二讲位移传感器ppt课件

1、第二章 位移检测传感器位移可分为线位移和角位移电阻式、电容式、涡流式、压电式、感应同步式、磁栅式、光电式 位移是指物体的某个外表或某点相对于参考外表或参考点位置的变化。位移有线位移和角位移两种。线位移是指物体沿着某一条直线挪动的间隔；角位移是指物体绕着某一定点旋转的角度。在机械工程中经常要准确丈量零部件的位移或位置，并且力、压力、扭矩、速度、加速度、温度、流量等参数也可经转换为位移进展丈量。位移丈量时，首先要根据不同的丈量对象，选择适当的丈量点、丈量方向和丈量仪器。 位移传感器的分类位移传感器的分类线线绕绕 式式薄薄膜膜 电电 位位 器器导导电电 塑塑 料料 电电 位位 器器光光电电 电电 位

2、位 器器非非线线 绕绕 式式电电位位 器器 式式 传传 感感 器器线线 绕绕 式式 电电 阻阻 传传 感感 器器非非 线线 绕绕 式式 电电 阻阻 传传 感感 器器电电 位位 器器 式式 传传 感感 器器电阻、电容、电感式位移传感器的特点 常用的位移传感器 1. 电阻式 包括电位器式和电阻应变式两类。适用于几毫米到几百毫米的位移丈量。 2.电容式可用来丈量0.1 10mm的线位移和1()到几十()的角位移。 3.电感式电感式位移传感器分为自感和互感两类。前者可适于丈量较大位移(数mm到数百mm)，。互感式 (0.1200mm)，电涡流式位移传感器，可以丈量小到微米级，大到几百毫米的位移。电位器

3、式传感器电位器式传感器 电位器是人们常用到的一种电子元件， 它作为传感器可以将机械位移或其他能变换成位移的非电量变换为电阻值的变化， 并容易转换成电压的变化。 电位器式传感器具有构造简单， 价钱低廉， 性能稳定， 对环境条件要求不高， 输出信号大， 易于转换， 便于维修的优点。 其缺陷是存在摩擦， 分辨力有限， 精度不够高， 动态呼应较差，仅适于丈量变化较缓慢的量， 常用作位置信号发生器。 图3-1(a)和(b)分别为直线位移和角位移传感器的外形图。 图3-1 电位器式传感器的外形及电压转换原理图a 直线位移传感器； (b) 角位移传感器； (c) 电位器的位移电压转换原理图 构造和任务原理构

4、造和任务原理 线圈绕于绝缘骨架上，滑动触点线圈绕于绝缘骨架上，滑动触点( (电刷电刷) )在挪动在挪动过程中过程中, , 从一匝滑到另一匝时，电阻值随位移发生从一匝滑到另一匝时，电阻值随位移发生变化。变化。lRA R b c a b x 电阻体是由电阻系数很高的极细均匀导线，按照一定的规律整齐地绕在一个绝缘的骨架上制成的。在它与电刷相接触的部分，将导线外表的绝缘去掉，然后加以抛光，构成一个电刷可在其上滑动的接触道。电刷通常是由具有弹性的金属薄片或金属丝制成，其末端弯曲成弧形，利用电刷与电阻本身的弹性变形产生的弹性力，使电刷与电阻元件有一定的接触压力，以使两者在相对滑动过程中坚持可靠的接触和导电

5、。电位器常用的电阻丝资料为铜镍合金铜60、镍40，电刷为磷青铜，骨架为陶瓷酚醛树脂等。电位器式传感器的转换原理电位器式传感器的转换原理根据电工知识，我们很容易了解电位器的电压转换原理。根据电工知识，我们很容易了解电位器的电压转换原理。 电位器的位移电位器的位移电压转换原理如图电压转换原理如图3-13-1c c所示。所示。 设电阻体的设电阻体的长度为长度为l l，电阻值为，电阻值为R R，两端所加输入电压为，两端所加输入电压为UiUi，那么滑动，那么滑动端输出电压为端输出电压为 xlUUoi(3-1)式中，x为位移量。 电位器式传感器的构造与类型电位器式传感器的构造与类型如图如图3-23-2所示

6、，电位器由电阻元件、所示，电位器由电阻元件、 电刷、电刷、 骨架等组成。骨架等组成。 其方式有直滑式和旋转式，其方式有直滑式和旋转式， 旋转式有单圈和多圈两种。旋转式有单圈和多圈两种。 电刷电刷由触头、由触头、 臂、臂、 导向及轴承等安装组成；导向及轴承等安装组成； 触头常用银、触头常用银、 铂铱、铂铱、 铂铑等金属；铂铑等金属； 电刷臂用磷青铜等弹性较好的资料；电刷臂用磷青铜等弹性较好的资料； 骨架常用骨架常用陶瓷、陶瓷、 酚醛树脂及工程塑料等绝缘资料。酚醛树脂及工程塑料等绝缘资料。 电阻元件有线绕电电阻元件有线绕电阻、阻、 薄膜电阻、薄膜电阻、 导电塑料电阻、导电塑料电阻、 导电玻璃釉电阻

7、等。导电玻璃釉电阻等。 图3-2 电位器的原理图a 直滑式； (b) 单圈旋转式； (c) 多圈旋转式 变阻器式传感器的性能参数变阻器式传感器的性能参数: : 1) 1)线性线性( (或曲线的一致性或曲线的一致性); 4); 4)挪动或旋转角度范围挪动或旋转角度范围; ; 2) 2) 分辨率分辨率; 5); 5)电阻温度系数电阻温度系数; ; 3) 3)整个电阻值的偏向整个电阻值的偏向; 6); 6)寿命寿命; ;变阻器式传感器的分类变阻器式传感器的分类按丈量类型：按丈量类型：单圈电位器单圈电位器多圈电位器多圈电位器直线滑动式电位器直线滑动式电位器1. 线绕电位器线绕电位器电阻元件由康铜丝、铂

8、铱合金及卡玛丝等电阻丝绕制， 因此能接受较高的温度， 常被制胜利率型电位器， 其额定功率范围普通为0.2550 W， 阻值范围为100 100 k。 线绕电位器的突出优点是构造简单， 运用方便； 缺陷是分辨率低， 这是由于电阻丝是一匝一匝地绕在骨架上的， 当接触电刷从这一匝移到另一匝时， 阻值的变化呈阶梯式。 RRUUsc00LLUUsc0000LRLRKR00LULUKscV0200URRRRRRRULLx000KUURRUsc)1 (10KKKUUxxUU0 xLLURRRRRR)(00RRK LRR0LURUKUscscsc,scxUU 0RRK LRR0)1 (10KKKUUx0KUU

9、scxscUUU%1000UU时，32K15.0max0RRK LRR0KKRRRL150%1 . 0115. 015. 0max00 kR10maxLRnUU0mnUmnUUn001)111(0nnmU15. 0max%10021%1002100nUnUei%1001%10000nUnURV%1001%100nLnLRLUnU8510102. 非线绕电位器1) 合成膜电位器合成膜电位器的电阻体是器具有某一电阻值的悬浮液喷涂在绝缘骨架上构成电阻膜而制成的。 其优点是分辨率较高，阻值范围很宽100 4.7 M， 耐磨性较好，工艺简单， 本钱低， 线性度好等； 主要缺陷是接触电阻大，功率不够大，

10、容易吸潮， 噪声较大等。 2 金属膜电位器金属膜电位器由合金、 金属或金属氧化物等资料经过真空溅射或电镀方法， 在瓷基体上堆积一层薄膜而制成。 金属膜电位器具有无限分辨力， 接触电阻很小， 耐热性好， 满负荷达70。 与线绕电位器相比， 它的分布电容和分布电感很小， 特别适宜在高频条件下运用。 它的噪声仅高于线绕电位器。金属电位器的缺陷是耐磨性较差， 阻值范围窄，普通在10100 。 由于这些缺陷， 限制了它的运用范围。 3) 导电塑料电位器导电塑料电位器又称实心电位器， 这种电位器的电阻是由塑料粉及导电资料的粉料经塑压而成的。 导电塑料电位器的耐磨性很好， 运用寿命较长， 允许电刷的接触压力

11、很大， 在振动、 冲击等恶劣环境下仍能可靠任务。 此外， 它的分辨率较高， 线性度较好， 阻值范围大， 能接受较大的功率。 导电塑料电位器的缺陷是阻值易受湿度影响， 故精度不易做得很高。 导电塑料电位器的规范阻值有1 k、2 k、5 k和10 k， 线性度为0.1%和0.2%。 4 导电玻璃釉电位器导电玻璃釉电位器又称金属陶瓷电位器， 它是以合金、 金属氧化物或难溶化合物等为导电资料， 以玻璃釉粉为粘合剂， 混合烧结在陶瓷或玻璃基体上制成的。 导电玻璃釉电位器的耐高温性、 耐磨性好， 有较宽的阻值范围， 电阻湿度系数小且抗湿性强。 导电玻璃釉电位器的缺陷是接触电阻变化大、 噪声大、 不易保证丈

12、量的高精度。 maxmaxUUmaxmaxUxx3.2 应变式传感器应变式传感器 应变式传感器是根据应变原理， 经过应变片和弹性元件将机械构件的应变或应力转换为电阻的微小变化再进展电量丈量的安装。 其根本构成如图3-3所示。 图3-3 应变式传感器原理框图 应变式传感器具有以下优点：1 丈量范围宽、精度高，如丈量力可达10-1106N、 0.05% F.S，丈量压力可达101011Pa、0.1% F.S，丈量应变可达k级；2 动态呼应好，普通电阻应变片呼应时间为10-7s， 半导体式应变片呼应时间达10-11s； (3) 构造简单，运用方便，体积小，分量轻；种类多，价钱低， 耐恶劣环境， 易于

13、集成化和智能化。 3.2.1 3.2.1 应变效应与应变灵敏度应变效应与应变灵敏度1. 1. 金属导体的电阻应变灵敏度金属导体的电阻应变灵敏度金属导体的电阻与资料、长度、截面积和温度有关。在温金属导体的电阻与资料、长度、截面积和温度有关。在温度一定时，度一定时， 其电阻定律为其电阻定律为 SlR(3-2 式中，R为导体的电阻值；l为导体的长度；S为导体的截面积； 为导体的电阻率。 当沿金属丝长度方向施加力时，其几何尺寸和电阻率都会变化，从而导致电阻值的变化。经证明可得 KRR(3-3 式中，K为应变灵敏度系数。由表3-1可以看出，金属应变片K2。 2. 半导体的压阻效应与压阻系数对于半导体资料

14、， 在某一晶向施加一定应力时， 其电阻率将产生较大的变化， 而几何尺寸变化很小，这种景象称为压阻效应。 相应的， 半导体应变电阻也常称为压阻元件。 半导体资料压阻灵敏度为 EK1(3-4) 式中，E为半导体资料的弹性模量；l为半导体资料的压阻系数。 半导体应变片的K约为几十甚至几百， 远大于金属电阻的应变灵敏度。 但其温度稳定性远不如金属电阻应变片。 3.2.2 3.2.2 电阻应变片电阻应变片1. 1. 电阻应变片的类型与构造电阻应变片的类型与构造1 1 金属电阻应变片金属电阻应变片金属电阻应变片的类型和构造如图金属电阻应变片的类型和构造如图3-43-4所示，所示， 它有丝式、它有丝式、 箔

15、式和薄膜式。箔式和薄膜式。 其中，图其中，图a a为其构造表示图，为其构造表示图， 敏感栅粘贴敏感栅粘贴在基底上，在基底上， 上面覆盖维护层。上面覆盖维护层。 基底有纸基和胶基两种。基底有纸基和胶基两种。 应变应变片的纵向尺寸为任务长度，片的纵向尺寸为任务长度， 反映被测应变，反映被测应变， 其横向应变将呵其横向应变将呵斥丈量误差。斥丈量误差。 圆角丝栅横向应变灵敏度高，圆角丝栅横向应变灵敏度高， 误差较大，误差较大， 但耐但耐疲劳性好，疲劳性好， 普通用于动态丈量。普通用于动态丈量。 直角丝栅横向应变灵敏度小，直角丝栅横向应变灵敏度小， 因此精度高，因此精度高， 但耐疲劳性差，但耐疲劳性差，

16、 适用于静态丈量。适用于静态丈量。 箔式电阻应变片是用光刻技术将康铜或镍铬合金箔腐蚀成栅状而成。 其丝栅外形可与应力分布相顺应， 制成各种公用应变片。它的电阻值分散度小， 可做成任不测形， 易于大量消费， 本钱低， 散热性好， 允许经过大的电流， 灵敏度高， 耐蠕变和耐漂移才干强。 薄膜应变片是采用真空镀膜技术在很薄的绝缘基底上蒸镀金属电阻资料薄膜， 再加上维护层构成的。 其优点是灵敏度高， 允许经过大的电流。图3-4 金属电阻应变片 2 半导体应变片半导体应变片有体型、 薄膜型和分散型等方式。 图3-5是体型半导体应变片构造表示图， 它由基片1、 条状半导体2、 引线3组成。 体型半导体应变

17、片是直接用单晶锗或单晶硅等半导体资料经过切割、 研磨、 切条、 焊引线、 粘贴等工艺过程制成的。 图3-5 体型半导体应变片构造表示图 表表3-1 3-1 应变片主要技术参数应变片主要技术参数 2. 应变片的运用1 电阻应变片的选择选择时主要思索尺寸、 初始电阻、 绝缘电阻及允许任务电流。 1 应变片的几何尺寸： 应变片的几何参数主要是指敏感栅基长l、 基宽a和曲率半径r。普通基长l在335 mm范围内， 基宽=0.0310 mm，圆角丝栅的曲率半径r=0.10.3 mm。 2 应变片的初始电阻和绝缘电阻： 应变片的初始电阻值R0有60、120、200、350、600或1000的应变片。绝缘电

18、阻是指敏感栅与基底间的电阻，应防止应变片与试件间的漏电而呵斥误差。 3 允许任务电流和逸散功率： 通常在测静态量时， 允许电流小于25 mA。在测动态量时，允许电流高一些。 应变片的逸散功率是指当电流经过应变片时， 在温度允许范围内， 单位时间传给周围介质的热量。 2 电阻应变片粘贴电阻应变片是粘贴在弹性敏感元件上或被测构件上任务的， 传感器的性能在很大程度上取决于粘贴质量。 电阻应变片的粘贴工艺如下：1 试件的外表处置：必需将试件外表处置干净，去除杂质、油污及外表氧化层等。2 确定贴片位置： 应变片应贴在试件应变最大的部位。 3 粘贴：首先用甲苯、四氢化碳等溶剂清洗试件外表和应变片的底面，然

19、后在试件外表和应变片的底面各涂一层薄而均匀的粘合剂，将应变片贴在确定的位置处。贴片后，在应变片上盖上一张玻璃纸并加压，排出多余的胶水和气泡。加压时要留意防止应变片错位。粘贴应变片的粘合剂的种类很多，要根据基片资料、任务温度、潮湿程度、稳定性、能否加温加压以及粘贴时间等多种要素合理选择粘合剂。 4 固化： 根据所运用的粘合剂的固化工艺要求进展固化处置。 5 粘贴质量检查：检查粘贴位置能否正确，粘合层能否有气泡和漏贴，敏感栅能否有短路或断路景象以及敏感栅的绝缘性能等。6 引线的焊接与防护： 检查合格后即可焊接引线， 引线要适当固定。 然后在应变片上涂一层防护层， 防止大气对应变片的侵蚀。 3.2.

20、3 转换电路转换电路 1. 电阻电桥的输出电压电阻电桥的输出电压直流电阻电桥如图直流电阻电桥如图3-6a、b、c所示，其初始所示，其初始形状可经过形状可经过RP1调零。假设采用交流电源供电，那么称为交流调零。假设采用交流电源供电，那么称为交流电桥，电桥， 如图如图3-6d所示，可经过所示，可经过RP1和和RP2调零。当电桥平调零。当电桥平衡时，输出电压衡时，输出电压Uo=0。电桥的平衡条件是对边臂电阻乘积相等，。电桥的平衡条件是对边臂电阻乘积相等， 即即 R1R3=R2R4 (3-5 图3-6 常用电桥电路a 单臂； b 双臂； (c) 全桥； (d) 交流电桥 由于通常四个电阻不能够刚好满足

21、平衡条件，因此电桥都设置有调零电路。 调零电路是由RP1及R5组成的。当电桥不平衡时， 将有电压输出。 根据电路原理，其输出电压为 i41324231i414323o)(URRRRRRRRURRRRRRU3-6 当四个桥臂电阻R1、R2、R3、R4分别发生R1 、R2 、 R3 、R4的变化量时， 式3-6分母中将含有变量R项，分子中将含有R2项， 因此电桥为非线性特性。 在满足式3-5的条件下，略去分母中的R项和分子中的R2项，并经整理可得 44332211io4RRRRRRRRUU3-7 2. 应变电桥的任务方式对于应变式传感器，其电桥电路可分为全桥、单臂电桥和双臂电桥任务方式。全桥和双臂

22、电桥还可构成差开任务方式。 式3-7和式3-8为全桥的输出电压表达式。 1 半桥单臂任务方式如图3-6a所示，R1为电阻应变片，R2、R3、R4为固定电阻，由式3-7和式3-8得 1i11io44kURRUU3-9 2 半桥双臂任务方式如图3-6b所示，R1、R2均为电阻应变片，R3、R4为固定电阻，同理可得 )(4421i2211iokURRRRUU3-10 3 差动电桥由式3-7可以看出，相邻桥臂间为相减关系， 相对桥臂间为相加关系。因此构成差动电桥的条件为： 相邻桥臂应变片的应变方向应相反，相对桥臂应变片的应变方向应一样。假设各应变片的应变量相等，那么称为对称电桥。那么，式3-10和式3

23、-7可分别改写为 1i11io1i11io22kURRUUkURRUU3-11 3-12 3.3 电容式传感器电容式传感器 3.3.1 3.3.1 电容式传感器的类型与特性电容式传感器的类型与特性在物理学中我们曾经知道：在物理学中我们曾经知道： 两个彼此绝缘而又靠得很近两个彼此绝缘而又靠得很近的导体就组成了一个电容器，的导体就组成了一个电容器， 电容量等于极板所带电荷量与电容量等于极板所带电荷量与极板间的电压之比。极板间的电压之比。 平行金属板间的电容量为平行金属板间的电容量为 kdSUQC43-13 式中，k9109Nm2/C2。 1.改动极板间间隔的平板电容式传感器改动极板间间隔的平板电容

24、式传感器如图如图3-7a所示，设所示，设A板为一固定极板，板为一固定极板，B板为一可动极板为一可动极板，当板，当B板随被测位移板随被测位移x挪动时，挪动时， 两板间间隔两板间间隔d就发生变化，从就发生变化，从而改动电容量。由图而改动电容量。由图3-7b可知其特性为非线性，但假设可知其特性为非线性，但假设d很小时，很小时， 那么可以近似为线性特性，那么可以近似为线性特性， 而且具有很高的灵敏度而且具有很高的灵敏度d/d=c/c)。如图。如图3-7c所示为差动式构造，所示为差动式构造， 可以提高灵敏可以提高灵敏度、减小非线性。度、减小非线性。 图3-7 平板电容式传感器(a) 变极距式表示图； (

25、b) 变极距式的特性； (c) 差动式表示图 2. 改动极板间有效面积的电容式传感器改动极板间有效面积的电容式传感器常见的有以下四种： 平板式、 扇形平板式、柱面板式和圆筒面式，如图3-8所示。 同样它们也可以做成差动式。平板式和圆筒面式用于丈量直线位移， 扇形平板和柱面板式用于丈量角位移。变面积式电容传感器的特性为线性特性，丈量范围宽，但灵敏度较低。 圆筒面电容式传感器的电容值可表示为 )/ln()(55. 0)/ln()(rrdDlldDllKCAB3-14 式中，l为两圆筒的高度；d为圆筒A的外径； D为圆筒B的内径； l为沿轴线的位移(单位为cm)；K为系数，当d接近D时，可略去边缘效

26、应，取K=0.55。 图3-8 改动极板间有效面积的电容式传感器a 平板式；b 扇形平板；c柱面板式；d圆筒面式 3. 改动极板间介质的电容式传感器图3-9为改动极板间介质的电容式传感器的构造原理图。它的电极间相互位置没有任何改动，而是靠改动极板间介质高度来改动其电容值的。设被测介质的相对介电常数为r1，空气的相对介电常数为r01，介质高度为h，传感器总高度为H，内筒的外径为d，外筒的内径为D，那么由式3-14可求得传感器的电容值为 dDhKCCln)(0r1r03-15 式中，为传感器的初始电容值。 可见传感器的电容增量与被测液位高度h成正比， 故它可以用来丈量液位和料位的高度。 )/ln(

27、0r0dDHKC图3-9 变介质电容式传感器原理图a 构造原理表示图； b 输入/输出特性 3.3.2 电容式传感器的转换电路电容式传感器的转换电路1. 桥式电路桥式电路图图3-10为电容传感器的桥式转换电路。为电容传感器的桥式转换电路。 其中，其中，a为单臂为单臂接法，高频电源接到电容电桥的一个对角线上，电容接法，高频电源接到电容电桥的一个对角线上，电容C1、C2、C3、Cx构成电容电桥的四臂，构成电容电桥的四臂， Cx为电容传感器，为电容传感器， 电桥平衡时电桥平衡时输出电压为零；输出电压为零； Cx变化时电桥平衡被破坏，变化时电桥平衡被破坏， 那么有电压输出。那么有电压输出。b为差动接法

28、，为差动接法， 其空载输出电压可表示为其空载输出电压可表示为uo=CU/C0，C为电容传感器的电容变化值。为电容传感器的电容变化值。c为双为双T形电桥原理图，形电桥原理图， 鼓鼓励电源为稳频、励电源为稳频、 稳幅的高频对称方波，它利用二极管控制传感稳幅的高频对称方波，它利用二极管控制传感器电容器电容Cx和电容和电容C的充放电，当的充放电，当Cx=C时，负载时，负载RL上流过的平上流过的平均电流为零；均电流为零； 图3-10 电容传感器的桥式转换电路当Cx变化时，负载RL上得到与电容变化成比例的信号电压。电容C可以是固定电容，也可以是差动电容的另一边。双T形电桥输出电压高，可丈量高速机械振动，输

29、出阻抗与Cx无关，只决议于电阻R1100 k, 可用毫安表或微安表直接丈量。电容式传感器也可以采用如图3-6(d)所示的电路，将图中的C1、C2接成差动电容传感器的两个差动电容，由RP1和RP2配合调理电桥的平衡。 2. 差动脉冲调宽电路图3-11为差动电容传感器的脉冲调宽电路， 其输出电压经低通滤波后的平均值正比于输入的非电量。可以证明： 变极距差动电容传感器输出为 UddU0av3-16 变面积差动电容传感器输出为 USSU0av3-17 式中，U为触发器输出高电平电压值。 图3-11 差动式电容传感器脉冲调宽电路3.3.3 3.3.3 电容式传感器的运用本卷须知电容式传感器的运用本卷须知

30、在运用或制造电容式传感器时，应特别留意以下几点：在运用或制造电容式传感器时，应特别留意以下几点：1 1 击穿电压：电容式传感器极板之间的空气隙击穿电压：电容式传感器极板之间的空气隙d d很小，很小， 存在介质被击穿的危险，通常在两极板间加云母片以防止空气存在介质被击穿的危险，通常在两极板间加云母片以防止空气隙被击穿。隙被击穿。 2 2 极片资料受温度的影响：由不同资料制呵斥的传感极片资料受温度的影响：由不同资料制呵斥的传感器，器， 具有不同的温度膨胀系数，为此在决议传感器尺寸和选材具有不同的温度膨胀系数，为此在决议传感器尺寸和选材时均要思索温度影响。时均要思索温度影响。 3 3 衔接线问题：衔

31、接线问题： 电容式传感器的电容值均很小，普通电容式传感器的电容值均很小，普通在皮法在皮法(10-12F)(10-12F)级，级， 因此衔接线通常运用分布电容极小的高频因此衔接线通常运用分布电容极小的高频电缆。电缆。 3.4 电感式传感器电感式传感器 3.4.1 3.4.1 自感式传感器自感式传感器1. 1. 变气隙式闭磁路式自感传感器变气隙式闭磁路式自感传感器变气隙式自感式传感器的构造原理如图变气隙式自感式传感器的构造原理如图3-123-12所示。其中，所示。其中， a a为单边式构造，为单边式构造，b b为差动式构造。它们由铁芯、线圈、为差动式构造。它们由铁芯、线圈、 衔铁、衔铁、 测杆及弹

32、簧等组成。测杆及弹簧等组成。 图3-12 变气隙式自感式传感器的构造原理图a 单边式； b 差动式 由电工知识可知，线圈的自感量等于线圈中通入单位电流所产生的磁链数， 即线圈的自感系数为 )H(INIL式中，=N为磁链；为磁通Wb；I为流过线圈的电流A，N为线圈匝数。 根据磁路欧姆定律知： lNIS式中，为磁导率；S为磁路截面积；l为磁路总长度。令Rm=l/S为磁路的磁阻，可得线圈的电感量为 m22RNlSNINL3-18 图3-12中的磁路总长度包括铁芯长度li1、衔铁长度li2和两个空气间隙l0的长度，即l= li1+ li2+2l0。 因铁芯和衔铁均为导磁资料， 磁阻可忽略不计， 那么式

33、3-18可改写为 0002m22lSNRNL3-19 式中，S0为气隙的等效截面积；0为空气的磁导率。只需被测非电量可以引起空气隙长度l0或等效截面积S0发生变化，线圈的电感量就会随之变化。 因此， 电感式传感器从原理上可分为变气隙长度式和变气隙截面式两种类型。 1 变气隙长度式电感传感器由式3-19可知， 变气隙长度式传感器的特性与图3-7b所示的一样。它具有线性度差、示值范围窄、自在行程小、 在小位移下灵敏度很高的特点。 因此， 常用于直线小位移的丈量， 以及结合弹性敏感元件构成压力传感器、加速度传感器等。2 变气隙截面式电感传感器如图3-13所示，旋转衔铁可改动气隙的截面积。同样由式3-

34、19可知，变截面式传感器具有线性度良好、自在行程大、 示值范围宽、灵敏度较低的特点，通常用来丈量比较大的直线位移和角位移。 图3-13 变气隙截面式电感传感器 3 差动式构造为了扩展示值范围和减小非线性误差， 可采用差动构造， 如图3-12b和3-13所示。 将两个线圈接在电桥的相邻臂，构成差动电桥，不仅可使灵敏度提高一倍， 而且可使非线性误差大为减小。如当x/l0=10%时， 单边式非线性误差小于10，而差动式非线性误差小于1。 2. 2. 螺管式开磁路式自感式传感器螺管式开磁路式自感式传感器螺管式自感式传感器常采用差动式，如图螺管式自感式传感器常采用差动式，如图3-143-14所示。所示。

35、 它它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。其磁路是开放的，气是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。其磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分隙磁路占很长的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，布， 中间强，中间强， 两端弱。插入铁芯的长度，不宜过短也不宜过两端弱。插入铁芯的长度，不宜过短也不宜过长，长， 普通铁芯与线圈长度比为普通铁芯与线圈长度比为0.50.5，半径比趋于，半径比趋于1 1为宜。为宜。 铁磁铁磁资料的选取决议于供桥电源的频率，资料的选取决议于供桥电源的频率，500Hz500Hz以下多用硅钢片，以下多用硅钢片，500 Hz500 Hz以上多用坡莫

36、合金，以上多用坡莫合金， 更高频率的那么选用铁氧体。从更高频率的那么选用铁氧体。从线性度思索，线性度思索， 匝数和铁芯长度有一最正确数值，应经过实验匝数和铁芯长度有一最正确数值，应经过实验选定。选定。 图3-14 螺管式自感式传感器构造原理 3. 电感式传感器的转换电路电感式传感器常用交流阻抗电桥调和振电路实现信号的转换。 图3-15为电感式传感器常用的交流阻抗电桥，电桥的平衡也可用如图3-6d所示的电路来调理。图3-15a为电感电桥， 为了便于选择元件，另外两臂常采用固定电阻，电桥的输出电压为 LLuu2o3-20 图3-15(b)为变压器电桥，其中两桥臂为变压器二次侧的线圈，Z1、Z2为差

37、动式电感传感器的线圈，假设忽略线圈的电阻变化，那么输出电压为 LLuZZZZuu222121o3-21 当衔铁挪动方向相反时，输出电压的相位将相差180。 图3-15 电感式传感器电桥电路 (a) 电感电桥； (b) 变压器电桥 3.4.2 3.4.2 差动变压器差动变压器1. 1. 差动变压器的构造与原理差动变压器的构造与原理差动变压器是互感式差动电感传感器，差动变压器是互感式差动电感传感器， 它的构造分为变隙它的构造分为变隙式和螺管式两种。式和螺管式两种。 由于变隙式行程很小由于变隙式行程很小(l(l0 00.5 mm)0.5 mm)， 构造构造也很复杂，也很复杂， 目前多采用螺管式，目前

38、多采用螺管式， 如图如图3-163-16a a所示。螺管式所示。螺管式差动变压器的构造仍包括线圈、差动变压器的构造仍包括线圈、 铁芯、铁芯、 衔铁和测杆等。线圈陈衔铁和测杆等。线圈陈列的方式有二节型、列的方式有二节型、 三节型和多节型几种。三节型和多节型几种。 线圈由一次侧线圈、线圈由一次侧线圈、二次侧线圈和骨架组成。二次侧线圈和骨架组成。 骨架常采用绝缘、高频损耗小、抗潮骨架常采用绝缘、高频损耗小、抗潮湿、湿、 温度膨胀系数小的资料制成圆柱形。温度膨胀系数小的资料制成圆柱形。普通的可用胶木棒， 要求高的那么用环氧玻璃纤维、聚砜塑料或聚四氟乙烯等。 骨架的外形和尺寸要精细对称。线圈通常用高强度

39、漆包线密绕而成， 普通采用3648号漆包线，导线直径取决于电源电压和频率的高低。 铁芯的作用是提供闭合磁回路、 磁屏蔽和机械维护。 衔铁和铁芯用同种导磁资料制造。 高精度差动变压器宜用高镍坡莫合金。铁芯和衔铁要经过适当的热处置， 除去应力， 以改良磁性能。 在忽略了铁损、 导磁体磁阻和线圈间寄生电容的理想情况下， 螺管式差动变压器的等效电路如图3-16b所示。 图中，e1为初级线圈的鼓励电势；L1、R1为初级线圈的电感和电阻；R21、R22为两个二次线圈的电阻。两个二次线圈反极性串联，因此e2=e21-e22，由电路原理可以得出 e2=k(M1-M2)=kM 3-22 图3-16 差动变压器的

40、构造与原理图a 构造与原理图； b等效电路 2. 2. 差动变压器的特性差动变压器的特性1 1 差动变压器的输出特性差动变压器的输出特性差动变压器的理想输出特性如图差动变压器的理想输出特性如图3-173-17a a所示，在线性所示，在线性范围内，范围内， 输出电动势随衔铁正、输出电动势随衔铁正、 负位移而线性增大。负位移而线性增大。 图3-17 差动变压器的输出特性a 理想特性； b 零点剩余电压；c相敏检波后的特性 2 零点剩余电压实践上，由于工艺上的缘由， 差动变压器二次绕组不能够完全对称，其次由于线圈中的铜损、 磁性资料的铁损和材质的不均匀性、 线圈匝间分布电容的存在以及导磁资料磁化特性

41、的非线性引起电流波形畸变而产生的高次谐波， 使励磁电流与所产生的磁通不同相。 当位移x为零时， 输出电动势e不等于零， 该不为零的输出电动势称为零点剩余电压， 如图3-17b所示。 3 灵敏度与鼓励电动势的关系差动变压器灵敏度与鼓励电动势有关，用(mV/mm)/V来表示。e1越大，灵敏越高。但e1也不能过大， 过大时将会使差动变压器线圈发热而引起输出信号漂移，e1可取零点几伏到数伏，常取38V。4 灵敏度与鼓励电源频率的关系鼓励电源频率过高或过低都会使灵敏度降低，常选410 kHz。5灵敏度与二次线圈匝数的关系二次线圈匝数越多，灵敏度越高，两者成线性关系。但是匝数添加， 零点剩余电压也随之变大

42、。 3. 消除零点剩余电压的几种方法由绕组不对称引起的零点剩余电压可以经过调理衔铁初始位置进展消除，然而因相位误差呵斥的零点剩余电压是无法经过调理衔铁初始位置进展消除的。因此，消除零点剩余电压的方法可以归纳为以下三种：1 从设计和工艺上尽量保证线圈和磁路对称，选用高性能的导磁资料，导磁体必需经过热处置，消除剩余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。2 采用相敏检波电路不仅可以鉴别衔铁的挪动方向， 而且有利于消除零点剩余电压， 其特性如图3-17c所示。 3 采用适当的补偿电路， 如图3-18所示。图中，电阻是用康铜丝绕制的， 串联时的阻值为0.55 ；并联时的阻值为数十至数百千欧； 并联电容的数

43、值在100500 pF范围内。实践补偿元件的参数都要经过实验来确定。 图3-18 差动变压器的补偿电路 4. 差动变压器的差动整流电路 差动变压器灵敏度较高，普通满量程输出电压可达几伏， 在要求不高时，可直接接入整流电路。常用的差动整流电路如图3-19所示。 图图3-19 3-19 差动整流电路差动整流电路a a 全波电流输出；全波电流输出；b b 半波电流输出；半波电流输出；c c 全波电压输出；全波电压输出； d d 半波电压输出半波电压输出 3.5 电涡流式传感器电涡流式传感器 3.5.1 电涡流式传感器的任务原理电涡流式传感器的任务原理成块的金属物体置于变化着的磁场中或者在磁场中运动时

44、，成块的金属物体置于变化着的磁场中或者在磁场中运动时， 在金属导体中会感应出一圈圈自相闭合的电流，称为电涡流。在金属导体中会感应出一圈圈自相闭合的电流，称为电涡流。 电涡流式传感器是一个绕在骨架上的导线所构成的空心线圈，电涡流式传感器是一个绕在骨架上的导线所构成的空心线圈， 它与正弦交流电源接通，它与正弦交流电源接通， 经过线圈的电流会在线圈周围空间产经过线圈的电流会在线圈周围空间产生交变磁场。当导电的金属接近这个线圈时，金属导体中便会生交变磁场。当导电的金属接近这个线圈时，金属导体中便会产生电涡流，如图产生电涡流，如图3-20所示。涡流的大小与金属导体的电阻率所示。涡流的大小与金属导体的电阻

45、率、 磁导率磁导率、厚度、厚度d、线圈与金属导体的间隔、线圈与金属导体的间隔x以及线圈励磁电流的以及线圈励磁电流的角频率角频率等参数有关。假设固定其中某些参数，就能由电涡流的等参数有关。假设固定其中某些参数，就能由电涡流的大小丈量出另外一些参数。大小丈量出另外一些参数。 图3-20 电涡流作用原理图 3.5.2 3.5.2 电涡流式传感器的构造电涡流式传感器的构造电涡流式传感器的构造比较简单，电涡流式传感器的构造比较简单， 主要是一个绕制在框架主要是一个绕制在框架上的线圈，上的线圈， 目前比较普遍运用的是矩形截面的扁平线圈。目前比较普遍运用的是矩形截面的扁平线圈。 线线圈的导线应选用电阻率小的

46、资料，普通采用高强度漆包铜线。圈的导线应选用电阻率小的资料，普通采用高强度漆包铜线。 假设要求高一些可用银线或银合金线，假设要求高一些可用银线或银合金线， 在高温条件下运用时可在高温条件下运用时可用铼钨合金线。对线圈框架要求用损耗小、电性能好、热膨胀用铼钨合金线。对线圈框架要求用损耗小、电性能好、热膨胀系数小的资料。普通可选用聚四氟乙烯、高频陶瓷、环氧玻璃系数小的资料。普通可选用聚四氟乙烯、高频陶瓷、环氧玻璃纤维等。在采用线圈与框架端面胶接的方式时，纤维等。在采用线圈与框架端面胶接的方式时， 胶水亦要选择胶水亦要选择适当，普通可以选用粘贴应变片用的胶水。适当，普通可以选用粘贴应变片用的胶水。如

47、图如图3-213-21所示为所示为CZF-1CZF-1型传感器的构造图，它采用导线绕在型传感器的构造图，它采用导线绕在框架上的方式，框架采用聚四氟乙烯。框架上的方式，框架采用聚四氟乙烯。 其性能由表其性能由表3-23-2列出。列出。 图3-21 CZF-1型传感器的构造图 表表3-2 CZF-13-2 CZF-1型传感器性能一览表型传感器性能一览表 3.5.3 3.5.3 电涡流式传感器的转换电路电涡流式传感器的转换电路在电工课程中，在电工课程中， 我们曾经知道电感和电容可构成谐振电路，我们曾经知道电感和电容可构成谐振电路， 因此电感式、因此电感式、 电容式和电涡流式传感器都可以采用谐振电路来

48、电容式和电涡流式传感器都可以采用谐振电路来转换。转换。 谐振电路的输出也是调制波，谐振电路的输出也是调制波， 控制幅值变化的称调幅控制幅值变化的称调幅波，波， 控制频率变化的称调频波。控制频率变化的称调频波。 调幅波要经过幅值检波，调幅波要经过幅值检波， 调调频波要经过鉴频才干获得被丈量的电压。频波要经过鉴频才干获得被丈量的电压。 谐振电路调幅原理如谐振电路调幅原理如图图3-223-22所示。所示。 图3-22 谐振电路调幅原理图a 电路原理图； b 谐振特性曲线；c 调幅特性 CZF-1型电涡流传感器丈量电路框图如图3-23所示。晶体振荡器输出频率固定的正弦波，经限流电阻R接电涡流传感器线圈

49、与电容器的并联电路。当LC谐振频率等于晶振频率时输出电压幅度最大，偏离时输出电压幅度随之减小，是一种调幅波。 该调幅信号经高频放大、检波、滤波后输出与被丈量相应变化的直流电压信号。 图3-23 CZF-1型电涡流式传感器丈量电路框图 3.5.4 电涡流式传感器的运用本卷须知电涡流式传感器的运用本卷须知1. 电涡流轴向贯穿深度的影响电涡流轴向贯穿深度的影响电涡流的轴向贯穿深度是指涡流密度衰减到等于外表涡流电涡流的轴向贯穿深度是指涡流密度衰减到等于外表涡流密度的密度的1/e处时与导体外表的间隔。涡流在金属导体中的轴向分处时与导体外表的间隔。涡流在金属导体中的轴向分布是按指数规律衰减的，衰减深度布是

50、按指数规律衰减的，衰减深度t可以表示为可以表示为 ftr03-23 式中，为导体电阻率；f为励磁电源的频率。 为充分利用电涡流以获得准确的丈量效果， 运用时应留意以下两点：1 导体厚度的选择：利用电涡流式传感器测间隔时， 应使导体的厚度远大于电涡流的轴向贯穿深度；采用透射法测厚度时，应使导体的厚度小于轴向贯穿深度。2 励磁电源频率的选择： 导体资料确定之后， 可以经过改动励磁电源频率来改动轴向贯穿深度。 电阻率大的资料应选用较高的励磁频率， 电阻率小的资料应选用较低的励磁频率。 2. 电涡流的径向构成范围线圈电流所产生的磁场不能涉及到无限大的范围， 电涡流密度也有一定的径向构成范围。在线圈轴线

51、附近， 电涡流的密度非常小，愈接近线圈的外径处， 电涡流的密度愈大，在等于线圈外径1.8倍处，电涡流密度将衰减到最大值的5。为了充分利用涡流效应，被测金属导体的横向尺寸应大于线圈外径的1.8倍； 对圆柱形被测物体，其直径应大于线圈外径的3.5倍。 3. 电涡流强度与间隔的关系电涡流强度随着间隔与线圈外径比值的添加而减少, 当线圈与导体之间的间隔大于线圈半径时，电涡流强度曾经很微弱。 为了可以产生相当强度的电涡流效应，通常取间隔与线圈外径的比值为0.050.15。4. 非被测金属物的影响由于任何金属物体接近高频交流线圈时都会产生涡流， 为了保证丈量精度，丈量时应制止其他金属物体接近传感器线圈。

52、3.6 相相 敏敏 检检 波波 3.6.1 3.6.1 调制与解调的概念调制与解调的概念调制是利用直流或低频信号来控制高频振荡的过程。调制是利用直流或低频信号来控制高频振荡的过程。 原原始的低频控制信号称为调制信号。始的低频控制信号称为调制信号。 受控的高频振荡信号称为受控的高频振荡信号称为载波信号。载波信号。 经过调制后的信号称为已调信号。经过调制后的信号称为已调信号。 载波信号的振载波信号的振幅、幅、 频率和相位都可受调制信号的控制，频率和相位都可受调制信号的控制， 相应的调制分别称相应的调制分别称为调幅为调幅AMAM、调频、调频FMFM和调相和调相PMPM。普通载波频率应大。普通载波频率

53、应大于调制信号频率的于调制信号频率的1010倍以上，倍以上， 通常取通常取2020倍。倍。解调是从已调信号中取出恢复原始信号调制信号的过程。与调制相对应，有鉴幅检波、鉴频和鉴相。如前面所讲的交流电桥，传感器参数的变化为调制信号， 电桥的供电电源为载波信号，输出为调幅信号。 由电感、 电容、 电涡流式传感器构成的谐振电路，当LC谐振电路作信号源的负载时， 那么输出调幅信号； 当LC谐振电路作信号源的振荡回路时， 那么输出调频信号。 因此， 信号在经过交流放大后都需求接入相应的解调电路： 检波电路、 鉴频电路或鉴相电路。 3.6.2 交流电桥的调幅作用交流电桥的调幅作用用交流电源鼓励的交流电桥输出

54、信号是一个频率和相位与用交流电源鼓励的交流电桥输出信号是一个频率和相位与鼓励源一样，幅度受桥臂变化信号调制的双边带调幅波。鼓励源一样，幅度受桥臂变化信号调制的双边带调幅波。如图如图3-24所示，设桥臂变化信号为所示，设桥臂变化信号为R=Rt， 鼓励电源鼓励电源电压为电压为ui=uimcos(t+)， 那么电桥输出电压为那么电桥输出电压为 uo=KRtuimcos(t+)=uomcos(t+) 式中，K为接法系数。当R1=R2=R3=R4时， 半桥单臂接法K=1/4R0，半桥差动接法K=1/2R0，全桥接法K=1/R0；uom=KuimRt，为输出电压幅值。 图3-24 交流电桥的调幅特性 3.

55、6.3 相敏检波电路相敏检波电路1. 二极管相敏检波电路二极管相敏检波电路图图3-25为二极管相敏检波电路的普通方式。为二极管相敏检波电路的普通方式。 它由四个二极它由四个二极管顺向串联成一个闭合回路，管顺向串联成一个闭合回路， 四个端点分别接变压器四个端点分别接变压器T1、T2的二次侧。的二次侧。T1、T2均有中心抽头，输出检波后的信号接至负均有中心抽头，输出检波后的信号接至负载。载。 T1的一次侧输入调幅波的一次侧输入调幅波ui，T2的一次侧输入参考电压的一次侧输入参考电压ur，ur 可直接取自载波，它与可直接取自载波，它与ui频率一样，相位一样或相反，比频率一样，相位一样或相反，比ui幅

56、度大幅度大35倍。变压器的极性标定如图中所示。倍。变压器的极性标定如图中所示。 图3-25 二极管相敏检波电路的普通方式 二极管相敏检波电路的任务原理分析如下：1当调制信号为正时，ui与载波相位一样，故ur与ui相位也一样。 在ui的正半周时，ur给二极管VD3、VD4正向偏置使之导通，给VD1、VD2反向偏置使之截止。输入调幅信号ui经T1二次侧的下半边输出uy/2并经VD3、T2二次侧的右半边和电流表构成回路，电流方向为上正下负， 并设其为正方向。 在ui的负半周时，ur使VD3、VD4截止，VD1、VD2导通。 输入调幅信号ui经T1二次侧的上半边输出uy/2并经VD1、T2二次侧的左半

57、边和电流表构成回路，电流方向为正。 2 当调制信号为负时，ui与载波相位相反，故ur与ui相位也相反。 在ui的正半周时， ur为负， 电流经T1二次侧的上半边、 VD2、 T2二次侧的右半边， 方向为负。 在ui的负半周时，ur为正，电流经T1二次侧的下半边、 VD4、T2二次侧的左半边， 方向为负。 2. 相敏检波的特点综上所述，相敏检波器是对调幅信号与参考信号间相位敏感的检波器，它有以下特点：1 相敏检波输出信号的极性与调制信号极性一样，即能识别方向。2 相敏检波输出信号的幅值与调制信号的幅值一样， 即能表示被测值。3 相敏检波输出信号的频率等于载波频率的二倍。 因此， 只需在相敏检波后

58、参与适当的低通滤波器， 便可得到调制波信号。 假设丈量安装频率呼应较低， 如磁电式电流表， 也可不加滤波器。 3. 运算放大器组成的相敏检波电路运算放大器组成的相敏检波电路用运算放大器组成的差动变压器的相敏检波电路如图用运算放大器组成的差动变压器的相敏检波电路如图3-26所示，它由运算放大器所示，它由运算放大器A1、A2、A3、A4、振荡器、振荡器OSC、反相器反相器A5和四个二极管组成。差动变压器输出电压经和四个二极管组成。差动变压器输出电压经A1放大加放大加于于A2的反相端和的反相端和A3的同相端，振荡器信号加于的同相端，振荡器信号加于A3的反相端并的反相端并经反相加于经反相加于A2的同相

59、端。的同相端。 当差动变压器输出信号与振荡器信号当差动变压器输出信号与振荡器信号同相时，同相时，A3输出大于输出大于A2输出，经输出，经A4放大输出正相位；放大输出正相位； 相位相相位相反时输出相位也相反。反时输出相位也相反。 振荡信号经振荡信号经A4放大输出相互抵消。因此，放大输出相互抵消。因此，经经A4只放大输出差动变压器的输出信号。只放大输出差动变压器的输出信号。 图3-26 运算放大器组成的相敏检波电路 4. 集成模拟乘法器相敏检波电路图3-27为用集成模拟乘法器LM1496实现相敏检波的电路。该电路的任务电压为30 V，常用9 V；信号输入端最大电压为5 V；载波输入端为5 V； 偏

60、置电流为12 mA。 图3-27 用集成模拟乘法器LM1496实现相敏检波的电路容栅数显卡尺容栅数显卡尺图图6-286-28为为SYLVACSYLVAC的数显量具外观图。数显游标卡尺量程为的数显量具外观图。数显游标卡尺量程为1501501000 mm1000 mm； 数显内径千分尺的内径丈量范围为数显内径千分尺的内径丈量范围为2 2308 mm308 mm； 内外径丈量游标卡尺丈量范围为外径内外径丈量游标卡尺丈量范围为外径0 01000 mm1000 mm，内径，内径50501050 mm1050 mm。 图6-28 SYLVAC的数显量具外观图a 数显游标卡尺； b 电子数字式量角器；c 电