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1、第二章 位移检测传感器通过本章的学习，了解常用位移检测传感器的类型，每类传感器的结构、工作原理、静动态特性、测量范围、使用条件及后接测试装置。重点掌握：参量型位移传感器和光栅型位移传感器。Date1位移分为线位移和角位移两种，测量位移的常用方法有机械法、光测法和电测法。电测法是利用各种传感器将位移量转换成电量或电参数，再经后接测量仪器进一步变换完成对位移检测的一种方法。位移测试系统由传感器、变换电器、显示装置或记录仪器三部分组成。常用位移传感器有电阻式、电容式、涡流式、压电式、感应同步式、磁栅式、光电式等。Date2第一节 参量型位移传感器 工作原理：将被测物理量转换成电参数，即电阻、电容或电
2、感。一、电阻式位移传感器电阻式位移传感器的电阻值取决于材料的几何尺寸和物理特性，即：式中 导体电阻率（m）；L导体长度（m）S导体横截面积（m2）。改变其中任一参数均可使电阻值发生变化。电位计和应变片就是根据这一原理制成的。Date3电位计通常由截面相等的骨架、绕于骨架上的电阻丝线圈（电阻元件）和沿电位器移动的电刷等部分组成。电刷相对电阻元件可作直线运动、转动或螺旋运动，将直线位移、角位移成比例地转换成电阻量的变化（线性），非线性电位计可将线位移和转角变换成与之成某种函数关系的电阻或电压输出。电位计的电阻有线绕电阻、薄膜电阻、导电塑料（有机实芯）电阻等。 Date41.线性电位计的空载特性线性
3、电位计单位长度(或转角)的电阻值为常数。如图，有：R / L = RX / X则：KR电位计的电阻灵敏度（ /m ）电位计的空载电压为：Ku电位计的电压灵敏度（ V/m）电位计结构及电源电压一定时, KR 和Ku为常数.Date5实际线绕电位计的电刷移动时，每移动一匝线圈使其阻值和输出电压产生一次跳跃，其输出空载特性不是直线，而呈阶梯状，称为阶梯特性。线绕电位计的阶梯特性限制了其精度和分辨力。阶梯误差由线绕电位计的匝数决定,线径越小,同样长度的骨架所绕的线圈匝数越多，阶梯误差越小,分辨力越高。对角位移式电位器来说，Uo与电刷的旋转 角度成正比： Date62.非线性电位计空载特性非线性电位计其
4、输出电压（或电阻）与电刷位移之间具有非线性函数关系，其空载特性为一 条曲线，其电阻灵敏度KR=dR/dX，电压灵敏度KU=dU0/dX均为变量，其值与电刷位移X有关。最大阶梯误差发生在特性曲线斜率最高处。非线性电位计的结构形式有变骨架式、变节距式、分路电阻式和电位给定式等。Date7考题分析：1.电位计式位移传感器，其后接测量仪器的输入电阻对传感器的输出特性有何影响？如何减小这个影响？（并联分流，产生测量误差，应使R输入R传）2.设一圆型截面绕线式位移传感器的线圈半径为5mm，共绕制了100圈，线圈总电阻为1K，则传感器的灵敏度为多大？（1/mm）3.绕线式线性电位计式位移传感器每厘米绕制20
5、0圈，所以分辨力为 0.05 毫米。Date84.图示为某电位计式位移传感器的检测电路。E=10V，R0=10K，AB为线性电位计，总长度为150mm，总电阻为30K，C点为电刷位置。（1）计算输出电压U0=0V时的位移X；(100mm)（2）当位移X的变化范围为10140mm时，计算输出电压U0的范围。(-6V2.67V)E R02R0ACBU0 xDate9二、电阻应变式位移传感器工作原理：将被测位移引起的应变元件产生的应变，经后续电路变换成电信号输出，从而测出被测位移。电阻应变式位移传感器基本结构见教材P15图2-4。第四章详细介绍。 Date10三、电容式位移传感器平行板的间距d 远小
6、于平行板的 尺寸时，边缘效忽略。平行板电容器的容量：式中：极板间介质的介电常数（F/m），r为介质的相对介电常数，0=8.8510-12（F/m），真空介电常数；S 极板面积（m2）；极板间距（m）。固定三个参量中的任意两个，可以做成变极距式、变面积式和变介电常数式电容位移传感器。+-S平行板电容器电力线Date11 分类示意图 c) 介质变化型b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.+a) 极距变化型;+Date121.变极距式电容传感器 当动极板受被测物体作用引起位移时， 改变了两极板之间的距离，从而使电容量发 生变化。变极距式电容位移传感器具有较高的灵敏 度，但电容变化与极
7、距变化之间为非线性关系 。Date13变极距式电容传感器的特性曲线 从图中可以看到，当变极距式电容传感器的初始 极距0较小时，它的测量范围变大还是变小？为了提高 灵敏度，应使当0小些还是大些？ a） 结构示意图 b）电容量与极板距离的关系 1定极板 2动极板 21Date14设极板间的初始距离为0时，电容量为C0： 当极板间的距离减小时，电容量为C：电容的增量为：Date15当/0 1时，在小位移时，电容位移传感器的灵敏度为：变极距式电容位移传感器只适用于小位移的测量。Date16为提高灵敏度，改善线性度，可采用差动电容传感器。当动极板处于平衡位置 时，d1=d2=do，则C1=C2=Co，C
8、=C1-C2=0； 当动极板右移d时，d1=do-d, d2=do+d，电容总的相对变化为采用差动传感器，灵敏度提高了一倍，非线性误差大大减小。Date172.变面积式电容传感器图a是平板形直线位移式结构，极板1为 动极板，可左右移动；极板2为定极板，固定不动。当位移x=0时，两极板完全重合，此时 电容量为：当动极板移动x后，电容为：灵敏度为：Date18外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。2.变面积式电容传感器平板结构对极距变化特别敏感，测量精度 受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影 响很小，成为实际中最常用的结构。单组式差动式Date19图b是同心圆筒形位移传感器。外圆筒不动
9、，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。当位移x=0时，电容量为：2.变面积式电容传感器当动极板移动x时，电容量为：则：灵敏度为：Date202.变面积式电容传感器图c是角位移式的结构。极板2的轴由被测物体带动旋转 角度时，两极板的遮盖面积减小，电容量减小。当=0时，电容量为当动极板移动后，其电容为：灵敏度为：Date21变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数，但灵敏度较低。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。Date223.变介电常数式 在电容器两极板间插入不同介质时，由于各种介质的相对介电常数不同，所以电容器的电容量也就不同。变介电常数式电容
10、传感器可作为测量液面高度的电容式液位计使用，还可用于测量厚度、介值的湿度和温度等。Date23xh2r 2R12类型1:电容式液位计被测液体的液面在电容式 传感器元件的两同心同柱型电 极间变化时，引起极间不同介 电常数的高度发生变化，导致 电容的改变。 1空气中介电常数； 2液体介质介电常数；h电极板总长度（m）；r内电极板外径（m）；R外电极板内径（m）；x液面高度（m）。当液面高度X=0时，电容为： Date24液面高度为X时的电容为：可得：电容式液位计具有线性输出特性。灵敏度为：Date25电容式液位计棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液
11、体之间的电容变大。 聚四氟乙烯外套Date26表 几种介质的相对介电常数在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？可以用于测量什么非电量？介质厚度、湿度等。Date27变介质电容位移传感器气隙极板面积类型2：电容器的极板间插入某种介质(1)若插入介质的厚度 d 保持不变，相对介电常数 r 改变（如湿度变化），可做成湿度传感器；(2)若r不变，可做成测厚传感器.(3) 电容C与介质厚度d 及介电常数r均为非线性关 系.Date284.容栅传感器测量大位移 容栅传栅传 感器是基于变变面积积工作原理的新型电电容传传感器，它的电电极排列如同栅栅状,分为长为长 容栅栅和圆圆容栅栅两
12、种。长长容栅传栅传 感器用于直线线位移的测测量，圆圆容栅传栅传 感器用于角位移的测测量。容栅传栅传 感器由于多极电电容及平均效应应，所以分辨力高、精度高、量程大，适用于大位移测测量。Date29容栅传感器工作原理一个极板由均匀排列电极的定栅组成，另一极板由 一对相同尺寸的交错对插动栅对组成。运行时，两电 极栅片相对安装，其中暗区域是两电极栅的重叠面积 ，从而形成一对随位移反向变化的差动电容C1和C2。将 电容极板刻成栅状提高了测量精度并实现了大位移测 量。 定栅动栅对Date30n可动容栅的栅极数； a，b栅极片长度和宽度测量位移时，动栅与定栅相覆盖的宽度发生变化，其电容量随之变化。根据所测电
13、容量的变化可知位移的变化量。忽略电容边缘效应，长容栅最大电容量为：Date31片状圆容栅r2,r1圆盘栅极片外半径和内半径每条栅极片对应的圆心角（rad）Date32柱状圆容栅Date33各种容栅测量装置Date34各种容栅数显卡尺Date355.电容式位移传感器的绝缘和屏蔽电容传感器容量较小（pF），本身容抗很大，其绝缘电阻视为电容传感器的旁路电阻。若绝缘材料性能不佳，会使电容传感器产生零位漂移。要求其绝缘材料具有高绝缘电阻、低膨胀系数，几何尺寸稳定和低吸潮性。使用时，电容传感器及其引线应采取屏蔽措施：置于金属壳内，接地应可靠。以消除寄生电容和外界静电场及交变磁场的干扰。Date36思考题：
14、1.有一变极距型电容传感器，两极板的重合面积为8cm2，两极板间的距离为1mm，已知空气的相对介电常数为1.0006，试计算该传感器的位移灵敏度。2.一电容测微仪，其传感器的圆形极板半径r=4mm，工作初始间隙=0.3mm，问：(1）工作时，如果传感器的工作间隙变化量 =1m时，电容变化量是多少？(2）如果测量电路的灵敏度S1=100mV/pF，读数仪表的灵敏度S2=5格/mV，在 =1m时，读数仪表的指示值变化多少格？Date37四、电感式位移传感器 电感式位移传感器基于电磁感应原理将被测物理 量位移转换成自感L或互感M的变化，并通过测量电 感量的变化确定位移量。电感式位移传感器有自感 式、
15、互感式、涡流式和压磁式等。其输出功率大、 灵敏度高、稳定性好，应用广泛。凡可转换成位移 的物理量如压力、振动等均可测量。Date381.电感传感器的基本工作原理N匝的线圈通以交变电流i时，产生磁通m 则自 感L(H)为:L=Nm/ i (绕了类似R=U/I)根据磁路欧姆定律：m=Ni / Rm式中，R磁阻（H-1）。则：L=Nm / i = N2 / Rm磁阻包括铁心、衔铁和气隙中的磁阻。Date39当传感器结构材料确定后，自感L是气隙厚度和气隙导 磁截面积的函数。Date40螺管式电感传感器是在线圈中插入圆柱形 衔铁，当衔铁上下移动时，磁路磁阻随着衔铁插入深度的不同而变化，自感量相应发生 变
16、化。变气隙型传感器变截面型传感器 2.自感传感器的基本类型Date41自感式电感传感器常见的形式 变隙式 变截面式 螺线管式 Date42(1) 变气隙式自感传感器 气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 L L与与 之间是非线性关系。之间是非线性关系。 磁路总的磁阻为 线圈的电感为 Date43变隙式电感传感器L-特性：与电电容传传感器类类似。为了提高其灵敏度，增大线性工作范围，减小非线性误差，采用差动电感式位移传感器。Date44差动电感传感器的特点 在变变隙式差动电动电 感 传传感器中，当衔铁衔铁 随被 测测量移动动而偏离中间间位 置时时，两个线线圈的电电感 量一个增加，一个减小， 形成差动动形式。 1-差动线圈 2
