位移的测量解析PPT课件
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层均匀电阻液，烘干聚合后形成电阻膜。优 点是分辨率高、耐磨性好、工艺简单、低成
本，但接触电阻大。金属膜电位器是在玻璃
等绝缘基体上喷涂一层铂铑、铂铜合金金属 膜制成。这种电位器温度系数小，适合高温 工作，但功率小较、耐磨性差、阻值小。
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２. 导电塑料电位器 又称有机实心电位器。采用塑料和导电 材料（石墨、金属合金粉末等）混合模压 而成。特点是分辨率高、使用寿命长、旋 转力矩小、功率大。缺点是接触电阻大、 耐热、耐湿性能差。
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单一线圈的感应电势E21 或E22与位移s成非线性，而差动 形式输出电压E2则与铁心的位移 成线性。
E2的实线表示理想的输出特性，而虚线
表示实际的输出特性。由于差动变压器上下
不对称、铁心位置等因素，当铁心在中间位
置时，输出不为零。E0称为零点残余电压。
零点残余电压的存在，使传感器的输出
¤ 掌握差动变压器式传感器的使用、测 量方法
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[相关知识]
差动变压器是利 用电磁感应原理进行 测量的。它从原理上 讲是一个变压器，利 用线圈的互感作用把 被测位移量转换为感 应电势的变化。由于 这种传感器常常做成 差动的形式，所以称 为差动变压器。
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四、差动变压器式位移传感器基本特性
差动变压器式传感器的特性取决于差
动变压器的特性，包括灵敏度、零点电压、
线性范围、相位、频率特性、温度特性、 吸合力等。
1 灵敏度
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差动变压器在单位电压激磁下，铁心
移动一单位距离时的输出电压即为灵敏度，
其单位为V/mm·V。一般差动变压器的灵
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[相关知识]
电位器式传感器是将非电量如力、位移、 速度和加速度等的变化量变换成有一定关系 的电阻值的变化，再通过对电阻值的测量达 到对上述非电量测量的目的。
电位计(器)式电阻传感器又分为线绕式 和非线绕式两种，它们主要用于非电量变化 较大的测量场合，如线位移、角位移等。
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课题二 差动变压器式位移传感器
[任务导入]
有的机械零件尺寸需要精确测量，并 根据测量误差进行分拣。轴的外径测量就 是其中一种，需要根据形状精度自动检测。
在自动检测系统中，往往要用到差动 变压器式位移传感器进行测量，测量精度较高 ，检测范围一般是0～100mm。
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3 线性范围 一般差动变压器的线性范围约为线圈骨架长度的1/10～1/1/4，中段线性 较好。铁心的直径、长度、材质的不同和线圈骨架的形状、大小的不同等，均对 线性关系有直接的影响。如果还要求次级电压的相位角为一定值，则差动变压器 的线性范围约为线圈骨架全长的左右。可用差动整流电路对差动变压器的交流输 出电压进行整流来扩展线性范围。
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2. 电压分辨率
线绕电位器的电压分辨率，是在电 刷行程内电位计输出电压阶梯的最大值与 最大输出电压之比的百分数。对于具有理 想阶梯特性的线绕电位计，其理论的电压 分辨率为
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由上式可以看出，线绕电位器的匝 数越多，其分辨率越高。
敏度大于5 0mV/mm·V。提高线圈的Q
值，选择较高的激磁频率，增大铁心直径，
提高激磁电压都可以提高差动变压器的灵
敏度。
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2 零点电压 当铁心位于线圈中间时传感器的理想输出应为零，而实际差动变压 器输出存在残余电压E0，称为零点电压 （零点残余电压）。零点电压产生 原因是差动变压器自身结构不对称，激磁电流与铁心磁通的相位差不为零 和寄生电容等因数造成的。为消除零点电压，通常在测量电路中采取补偿 措施。
线绕电位器具有精度高、性能稳定、线 性好等优点，但分辨率低、耐磨性差、寿 命短。因此，可以使用一些非线绕式电位 器。
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三、非线绕式电位器
按照材料的不同，除了线绕式电位器外 还有以下三类常见的电位器：
1、膜式电位器
膜式电位器通常分碳膜电位器和金属膜
电位器。碳膜电位器是在绝缘骨架表面涂一
成。位移传感器安装在油门踏板内部，随时 监测油门踏板的位置。
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当监测到油门踏板高度位置有变化， 会瞬间将此信息送往ECU，ECU对该信息 和其它系统传来的数据信息进行运算处理， 计算出一个控制信号，通过线路送到伺服 电动机继电器，伺服电动机驱动节气门执 行机构。
由于电子油门系统是通过ECU来调整 节气门的，因此电子油门系统可以设置各 2021/4/17 种功能来改善驾驶的安全性、舒适性、油
1 . 信号测量电路
差动变压器的输出电压是交流信号，它 输出的有效值与铁心位移成正比，它的相位 与铁心位移的方向有关。如果用交流电压表
进行测量，无法判别铁心的运动方向。此外 差动变压器的输出总有零点残余电压输出，
这就造成零点附近的小位移测量误差大，线
性差。为此常利用相敏检波电路、差动整流
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(1)相敏检波电路
相敏检波电路的形式较多。这种电路要 求比较电压Ek与差动变压器的输出电压Es具 有相同频率、相同相位，必须接入移相电路。
相敏检波电路输出直流电压信号，输出电压 的极性能反映铁心位移的方向，即铁心位置
从零点向上、下移动，对应输出电压符号为
负极性或正极性。而且还可以消除残余电压。
特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，
此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重
要 指 标 。 2021/4/17
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二、差动变压器式位移传感器结构类型与基本特性
1. 螺管型差动变压器
螺管型差动变压器由线圈绕组、可 动衔铁和导磁外壳组成。绕组由初、次级 线圈和骨架组成。
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2. Ⅱ型差动变压器
对称的Ⅱ型铁心上各有次级线圈绕组， 中间衔铁为平板型。这种差动变压器的灵敏 度较高，且初级线圈Q值很高时，输出特性 曲线如图所示。其灵敏度与初始间隙成正比， δ0越大，灵敏度越小。
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特性曲线
Ⅱ型差动变压器
第29页/共99页
Ⅱ型差动变压器输出
三、差动变压器式位移传感器测量电路
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3. 测量误差 阶梯特性曲线围绕理论特性直线上下 波动，产生的偏差称为阶梯误差。电位器 的阶梯误差ej通常用理想阶梯特性曲线对 理论特性曲线的最大偏差值与最大输出电 压值之比的百分数表示。电位器阶梯误差 为
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4. 测量方法 线绕式电位计是通过电阻百分比来分配 外加电源的电压，因此输出要注意阻抗的 匹配。
采用补偿线路可以减小零点残余电压。 补偿方法是在输出端接一可调电位器Ro。改 变电位器电刷的位置，可使两只次级线圈的 输出电压的大小和相位发生改变，从而使零 位电压为最小值。这种方法可补偿零位电压 中基波正交分量。如果在输出端再并联一只 电容器C，就可以有效地补偿零位电压的高 次谐波分量。
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四、电位器式传感器
电位器式传感器主要用来测量直线位
移和角位移。和弹性元件相结合也可以测
量压力、力、加速度等量。
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[任务实施]
电子油门控制系统主要由油门踏板、踏 板电位计角位移传感器、ECU（电控单元）、 数据总线、伺服电动机和节气门执行机构组
模块七 位移的测量
课题一 课题二
器 课题三 课题四
位移传感器 差动变压器式位移传感
电涡流式位移传感器 光栅式位移传感器
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第1页/共99页
课题一 位移传感器
[任务导入]
传统发动机节气门（油门）操纵机构是 通过拉索（软钢丝）或者拉杆，一端联接油 门踏板（加速踏板），另一端连接节气门连 动板而工作。这种传统油门应用范畴受到限 制并缺乏精确性。
在机械零件的几何形状精度检 测时，我们常常选择差动变压器式位
移传感器。 差动变压器式位移传感器的工
作原理是什么？其结构、特点如何？
这就是我们本课题的任务目标。
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◆ 知识点
¤ 了解差动变压器式传感器的工作原理 ¤ 了解差动变压器式传感器的性能特点及其适用场合
◆ 技能点
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(2)差动整流电路
差动整流电路又分为全波电流输出、半 波电流输出、全波电压输出和半波电压输出。 这种电路的原理是把差动变压器两个次级电 压分别整流后，以它们的差作为输出，这样 次级线圈电压的相位和零点残余电压都不必 考虑。
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2. 零位电压的补偿
电位计式位移传感器为电子油门控 制器中的常用传感器。那么电位计式位 移传感器的工作原理是什么？其结构、 特点、适用场所如何？这就是我们本课 题的任务目标。
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◆ 知识点
¤ 了解位移传感器的基本工作原理 ¤ 掌握位移传感器的基本测量方法
◆ 技能点 ¤ 掌握位移传感器的一般测量方法
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一 、 线绕电位器结构和工作原理
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若线绕电位器的绕线的截面积均匀，则R
变化均匀 (线性)。U1为工作电压，U0为负
载电阻RL两端的输出电压。X为线绕电位器电
刷移动的长度，L为其总长度，对应于电刷移
动量X的电阻值R x为
输出电压
为
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在现代汽车控制中，采用电子油门控制
踏板位移量就能控制可燃混合气的流量，改
变发动机的转速和功率，以适应汽车行驶的 需要。
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电子油门的核心是位移传感器。位 移传感器的输出控制一只微型电机，电 机可驱动节气门开度，即可控制油门的 大小。
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３. 光电电位器
光电电位器是非接触电位器，采用光 束代替电刷。光束在电阻带、光电导层上 移动时，光电导层受到光束激发，使电阻 带和集电带导通，在负载电阻两端便有电 压输出。
光电电位器特点是阻值范围宽 (500Ω～15MΩ)、无磨损、寿命长、分 辨率高。缺点是不能输出大电流，测量电 路复杂。
第23页/共99页
一、差动变压器式位移传感器原理
差动变压器式传感器是由一个可动铁芯1、初级线圈2和次级线圈3和4 组成的变压器。次级线圈3和4反极性串联，接成差动形式。
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差动变压器工作在理想情况下，等效电
路M为R2初如21分、级下别R线图2为2圈。分初的别U级电为1、为感两次初和个线级有次圈线效级间圈电线的激阻圈互励；的感电L电，2压1感、L；1有L、M2交2R1、电1、
阻。
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当初级线圈加上交流电压U1时，在次级线圈分别产生感应电压E21和E22，
则输出电压E2＝E21－E22。
当两个次级线圈完全一致，铁芯位于中间时，输出电压为0。 主、次绕组间的耦合会随衔铁的移动而变化。当铁芯向上运动时，互感M1 大，M2小，E21> E22 ；当铁心向下运动时，互感M1小，M2大，E21< E22 。 随着铁心上下移动，输出电压E2发生变化，其大小与铁心的轴向位移成比例， 其相位反映铁心的运动方向。这样输出电压E2就可以反映位移变化。
二、线绕电位器传感器的输出特性
1. 阶梯特性
当电刷在变阻器的线圈上移动时，电位器的阻值随电刷从一圈移动到另一圈， 输出电压U0不连续变化，而是跳跃式地变化。电刷每移动一匝线圈使输出电压产 生一次跳跃，移动n匝，则使输出电压产生n次电压阶跃。
当电刷从n一1匝移至n匝时，电刷瞬间使两相邻匝线短接，使每一个电压阶 跃中产生一次小阶跃，所以线绕电位器输出是阶梯特性。工程上总是将真实输出 特性理想化为阶梯状特性曲线或近似为直线。
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4 频率特性
差动变压器的激磁频率一般从400 Hz 到l0kHz较为适当，应大于衔铁运动频率1 0倍。频率太低时差动变压器的灵敏度显著 降低，温度误差和频率误差增加。但频率太 高，铁损和耦合电容等的影响也增加，前述 的理想差动变压器的假定条件就不能成立。
本，但接触电阻大。金属膜电位器是在玻璃
等绝缘基体上喷涂一层铂铑、铂铜合金金属 膜制成。这种电位器温度系数小，适合高温 工作，但功率小较、耐磨性差、阻值小。
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２. 导电塑料电位器 又称有机实心电位器。采用塑料和导电 材料（石墨、金属合金粉末等）混合模压 而成。特点是分辨率高、使用寿命长、旋 转力矩小、功率大。缺点是接触电阻大、 耐热、耐湿性能差。
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单一线圈的感应电势E21 或E22与位移s成非线性，而差动 形式输出电压E2则与铁心的位移 成线性。
E2的实线表示理想的输出特性，而虚线
表示实际的输出特性。由于差动变压器上下
不对称、铁心位置等因素，当铁心在中间位
置时，输出不为零。E0称为零点残余电压。
零点残余电压的存在，使传感器的输出
¤ 掌握差动变压器式传感器的使用、测 量方法
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[相关知识]
差动变压器是利 用电磁感应原理进行 测量的。它从原理上 讲是一个变压器，利 用线圈的互感作用把 被测位移量转换为感 应电势的变化。由于 这种传感器常常做成 差动的形式，所以称 为差动变压器。
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四、差动变压器式位移传感器基本特性
差动变压器式传感器的特性取决于差
动变压器的特性，包括灵敏度、零点电压、
线性范围、相位、频率特性、温度特性、 吸合力等。
1 灵敏度
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差动变压器在单位电压激磁下，铁心
移动一单位距离时的输出电压即为灵敏度，
其单位为V/mm·V。一般差动变压器的灵
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[相关知识]
电位器式传感器是将非电量如力、位移、 速度和加速度等的变化量变换成有一定关系 的电阻值的变化，再通过对电阻值的测量达 到对上述非电量测量的目的。
电位计(器)式电阻传感器又分为线绕式 和非线绕式两种，它们主要用于非电量变化 较大的测量场合，如线位移、角位移等。
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课题二 差动变压器式位移传感器
[任务导入]
有的机械零件尺寸需要精确测量，并 根据测量误差进行分拣。轴的外径测量就 是其中一种，需要根据形状精度自动检测。
在自动检测系统中，往往要用到差动 变压器式位移传感器进行测量，测量精度较高 ，检测范围一般是0～100mm。
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3 线性范围 一般差动变压器的线性范围约为线圈骨架长度的1/10～1/1/4，中段线性 较好。铁心的直径、长度、材质的不同和线圈骨架的形状、大小的不同等，均对 线性关系有直接的影响。如果还要求次级电压的相位角为一定值，则差动变压器 的线性范围约为线圈骨架全长的左右。可用差动整流电路对差动变压器的交流输 出电压进行整流来扩展线性范围。
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2. 电压分辨率
线绕电位器的电压分辨率，是在电 刷行程内电位计输出电压阶梯的最大值与 最大输出电压之比的百分数。对于具有理 想阶梯特性的线绕电位计，其理论的电压 分辨率为
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由上式可以看出，线绕电位器的匝 数越多，其分辨率越高。
敏度大于5 0mV/mm·V。提高线圈的Q
值，选择较高的激磁频率，增大铁心直径，
提高激磁电压都可以提高差动变压器的灵
敏度。
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2 零点电压 当铁心位于线圈中间时传感器的理想输出应为零，而实际差动变压 器输出存在残余电压E0，称为零点电压 （零点残余电压）。零点电压产生 原因是差动变压器自身结构不对称，激磁电流与铁心磁通的相位差不为零 和寄生电容等因数造成的。为消除零点电压，通常在测量电路中采取补偿 措施。
线绕电位器具有精度高、性能稳定、线 性好等优点，但分辨率低、耐磨性差、寿 命短。因此，可以使用一些非线绕式电位 器。
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三、非线绕式电位器
按照材料的不同，除了线绕式电位器外 还有以下三类常见的电位器：
1、膜式电位器
膜式电位器通常分碳膜电位器和金属膜
电位器。碳膜电位器是在绝缘骨架表面涂一
成。位移传感器安装在油门踏板内部，随时 监测油门踏板的位置。
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当监测到油门踏板高度位置有变化， 会瞬间将此信息送往ECU，ECU对该信息 和其它系统传来的数据信息进行运算处理， 计算出一个控制信号，通过线路送到伺服 电动机继电器，伺服电动机驱动节气门执 行机构。
由于电子油门系统是通过ECU来调整 节气门的，因此电子油门系统可以设置各 2021/4/17 种功能来改善驾驶的安全性、舒适性、油
1 . 信号测量电路
差动变压器的输出电压是交流信号，它 输出的有效值与铁心位移成正比，它的相位 与铁心位移的方向有关。如果用交流电压表
进行测量，无法判别铁心的运动方向。此外 差动变压器的输出总有零点残余电压输出，
这就造成零点附近的小位移测量误差大，线
性差。为此常利用相敏检波电路、差动整流
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(1)相敏检波电路
相敏检波电路的形式较多。这种电路要 求比较电压Ek与差动变压器的输出电压Es具 有相同频率、相同相位，必须接入移相电路。
相敏检波电路输出直流电压信号，输出电压 的极性能反映铁心位移的方向，即铁心位置
从零点向上、下移动，对应输出电压符号为
负极性或正极性。而且还可以消除残余电压。
特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，
此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重
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二、差动变压器式位移传感器结构类型与基本特性
1. 螺管型差动变压器
螺管型差动变压器由线圈绕组、可 动衔铁和导磁外壳组成。绕组由初、次级 线圈和骨架组成。
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2. Ⅱ型差动变压器
对称的Ⅱ型铁心上各有次级线圈绕组， 中间衔铁为平板型。这种差动变压器的灵敏 度较高，且初级线圈Q值很高时，输出特性 曲线如图所示。其灵敏度与初始间隙成正比， δ0越大，灵敏度越小。
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特性曲线
Ⅱ型差动变压器
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Ⅱ型差动变压器输出
三、差动变压器式位移传感器测量电路
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3. 测量误差 阶梯特性曲线围绕理论特性直线上下 波动，产生的偏差称为阶梯误差。电位器 的阶梯误差ej通常用理想阶梯特性曲线对 理论特性曲线的最大偏差值与最大输出电 压值之比的百分数表示。电位器阶梯误差 为
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4. 测量方法 线绕式电位计是通过电阻百分比来分配 外加电源的电压，因此输出要注意阻抗的 匹配。
采用补偿线路可以减小零点残余电压。 补偿方法是在输出端接一可调电位器Ro。改 变电位器电刷的位置，可使两只次级线圈的 输出电压的大小和相位发生改变，从而使零 位电压为最小值。这种方法可补偿零位电压 中基波正交分量。如果在输出端再并联一只 电容器C，就可以有效地补偿零位电压的高 次谐波分量。
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四、电位器式传感器
电位器式传感器主要用来测量直线位
移和角位移。和弹性元件相结合也可以测
量压力、力、加速度等量。
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[任务实施]
电子油门控制系统主要由油门踏板、踏 板电位计角位移传感器、ECU（电控单元）、 数据总线、伺服电动机和节气门执行机构组
模块七 位移的测量
课题一 课题二
器 课题三 课题四
位移传感器 差动变压器式位移传感
电涡流式位移传感器 光栅式位移传感器
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课题一 位移传感器
[任务导入]
传统发动机节气门（油门）操纵机构是 通过拉索（软钢丝）或者拉杆，一端联接油 门踏板（加速踏板），另一端连接节气门连 动板而工作。这种传统油门应用范畴受到限 制并缺乏精确性。
在机械零件的几何形状精度检 测时，我们常常选择差动变压器式位
移传感器。 差动变压器式位移传感器的工
作原理是什么？其结构、特点如何？
这就是我们本课题的任务目标。
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◆ 知识点
¤ 了解差动变压器式传感器的工作原理 ¤ 了解差动变压器式传感器的性能特点及其适用场合
◆ 技能点
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(2)差动整流电路
差动整流电路又分为全波电流输出、半 波电流输出、全波电压输出和半波电压输出。 这种电路的原理是把差动变压器两个次级电 压分别整流后，以它们的差作为输出，这样 次级线圈电压的相位和零点残余电压都不必 考虑。
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2. 零位电压的补偿
电位计式位移传感器为电子油门控 制器中的常用传感器。那么电位计式位 移传感器的工作原理是什么？其结构、 特点、适用场所如何？这就是我们本课 题的任务目标。
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◆ 知识点
¤ 了解位移传感器的基本工作原理 ¤ 掌握位移传感器的基本测量方法
◆ 技能点 ¤ 掌握位移传感器的一般测量方法
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一 、 线绕电位器结构和工作原理
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若线绕电位器的绕线的截面积均匀，则R
变化均匀 (线性)。U1为工作电压，U0为负
载电阻RL两端的输出电压。X为线绕电位器电
刷移动的长度，L为其总长度，对应于电刷移
动量X的电阻值R x为
输出电压
为
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在现代汽车控制中，采用电子油门控制
踏板位移量就能控制可燃混合气的流量，改
变发动机的转速和功率，以适应汽车行驶的 需要。
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电子油门的核心是位移传感器。位 移传感器的输出控制一只微型电机，电 机可驱动节气门开度，即可控制油门的 大小。
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３. 光电电位器
光电电位器是非接触电位器，采用光 束代替电刷。光束在电阻带、光电导层上 移动时，光电导层受到光束激发，使电阻 带和集电带导通，在负载电阻两端便有电 压输出。
光电电位器特点是阻值范围宽 (500Ω～15MΩ)、无磨损、寿命长、分 辨率高。缺点是不能输出大电流，测量电 路复杂。
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一、差动变压器式位移传感器原理
差动变压器式传感器是由一个可动铁芯1、初级线圈2和次级线圈3和4 组成的变压器。次级线圈3和4反极性串联，接成差动形式。
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差动变压器工作在理想情况下，等效电
路M为R2初如21分、级下别R线图2为2圈。分初的别U级电为1、为感两次初和个线级有次圈线效级间圈电线的激阻圈互励；的感电L电，2压1感、L；1有L、M2交2R1、电1、
阻。
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当初级线圈加上交流电压U1时，在次级线圈分别产生感应电压E21和E22，
则输出电压E2＝E21－E22。
当两个次级线圈完全一致，铁芯位于中间时，输出电压为0。 主、次绕组间的耦合会随衔铁的移动而变化。当铁芯向上运动时，互感M1 大，M2小，E21> E22 ；当铁心向下运动时，互感M1小，M2大，E21< E22 。 随着铁心上下移动，输出电压E2发生变化，其大小与铁心的轴向位移成比例， 其相位反映铁心的运动方向。这样输出电压E2就可以反映位移变化。
二、线绕电位器传感器的输出特性
1. 阶梯特性
当电刷在变阻器的线圈上移动时，电位器的阻值随电刷从一圈移动到另一圈， 输出电压U0不连续变化，而是跳跃式地变化。电刷每移动一匝线圈使输出电压产 生一次跳跃，移动n匝，则使输出电压产生n次电压阶跃。
当电刷从n一1匝移至n匝时，电刷瞬间使两相邻匝线短接，使每一个电压阶 跃中产生一次小阶跃，所以线绕电位器输出是阶梯特性。工程上总是将真实输出 特性理想化为阶梯状特性曲线或近似为直线。
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4 频率特性
差动变压器的激磁频率一般从400 Hz 到l0kHz较为适当，应大于衔铁运动频率1 0倍。频率太低时差动变压器的灵敏度显著 降低，温度误差和频率误差增加。但频率太 高，铁损和耦合电容等的影响也增加，前述 的理想差动变压器的假定条件就不能成立。