1、第九章 机械位移传感器,第一节 电容式位移传感器 第二节 电感式位移传感器 第三节 变压器式位移传感器 第四节 电涡流式位移传感器 第五节 电阻式位移传感器,第一节 电容式位移传感器,电容式位移传感器是根据被测物体的位移变化转换为电容器电容变化的一种传感器，一般用于高频振动微小位移的测量。 电容式位移传感器是把被测的位移转换成电容器电容的变化。它以各种类型的电容器作为转换元件，在大多数情况下，它是由两平行极板组成的以空气为介质的电容器，有时也有由两平行圆筒或其它形状平行面组成。因此，电容式传感器工作原理可用平行板电容器来说明，如图9-1所示。当不考虑边缘电场影响时，其电容量为：式中： C电容量
2、，单位为F；极板间介质的介电系数，单位为F m-1；A两平行极板相互覆盖的有效面积，单位为m2；两平行极板之间的距离，单位为m。,下一页,返回,（9-1）,第一节 电容式位移传感器,电容式位移传感器的结构形式，根据工作原理的不同，可分为变间隙式（变化）、变面积式（A变化）和变介电系数式（变化）三种，按极板形状不同，则有平板形和圆柱形两种。 图9-2中(a)(b)是电容式位移传感器的结构原理图，其电容变化是由于活动电极的位移而引起的。其中图9-2(a)，(b)是线位移传感器，图9-2(c)，(d)是角位移传感器。图9-2(a)是变间隙式，图9-2(b)，(c)，(d)是变面积式。图9-2(i)(
3、1)是属于变介电系数式。图9-2(i)，(j)中电容变化是由于固体或液体介质在极板之间运动而引起的。图9-2(k)，(l)中电容变化主要是介质的温度、密度等发生变化而引起的。图9-2(e)(h)是差动电容式传感器，它是由两个结构完全相同的电容式传感器构成的，它们共有一个活动电极，当活动电极处于起始中间位置时，两个传感器的电容相等，当活动电极偏离中间位置时，使一个电容增加，另一个电容减少。与单一式相比，差动式传感器灵敏度可以提高一倍，非线性得到改善，并且能补偿温度误差。,上一页,下一页,返回,第一节 电容式位移传感器,变间隙式一般用来测量微小的线位移（可小至0.01m零点几mm），也可用于由力、
4、位移、振动等引起的极板间距离变化。它灵敏度较高，易于实现非接触测量，因而应用较为普遍。变面积式则一般用来测量角位移或较大的线位移；变介电系数式常用于固体或液体的物位测量，也用于测定各种介质的温度、密度等状态参数。 图9-3所示为变面积型电容位移传感器的结构图。测杆1随着被测物体的位移而移动，它带动活动极板4上下移动，从而改变了活动极板与两个固定极板10，11之间的极板面积，使电容量发生变化，由于传感器采用了变面积差动形式，因而，线性度较好，图中的测力弹簧3，5保证测杆和活动极板能够很好地随被测物体移动，调节螺钉用来调节位移传感器的零点。,上一页,下一页,返回,第一节 电容式位移传感器,图9-4
5、为南京传感器厂生产的LVCT型电容式位移测量仪结构图，它可以把输入的线性位移转换成电量输出，其输出灵敏度为200mV/mm1000mV/mm，测量范围达20mm，线性度为0.050.3，可用于压力、应变、液位等能转换成直线位移的各种机械物理量的测试。 在电容式位移传感器实际使用过程中，由于传感器本身电容很小，仅几十微法至几微法，因此相当容易受到外界寄生电容的干扰，若在传感器和放大电路之间采用电缆连接，电缆本身寄生电容可能比传感器工作电容要大许多，因而，当它与传感器电容相关联时，将严重影响传感器的输出特性，使电容相对变化率大大降低，甚至使传感器不能工作。要解决这个问题，一种方法是将测量线路装在紧
6、靠传感器处，或者采用集成电路方法将全部测量电路装在传感器壳体内，对壳体和引出导线采取屏蔽措施。,上一页,下一页,返回,第一节 电容式位移传感器,另外一种方法是采用“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，电缆引线将电容极板上的电压输送给测量电路的同时，又输送给一个增益比为1：1的放大器，放大器的输出端接到内屏蔽层上，由于内屏蔽和引线之间等电位，两者之间没有容性电流存在，这就等效地消除了引线和内屏蔽之间的电容联系。而外屏蔽接地后，对地之间的电容将成为1：1放大器的负载，不再与传感器电容相并联，这样，无论电缆形状和位置如何变化，都不会对传感器的工作产生影响。采用这种方法
7、，即使传感器电容量很小，传输电缆长达数米时，传感器仍能很好地工作。,上一页,返回,第二节 电感式位移传感器,一 结构类型 电感式位移传感器种类繁多，目前常用的有变气隙型、变面积型和螺管型三种，如图9-6所示。虽然形式不同，但都包含线圈、铁芯和活动衔铁三部分。 对变间隙型传感器，气隙的大小随被测量的改变而变化，使磁路中气隙的磁阻发生变化，从而引起线圈电感的变化。这种电感量的变化与气隙的大小（即位移量）相对应，因此，只要能测出这种电感量的变化，就能测出位移的大小。变面积型是气隙长度保持一定，而铁芯与衔铁之间相对覆盖面积随被测位移量的变化而改变，从而导致线圈电感的变化。螺管型传感器是线圈电感随着衔铁
8、插入长度的变化而变化。理论上，电感相对变化量与衔铁位移相对变化量成正比，但由于线圈内磁场强度沿轴向分布不均匀，所以实际上，它的输出仍有非线性。,下一页,返回,第二节 电感式位移传感器,在这三种传感器中变气隙式灵敏度最高，且随气隙的增大而减少，非线性误差大。为了减少非线性误差，量程必须限制在较小范围内，所以只能用于微小位移的测量，一般为0.001mm1mm；变面积型传感器灵敏度比变间隙型小，理论灵敏度为一常数，因而线性好，量程也比变间隙式大，它的应用也比变间隙型多；螺管型传感器在三种中量程最大，可达几十毫米，灵敏度低，但结构简单便于制作，因而应用比较广泛。 这三种类型的传感器，由于线圈中流过负载
9、的电流不等于零，存在起始电流，非线性较大，而且有电磁吸力作用于活动衔铁。易受外界干扰的影响，如电源电压和频率的波动、温度变化等都将使输出产生误差，所以不适用于精密测量，只用在一些继电信号装置。在实际应用中，广泛采用的是差动式电感传感器。,上一页,下一页,返回,第二节 电感式位移传感器,二 差动式电感传感器 两只完全相同的单个线圈的电感传感器合用一个活动衔铁便构成了差动式电感传感器，如图9-7所示。 其结构特点是上下两个导磁体的几何尺寸完全相同，材料性能完全相同，两个线圈的电气参数（如电感匝数、线圈铜电阻等）和几何尺寸也完全一致。 差动电感传感器的两个线圈一般接在交流电桥的两臂，如图9-8所示，
10、由交流电源供电，在电桥的另一对角端即为输出的交流电压U0。,上一页,下一页,返回,第二节 电感式位移传感器,在起始位置时，衔铁处于中间位置，两边气隙相等，因此两只线圈的电感量在理论上相等，Z1=Z2，Z3=Z4=R0，电桥平衡，输出U0=0。当衔铁偏离中间位置向上（左）或向下（右）移动时，造成两线圈的电感量一增一减，电桥失去平衡即有电压输出，输出电压的幅值与衔铁移动量的大小成正比，其相位则与衔铁的移动方向有关，如果能测量出输出电压的大小和相位，就能决定衔铁位移量的大小和方向。 差动式电感传感器与单个线圈电感传感器相比，输出非线性得到改善，起始零位信号不大，灵敏度提高了一倍。由于采用差动电桥输出
11、，对外界的抗干扰能力如温度的变化、电源频率变化等也大为增强。铁芯对活动衔铁的吸力大为减小，因为两只线圈铁芯对衔铁的吸力方向正好相反，在中间位置时，吸力为零。由于差动式传感器有许多优点，所以得到了广泛的应用。,上一页,下一页,返回,第二节 电感式位移传感器,差动变间隙式传感器的工作行程只有几微米几毫米，所以适用于微小位移的测量，对较大范围位移的测量往往采用螺管型位移传感器。 图9-9为轴向位移传感器结构图，采用差动电感式。 图中可换测颈10用螺纹拧在测杆8上，测杆8可在钢球导轨7上做轴向运动，测杆上端固定着衔铁3，当测杆移动时，带动衔铁3在电感线圈中移动，线圈4放在圆筒开磁芯2中，当衔铁3在中间
12、位置向上移动时，上线圈电感量增加，下线圈电感量减少，电感的变化用导线1引出，以便接入测量电路。为了使测量头始终接触被测件，由弹簧5产生一定的接触力。防转销6用来限制测杆8的转动，密封套9用来防止尘土进入测量头内。由于测杆直接接在滚动导轨上，消除了径向间隙，使测量精度提高，并且灵敏度和寿命均达到较高指标。,上一页,下一页,返回,第二节 电感式位移传感器,表9-1给出了LG系列差动电感式位移传感器的型号和规格，它和CBS数字式静态位移测量仪配套使用，不仅可测试与控制物体的位移，还可对物体的长度和厚度等变量进行监测和控制。 差动电感传感器的测量线路一般采用图9-8所示交流电桥，其实际输出特性曲线如图
13、9-10实线所示。,上一页,返回,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应用最广泛的一种传感器，它是利用线圈的互感作用将位移转换成感应电势的变化。传感器本身就是一个变压器，其结构如图9-11所示，由初级线圈与两个相同的次级线圈和活动衔铁组成。 由于两只次级线圈按电势反相串接，以差动方式输出，所以称为差动变压器式传感器。 当初级线圈P加上一定的正弦交流电压u1后，在次级中产生感应电势e21、e22。当衔铁在中间位置时，两次级线圈互感相同，感应电势e21=e22 ，输出电压为零。当衔铁向上移动时，S1互感大，S2互感小，感应电势e21e22 ，输出电压u2= e21-e
14、22不为零，且在传感器的量程内，移动得越大，输出电压越大。当衔铁向下移动时，S2互感大，S1互感小，感应电势e21e22 ，输出电压仍不为零，与向上移动比较，相位相差180。,下一页,返回,第三节 变压器式位移传感器,因此，根据u2的大小和相位就可判断衔铁位移量的大小和方向，图9-12是差动变压器的典型特性曲线。其中u01为零位输出电压，曲线1为理想输出特性曲线，曲线2为实际输出特性曲线，为了区分零点两边铁芯位移所产生的输出相位，可通过相位测定和采用相敏电路来测定。 差动变压器的结构如图9-13所示。图9-13(a)，(c)所示结构的传感器，衔铁均为平板形，灵敏度较高，测量范围较小，一般用于几
15、微米到几百微米的位移测量。对于位移在1毫米至几百毫米位移的测量，常采用圆柱形衔铁的螺管型差动变压器，如图9-13(b)所示。图9-13(d)所示结构是测量转角的差动变压器，一般可测到几角秒的微小角位移，输出的线性范围一般在10左右。图9-14所示为实际差动变压器式位移传感器的结构图。,上一页,下一页,返回,第三节 变压器式位移传感器,测头1通过轴套2和测杆3相连，活动衔铁4固定在测杆上，线圈架上绕有3级线圈，中间是初级线圈，两端是次级线圈，它们都通过导线6与测量电路相连。7为屏蔽筒，目的是增加灵敏度和防止外磁场的干扰。测杆用圆片弹簧8作为导轨，从弹簧9获得恢复力。10是防尘罩，为了防止灰尘进入
16、测杆。 这种类型位移传感器的特性取决于差动变压器的特性，主要有灵敏度，零点电压和线性度三个方面。差动变压器式位移传感器的灵敏度用单位位移输出的电压或电流来表示，当测量电路输入阻抗是低阻时，用电流灵敏度来表示。一般差动变压器的灵敏度可达0.1V/mm5V/mm或100mA/mm，对高精度差动变压器位移传感器甚至更高。由于它的灵敏度较高，所以在测量大位移时，可不用放大器，因此，测量电路很简单。,上一页,下一页,返回,第三节 变压器式位移传感器,线性度是表征传感器精度的另一个重要指标，它表明传感器的输出电压与位移是否呈直线关系以及在活动衔铁位移的多大范围内保持线性关系，对于已设计好的传感器，它是一个
17、常值。经常使用的螺管型差动变压器线性范围一般为： ，线性可达0.1%0.5%。 激励频率也叫载波频率，它不仅对灵敏度和线性度有影响，而且也限制了变压器的动态特性，因而，适当地选择激励频率也很重要。灵敏度与激励电压成正比，也随激励频率的增加而增加。但是这种现象仅在一定的频率范围内，超过了这一范围，灵敏度反而会降低。这是由于频率很高时，导线有效电阻增加，涡流损耗，磁滞损耗增加等原因造成。差动变压器的可用激励频率为50Hz1MHz，但实际常用的是在400Hz10kHz。在动态测量时，一般认为激励频率与使衔铁运动的信号频率间的最小比值为10：1，换句话说，可测信号频率取决于激励频率。如果比值小于10：
18、1，信号的分辨率往往会变差。,上一页,下一页,返回,第三节 变压器式位移传感器,在实用传感器中，由于结构的不对称，输入电流与磁通不同相以及线圈间寄生电容等因素的影响，使输出电压不为零，此值称为零位电压。零位电压的存在使得传感器输出特性在零位附近的范围内不灵敏，在大多数情况下，这种情况并不严重，但是，当变压器的灵敏度要求很高和输出要求放大时，就必须在测量电路中采取补偿措施，图9-15所示是零位补偿电路。 与许多可供选用的传感器相比，差动变压器有以下优点：不存在机械过载的问题，因为铁芯完全能与变压器的其他部件分开；对高温、低温和温度变化也不敏感，并且能提供比较高的输出，常常用于没有中间放大的场合；
19、可反复使用，价格合理。,上一页,下一页,返回,第三节 变压器式位移传感器,差动变压器的最大缺点也许在动态测量方面，因为铁芯的质量相当大，使得差动变压器的质量也相当大。另外，过高的激励频率对灵敏度、线性度等的影响也是一个不利的因素，所以差动变压器不适宜于高频动态测量。 差动变压器式位移传感器除用于测量位移外，也可用于压力、振动、加速度等方面的测量。表9-2给出了南京传感器厂生产的差动变压器位移传感器的型号和性能。,上一页,返回,第四节 电涡流式位移传感器,对于机械运动中旋转或其它旋转体的位移和振动的测量，需采用非接触测量的方法，这时可选用电涡流式位移传感器。 电涡流式位移传感器是利用电涡流效应，
20、将非电量转换为阻抗变化，如图9-16所示。被测金属导体放置在一个扁平线圈附近，两者并不接触，当线圈中通过高频正弦交变电流时，以线圈周围就产生一个交变磁场H1，若被测导体置于磁场范围之内，则在被测导体内便产生电涡流i2，而此电涡流将产生一个新的磁场H2，H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因素发生改变。,下一页,返回,第四节 电涡流式位移传感器,一般地说，线圈阻抗、电感和品质因素的变化与导体的几何形状、导电率、导磁率有关，也与线圈的几何尺寸、激励电流和频率以及线圈到被测导体的距离有关。如果控制这些可变参数，只改变其中的一个参数，这样线圈阻抗等的变化就是这个参数
21、的单值函数。电涡流位移式传感器就是保持其它参数恒定不变，使阻抗仅是距离的函数。因此，这种传感器应看成是由一个载流线圈和被测导体两部分组成，是利用它们之间的耦合程度的变化来进行测试的，二者缺一不可。购买来的传感器仅为电涡流传感器的一部分，设计和使用中还必须考虑被测导体的物理性能、几何形状和尺寸。当被测导体为高导电率的抗磁材料或顺磁材料时，测量会简单易行，若被测物体是由高导磁率的铁磁材料制成时，效果会更好。 用于测量位移的电涡流式传感器有变间隙型、变面积型和螺管型三种形式。,上一页,下一页,返回,第四节 电涡流式位移传感器,变间隙型进行位移测量的原理是基于传感器线圈与被测导体平面之间间隙的变化引起
22、涡流效应的变化，从而导致线圈电感和阻抗的变化。如图9-17所示，电涡流传感器由一个固定在框架上的扁平圆线组成，线圈用多股漆包线和银线绕制而成，一般放在传感器的端部，可绕在框架的槽内，也可用粘结剂粘结在端部。图9-18所示为CZF1型电涡流传感器的结构。表9-3给出了CZF1系列传感器的性能，这种系列传感器与BZF型变换器和ZZF6指示仪配套可组成位移振幅测量仪，能用于测量航空发动机、汽轮机、压缩机、电动机等各种旋转机械的轴向位移和径向振动以及轴的运动轨迹，也能用于其它各种需测位移和振动的场合。,上一页,下一页,返回,第四节 电涡流式位移传感器,变面积型电涡流传感器是利用被测导体与传感器线圈之间
23、相对面积的变化，引起电涡流效应的变化，进行位移测量的，其原理如图9-19所示。 这种形式的电涡流传感器，测量线性范围比变间隙大而且线性度也较高，适合于轴向位移的测量。表9-4是几种变面积型电涡传感器的性能。 螺管型电涡流传感器，一般由短路套筒和螺管线圈组成，如图9-20所示。短路筒能够沿着螺管线圈轴向移动，引起螺管线圈电感的变化，从而测量位移。 这种类型的传感器在其长度的较宽范围内有较好的线性，然而其灵敏度较低。,上一页,返回,第五节 电阻式位移传感器,一、 电位器式位移传感器 电位器式位传感器种类较多，按结构形式可分为直线位移型、角位移型。按工艺特点可分为线绕式、非线绕式。这种类型传感器的特
24、点是结构简单，价格低廉，输入信号大，一般不需放大。但是，它的分辨率不高，精度也不高，所以不适合于精度要求较高的场合，另外，动态响应较差，不适合于动态快速测量。 1线绕电位器式位移传感器 线绕电位器式位移传感器一般由电阻骨架和电刷组成，其结构如图9-21所示。电阻系数很高并且极细的绝缘导线按照一定的规律整齐地绕在绝缘骨架上，在 它与电刷相接触的部分，将导线表面的绝缘去掉，形成一个电刷可在其上滑动的光滑而平整的接触道。测量时传感器的电刷固定在被测轴上或与之机械相连，电刷与被测轴是绝缘的，当被测轴运动时，带动电刷移动，其输出是与位移成正比的电压，电源电压加在电阻元件的“+”、“”两端。W为电刷引线端
25、。,下一页,返回,第五节 电阻式位移传感器,如果电阻元件的电阻是线性变化的，则空载的输出电压与线位移或角位移是严格的线性关系。在实际情况下，电位器的输出电压需通过指示仪表指示，指示仪表要从电位器中抽取一些电流，使得电位器的输出电压与位移之间呈非线性。 电位器式传感器的分辨率受电阻元件构造的影响，在一根光滑导线上可以得到连续的电阻变化，而在一般线绕电阻元件上只能得到阶跃式的电阻变化，如图9-22。这是因为电刷在电阻元件上滑动时，与电阻元件的接触是一匝一匝进行的，每当电刷移过一个节距，输出电阻产生一匝电阻值的跳跃，输出电压亦相应地产生一次阶跃。若电位器总匝数为500匝，总工作行程为25mm，两端所
26、加电压为10V，则电压分辨率为110/500=0.02V，位移分辨率为0.05mm，即此电位器不能分辨小于0.05mm的位移量。要进一步提高电压分辨率和位移分辨率，只有使用更细的导线，增加单位长度上的匝数，或调整加在电位器上的电压。,上一页,下一页,返回,第五节 电阻式位移传感器,2非线绕式电位器位移传感器 非线绕式电位器目前常见的有合成膜式电位器、金属膜式电位器，导电塑料电位器和光电电位器。 它们的共同特点是在绝缘基座上制成各种薄膜元件，因此比线绕式电位器具有高得多的分辨率，并且耐磨性好、寿命长。表9-5给出了三种电位器的主要技术指标。 从表9-5可以看出，非线绕式电位器各项指标都比线绕式好
27、，导电塑料电位器比合成膜电位器好。它们的缺点是：对温湿度变化比较敏感，且要求接触压力大，只能用于推动力大的敏感元件。,上一页,下一页,返回,第五节 电阻式位移传感器,光电式电位器是一种非接触式电位器，它以光束代替了常规的电刷，其结构原理如图9-25所示。一般采用氧化铝作基体，在其上沉积一条带状电阻薄膜3和一条高传导导电带5，电阻带和导电带之间留有一条很窄的间隙，在间隙上沉积一层光电导体（硫化镉或硒化镉）。当窄光光束在电阻带、导电带和光导电层上照射并移动时，可以看作导电带和电阻带导通，在负载Rf便有输出电压，而无光照射时，导电带和电阻带可以看作开路，从而保证了Rf上电压只取决于光束的位置。,上一
28、页,下一页,返回,第五节 电阻式位移传感器,二 应变片式位移传感器 应变片式位移传感器主要用于工程试验中，测量静态直线位移及位移有关的物理量。这种传感器的特点是：线性好，分辨率较高，结构简单，使用方便等。特别是它可以实现电气远距离测量和自动化测量。 应变片式位移传感器使用了电阻应变片作为转换元件，所依据的工作原理是基于导体或半导体的电阻-应变效应，即导体或半导体材料在外界作用下产生机械变形，导致其阻值发生变化。,上一页,下一页,返回,第五节 电阻式位移传感器,图9-26的示为悬臂梁-弹簧组合式位移传感器的工作原理。由拉伸弹簧和悬臂梁串联作为弹性元件，在矩形载面悬臂梁根部正反两面贴四片应变片，并
29、组成全桥电路，拉伸弹簧一端与测量杆连接，当测量杆随试件产生位移时，带动弹簧，使悬臂梁根部产生弯曲，由梁弯曲产生的应变与测量杆的位移成线性关系。图9-27为应变式位移传感器的结构图。 目前，国内生产的悬臂梁-弹簧组合式位移传感器的型号有YWB-10（量程10mm），YW-10（量程100mm）。 图9-28为悬臂梁式位移传感器，这种传感器一般用于小位移的测量，也可用于频率小于100Hz、幅值小于1.5mm的振动位移测量。灵敏度高，失真小。,上一页,下一页,返回,第五节 电阻式位移传感器,表9-6给出了WR系列应变式位移传感器的性能指标。这种系列传感器的灵敏度高，线性度也比较好，使用非常方便。 在
30、位移传感器中，除了上面介绍的以外，还有感应同步器、光栅传感器、磁栅传感器以及激光干涉仪等等。它们主要用于大量程、精密位移的检测，可实现动态测量、自动测量和数字显示。,上一页,返回,图9-1 平行板电容式,返回,图9-2 电容式位移传感器的结构原理图,返回,图9-3 变面积型电容位移传感器的结构图,返回,图9-4 LVCT型电容式位移测量仪结构图,返回,图9-5 驱动电缆原理图,返回,图9-6 电感式传感器结构,返回,图9-7 差动式电感传感器,返回,图9-8 电桥接法,返回,图9-9 轴向位移电感传感器,返回,表9-1 LG系列差动电感式位移传感器的型号和规格,返回,单位示值/,图9-10 输
31、出特性曲线,返回,图9-11 差动变压器结构示意图,返回,图9-12 差动变压器输出特性曲线,返回,图9-13 各种差动变压器的结构形式,返回,图9-14 差动变压器式位移传感器的结构,返回,图9-15 减小零位输出的补偿电路,返回,表9-2 差动变压器位移传感器的型号和性能,返回,图9-16 电涡流传感器工作原理,返回,图9-17 变间隙型测量位移的原理,返回,图9-18 电涡流传感器的结构,返回,表9-3 CZF1系列传感器性能指标,返回,图9-19 变面积型电涡流传感器测位移原理,返回,图9-20 螺管型电涡流传感器,返回,表9-4 变面积型电涡流传感器性能,返回,图9-21 线绕式位移传感器结构,返回,图9-22 线性电位器的阶梯特性,返回,表9-5 三种电位器的主要技术指标,返回,图9-25 光电式电位器原理图,返回,图9-26 悬臂梁-弹簧组合式位移传感器的工作原理,返回,图9-27 应变片式位移传感器结构,返回,图9-28 悬臂梁式位移传感器结构,返回,表9-6 WR系列应变式位移传感器技术参数,返回,
