感器：可测绝缘材料厚度。材料厚度。 若介质厚度不变，而空气湿度改变，则相对介电常数若介质厚度不变，而空气湿度改变，则相对介电常数r改变时，电容量将发生较大变化，此时，该电容器可作为相改变时，电容量将发生较大变化，此时，该电容器可作为相对介电常数测试传感器。若相对介电常数对介电常数测试传感器。若相对介电常数r不变，其介质厚不变，其介质厚度改变，则该电容器可作为厚度检测传感器。度改

11、变，则该电容器可作为厚度检测传感器。 3.电容传感器的测量电路电容传感器的测量电路（1）电桥电路）电桥电路 1）普通交流电桥）普通交流电桥2 2）变压器电桥）变压器电桥当电桥输出端开路时，当电桥输出端开路时，电桥输出为电桥输出为 若若C1、C2为差动电容传感器的测量时，为差动电容传感器的测量时， C1 =C0 +C，C2 =C0 -C， 则则（2 2）调频电路）调频电路 调频电路是将传感器电容与由一电感元件配合的放大器组成调频电路是将传感器电容与由一电感元件配合的放大器组成一个调频振荡器。一个调频振荡器。振荡器频率为：振荡器频率为：（3）脉冲宽度调制电路）脉冲宽度调制电路4.应用应用（1）di

12、splacement 变间隙：微米数量级变间隙：微米数量级 变面积：毫米数量级变面积：毫米数量级 长容栅：厘米数量级，可达几米长容栅：厘米数量级，可达几米（2）pressure（3）humidity（4）liquid level（5）thickness二、 5.5.电容式传感器的电容式传感器的特点：特点： (1(1) )小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量小功率、高阻抗。受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法至几十皮法。因都很小，一般仅几皮法至几十皮法。因C C太小，故容抗很大，为高太小，故容抗很大，为高阻抗元件，负载能力差；故易受外界干扰，信号需经放大，并采阻抗

13、元件，负载能力差；故易受外界干扰，信号需经放大，并采取抗干扰措施。取抗干扰措施。 (2(2) )静电引力小，动作能量低；动态特性好。静电引力小，动作能量低；动态特性好。 (3(3) )本身发热影响很小。因功率小、介质损耗小，不存在自热本身发热影响很小。因功率小、介质损耗小，不存在自热产生的零漂和热变化。产生的零漂和热变化。 (4(4) )结构简单。电容传感器由两个极板就可组成，结构简单、结构简单。电容传感器由两个极板就可组成，结构简单、紧凑。紧凑。 (5(5) )初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路构成的寄生电容初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路构成的寄生电容影响很大。影响很大。自感式自感式

14、变磁路气隙长度式变磁路气隙长度式变磁路截面积式变磁路截面积式螺管式螺管式互感式互感式差动变压器差动变压器电涡流式电涡流式 第二节第二节 电感式传感器电感式传感器 ( inductive sensors ) 利用磁路磁阻变化引起传感器的电感（自感或互感）变化利用磁路磁阻变化引起传感器的电感（自感或互感）变化来检测非电量。来检测非电量。 应用：检测位移、振动、力、加速度、应变、流量等。应用：检测位移、振动、力、加速度、应变、流量等。 特点：结构简单、工作可靠、寿命长、性能好、能适应恶特点：结构简单、工作可靠、寿命长、性能好、能适应恶劣的环境。劣的环境。 分类：分类： 一、自感式电感传感器一、自感式

15、电感传感器 （Variable inductance sensors） 1.可变磁阻式传感器（可变磁阻式传感器（Variable reluctance type）：由铁芯、）：由铁芯、线圈和衔铁组成。线圈和衔铁组成。(armature，core，N turn coils，flux，permeability) （1）原理：）原理： 衔铁移动衔铁移动x =磁路磁阻变化磁路磁阻变化Rm=电感电感L变化；变化； 线圈的电感量：线圈的电感量： （1） 式中式中 磁链；磁链； I 流过流过线圈的电流；流过流过线圈的电流； N线圈匝数。线圈匝数。 线圈的磁通量为：线圈的磁通量为： （2） 式中式中 Rm 磁

16、通通过路径的磁阻。磁通通过路径的磁阻。 INILmRNImRNL20/)(RRRRFm 因而由式（因而由式（1 1）和（）和（2 2）得）得 其中磁路的总磁阻为：其中磁路的总磁阻为： 式中式中 RF导磁体（铁芯和衔铁）的磁阻；导磁体（铁芯和衔铁）的磁阻； R气隙磁阻。气隙磁阻。 R0漏磁磁路的磁阻漏磁磁路的磁阻 由于一般由于一般R0很大，很大，RF很小，所以很小，所以RmR。 磁阻的计算公式为：磁阻的计算公式为： 式中式中 磁导率；通常铁芯的磁导率很高；故铁芯磁阻比气磁导率；通常铁芯的磁导率很高；故铁芯磁阻比气隙磁阻小得多。隙磁阻小得多。 A 气隙磁路的横截面积，即导磁体的横截面积；气隙磁路的

17、横截面积，即导磁体的横截面积； AlRmmH /104700rAR210202ANL 真空中的磁导率真空中的磁导率 。其它材料的磁导率。其它材料的磁导率 可用相对磁导率可用相对磁导率r来表示：来表示： 空气的相对磁导率为空气的相对磁导率为1 1。所以气隙磁阻为：。所以气隙磁阻为： 式中式中 2 2气隙的总长。气隙的总长。 故线圈的电感量为：故线圈的电感量为： 上式表明：线圈的电感量与线圈的总匝数上式表明：线圈的电感量与线圈的总匝数N N 、导磁体横截面、导磁体横截面积积A A、空气磁导率、空气磁导率0及气隙长度及气隙长度2有关。有关。)2 . 01 . 0( 1）变气隙长度电感传感器变气隙长度

18、电感传感器 当传感器结构确定后，当传感器结构确定后，N、A、0均为定值，气隙长度的变均为定值，气隙长度的变化使得线圈电感量化使得线圈电感量L变化。变化。 特点：特点： 线性范围小：线性范围小： 从上式看出，电感量从上式看出，电感量L与气隙长度与气隙长度成非线成非线性（反比）关系，但是当性（反比）关系，但是当 时，可近似认为二时，可近似认为二者成线性关系。因此，这种形式的传感器线性范围小，适合测者成线性关系。因此，这种形式的传感器线性范围小，适合测微位移。微位移。 灵敏度较高（与其它形式相比）：灵敏度较高（与其它形式相比）：越小，灵敏度越高，越小，灵敏度越高，但但的减小受到工艺和结构的限制，一般

19、的减小受到工艺和结构的限制，一般取取0.10.5mm。202ANL 2）变面积式自感传感器：）变面积式自感传感器： 原理：原理： x变化变化=A变化变化=L变化；变化； 如右图所示。如右图所示。 特点：特点： 线性范围较大：由线性范围较大：由 知，在忽略气隙磁通边知，在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输出呈线性。缘效应的条件下，输出呈线性。 灵敏度不高：欲提高灵敏度，需减小灵敏度不高：欲提高灵敏度，需减小 ，但，但的减小同样的减小同样受到工艺和结构的限制，值的选取与变气隙式相同。受到工艺和结构的限制，值的选取与变气隙式相同。 2 2. .螺管式螺管式（solenoid coil ） （1 1）原

20、理：）原理： 衔铁插入深度衔铁插入深度x变化变化= 线圈泄漏路径中磁阻变化线圈泄漏路径中磁阻变化= L L变化；变化； 如右图所示。如右图所示。 (2）特点：）特点： 线性范围最大：从磁通分布看，只要满足主磁通不变线性范围最大：从磁通分布看，只要满足主磁通不变与线圈绕组排列均匀的条件，可得到较大的线性范围。与线圈绕组排列均匀的条件，可得到较大的线性范围。 灵敏度最低：由于气隙大，磁路磁阻大，故灵敏度低。灵敏度最低：由于气隙大，磁路磁阻大，故灵敏度低。欲提高灵敏度：可减小气隙，增加匝数，但受到结构与非线欲提高灵敏度：可减小气隙，增加匝数，但受到结构与非线性的限制。性的限制。 3.3.差动式自感传

21、感器差动式自感传感器（Differential inductive sensors） 以上三种自感传感器，虽然结构简单，运行方便，但也有以上三种自感传感器，虽然结构简单，运行方便，但也有缺点，如自线圈流往负载的电流不可能等于零，即使没有输入缺点，如自线圈流往负载的电流不可能等于零，即使没有输入信号时仍有输出。衔铁总是受到吸力作用；线圈电阻受温度影信号时仍有输出。衔铁总是受到吸力作用；线圈电阻受温度影响，有温度误差，不能反响，有温度误差，不能反映被测量的变化方向等。映被测量的变化方向等。因此这些自感传感器在实因此这些自感传感器在实际中应用较少。际中应用较少。 （1 1）结构：无论是气）结构：无论

22、是气隙型还是螺管型传感器都隙型还是螺管型传感器都可做成差动结构，如右图可做成差动结构，如右图所示。所示。 差动电感传感器的结构要求两导磁体尺寸性能完全相同，差动电感传感器的结构要求两导磁体尺寸性能完全相同，同时两个线圈的电气参数、几何尺寸也完全相同。同时两个线圈的电气参数、几何尺寸也完全相同。 （2 2）特点：）特点： 可提高灵敏度可提高灵敏度( (可提高一倍可提高一倍) )； 可降低非线性误差；可降低非线性误差； 还对电源电压和频率波动，及温度等外界影响也有补偿还对电源电压和频率波动，及温度等外界影响也有补偿作用，从而提高稳定性。作用，从而提高稳定性。 差动结构还可对衔铁受到的电磁吸力进行补

23、偿。差动结构还可对衔铁受到的电磁吸力进行补偿。 4 4. .测量电路：测量电路： (1)(1)电桥测量电路电桥测量电路 如右图所示如右图所示 。 设衔铁位于气隙中间位置时线圈设衔铁位于气隙中间位置时线圈Z Z1 1，Z Z2 2的阻抗相等，为的阻抗相等，为Z Z0 0，即，即 这时电桥平衡，输出为这时电桥平衡，输出为0 0。当衔铁移。当衔铁移动时，两线圈的变化分别为动时，两线圈的变化分别为 输出输出Vo正比于正比于Z1与与Z2的差值。的差值。+-+-Z1Z2Z3Z4UoU021ZZZ43ZZ ZZZ01ZZZ02（2 2）相敏检波电路）相敏检波电路 交流电桥输出的相量可反映被测量的大小和方向，

24、但用一般交流电桥输出的相量可反映被测量的大小和方向，但用一般的指示仪表却丢失了方向信号。的指示仪表却丢失了方向信号。 当衔铁居中时，当衔铁居中时，Z1=Z2。当。当Z1，Z2时：时：正半周正半周Ua正，正，Ub负负VD1、VD4导通导通AECBAECB支路：支路： U Uc c u0负负 u0负负AFDBAFDB支路：支路： U Ud d负半周负半周Ua负，负，Ub正正VD2、VD3导导通通BCFABCFA支路：支路： u0负负BDEABDEA支路：支路： +-VD1VD2VD3VD4ABCDEFABUoUZ1Z2Z3Z4 同理，当同理，当Z1，Z2时，时， UO 为正。故为正。故UO不仅反映

25、线不仅反映线圈阻抗变化大小，还能反映圈阻抗变化大小，还能反映变化方向。变化方向。变面积式变面积式 变气隙式变气隙式 螺管式螺管式 L=KX L=K/X L=KXL=KX L=K/X L=KX 几毫米几毫米 几微米几微米 几十毫米几十毫米线性灵敏度中线性灵敏度中 线性灵敏度高线性灵敏度高 线性灵敏度小线性灵敏度小二、互感式传感器二、互感式传感器(差动变压器差动变压器) （LVDT）1.原理：原理： 衔铁位移衔铁位移x变化变化=互感（互感（M1，M2）变化）变化,如图所示。如图所示。+-1I+-+-+-xM1M21UoU21U22UL1L21L22R1)(xfM +-+-2122212 UUUUo

26、+-+-+-+-+-2122UUUo21U22UoUoU21U22UU 说明：说明： （1 1）与变压器的区别：变压器：闭合磁路，）与变压器的区别：变压器：闭合磁路，M M 为常数；为常数； 差动变压器：开磁路，差动变压器：开磁路， 。 （2 2）输出端采用）输出端采用“反向串联反向串联”：其输出为电压，和差动电：其输出为电压，和差动电桥方式相比，后者灵敏度低一倍：桥方式相比，后者灵敏度低一倍： 反向串联与交流电桥的比较如图所示。反向串联与交流电桥的比较如图所示。 2.主要特性主要特性 （1）输出特性：）输出特性：U0=K1X(1-K2X2)=K1X ，与，与Ui及及f有关。有关。 （2）线性

27、度：较好）线性度：较好 （3）灵敏度：在单位电压励磁下，铁芯移动单位距离时的输）灵敏度：在单位电压励磁下，铁芯移动单位距离时的输出电压一般大于出电压一般大于 50mV/mm/V。 （4）励磁频率：要求大于衔铁运动频率的）励磁频率：要求大于衔铁运动频率的10倍。倍。 频率太低，灵敏度显著降低；太高，铁损和耦合电容的影响频率太低，灵敏度显著降低；太高，铁损和耦合电容的影响增加。增加。 一般为一般为501MHZ，且可测信号频率取决于励磁频率，要且可测信号频率取决于励磁频率，要求后者至少大于衔铁运动频率的求后者至少大于衔铁运动频率的10倍。倍。 （5）温度影响）温度影响 （6）零位输出电压：衔铁处于中

28、间位置时，变压器不为零的）零位输出电压：衔铁处于中间位置时，变压器不为零的输出电压，主要是基波、三次谐波。输出电压，主要是基波、三次谐波。 产生的原因有：产生的原因有： 基波是由于传感器的两个次级线圈绕组的电气参数，几何尺寸基波是由于传感器的两个次级线圈绕组的电气参数，几何尺寸不对称。不对称。 三次谐波是由于铁芯磁化曲线（三次谐波是由于铁芯磁化曲线（B-H）的非线性磁饱和磁滞。）的非线性磁饱和磁滞。I-H正弦，则正弦，则B非正弦，非正弦，U=d /dt非非正弦。正弦。 3.测量电路测量电路 （1）差动相敏整流电路）差动相敏整流电路 如图所示。如图所示。（2 2）差动整流电路）差动整流电路 如下

29、图所示。如下图所示。四、电 四、电涡流式传感器四、电涡流式传感器 (eddy sensor) (eddy sensor) 电涡流式传感器是电涡流式传感器是7070年代以来得到发展的一种传感器，年代以来得到发展的一种传感器，它利用涡流效应进行工作。它利用涡流效应进行工作。 特点：特点： 结构简单；结构简单； 灵敏度高；灵敏度高； 频响范围宽；频响范围宽； 不受油污等介质的影响；不受油污等介质的影响； 能进行非接触测量。能进行非接触测量。 1I1H2I2H2H1H 1.电涡流效应：电涡流效应： 一个通有交变电流一个通有交变电流 的线圈，在线圈周围产生一个交变磁的线圈，在线圈周围产生一个交变磁场场

30、。当导体置于此磁场范围时，导体内感生电涡流。当导体置于此磁场范围时，导体内感生电涡流 。此涡流。此涡流也产生一个磁场也产生一个磁场 。由于。由于 与与 方向相反而减弱原磁场，消方向相反而减弱原磁场，消耗部分能量，从而使线圈的电感量、阻抗和品质因数发生改变。耗部分能量，从而使线圈的电感量、阻抗和品质因数发生改变。这种现象称为电涡流效应。这种现象称为电涡流效应。2.2.结构：结构： 电涡流式传感器的基本结构包括探头和变换器两部分。变换电涡流式传感器的基本结构包括探头和变换器两部分。变换器由测量电路组成；探头主要是由一个固定在框架上的扁平线圈器由测量电路组成；探头主要是由一个固定在框架上的扁平线圈组

31、成，一般放在端部。组成，一般放在端部。 3 3. .主要特性：主要特性： （1 1）输入输出特性：）输入输出特性： 一般一般X X越小，越小，L L则减小越多，则减小越多，Z Z越小，越小，则则U U越小。越小。 输出的线性范围大约为：输出的线性范围大约为：1/51/51/31/3，外径越大，线性范围越大，但灵敏度越外径越大，线性范围越大，但灵敏度越低。低。图图4-28 4-28 电涡流电涡流传感器输出特性传感器输出特性 （2 2）灵敏度：）灵敏度： 与探头线圈几何尺寸有关；与探头线圈几何尺寸有关； 与被测导体的大小形状及材质有关；与被测导体的大小形状及材质有关； 涡流在以线圈轴线为圆心，半径

32、为涡流在以线圈轴线为圆心，半径为0.50.51.81.8倍线圈半径范围倍线圈半径范围内，且在线圈外径处为最大，并有趋肤效应，故被测导体的半径内，且在线圈外径处为最大，并有趋肤效应，故被测导体的半径应大于线圈外径约应大于线圈外径约1.81.8倍，才不会影响灵敏度。厚度大于倍，才不会影响灵敏度。厚度大于0.2mm0.2mm不不会影响测量结果。会影响测量结果。R21I+-M2I1UL1L2R1 把导体中的涡流路径看作一个短路线圈，涡流传感器的电涡流把导体中的涡流路径看作一个短路线圈，涡流传感器的电涡流效应等效电路如图所示。当位移效应等效电路如图所示。当位移x x变化时，互感系数变化时，互感系数M M

33、变化，故输入变化，故输入回路的等效阻抗变化。回路的等效阻抗变化。22222222122222222111LRMLLjLRMRRIUZ 可见，线圈的等效电阻、等效电感、品质因数都受到互感可见，线圈的等效电阻、等效电感、品质因数都受到互感 M M 的的影响，因此可根据这一效应测量衔铁位移。影响，因此可根据这一效应测量衔铁位移。 4.4.测量电路测量电路 电涡流传感器常接成电涡流传感器常接成LCLC谐振回路，其谐振频率与电感量成反比，谐振回路，其谐振频率与电感量成反比，如下图所示。谐振频率中曲线如下图所示。谐振频率中曲线 f5 是没有被测体靠近时的是没有被测体靠近时的LCLC谐振回路谐振回路的幅频曲

34、线，其它曲线为被测体靠近时的幅频曲线。可见，涡流效的幅频曲线，其它曲线为被测体靠近时的幅频曲线。可见，涡流效应使谐振回路的品质因数降低，但谐振频率的变化方向却不一定：应使谐振回路的品质因数降低，但谐振频率的变化方向却不一定： （1 1）差动电桥电路：）差动电桥电路： （2 2）调频电路：由涡流传感器线圈组成振荡器的振荡元件，）调频电路：由涡流传感器线圈组成振荡器的振荡元件，测量时线圈与被测体间的距离发生改变，而使线圈电感也改变，从测量时线圈与被测体间的距离发生改变，而使线圈电感也改变，从而使振荡器的振荡频率随之改变。而使振荡器的振荡频率随之改变。 （3）调幅谐振电路：该电路主要特征是把传感器线

35、圈的等效）调幅谐振电路：该电路主要特征是把传感器线圈的等效电感电感L和一固定电容组成并联谐振回路，由频率稳定的晶体振荡器和一固定电容组成并联谐振回路，由频率稳定的晶体振荡器提供高频励磁信号。提供高频励磁信号。 5.电涡流传感器的应用：电涡流传感器的应用： 适用范围广，这种传感器已广泛应用测量位移、振动、厚度、适用范围广，这种传感器已广泛应用测量位移、振动、厚度、转速、温度、硬度等参数，以及用于无损探伤领域。转速、温度、硬度等参数，以及用于无损探伤领域。 第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器 ( resistive sensors ) 一、一、 电位器式传感器电位器式传感器 （potentio

36、meter） 1.结构：电位器由电阻体、电刷、转轴、滑动臂、焊片等组成。结构：电位器由电阻体、电刷、转轴、滑动臂、焊片等组成。 线绕电位器旋转角与输出电压的关系如图所示，线绕电位器旋转角与输出电压的关系如图所示，阻值的变化呈阻值的变化呈阶梯式阶梯式。 2.分类：分类： （1）线绕式：）线绕式： （2）非线绕式：）非线绕式： 合成膜电位器合成膜电位器 金属膜电位器金属膜电位器 导电塑料电位器导电塑料电位器 导电玻璃釉电位器导电玻璃釉电位器 （3）光电式：）光电式： 由电阻体光电导层、导电极由电阻体光电导层、导电极构成。光束相当于电刷。非接触，构成。光束相当于电刷。非接触，无摩擦。光电电位器式传感

37、器如无摩擦。光电电位器式传感器如右图所示。右图所示。 二、电阻应变式传感器二、电阻应变式传感器 (strain gauge ) 导电材料（金属、半导体）导电材料（金属、半导体）在受力时产生变形（应变），在受力时产生变形（应变），其电阻会发生变化，即应变效应。其电阻会发生变化，即应变效应。 利用仪表效应可制成电阻应利用仪表效应可制成电阻应变片式传感器。变片式传感器。 1.应变片的结构和类型：应变片的结构和类型： 基于应变效应：基于应变效应： （1）结构：）结构： 为了在较小的尺寸范围内得到为了在较小的尺寸范围内得到较大的电阻变化量，通常把电阻丝较大的电阻变化量，通常把电阻丝制成栅状的应变敏感元件

38、，即电阻制成栅状的应变敏感元件，即电阻应变片应变片 。 敏感栅：应变片中实现力敏感栅：应变片中实现力电阻转换的敏感元件。它通常由电阻转换的敏感元件。它通常由直径为直径为0.0150.0150.05 mm0.05 mm的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。其阻值一般在其阻值一般在100100以上。以上。 基底：通常用粘结剂将基底：通常用粘结剂将敏感栅敏感栅固结在纸质或胶质的基底上。固结在纸质或胶质的基底上。 引线：敏感栅与测量电路之间的连线。引线：敏感栅与测量电路之间的连线。 盖层：用纸、胶做成覆盖在敏感栅上的保护层，起着防潮、防盖层：用纸、胶做成覆盖在

39、敏感栅上的保护层，起着防潮、防蚀、防损等作用。蚀、防损等作用。 粘结剂：在制造应变片时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基粘结剂：在制造应变片时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；在使用应变片时，用它把应变片基底再粘贴在试件表面的被测部底；在使用应变片时，用它把应变片基底再粘贴在试件表面的被测部位。位。 （2 2）类型：按材料分：金属应变片与半导体应变片；类型：按材料分：金属应变片与半导体应变片； 按形状分：丝状片与箔状片；按形状分：丝状片与箔状片； 2. 2.应变片的工作原理：基于应变效应，如下图所示。应变片的工作原理：基于应变效应，如下图所示。 （1 1） 当它受到轴向力当它受到轴向力F F

40、而被拉伸（或压缩）时，其而被拉伸（或压缩）时，其、l 和和 A A 均均发生变化。因而导体的电阻随之发生变化。对式（发生变化。因而导体的电阻随之发生变化。对式（1 1）两边取对数）两边取对数后再作微分，即可求得其电阻的相对变化后再作微分，即可求得其电阻的相对变化dR/R：AdAldldRdR （2）应变：单位长度的变化量）应变：单位长度的变化量 常用单位为微应变，可用常用单位为微应变，可用表示。表示。1=10-6 mm/mm。 （3）泊松系数：弹性材料的横向应变（）泊松系数：弹性材料的横向应变（dr/r）与纵向应变（）与纵向应变（dl/l） 之比为常数。其绝对值称为泊松比之比为常数。其绝对值称

41、为泊松比，即，即 对于一般的金属材料，对于一般的金属材料，在在0.30.5之间。之间。 （4）电阻丝的应变效应：）电阻丝的应变效应： = 由（由（2）得）得 （3）ldlldlrdrldlrdr/2rA22rdrAdAddRdR212（2 2）EdsKERdR)21 (EKs21 对半导体材料：在半导体材料上施加一作用力，其电阻率将发对半导体材料：在半导体材料上施加一作用力，其电阻率将发生显著变化，这种现象称为压阻效应。生显著变化，这种现象称为压阻效应。代入式（代入式（3 3）式得）式得 式中，式中， 为半导体材料的应变灵敏系数。称为压阻效应。为半导体材料的应变灵敏系数。称为压阻效应。 金属材

42、料的应变效应主要由结构尺寸变化造成，即金属材料的应变效应主要由结构尺寸变化造成，即 K Km m 主要由前主要由前半部分（半部分（1+21+2）组成，）组成，K Km m 在在2 26 6之间。半导体材料的应变效应主要之间。半导体材料的应变效应主要由压阻效应造成，而且由压阻效应造成，而且E E （1+21+2），通常），通常 K Ks s 可达可达150150200200。 3.应变片的特性参数应变片的特性参数 /温度误差及其补偿：温度误差及其补偿： （1）初始电阻）初始电阻Ro 应变片没有粘贴，也不受力时，室温下测定的电阻值。常见的有应变片没有粘贴，也不受力时，室温下测定的电阻值。常见的有6

43、0，120，600和和1000等类型。等类型。 （2）灵敏系数）灵敏系数k 应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数k 并不是导电材料的灵敏系数并不是导电材料的灵敏系数Km 或或Ks ，k 除受除受到敏感栅结构形状、成形工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到敏感栅结构形状、成形工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。到栅端圆弧部分横向效应的影响。 （3）允许工作电流）允许工作电流Imax（最大工作电流）（最大工作电流） 应变片正常工作范围内允许通过的最大电流值。通常丝状片为应变片正常工作范围内允许通过的最大电流值。通常丝状片为25 mA，对动态测量或使用箔式片时可取大一些

44、。另外，选取，对动态测量或使用箔式片时可取大一些。另外，选取Imax 值值时还应考虑被测构件材料导热性的好坏。时还应考虑被测构件材料导热性的好坏。（4）温度误差及其补偿：温度误差产生原因：）温度误差及其补偿：温度误差产生原因： 敏感栅电阻丝本身有一定的温度系数：敏感栅电阻丝本身有一定的温度系数： 如果是康铜敏感栅，如果是康铜敏感栅，Rt 1=ttR0 (Rt1 =10*20*10-6R0) 应变片安装在某一试件上，两者热膨胀系数不同，导致附加变形。应变片安装在某一试件上，两者热膨胀系数不同，导致附加变形。 如如 Rt2 = R0K0(S-f) t S试件材料的试件材料的则则 U0=(R2R3-

45、R1R4)/( R1+ R2)( R3+ R4)*U线膨胀系数，线膨胀系数，1/； f敏感栅材料的线膨胀系数，敏感栅材料的线膨胀系数，1/。 (Rt2 =2(11*10-6/-15*10-6/)R0) 则有则有 (Rt 1+Rt2+) / R0 = (200-80)* 10-6 4.测量电路通常所采用的电桥有：单桥、半桥及全桥。测量电路通常所采用的电桥有：单桥、半桥及全桥。 电阻应变片把机械应变信号转换为电阻应变片把机械应变信号转换为R/R 后，由于应变量及相后，由于应变量及相应电阻变化一般都很小，难以直接精确测量，因此要采用转换电应电阻变化一般都很小，难以直接精确测量，因此要采用转换电路把应

46、变片的路把应变片的R/R变化转换成电压或电流变化。变化转换成电压或电流变化。 其转换电路常用测量电桥。测量电路如示意图所示。其转换电路常用测量电桥。测量电路如示意图所示。+-放大电路或指示仪表+-uOR1R2R3R4UURRRRRRuO212434则则 uo=(R2R3R1R4)/( R1+ R2)( R3+ R4)*U 通常所采用的电桥有：单桥、半桥及全桥。通常所采用的电桥有：单桥、半桥及全桥。 5. 5.应用举例：应用举例： （1）Strain: （2）Force： 左图悬臂梁的应变片左图悬臂梁的应变片3与工作应变片与工作应变片1正交，起温度补偿作用；正交，起温度补偿作用； 右图为有三对纵向应变片和横向应变片的圆柱式大负荷传感器。右图为有三对纵向应变片和横向应变片的圆柱式大负荷传感器。 （3）Displacement（4）Acceleration：amaF应变应变（5）Pressure（6）Torque 第四节第四节 霍尔传感器霍尔传感器 ( Hall sensors ) 一、工作原理：基于霍尔效应一、工作原理：基于霍尔效应 1879年物理学家年物理学家Hall首先观察到将一载流导体放在磁场中，首先观察到将一载流导体放在磁场中，若磁场方向与电流方向正交，则在与磁场和电流两者垂直的方向若磁场方向与电流方向正交，则在与磁场和电流两者垂直的方向上将会出现横向电动势