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位移传感器
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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。
（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。
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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。
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电涡流作用原理图
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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。
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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。
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。
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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.
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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
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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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(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。
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机械位移传感器分类
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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。
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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
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变气隙式自感式传感器的结构原理图 （a） 单边式； （b） 差动式
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变气隙截面式电感传感器
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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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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
不等于零，其值与铁芯的位移成正比。
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差动变压器的输出特性 （a） 理想特性； （b） 零点残余电压；（ຫໍສະໝຸດ ）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。