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2019/12/201实用传感器技术教程2电感式位移传感器第4章位移与速度测量传感器4.1电容式位移传感器4.3霍尔传感器4.4电涡流式传感器4.2光栅传感器4.5微波传感器4.6超声波传感器4.7位移检测传感器性能比较4.83无论是科学研究还是生产实践中,需要进行位移测量的场合非常多。此外,还有许多被测物理量可以转化为位移进行测量,如压力、位置等都可以通过某种转换部件,先将它们转换为直线位移,然后通过测量位移间接得到被测量。在不同的场合、不同的应用领域,对位移测量传感器的要求差异也很大,比如测量范围、测量精度、动态响应等。因此,位移测量传感器的种类也是相当多,并且各自的特性也不相同。44.1电感式位移传感器电感式传感器是基于电磁感应原理,将输入量转换成电感变化量的一种装置。常配以不同的敏感元件用来测量位移、压力、振动等物理参数。54.1电感式位移传感器4.1.1电感位移传感器原理与分类线圈线圈铁芯衔铁衔铁(a)(b)(c)图4-1电感式传感器的结构原理6L铁芯线圈衔铁拉簧I自感L与气隙δ成反比,而与气隙导磁截面积A成正比。W——线圈匝数,μ0——空气磁导率。气隙型传感器的结构原理图74.1.1电感位移传感器原理与分类差动变隙式电感传感器的原理结构初态时:若结构对称,且动铁居中,则δ1=δ2,U0=0。动铁上移时:则δ1↓→L1↑→I1↓=I1-ΔIδ2↑→L2↓→I2↑=I2+ΔII=I2↑-I1↓=2ΔIU0=2ΔIZL同理,动铁下移时:U0=-2ΔIZL12衔铁线圈铁芯I1I2IZLU0U/2U/2Ui84.1.2电感位移传感器输出特性由图可以看出L=f(δ)不是线性的,即变气隙式传感器δ和L之间不满足线形变化关系。理论上,当δ=0时,L为∞,如果考虑到导磁体的磁阻,即当δ=0时,L不等于∞,而有一定的数值。变截面积式传感器的面积S与L值则是线性关系,即L=f(S)的特性曲线为一条直线。S,dLL=f(s)0L=f(δ)94.1.2电感位移传感器输出特性变气隙式、变面积式和螺线管式三种类型电感传感器相比较,变气隙式灵敏度最高,因而它对电路的放大倍数要求很低,缺点是非线性严重。为了限制非线性误差,示值范围只能很小,导致自由行程小,因此制造装配比较困难。变面积式的优点是具有较好的线性,自由行程较大。螺线管式主要优点是结构简单、制造装配容易、自由行程大,但是灵敏度最低。但灵敏度低可以通过放大电路加以解决,因此,目前螺管型电感传感器用得越来越多。104.1.3电感位移传感器测量电路1.变压器电桥输出特性公式为在初始位置时Z1=Z2=Z,电桥处于平衡状态,U0=0动铁芯上移时:δ1↓→L1↑→Z1↑=Z+ΔZδ2↑→L2↓→Z2↓=Z-ΔZ代入式(4-2),得UiU/2U/2Z1Z2BAUO图4-4变压器电桥120122ABZZUUUUZZ02ZUUZ114.1.3电感位移传感器测量电路2.相敏检波电路相敏检波电路是常用的判别电路。下面以带二极管式环形相敏检波的交流电桥为例介绍该电路的作用。图4.5相敏检波电路(a)带相敏检波的交流电桥;(b)实用电路124.1.3电感位移传感器测量电路如图3.11(a)所示,Z1、Z2为传感器两线圈的阻抗,Z3=Z4构成另两个桥臂,U为供桥电压,U为输出。当衔铁处于中间位置时,Z1=Z2=Z,电桥平衡,U=0。若衔铁上移,Z1增大,Z2减小。如供桥电压为正半周,即A点电位高于B点,二极管D1、D4导通,D2、D3截止。在A—E—C—B支路中,C点电位由于Z1增大而降低;在A—F—D—B支路中,D点电位由于Z2减小而增高。因此D点电位高于C点,输出信号为正134.1.3电感位移传感器测量电路如供桥电压为负半周,B点电位高于A点,二极管D2、D3导通,D1、D4截止。在B—C—F—A支路中,C点电位由于Z2减小而比平衡时降低;在B—D—E—A支路中,D点电位则因Z1增大而比平衡时增高。因此D点电位仍高于C点,输出信号仍为正。同理可以证明,衔铁下移时输出信号总为负。于是,输出信号的正负代表了衔铁位移的方向。实际采用的电路如图3.11(b)所示。L1、L2为传感器的两个线圈,C1、C2为另两个桥臂。电桥供桥电压由变压器B的次级提供。R1、R2、R3、R4为四个线绕电阻,用于减小温度误差。C3为滤波电容,Rw1为调零电位器,Rw2为调倍率电位器,输出信号由电压表V指示。144.2电涡流式传感器15H2被测导体H1传感器激励电流电涡流传感器原理图~I1I2(,,,,)ZFrfx其中:ρ金属电导率,μ金属磁导率,r线圈与被测物体的尺寸因子,f激磁电流频率,x线圈与导体间的距离基于法拉第电磁感应原理,当传感器线圈通以正弦交变电流I1时,线圈周围空间将产生正弦交变磁场H1,被测导体内产生呈涡旋状的交变感应电流I2,称电涡流效应。电涡流产生的交变磁场H2与H1方向相反,它使传感器线圈等效阻抗发生变化。4.2电涡流式传感器16应用:x——位移、厚度、振幅;ρ——表面温度、电解质浓度、材质判别等;μ,ρ——无损探伤等。特点:非接触连续测量,灵敏度高、频响宽、分辨率高涡流分布在导体表面4.2电涡流式传感器174.2电涡流式传感器184.2电涡流式传感器19低频透射式电涡流式传感器:音频(20kHz)激励电流低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度。4.2电涡流式传感器204.2电涡流式传感器3.技术参数型号测量范围mm分辨率μm重复性μm线性度﹪频响kHz温漂静态动态KD19251.270.761.30.762±1.50~100.054﹪/℃KD19503.811.32.52.54±10~100.036﹪/℃KD197552.52.52.54±10~2.50.018﹪/℃KD1925M0.90.761.30.762±1.50~100.054﹪/℃表4-1英国真尚有电涡流传感器主要技术指标21测量电路——交流电桥、谐振电路4.2电涡流式传感器224.2电涡流式传感器LC并联阻抗→∞234.2电涡流式传感器LC回路是振荡器的一部分244.2电涡流式传感器2.电桥测量电路电桥将反映线圈阻抗的变化,线圈阻抗的变化反映被测金属导体的接近程度。当静态时,电桥平衡,输出电压u0=0。当传感器接近被测金属导体时,传感器线圈的阻抗发生变化,电桥失去平衡,即u0≠0,该信号经经过线性放大和检波器检波后输出直流电压,其幅值经过标定即可以实现对位移量的测量。uu0Z1Z2C1C2R1R2图4-11涡流传感器电桥测量电路254.2电涡流式传感器电涡流式传感器的特点:非接触测量,不易受油液介质影响;结构简单,使用方便,灵敏度高,最高分辨率达0.05微米;频率响应范围宽(0~10kHz),适合动态测量。264.2.3电涡流传感器应用1.位移测量试件试件电涡流传感器电涡流传感器(a)(b)图4-12电涡流位移测量方法274.2.3电涡流传感器应用2.振动测量(a)(b)试件试件涡流传感器涡流传感器图4-13电涡流振动测量方法28无损探伤4.2.3电涡流传感器应用294.2.3电涡流传感器应用测转速测厚度计数测裂纹304.2.3电涡流传感器应用5.液位测量与控制测量电路微处理器串行接口继电器电动泵浮子涡流板涡流传感器图4-15利用电涡流传感器构成的液位监控系统314.2.3电涡流传感器应用6.厚度测量(1)金属表面的厚膜测量磁传感器x0x金属材料膜-+-+A1A2-+A3-+-+A4A5R1R2R3R4VD1VD2C1C2B1L1L2测量桥路R5R6VZ1VZ2RP1R7R8R9R10RP2+VC3R11R12VD3VD4UOUT324.2.3电涡流传感器应用6.厚度测量(2)金属板厚度测量传感器探头传感器探头传感器探头x1x2D被测板被测板(a)(b)检波检波比较电压加法器指示仪表x1x2x+--S1S2图4-19高频反射式电涡流测厚仪33Aδ介电常数ε电容式传感器结构图原理:被测非电量转换为电容量的变化种类:变极距δ、变面积A、变介质εACδ、A或ε发生变化时,都会引起电容的变化。4.3电容式位移传感器4.3.1电容式位移传感器原理与分类34输入输出关系:△δ/δ0-△C/C0具有严重非线性。2300000000230000000111,CSCCCCCC灵敏度:0200SCCAK1.变极距型电容传感器35C0δ1.变极距型电容传感器361.变极距型电容传感器371.变极距型电容传感器380CA0SCKconstA输入输出特性:灵敏度:面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系,但与极板变化型相比,灵敏度较低,适用于较大角位移及直线位移的测量。2.变面积型电容传感器390AC介质含水量、介质厚度、温度、密度等变化引起介电常数变化,因此可以构成含水量、物位高度、温度等测量用传感器。图中,厚度为δ2的介质(ε2为其介电常数)在电容器中左右运动,由于电容器中介质的介电常数改变,电容量改变。3.变介电常数型电容传感器40电容式传感器测量电路常用的有电桥电路、谐振电路、调频电路、运算放大电路、差动脉冲宽度调制电路等。参考电位比较器414.3.2电容式位移传感器特点1.优点:Ⅰ.温度稳定性好电容式传感器的电容值一般与电极材料无关,有利于选择温度系数低的材料,又因本身发热极小,影响稳定性甚微。而电阻传感器有铜损等,易发热产生零漂。Ⅱ.结构简单电容式传感器结构简单,易于制造,易于保证高的精度,可以做得非常小巧,以实现某些特殊的测量;能工作在高温,强辐射及强磁场等恶劣的环境中,可以承受很大的温度变化,承受高压力,高冲击,过载等;能测量超高温和低压差,也能对带磁工作进行测量。424.3.2电容式位移传感器特点Ⅲ.动态响应好电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小(约几个10-5N),需要的作用能量极小,又由于它的可动部分可以做得很小很薄,即质量很轻,因此其固有频率很高,动态响应时间短,能在几兆Hz的频率下工作,特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电,因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。Ⅳ.可以非接触测量,具有平均效应例如非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。电容式传感器除了上述的优点外,还因其带电极板间的静电引力很小,所需输入力和输入能量极小,因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等,可以做得很灵敏,分辨力高,能敏感0.01μm甚至更小的位移;由于其空气等介质损耗小,采用差动结构并接成电桥式时产生的零残极小,因此允许电路进行高倍率放大,使仪器具有很高的灵敏度。432.缺点(1)输出阻抗高,负载能力差电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制,一般微几十导几百皮法,其值只有几个皮法,使传感器的输出阻抗很高,尤其当采用音频范围内的交流电源时,输出阻抗高达108~106Ω。因此传感器的负载能力很差,易受外界干扰影响而产生不稳定现象,严重时甚至无法工作,必须采取屏蔽措施,从而给设计和使用带来极大的不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高(几十兆欧以上),否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能(如灵敏度降低),为此还要特别注意周围的环境如湿度、清洁度等。4.3.2电容式位移传感器特点44(2)寄生电容影响大。电容式传感器的初始电容量很小,而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大,降低了传感器的灵敏度,影响测量精度,因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。(3)输出特性非线性。变极距型电容传感器的输出是非线性的。其它类型传感器也只
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