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位移传感器
1
位移传感器
位移测量包含：偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、 移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等等。来自不同 应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。
位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线 性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。 在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械 位移两种。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分 为模拟式和数字式两种。模拟式又可分为物性型和结构型 两种。
22
谐振电路调幅原理图 （a） 电路原理图； （b） 谐振特性曲线；（c） 调幅特
性
23
晶体振荡器输出频率固定的正弦波，经限流电阻R接电涡 流传感器线圈与电容器的并联电路。当LC谐振频率等于晶 振频率时输出电压幅度最大，偏离时输出电压幅度随之减 小，是一种调幅波。 该调幅信号经高频放大、检波、滤波 后输出与被测量相应变化的直流电压信号。
5
常见用于传感器的电位 器有：
线绕式电位器、合成 膜电位器、金属膜电位 器、导电塑料电位器、 导电玻璃釉电位器、光 电电位器。
6
金属膜电位器
金属膜电位器由合金、 金属或金属氧化物等材料通过真空溅射或
电镀方法， 在瓷基体上沉积一层薄膜而制成。 金属膜电位器具有无
限分辨力， 接触电阻很小， 耐热性好， 满负荷达70℃。 与线绕电位
空气介质变极距式 电容传感器工作原 理图。1个电极板 固定不动，称为固 定极板，极板的面
积为Ａ，另一极板
可左右移动，引起 极板间距离d相应 变化。
10
变极距式电容传感器的初始电容C0:
C0=ε0A / d0
只要测出电容变化量⊿C，便可计算得到极板间距的变化 量，即极板的位移量⊿d。
除用变极距式电容传感器测位移外，还可以用变面积式电 容传感器测角位移。
器相比， 它的分布电容和分布电感很小， 特别适合在高频条件下使
用。 它的噪声仅高于线绕电位器。金属电位器的缺点是耐磨性较差，
阻值范围窄，一般在10～100 Ω。 由于这些缺点， 限制了它的使用范
围。
7
导电塑料电位器
导电塑料电位器又称实心电位器， 这种电位器的电阻是由 塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成的。 导电塑料电位器 的耐磨性很好， 使用寿命较长， 允许电刷的接触压力很 大， 在振动、 冲击等恶劣环境下仍能可靠工作。 此外， 它的分辨率较高， 线性度较好， 阻值范围大， 能承受较 大的功率。 导电塑料电位器的缺点是阻值易受湿度影响， 故精度不易做得很高。 导电塑料电位器的标准阻值有1 kΩ、2 kΩ、5 kΩ和10 kΩ， 线性度为0.1%和0.2%。
19
电涡流作用原理图
20
涡流可以用来测量各种形式的位移量。(a)为汽轮机主轴的 轴向位移测量示意图；(b)为磨床换向阀、先导阀的位移 测量示意图，(c)为金属试件的热膨胀系数测量示意图。
21
电涡流式传感器的转换电路
在电工课程中， 我们已经知道电感和电容可构成谐振电路， 因此电感式、 电容式和电涡流式传感器都可以采用谐振电 路来转换。 谐振电路的输出也是调制波， 控制幅值变化 的称调幅波， 控制频率变化的称调频波。 调幅波要经过 幅值检波， 调频波要经过鉴频才能获得被测量的电压。 谐振电路调幅原理如下图所示。
（2） 采用相敏检波电路不仅可以鉴别衔铁的移动方向， 而且有利于消除零点残余电压。
（3） 采用适当的补偿电路。
18
电涡流传感器
成块的金属物体置于变化着的磁场中或者在磁场中运动时， 在金属导体中会感应出一圈圈自相闭合的电流，称为电涡 流。 电涡流式传感器是一个绕在骨架上的导线所构成的空 心线圈， 它与正弦交流电源接通， 通过线圈的电流会在 线圈周围空间产生交变磁场。当导电的金属靠近这个线圈 时，金属导体中便会产生电涡流，如图3-20所示。涡流的 大小与金属导体的电阻率ρ、 磁导率μ、厚度d、线圈与金 属导体的距离x以及线圈励磁电流的角频率ω等参数有关。 如果固定其中某些参数，就能由电涡流的大小测量出另外 一些参数。
2
机械位移传感器分类
3Leabharlann Baidu
电位器式位移传感器
电位器式位移传感器它通过电位器元件将机械位移转换成 与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。
4
电位器转轴上的电刷将电
阻体电阻R0分为R12和R23 两部分，输出电压为U12。
改变电刷的接触位置，电
阻R12亦随之改变，输出电 压U12也随之变化。
通过测量输出电压或者将 其进行转换就可以得到位 移参数
不等于零，其值与铁芯的位移成正比。
16
差动变压器的输出特性 （a） 理想特性； （b） 零点残余电压；（c）相敏检波后
的特性
17
由绕组不对称引起的零点残余电压可以通过调节衔铁初始 位置进行消除，然而因相位误差造成的零点残余电压是无 法通过调节衔铁初始位置进行消除的。
（1） 从设计和工艺上尽量保证线圈和磁路对称，选用高 性能的导磁材料，导磁体必须经过热处理，消除残余应力， 以提高磁性能的均匀性和稳定性。
11
(a) 变极距式示意图； (b) 变极距式的特性； (c) 差动式示 意图
12
螺管式电感位移传感器
螺管式电感位移传感器主要由螺管线圈和铁芯组成，铁芯 插入线圈中并可来回移动。
当铁芯发生位移时，将引起线圈电感的变化。线圈的
电感量与铁芯插入线圈的长度有如下的关系：
4N2A
L
1
07(H)
l
铁芯随被测物体一起移动，导致线圈电感量发生变化。 其检测位移量可从数毫米到数百毫米。缺点是灵敏度低。
13
变气隙式自感式传感器的结构原理图 （a） 单边式； （b） 差动式
14
变气隙截面式电感传感器
15
差动传感器
初级线圈L1加交流励磁电压Uin，次级线圈上由于电磁感应
而产生感应电压。由于两个次级线圈相反极性串接，所以
两铁个芯次处级于线中圈心中对的称感应位电置压时U，OU则T1和U OUUOTU1T2=的U相O位U T相2 ，反所，以当 UOUT=0。 当铁芯向两端位移时，UOUT1大于或小于UOUT2，使UOUT
8
电位移传感器优点与缺点
优点：结构简单，性能稳定。
受环境温度影响小
缺点：受骨架尺寸和导线直径限制，分辨率小于20um
磨损影响使用寿命，有较大噪声，降低可靠性。
应用：主要用于测量线位移与角位移
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电容式位移传感器
电容式位移传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感 器和变面积式电容传感器进行位移的测量.
1
位移传感器
位移测量包含：偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、 移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等等。来自不同 应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。
位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线 性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。 在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械 位移两种。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分 为模拟式和数字式两种。模拟式又可分为物性型和结构型 两种。
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谐振电路调幅原理图 （a） 电路原理图； （b） 谐振特性曲线；（c） 调幅特
性
23
晶体振荡器输出频率固定的正弦波，经限流电阻R接电涡 流传感器线圈与电容器的并联电路。当LC谐振频率等于晶 振频率时输出电压幅度最大，偏离时输出电压幅度随之减 小，是一种调幅波。 该调幅信号经高频放大、检波、滤波 后输出与被测量相应变化的直流电压信号。
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常见用于传感器的电位 器有：
线绕式电位器、合成 膜电位器、金属膜电位 器、导电塑料电位器、 导电玻璃釉电位器、光 电电位器。
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金属膜电位器
金属膜电位器由合金、 金属或金属氧化物等材料通过真空溅射或
电镀方法， 在瓷基体上沉积一层薄膜而制成。 金属膜电位器具有无
限分辨力， 接触电阻很小， 耐热性好， 满负荷达70℃。 与线绕电位
空气介质变极距式 电容传感器工作原 理图。1个电极板 固定不动，称为固 定极板，极板的面
积为Ａ，另一极板
可左右移动，引起 极板间距离d相应 变化。
10
变极距式电容传感器的初始电容C0:
C0=ε0A / d0
只要测出电容变化量⊿C，便可计算得到极板间距的变化 量，即极板的位移量⊿d。
除用变极距式电容传感器测位移外，还可以用变面积式电 容传感器测角位移。
器相比， 它的分布电容和分布电感很小， 特别适合在高频条件下使
用。 它的噪声仅高于线绕电位器。金属电位器的缺点是耐磨性较差，
阻值范围窄，一般在10～100 Ω。 由于这些缺点， 限制了它的使用范
围。
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导电塑料电位器
导电塑料电位器又称实心电位器， 这种电位器的电阻是由 塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成的。 导电塑料电位器 的耐磨性很好， 使用寿命较长， 允许电刷的接触压力很 大， 在振动、 冲击等恶劣环境下仍能可靠工作。 此外， 它的分辨率较高， 线性度较好， 阻值范围大， 能承受较 大的功率。 导电塑料电位器的缺点是阻值易受湿度影响， 故精度不易做得很高。 导电塑料电位器的标准阻值有1 kΩ、2 kΩ、5 kΩ和10 kΩ， 线性度为0.1%和0.2%。
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电涡流作用原理图
20
涡流可以用来测量各种形式的位移量。(a)为汽轮机主轴的 轴向位移测量示意图；(b)为磨床换向阀、先导阀的位移 测量示意图，(c)为金属试件的热膨胀系数测量示意图。
21
电涡流式传感器的转换电路
在电工课程中， 我们已经知道电感和电容可构成谐振电路， 因此电感式、 电容式和电涡流式传感器都可以采用谐振电 路来转换。 谐振电路的输出也是调制波， 控制幅值变化 的称调幅波， 控制频率变化的称调频波。 调幅波要经过 幅值检波， 调频波要经过鉴频才能获得被测量的电压。 谐振电路调幅原理如下图所示。
（2） 采用相敏检波电路不仅可以鉴别衔铁的移动方向， 而且有利于消除零点残余电压。
（3） 采用适当的补偿电路。
18
电涡流传感器
成块的金属物体置于变化着的磁场中或者在磁场中运动时， 在金属导体中会感应出一圈圈自相闭合的电流，称为电涡 流。 电涡流式传感器是一个绕在骨架上的导线所构成的空 心线圈， 它与正弦交流电源接通， 通过线圈的电流会在 线圈周围空间产生交变磁场。当导电的金属靠近这个线圈 时，金属导体中便会产生电涡流，如图3-20所示。涡流的 大小与金属导体的电阻率ρ、 磁导率μ、厚度d、线圈与金 属导体的距离x以及线圈励磁电流的角频率ω等参数有关。 如果固定其中某些参数，就能由电涡流的大小测量出另外 一些参数。
2
机械位移传感器分类
3Leabharlann Baidu
电位器式位移传感器
电位器式位移传感器它通过电位器元件将机械位移转换成 与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。
4
电位器转轴上的电刷将电
阻体电阻R0分为R12和R23 两部分，输出电压为U12。
改变电刷的接触位置，电
阻R12亦随之改变，输出电 压U12也随之变化。
通过测量输出电压或者将 其进行转换就可以得到位 移参数
不等于零，其值与铁芯的位移成正比。
16
差动变压器的输出特性 （a） 理想特性； （b） 零点残余电压；（c）相敏检波后
的特性
17
由绕组不对称引起的零点残余电压可以通过调节衔铁初始 位置进行消除，然而因相位误差造成的零点残余电压是无 法通过调节衔铁初始位置进行消除的。
（1） 从设计和工艺上尽量保证线圈和磁路对称，选用高 性能的导磁材料，导磁体必须经过热处理，消除残余应力， 以提高磁性能的均匀性和稳定性。
11
(a) 变极距式示意图； (b) 变极距式的特性； (c) 差动式示 意图
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螺管式电感位移传感器
螺管式电感位移传感器主要由螺管线圈和铁芯组成，铁芯 插入线圈中并可来回移动。
当铁芯发生位移时，将引起线圈电感的变化。线圈的
电感量与铁芯插入线圈的长度有如下的关系：
4N2A
L
1
07(H)
l
铁芯随被测物体一起移动，导致线圈电感量发生变化。 其检测位移量可从数毫米到数百毫米。缺点是灵敏度低。
13
变气隙式自感式传感器的结构原理图 （a） 单边式； （b） 差动式
14
变气隙截面式电感传感器
15
差动传感器
初级线圈L1加交流励磁电压Uin，次级线圈上由于电磁感应
而产生感应电压。由于两个次级线圈相反极性串接，所以
两铁个芯次处级于线中圈心中对的称感应位电置压时U，OU则T1和U OUUOTU1T2=的U相O位U T相2 ，反所，以当 UOUT=0。 当铁芯向两端位移时，UOUT1大于或小于UOUT2，使UOUT
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电位移传感器优点与缺点
优点：结构简单，性能稳定。
受环境温度影响小
缺点：受骨架尺寸和导线直径限制，分辨率小于20um
磨损影响使用寿命，有较大噪声，降低可靠性。
应用：主要用于测量线位移与角位移
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电容式位移传感器
电容式位移传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感 器和变面积式电容传感器进行位移的测量.