第4章位移与速度测量传感器

H1 传感器激励电流 I1
～
H2 I2
被测导体
电涡流传感器原理图
其中：ρ 金属电导率， μ金属磁导率， r 线圈与被测物体的尺寸因子， f 激磁 电流频率， x 线圈与导体间的距离
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4.2 电涡流式传感器
应用：x——位移、厚度、振幅； ρ——表面温度、电解质浓度、材质判别等； μ，ρ——无损探伤等。
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4.2 电涡流式传感器
基于法拉第电磁感应原理，当传感 器线圈通以正弦交变电流 I1 时，线圈周 围空间将产生正弦交变磁场 H1，被测导 体内产生呈涡旋状的交变感应电流I2 ， 称电涡流效应。电涡流产生的交变磁场 H2与H1方向相反，它使传感器线圈等效 阻抗发生变化。
Z F(, , r, f , x)
L=f(δ )
0
L=f(s) S， d
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4.1.2 电感位移传感器输出特性
❖ 变气隙式、变面积式和螺线管式三种类型电感传感器相比较， 变气隙式灵敏度最高，因而它对电路的放大倍数要求很低， 缺点是非线性严重。为了限制非线性误差，示值范围只能很 小，导致自由行程小，因此制造装配比较困难。变面积式的 优点是具有较好的线性，自由行程较大。螺线管式主要优点 是结构简单、制造装配容易、自由行程大，但是灵敏度最低。 但灵敏度低可以通过放大电路加以解决，因此，目前螺管型 电感传感器用得越来越多。
实用传感器技术教程
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2020/12/14
第4章 位移与速度测量传感器
4.1 电感式位移传感器
4.2 电涡流式传感器
4.3 电容式位移传感器 4.5
4.4
霍尔传感器
4.6
4.7
4.8
2
光栅传感器 微波传感器
超声波传感器
位移检测传感器性 能比较
❖无论是科学研究还是生产实践中，需要进行位 移测量的场合非常多。此外，还有许多被测物 理量可以转化为位移进行测量，如压力、位置 等都可以通过某种转换部件，先将它们转换为 直线位移，然后通过测量位移间接得到被测量。 在不同的场合、不同的应用领域，对位移测量 传感器的要求差异也很大，比如测量范围、测 量精度、动态响应等。因此，位移测量传感器 的种类也是相当多，并且各自的特性也不相同。
型号
测量范围 分辨率μm 重复性
mm
μm
静态 动态
线性度 ﹪
频响 kHz
温漂
KD1925 1.27 0.76 1.3 0.762
±1.5
0～10 0.054﹪/℃
特点：非接触连续测量，灵敏度高、频响宽、分辨率高
涡流分布在导体表面
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4.2 电涡流式传感器
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4.2 电涡流式传感器
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4.2 电涡流式传感器
低频透射式电涡流式传感 器： 音频(<20kHz)激励电流
低频透射式涡流传感器 多用于测定材料厚度。
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4.2 电涡流式传感器
❖ 3. 技术参数 表4-1 英国真尚有电涡流传感器主要技术指标
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4.1.3电感位移传感器测量电路
➢ 如供桥电压为负半周，B点电位高于A 点，二极管D2、D3导通， D1、D4截止。在B—C—F—A支路中，C点电位由于Z2减小而比平 衡时降低；在B—D—E—A支路中，D点电位则因Z1增大而比平衡 时增高。因此D点电位仍高于C点，输出信号仍为正。同理可以 证明，衔铁下移时输出信号总为负。于是，输出信号的正负代 表了衔铁位移的方向。
➢ 如图3.11(a)所示，Z1、Z2为传感器两线圈的阻抗，Z3＝Z4构成 另两个桥臂，U为供桥电压，U为输出。当衔铁处于中间位置时， Z1＝Z2＝Z，电桥平衡，U＝0。若衔铁上移，Z1增大，Z2减小。 如供桥电压为正半周，即A点电位高于B点，二极管D1、D4导通， D2、D3截止。在A—E—C—B支路中，C点电位由于Z1增大而降低； 在A—F—D—B支路中，D点电位由于Z2减小而增高。因此D点电 位高于C点，输出信号为正
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线圈
L
I
衔铁
拉簧
自感L与气隙δ成反比，而与气隙导磁截面积A成正比。 W——线圈匝数，μ0——空气磁导率。
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4.1.1电感位移传感器原理与分类
❖ 差动变隙式电感传感器的原理 结构
初态时：若结构对称，且动铁居中， 线圈
则δ1=δ2，U0=0。
动铁上移时：则δ1↓→L1↑→I1↓=I1ΔI
1 2
δ2↑→L2↓→I2↑=I2+ΔI
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4.1.3电感位移传感器测量电路
1. 变压器电桥
Ui
❖ 输出特性公式为
U0
UA
UB
Z1 Z2 U Z1 Z2 2
❖ 在初始位置时
Z1=Z2=Z ，电桥处于平衡状态，U0=0 动铁芯上移时：δ1↓→L1↑→Z1↑=Z+ΔZ
δ2↑→L2↓→Z2↓=Z-ΔZ
代入式（4-2），得 U Z U 0 2Z
铁芯
I=I2↑-I1↓=2ΔI
U0=2ΔIZL
同理，动铁下移时：U0=-2ΔIZL
I1
U/2
ZL I
Ui
U0 U/2
衔铁
I2
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4.1.2 电感位移传感器输出特性
❖ 由图可以看出L=f(δ)不是线性的，即变气隙式
L
传感器δ和L之间不满足线形变化关系。理论 上，当δ=0时，L为∞，如果考虑到导磁体的磁 阻，即当δ=0时，L不等于∞，而有一定的数值。 变截面积式传感器的面积S与L值则是线性关 系，即L=f(S)的特性曲线为一条直线。
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U/2 B
U/2
Z2 A
Z1
UO
图4-4 变压器电桥
4.1.3电感位移传感器测量电路
2.相敏检波电路
➢ 相敏检波电路是常用的判别电路。下面以带二极管式环形相敏检波的交流电 桥为例介绍该电路的作用。
图4.5 相敏检波电路 (ａ)带相敏检波的交流电桥；(ｂ)实用电路
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4.1.3电感位移传感器测量电路
➢ 实际采用的电路如图3.11(b)所示。L1、L2为传感器的两个线圈， C1、C2为另两个桥臂。电桥供桥电压由变压器B的次级提供。R1、 R2、R3、R4为四个线绕电阻，用于减小温度误差。C3为滤波电容， Rw1为调零电位器，Rw2为调倍率电位器，输出信号由电压表V指 示。
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4.2 电涡流式传感器
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4.1 电感式位移传感器
电感式传感器是基于电磁感应原理，将输入量转换成 电感变化量的一种装置。常配以不同的敏感元件用来测量 位移、压力、振动等物理参数。
4
4.1 电感式位移传感器
4.1.1电感位移传感器原理与分类
线圈 铁芯
线圈
衔铁
衔铁
(a)
(b)
(c)
图4-1 电感式传感器的结构原理
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气隙型传感器的结构原理图