位移传感器及工程应用ppt课件

为了提高灵敏度， 减少非线性误差，通常 把它做成差动形式，图 7-6是螺线管型差动自 感式位移传感器的结构 图。它由两个完全相同 的螺线管组合而成。
图7-6 螺线管型差动自感式位移传感器结构
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第7章 位移传感器及工程应用
显然，当衔铁处于两个螺线管相连的中心位置时，两边的 螺线管电感量相等。当衔铁偏离中心位置时，左右两个线圈 的电感量，一个增加一个减少，形成差动形式。同样可以证 明，螺线管型差动自感式位移传感器与螺线管型单自感式位 移传感器相比，灵敏度提高了一倍，并且非线性误差也大大 减少。
对于阶梯骨架结构，在骨架宽度b一定的情况下，骨架 高度hi可按下式计算
kD 2 hi 8
Ri Ri1 b xi xi1
(i 1,2,3,4) (7-1)
式中：D为电阻丝直径；k为电阻丝绕制节距；ρ为电阻率；Ri 为Ai点所对应的电阻值；xi为Ai点所对应的位移；b为骨架宽 度；R0=0；x0=0。
线圈
u
铁芯
铁芯 δ0
衔铁
衔铁
rs 骨架
A0/2 A0 δ
x 衔铁
(a)变气隙型
A u
线圈
x
(b)变面积型
u
ls
l
线圈 r0 x
(c)螺线管型
图7-4 单自感式位移传感器的基本结构示意图 15
第7章 位移传感器及工程应用
1.变气隙型自感式位移传感器
变气隙型单自感式位移传 感器的基本结构如图7-4(a)所 示。按本书4.6.1节的分析可 得，该传感器的自感系数L 为
l ls

(7-9)

式中，µ0为空气的磁导率；µr为活动衔铁的相对磁导率；N为
螺线管线圈的匝数。
若活动衔铁插入线圈的初始深度为l0，当衔铁在螺线管线
圈中向上移动了x，即l=l0+x时，将它代入式(7-9)得
L
0rs2 N 2
ls

1 ( r

1) r0 rs
2

3.螺线管型自感式位移传感器
螺线管型自感式位移传感器的结构也有单自感和差动式两
种，图7-4(c)是螺线管型单自感式位移传感器的结构示意图。
假设螺线管的内半径为rs，长度为ls，活动衔铁的半径为r0， 插入螺线管线圈的长度为l，当ls>>rs时，可认为螺线管内为匀 强磁场，忽略边沿效应，则螺线管电感L的计算公式为
l0

x

ls
(7-10)
由式(7-10)可知，当螺线管的结构参数确定后，自感L与位
移x呈线性关系。但由于实际螺线管内磁场不完全均匀及存在
边沿效应等因素，所以实际的自感L与位移x呈近似线性关系。
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第7章 位移传感器及工程应用
为了减少非线性误差，实际制作时通常取l0=ls/2。 这种传感器的优点是量程大、结构简单、便于制作；缺点 是灵敏度比较低，且有一定的非线性。一般用于测量精度要 求不是很高，且检测量程比较大的线位移情况。
第7章 位移传感器及工程应用
第7章 位移传感器及工程应用
7.1 电位器式位移传感器 7.2 电感式位移传感器 7.3 电容式位移传感器 7.4 霍尔式位移传感器 7.5 位移传感器工程应用案例
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第7章 位移传感器及工程应用
7.1 电位器式位移传感器
把位移变化转换成电阻值变化的敏感元件称作电位器式位 移传感器，简称为电位器。
动自感传感器的两个线圈Zx1、Zx2和两个平衡电阻（R1=R2=R） 组成一个电阻式差动交流电桥，二极管VD1~VD4接成相敏检 波电路。
C
+
Zx1
VD4
VD1
R1
A
B uo
u
Zx2
VD3
VD2
R2
-
D
图7-7 电阻式差动交流电桥相敏检波电路 23
第7章 位移传感器及工程应用
假设uo的参考极性为上正下负，流过电阻R1、R2的电流分 别为i1、i2。下面分三种情况来分析它的检波原理。
R(i1)i (Ri Ri 1 ) R(i1)i (Ri Ri1 )
(i 1,2,3,4)
(7-2)
式中，R'i为等截面支架上xi-1点和xi点之间并联的电阻；R'(i-1)i 为等截面支架上xi-1点和xi点之间电阻丝的电阻；Ri为i点所对 应的电阻。
由上可见，这种等截面骨架函数电位器最易实现，但它 只保证了在x1、x2、x3、x4点处的电阻值符合曲线；当电刷处 在各段中间位置时，由于分流作用将引起一定的误差。故多 用于要求精度不高的场合。
7.1.2 非线性电位器
如果电位器的输出电阻与被测位移量呈非线性关系，则称 它为非线性电位器。非线性电位器又称作函数电位器。
1.非线性电位器的结构 下面以图7-2(a)中所示的函数关系为例介绍非线性电位器 的结构。首先对 R=f(x)曲线进行分析，确定实现方案。一般 来说，实现函数电位器的方案有三种。
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第7章 位移传感器及工程应用
图7-1 常见线性电位器的基本结构
2.工作原理 当电位器的滑动触点受到外界作用力而产生位移时，就改 变了电位器的电阻值，这个电阻值的变化与位移变化成线性 关系，这就是线性电位器的工作原理。
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第7章 位移传感器及工程应用
根据使用场合的不同，电位器既可以作为变阻器使用，也 可以作为分压器使用。由于电位器的输出功率较大，在一般 场合下，可用指示仪表直接接收电位器送来的信号，这就大 大地简化了测量电路。
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第7章 位移传感器及工程应用
7.2 电感式位移传感器
7.2.1 自感式位移传感器
把被测位移变化转变为线圈自感系数变化的传感器称作 自感式位移传感器。因为自感系数常称作电感系数，所以自 感式位移传感器也常称作电感式位移传感器。
由本书 4.6.1节知，一个匝数为N的线圈，其自感系数L为
N2 L
Rm 式中，Rm为线圈磁路总磁阻。
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第7章 位移传感器及工程应用
3.骨架 对骨架材料要求形状稳定，其热膨胀系数和电阻丝相近， 表面绝缘电阻高，并且希望有较好的散热能力。
4.噪音 电位器传感器的噪声一般分为两类：一类是噪声来自电 位器上自由电子的随机运动，这种噪声电子流叠加在电阻的 工作电流上；另一类是电刷沿电位器移动时因接触电阻变化 引起的接触噪声。 此外，还有摩擦电噪声，振动噪声和高速噪声。
电位器种类繁多，若按其结构形式分类，可分为绕线式、 薄膜式、分段式和液体触点式等多种。
若按其输入/输出特性分类，可分为线性电位器和非线性 电位器两种。
7.1.1 线性电位器
1.线性电位器的结构 如果电位器的输出电阻与被测位移量呈线性关系，则称该 电位器为线性电位器。常见线性电位器的结构如图7-1所示。
L N 2 0 A0 2
(7-4)
图7-4 (a) 变气隙型
式中，N为线圈的匝数；δ为气隙磁路的长度；A0为中间气隙 磁路的横截面积；μ0为空气的磁导率（μ0=4π×10-7H/m）。
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假设该传感器的初始气隙为δ0，则初始电感量L0为
L0

W 2 0 A0 2 0
按 本 书 4.6.2 节 分 析 可 得，变气隙型差动自感式 位移传感器与变气隙型单 自感式位移传感器相比， 灵敏度提高了一倍，并且 非线性误差也大大减少。
图7-5 变气隙型差动自感传感器结构 18
第7章 位移传感器及工程应用
变气隙型自感式传感器的最大优点是：灵敏度高；其主要
缺点是：线性范围小、自由行程小、制造装配困难、互换性 差，因而限制了它的应用。
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第7章 位移传感器及工程应用
第三种方法是采用等截面骨架和电阻并联的结构来实现 的，它的结构示意图如图7-2(d)所示。
图7-2(a) 非线性电位器的特性曲线
图7-2(d) 等截面骨架结构示意图
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对于等截面骨架结构，各段并联的电阻值ri，一般可按 下列公式计算
Ri
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7.1.4 电位器传感器的应用
绕线式角位移电位器传感器的工作原理如图7-3所示。 绕线式角位移电位器传感器一般性能如下：
图7-3 角位移电位器的工作原理
动态范围：±10～±165° 线性度： ±0.5～±3％ 电位器全电阻：102~103Ω 工作温度： -50～150℃ 工作寿命： 104 次
L

L0

L0
0
x
(7-7)
式(7-7)表明，变气隙型单自感式位移传感器的电感L与位
移x呈近似线性关系。因此，它适合于测量微小位移的场合。 17
第7章 位移传感器及工程应用
为了提高灵敏度和减小非线性误差，通常把它做成差动 形式。变气隙型差动自感式位移传感器的结构如图7-5所示。 它由两个相同的线圈和磁路组成，当位于中间的衔铁上下移 动时，上下两个线圈的电感量，一个增加一个减少，形成差 动形式。
3.自感式位移传感器测量电路 由于位移是向量，它既有大小，又有方向。为了方便测量 位移的大小和方向，常采用差动式电感传感器。差动自感式 位移传感器测量电路相对比较复杂，常用的是相敏检波电路。 相敏检波电路有多种，下面介绍两种。
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第7章 位移传感器及工程应用
1）电阻式差动交流电桥相敏检波电路
电阻式差动交流电桥相敏检波电路如图7-7所示。图中差
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第一种方法骨架结构示意图如图7-2(b)所示。该方法采用 的是曲线骨架结构，通过精心设计骨架形状来逼近函数较精 确，但曲线骨架制造困难。
R
R f (x)
0
x
图7-2(a) 非线性电位器的特性曲线
图7-2(b) 采用曲线骨架结构示意图
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第二种方法是在允许误差的范围内进行折线逼近，即用 四条线段 OA1 A1A 2 A 2 A3 A3A 4 组成的折线代替原来的曲线 来近似逼近曲线R=f(x)，采用阶梯骨架结构示意图如图7-2(c) 所示。
图7-2(a) 非线性电位器的特性曲线
图7-2(c) 采用阶梯骨架结构示意图 6
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L n2V
(7-8)
式中，V为螺线管内空间的体积；n为线圈单位长度上的匝数； µ为螺线管内空间介质的磁导率。
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根据式(7-8)可推导出图7-4(c)中螺线管线圈的电感系数L为
L

0rs2 N 2
ls

1 ( r

1) r0 rs
2

① 当衔铁处于中间位置时，由于差动传感器两线圈的Zx1= Zx2，且R1=R2，电桥平衡。于是输出电压uo=0。
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第7章 位移传感器及工程应用
2）铜镍合金类 它电阻温度系数最小，约±0.002％/℃，电阻率为0.45μΩm， 机械强度高。但比铜的热电势大，康铜是这类合金的代表。 3）铂铱合金类 它具有硬度高，机械强度大、抗腐蚀、耐氧化、耐磨等优 点，电阻率为0.23μΩm，可制成很细的丝做高阻值电位器。 此外，还有镍铬丝、卡玛丝及银钯丝等。 2.电刷 电刷结构往往反映出电位器的噪音电平。只有当电刷与电 阻丝材料配合恰当，触点有良好的抗氧化能力，接触电势小， 并有一定的接触压力时，才能使噪音降低。常用电位器的接 触力在0.005～0.05N之间。
(7-3)
式(7-3)表明，当匝数N确定后，自感系数L仅是磁阻Rm的
函数。而自感式位移传感器就是通过改变磁路的磁阻来实现
自感系数变化的，故又把它称作变磁阻式位移传感器。 14
第7章 位移传感器及工程应用
根据被测位移改变磁阻的方式，它又分为变气隙型、变面 积型和螺线管型三种。图7-4是单自感式位移传感器的基本结 构示意图。在这三种类型中最常用的是变气隙型和螺线管型 两种，现分别介绍如下。
(7-5)
当被测运动部件与衔铁刚性相连时，若被测运动部件使衔
铁向上移动了x，即δ=δ0–x，将它代入式(7-4)整理得电感系数L
为
L L0 L0 (1 x / 0 ) 1 x /0 1 (x /0)2
(7-6)
当x/δ0<<1时，分母1-(x/δ0)2≈1，忽略分母中的(x/δ0)2项得
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第7章 位移传感器及工程应用
2.工作原理 非线性电位器的滑动触点一般位于直线面上，当滑动触点 受到外界作用力而产生位移时，就改变了电位器的电阻值， 这个电阻值的变化与位移变化成非线性关系，这就是非线性 电位器的工作原理。
7.1.3 绕线式电位器的材料
1.电阻丝 电阻丝的优点是电阻率大、电阻温度系数小，耐磨损，耐 腐蚀、焊接方便等。常用电阻丝材料有以下几种： 1）铜锰合金类 它的电阻温度系数为0.001％~0.003％/℃，比铜的热电势 小，约为1~2μV/℃，其缺点是工作温度低，一般为-50~60℃。