7 位移的测量

2017/11/30
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
2017/11/30
[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。
2017/11/30
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。
2017/11/30
2017/11/30
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
由上式可以看出，线绕电位器的匝数 越多，其分辨率越高。
2017/11/30
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
2017/11/30
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。
2017/11/30
[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。
2017/11/30
Βιβλιοθήκη Baidu
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。
2017/11/30
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。
2017/11/30
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 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。
2017/11/30
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。 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。
2017/11/30
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。
2017/11/30
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。
◆
2017/11/30
[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。
2017/11/30
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。
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。
2017/11/30
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，δ 0越 大，灵敏度越小。
2017/11/30
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种功 能来改善驾驶的安全性、舒适性、油耗及尾 气排放质量。
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。
2017/11/30
差动变压器工作在理想情况下，等效电路 如下图。 U1为初级线圈激励电压；M1、M2分 别为初级、次线圈间的互感，L1、R1为初级线 圈的电感和有效电阻；L21、L22、R21、R22分别 为两个次级线圈的电感有交电阻。
2017/11/30
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。
模块七 位移的测量
位移测量从被测量来的角度可分为线位 移测量和角位移测量；从测量参数特性的角 度可分为静态位移测量和动态位移测量。许 多动态参数，如力、扭矩、速度、加速度等 都是以位移测量为基础的。 自动化生产与工程自动控制中经常需要 测量位移。测量时应当根据不同的测量对象 选择测量点、测量方向和测量系统，其中位 移传感器精度起重要作用。
2017/11/30
(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。
2017/11/30
2. 零位电压的补偿 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。
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。
2017/11/30
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 ¤ 掌握差动变压器式传感器的使用、测 量方法
Ⅱ型差动变压器
2017/11/30
Ⅱ型差动变压器输出特性曲线
三、差动变压器式位移传感器测量电路
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、差动整流电路来解决此问 题。
2017/11/30
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。
2017/11/30
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 2017/11/30 。
2017/11/30
2017/11/30
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。 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。
2017/11/30
模块七 位移的测量
课题一 课题二 课题三 课题四 位移传感器 差动变压器式位移传感器 电涡流式位移传感器 光栅式位移传感器
2017/11/30
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。
2017/11/30
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。
2017/11/30
2017/11/30
一 、 线绕电位器结构和工作原理
2017/11/30
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
2017/11/30
2017/11/30
(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。