位移与速度测量传感器

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1、实用传感器技术教程2021/10/81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4.82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

2、且各自的特性也不相同。34.1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。44.1电感式位移传感器4.1.1电感位移传感器原理与分类图4-1电感式传感器的结构原理5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64.1.1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↑=I

3、2+ΔII=I2↑-I1↓=2ΔIU0=2ΔIZL同理，动铁下移时：U0=-2ΔIZL74.1.2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。84.1.2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

4、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。94.1.3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），得图4-4变压器电桥104.1.3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

5、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114.1.3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124.1.3

6、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

7、调倍率电位器，输出信号由电压表V指示。13其中：ρ金属电阻率，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14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

8、15——电涡流在我们日常生活中应用干净