传感器及检测技术课件第二章

1、第二章 位移检测传感器第二章 位移检测传感器第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器 参量位移传感器的工作原理是将被测物理量转化为电参参量位移传感器的工作原理是将被测物理量转化为电参数，即电阻、电容或电感等。数，即电阻、电容或电感等。电参数电参数（电阻、电（电阻、电容、电感容、电感被测物理量被测物理量 传感器传感器三大无源元件三大无源元件第二章 位移检测传感器第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器一、电阻式位移传感器一、电阻式位移传感器电阻：电阻：实际的金属导体的电阻与导体的尺寸及材料的导电实际的金属导体的电阻与导体的尺寸及材料的导电性能有关。性能有关。式中：式中： 称为电阻率，

2、是表示材料对电流起阻碍作用的物理量。称为电阻率，是表示材料对电流起阻碍作用的物理量。 l 是导体的长度，是导体的长度， S 为导体的截面积。为导体的截面积。SlR从上式可见，若导体的三个参数从上式可见，若导体的三个参数( (电阻率、长度电阻率、长度L L或截面积或截面积S)S)中的一个或数个发生变化，则电阻值随着变化，因此可利用中的一个或数个发生变化，则电阻值随着变化，因此可利用此原理来构成传感器。电位计和应变片就是根据这一原理制此原理来构成传感器。电位计和应变片就是根据这一原理制成的。成的。例如，例如，若改变长度若改变长度L L，则可制成，则可制成电位计电位计；改变改变L L、S S则可制成

3、电阻则可制成电阻应变式应变式第二章 位移检测传感器第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器电位计的结构原理与特性电位计的结构原理与特性 如果电阻丝直径（如果电阻丝直径（S)S)和材质和材质( () )一定时，则电阻值随导线一定时，则电阻值随导线长度长度L L而变化。根据这一原理制成电位计。而变化。根据这一原理制成电位计。 电位计是一种常用的机电元件。通常由骨架、电阻元件电位计是一种常用的机电元件。通常由骨架、电阻元件（线圈）及电刷（滑动触点）等零件组成。（线圈）及电刷（滑动触点）等零件组成。线绕电位器线绕电位器 R b c a b x 第二章 位移检测传感器第一节第一节 参量型位移传感器

4、参量型位移传感器电位计的结构原理与特性电位计的结构原理与特性按电位计的结构形式可分为：直线位移型、角位移型和按电位计的结构形式可分为：直线位移型、角位移型和非线形型。非线形型。按电位计的输入按电位计的输入/ /输出特性可分为：线性电位器、非线输出特性可分为：线性电位器、非线性电位器性电位器 图2-1 电位计的结构类型（a）直线位移型；（b）角位移型；（3）非线性型第二章 位移检测传感器第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器电位计的结构原理与特性电位计的结构原理与特性电位计的电阻元件通常有：绕线电阻、薄膜电阻、导电塑料等电位计的电阻元件通常有：绕线电阻、薄膜电阻、导电塑料等优点：优点：电

5、位计结构简单；电位计结构简单；价格低廉；对环境条件要求价格低廉；对环境条件要求不高；不高；输出信号大，易于转换（一般不需要放大就可以输出信号大，易于转换（一般不需要放大就可以直接作为输出）；性能稳定，并容易实现任意函数关系。直接作为输出）；性能稳定，并容易实现任意函数关系。第二章 位移检测传感器第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器电位计的结构原理与特性电位计的结构原理与特性电位计的电阻元件通常有：绕线电阻、薄膜电阻、导电塑料等电位计的电阻元件通常有：绕线电阻、薄膜电阻、导电塑料等缺点：缺点：要求输入能量大（触点始终存在摩擦和损耗。要求输入能量大（触点始终存在摩擦和损耗。由于有摩擦，就

6、要求电位计有比较大的输入功率，否则由于有摩擦，就要求电位计有比较大的输入功率，否则就会降低电位计的性能）；由于电刷与电阻元件之间有就会降低电位计的性能）；由于电刷与电阻元件之间有摩擦，容易磨损，产生噪声干扰，因此可靠性不太好，摩擦，容易磨损，产生噪声干扰，因此可靠性不太好，灵敏度较低，分辨力有限，灵敏度较低，分辨力有限， 精度不够高，精度不够高， 动态响应较动态响应较差，仅适于测量变化较缓慢的量。差，仅适于测量变化较缓慢的量。第二章 位移检测传感器第二章 位移检测传感器第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器一、电阻式位移传感器一、电阻式位移传感器（1 1）线性电位计的空载特性）线性电位

7、计的空载特性线性电位计其单位长度（或转角）的电阻值是常数。线性电位计其单位长度（或转角）的电阻值是常数。（以直线电位计为例），如下图（以直线电位计为例），如下图第二章 位移检测传感器电位计电阻长度为电位计电阻长度为l ，总电阻为，总电阻为R, ,电刷位移电刷位移x, ,相应的电阻为相应的电阻为Rx, ,电源电压电源电压Ui, ,输出电压输出电压U0 xKxLRRRx/m）/m）电位计的电阻灵敏度（电位计的电阻灵敏度（K KR R若若电位器为空载电位器为空载（RL=）时）时 ,即空载特性为即空载特性为:第二章 位移检测传感器Ku电位计的电压灵敏度电位计的电压灵敏度(V/m)， 当电位计结构及电源

8、电压确定后，当电位计结构及电源电压确定后， Ku和和KR为常数，线为常数，线性电位计输出与电刷位移（或）转角呈线性关系。性电位计输出与电刷位移（或）转角呈线性关系。xKxLURRUUuixio电位计输出空载电压为电位计输出空载电压为: :第二章 位移检测传感器线绕电位计线绕电位计 线绕电位计电阻元件由线绕电位计电阻元件由康铜丝、铂铱合金及卡玛丝康铜丝、铂铱合金及卡玛丝等电阻丝绕制，等电阻丝绕制， 因而能承受因而能承受较高的温度，较高的温度， 常被制成功率常被制成功率型电位计，型电位计， 其额定功率范围其额定功率范围一般为一般为0.250.2550 W50 W， 阻值范阻值范围为围为100 10

9、0 100 k100 k。 对对于线绕电位计，于线绕电位计，第二章 位移检测传感器 对于线绕电位计，对于线绕电位计，电阻丝是一匝一匝地绕在骨架上的，电阻丝是一匝一匝地绕在骨架上的， 即使电刷在电阻元件上是连续滑动的，它与导线的接触仍是即使电刷在电阻元件上是连续滑动的，它与导线的接触仍是以一匝一匝为单位移动的，而不是连续实现的，当电刷离开以一匝一匝为单位移动的，而不是连续实现的，当电刷离开这一匝而与下一匝接触时这一匝而与下一匝接触时, ,电阻突然增加一匝阻值电阻突然增加一匝阻值, ,因此电阻因此电阻是呈阶梯变化的，这样导致输出电压随着电刷的移动而出现是呈阶梯变化的，这样导致输出电压随着电刷的移动

10、而出现阶跃变化，电刷每移过一匝阶跃变化，电刷每移过一匝, ,输出电压便阶跃一次输出电压便阶跃一次, ,当电位计当电位计有有W W匝时，就会产生匝时，就会产生W W个电压阶梯个电压阶梯, ,。因此绕线电位计的电阻和电压输出空载特性并不是一条理因此绕线电位计的电阻和电压输出空载特性并不是一条理想直线，而是阶梯状，称为阶梯特性。如图所示想直线，而是阶梯状，称为阶梯特性。如图所示线绕电位计线绕电位计第二章 位移检测传感器局部剖面和阶梯特性局部剖面和阶梯特性 从左图中可见从左图中可见, ,在理想情在理想情况下况下, ,特性曲线每个阶梯的大特性曲线每个阶梯的大小完全相同小完全相同, ,则通过每个阶梯则通过

11、每个阶梯中点的直线即是理论特性曲中点的直线即是理论特性曲线线, ,阶梯曲线围绕它上下跳动阶梯曲线围绕它上下跳动, ,从而带来一定误差从而带来一定误差, ,这就是阶这就是阶梯误差。该误差是一种梯误差。该误差是一种原理原理误差。它限制了线绕电位计误差。它限制了线绕电位计的精度和分辨力的精度和分辨力。（如图所示）（如图所示）第二章 位移检测传感器 线绕式电位计的阶梯误差和分辨率是由于其工作原理线绕式电位计的阶梯误差和分辨率是由于其工作原理的不完善而引起的，是一种原理性误差的不完善而引起的，是一种原理性误差,它决定了线绕它决定了线绕式电位计所能达到的最高精度。式电位计所能达到的最高精度。 在实际设计中

12、在实际设计中,减少阶梯误差的主要方式就是增加匝数。减少阶梯误差的主要方式就是增加匝数。当骨架长度一定时，就要减小导线直径（小型电位计当骨架长度一定时，就要减小导线直径（小型电位计通常选通常选0.5mm或更细的导线）或更细的导线） ；反之当导线直径一定；反之当导线直径一定时，就要增加骨架长度（如采用多圈螺旋电位器时，就要增加骨架长度（如采用多圈螺旋电位器)。 分辨率与阶梯误差有关，当骨架长度一定时，阶梯误分辨率与阶梯误差有关，当骨架长度一定时，阶梯误差由线绕电位计的导线直径决定。线径越小，匝数越差由线绕电位计的导线直径决定。线径越小，匝数越多，阶梯误差越小，分辨率越高。反之亦然。多，阶梯误差越小

13、，分辨率越高。反之亦然。第二章 位移检测传感器第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器一、电阻式位移传感器一、电阻式位移传感器（2 2）非线性电位计的空载特性）非线性电位计的空载特性 非线性电位计的输出电压（或电阻）与电刷位移之间具有非线性电位计的输出电压（或电阻）与电刷位移之间具有非线性函数关系，即电位计可以将位移或转角变换成与之非线性函数关系，即电位计可以将位移或转角变换成与之有某种函数关系的电阻或电压输出。有某种函数关系的电阻或电压输出。 非线性电位计的结构形式有变骨架式、变节距式、分路电非线性电位计的结构形式有变骨架式、变节距式、分路电阻式和电位给定式等。阻式和电位给定式等。第二

14、章 位移检测传感器第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器一、电阻式位移传感器一、电阻式位移传感器（2 2）非线性电位计的空载特性）非线性电位计的空载特性 变骨架式非线性电位器是在保持电位器结构参数变骨架式非线性电位器是在保持电位器结构参数、S、t不变时不变时,只改变骨架宽度只改变骨架宽度b或高度或高度h来实现非线性函数来实现非线性函数关系关系 我们以只改变高度我们以只改变高度h的变骨架高度式非线性线绕电位器的变骨架高度式非线性线绕电位器为例为例,则保持则保持、S、t、b 不变。不变。 当电位计在空载时，要求输出电阻当电位计在空载时，要求输出电阻R为电刷位移为电刷位移x的某的某种函数种函

15、数f(x)，则需求出骨架高度，则需求出骨架高度h随随x的变化规律。的变化规律。第二章 位移检测传感器 在上图所示曲线上任取一小在上图所示曲线上任取一小段段, ,则可视为直线则可视为直线, ,当电刷移当电刷移动微小位移为动微小位移为dxdx时，引起相时，引起相应的电阻变化就是应的电阻变化就是dR,dR,则则SthbdxdR)(2bdxdUIStbdxdRSth022式中式中 bb骨架宽度（骨架宽度（m); Sm); S导线的导电截面积导线的导电截面积 t t 绕线节距，即相邻两导线间距离（绕线节距，即相邻两导线间距离（m) m) 导线电阻率（导线电阻率（.m); I.m); I流过电位计的电流（

16、流过电位计的电流（A)A) U U0_ 0_ 电位计输出电压（电位计输出电压（V)V)第二章 位移检测传感器 由于由于S S、t t、b b、I I均为常数，而均为常数，而dR/dxdR/dx和和dUdU0 0/dx/dx都是都是x x的函的函数，所以骨架高度数，所以骨架高度h h是电刷位移是电刷位移x x的函数，且与的函数，且与dR/dxdR/dx和和dUdU0 0/dx/dx有关。有关。 电阻灵敏度电阻灵敏度dxdRKR 电压灵敏度电压灵敏度dxdUKU0 由于非线性电位计输出电压（或）电阻与电刷位移之间是非由于非线性电位计输出电压（或）电阻与电刷位移之间是非线性函数关系，因此空载特性是一

17、条曲线。其电压、电阻灵线性函数关系，因此空载特性是一条曲线。其电压、电阻灵敏度与电刷位移敏度与电刷位移x x有关，由于骨架高度是变化的有关，由于骨架高度是变化的, ,因而阶梯特因而阶梯特性的阶梯也是变化的性的阶梯也是变化的, ,最大阶梯值发生在特性曲线斜率最大最大阶梯值发生在特性曲线斜率最大处处, ,故阶梯误差发生在特性曲线斜率最高处。故阶梯误差发生在特性曲线斜率最高处。bdxdUIStbdxdRSth022第二章 位移检测传感器1、绕线式线性电位计阶梯误差的存在限制了它的（、绕线式线性电位计阶梯误差的存在限制了它的（ ）和分辨力：和分辨力：精度精度第二章 位移检测传感器2、某线绕式线性电位计

18、的骨架直径、某线绕式线性电位计的骨架直径D0=10mm，总长度总长度L0=100mm，导线直径，导线直径d=0.1mm,电阻率电阻率=0.6=0.6* *1010（-6-6） .m；总匝数；总匝数W=1000。试计算该电位计的空载电阻灵敏试计算该电位计的空载电阻灵敏度度KR(2010）mmmmmmmmmmdLWDdLWDSLWDLSWDLRK/24) 1 . 0(*)(1001000*)(10*10*6 . 0*4442232002000000R第二章 位移检测传感器2、某线绕式线性电位计的骨架直径、某线绕式线性电位计的骨架直径D0=10mm，总长度总长度L0=100mm，导线直径，导线直径d

19、=0.1mm,电阻率电阻率=0.6=0.6* *1010（-6-6） .m；总匝数；总匝数W=1000。试计算该电位计的空载电阻灵敏试计算该电位计的空载电阻灵敏度度KR(2010）mmdLWDdLWDSLWDLSWDLRK/24)10*1 . 0(*1001000*10*10*10*6 . 0*44423362002000000R第二章 位移检测传感器3 3、绕线式非线性电位计的最大阶梯误差发生在特性曲线、绕线式非线性电位计的最大阶梯误差发生在特性曲线（ ）的最大处：（）的最大处：（20102010）斜率斜率第二章 位移检测传感器4、某绕线式线性电位计如图所示，电位计的总长度为、某绕线式线性电

20、位计如图所示，电位计的总长度为L=100mm,总电阻为总电阻为R=20，输入电压，输入电压Ui=24V,试求：（1）电位计的灵敏度）电位计的灵敏度KR输和电压灵敏度输和电压灵敏度KU;（2）当电刷的位移）当电刷的位移x=24mm时，相应的电阻时，相应的电阻Rx和电位计输和电位计输出的空载电压出的空载电压U0第二章 位移检测传感器4、某绕线式线性电位计如图所示，电位计的总长度为、某绕线式线性电位计如图所示，电位计的总长度为L=100mm,总电阻为总电阻为R=20，输入电压，输入电压Ui=24V,试求：（1）电位计的灵敏度）电位计的灵敏度KR输和电压灵敏度输和电压灵敏度KU;2 . 010020R

21、LRK24. 010024uLUKi第二章 位移检测传感器4、某绕线式线性电位计如图所示，电位计的总长度为、某绕线式线性电位计如图所示，电位计的总长度为L=100mm,总电阻为总电阻为R=20，输入电压，输入电压Ui=24V,试求：（2）当电刷的位移）当电刷的位移x=24mm时，相应的电阻时，相应的电阻Rx和电位计输和电位计输出的空载电压出的空载电压U08 . 424*2 . 0 xxLRRVxLURRUU76. 524*24. 0ixio第二章 位移检测传感器5 5、下列被测物理量中，适合使用电位器式传感器进行测量、下列被测物理量中，适合使用电位器式传感器进行测量的是的是 A. A. 位移位

22、移 B. B. 温度温度 C. C. 湿度湿度 D. D. 扭矩扭矩第二章 位移检测传感器6、什么是参量型的位移传感器（密押二）、什么是参量型的位移传感器（密押二）将被测物理量的变化转化为电参数如电阻，电容，将被测物理量的变化转化为电参数如电阻，电容，电感等的传感器。电感等的传感器。第二章 位移检测传感器第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器二、电阻应变式位移传感器二、电阻应变式位移传感器第二章 位移检测传感器第二章 位移检测传感器应变式传感器广泛应用于各种电子称应变式传感器广泛应用于各种电子称第二章 位移检测传感器 动态电子秤动态电子秤应变式传感器广泛应用于各种电子称应变式传感器广泛

23、应用于各种电子称第二章 位移检测传感器机械秤包装机机械秤包装机吊秤吊秤应变式传感器广泛应用于各种电子称应变式传感器广泛应用于各种电子称第二章 位移检测传感器三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器 电容位移传感器是一种非接触电容式原理的精密测电容位移传感器是一种非接触电容式原理的精密测量仪器，具有一般非接触式仪器所共有的无磨擦、无损量仪器，具有一般非接触式仪器所共有的无磨擦、无损磨和无惰性特点外，还具有信噪比大，灵敏度高，零漂磨和无惰性特点外，还具有信噪比大，灵敏度高，零漂小，频响宽，非线性小，精度稳定性好，抗电磁干扰能小，频响宽，非线性小，精度稳定性好，抗电磁干扰能力强和使用操作方便等优点。

24、在国内研究所，高等院校、力强和使用操作方便等优点。在国内研究所，高等院校、工厂和军工部门得到广泛应用，成为科研、教学和生产工厂和军工部门得到广泛应用，成为科研、教学和生产中一种不可缺少的测试仪器。中一种不可缺少的测试仪器。第二章 位移检测传感器ZNXsensor超精密电容位移传感器ZCS1100精密电容位移传感器三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器第二章 位移检测传感器三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器应用领域：应用领域：压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望远镜镜片微调，精密微位移测量等。远镜镜片微调，精密微位移测量等。 第二章 位移检

25、测传感器三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器电容式位移传感器是利用电容式位移传感器是利用电容量的变化来测量线位电容量的变化来测量线位移或角位移的装置，移或角位移的装置，其基本工作原理如右图示：其基本工作原理如右图示：平板电容为平板电容为SC S S 极板面积极板面积 极板间距极板间距 0 0 真空介电常数真空介电常数 r r 极板介质的相对介电常数极板介质的相对介电常数= = 0 0 r r第二章 位移检测传感器三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器SC 第二章 位移检测传感器三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器变极距型电容位移传感器：具有较高的灵敏度、但电变极距型电容位移传感器：具

26、有较高的灵敏度、但电容变化与极距变化之间为非线性关系。容变化与极距变化之间为非线性关系。变面积型和变介质（变介电常数）电容位移传感器：变面积型和变介质（变介电常数）电容位移传感器：具有比较好的线性，但灵敏度比较低。具有比较好的线性，但灵敏度比较低。第二章 位移检测传感器封闭形式下使用封闭形式下使用开放形式下使用，即利用被测对象作为一个极板（当被开放形式下使用，即利用被测对象作为一个极板（当被测对象为导体时），或利用被测对象作为极板间的介质测对象为导体时），或利用被测对象作为极板间的介质（当被测对象为绝缘体时）（当被测对象为绝缘体时）由于带电极板间的静电引力小，活动部分的可动质量小，由于带电极板

27、间的静电引力小，活动部分的可动质量小，对输入能量的要求低，且具有较好的动态响应特性对输入能量的要求低，且具有较好的动态响应特性由于介质损耗小，传感器本身发热影响小，而使其能在高由于介质损耗小，传感器本身发热影响小，而使其能在高频范围内工作。频范围内工作。电容位移传感器的构件和连接电缆会引起泄漏电容，造成电容位移传感器的构件和连接电缆会引起泄漏电容，造成测量误差。测量误差。三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器第二章 位移检测传感器三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器1.1.变极距型电容位移传感器变极距型电容位移传感器由式由式SC 知，电容知，电容C与极板间距与极板间距成双曲线关系。成双曲

28、线关系。00 SC 0 SC第二章 位移检测传感器三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器1.1.变极距型电容位移传感器变极距型电容位移传感器0000000000/1/CCSSSCCC 时，当1/0(2-5)(2-5)(2-6)(2-6)第二章 位移检测传感器三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器1.1.变极距型电容位移传感器变极距型电容位移传感器(2-6)(2-6)00CC2000SCCK第二章 位移检测传感器三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器1.1.变极距型电容位移传感器变极距型电容位移传感器只能用于小位移测量只能用于小位移测量，只有在小位移测量时，其灵敏度才为，只有在小位移测量时

29、，其灵敏度才为常数（由上述分析可知，只有在常数（由上述分析可知，只有在/ /0 0 11的情况，电容随的情况，电容随极板间距离的变化才近似成线性关系）极板间距离的变化才近似成线性关系） 0 0第二章 位移检测传感器三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器1.1.变极距型电容位移传感器变极距型电容位移传感器 0 0。第二章 位移检测传感器 下静片下静片上静片上静片动片动片双板式差动电容器双板式差动电容器两定板和中间一块动板组成差动结构两定板和中间一块动板组成差动结构第二章 位移检测传感器C1 1C2 2第二章 位移检测传感器双板式差动电容器双板式差动电容器第二章 位移检测传感器 下静片下静片上静

30、片上静片动片动片00 021 SC, 0201,1000011 CSCCC1000021 CSCCC第二章 位移检测传感器时时，当当10 / .CC30200011 .CC30200021 下静片下静片上静片上静片动片动片双板式差动电容器双板式差动电容器第二章 位移检测传感器第二章 位移检测传感器32000100%100% 3 11r（） 下静片下静片上静片上静片动片动片双板式差动电容器双板式差动电容器第二章 位移检测传感器三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器2.2.变极板面积型电容位移传感器变极板面积型电容位移传感器 变面积型电容位移传感器可用于变面积型电容位移传感器可用于线位移测量线位

31、移测量，也可用，也可用于于角位移测量角位移测量。 根据不同需要采用根据不同需要采用平板型极板平板型极板、圆筒型极板圆筒型极板或或锯齿型锯齿型极板极板这类传感器输入这类传感器输入/ /输出具有线性特性输出具有线性特性第二章 位移检测传感器三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器2.2.变极板面积型电容位移传感器变极板面积型电容位移传感器 当有效覆盖从当有效覆盖从S0 变至变至 S，则，则可见可见SS与与CC的变化呈的变化呈线性关系，故其灵敏度线性关系，故其灵敏度为常数：为常数：可见，可见，n 动极板移动时，两极板间的相对有效面积动极板移动时，两极板间的相对有效面积S S发生变化，发生变化，引起电

32、容引起电容C C发生变化。发生变化。000000 )( SSSSSC0 SCK第二章 位移检测传感器图中所示线位移式传感器：图中所示线位移式传感器： 则有：00ClCl000000000 llClllblbSC灵敏度为：灵敏度为：00lClCK 第二章 位移检测传感器，0 SC 0 ，0 )1 ()1 (00CSCCC00CCCC 0CC第二章 位移检测传感器ABRRLCln20RBLxRA第二章 位移检测传感器1000ln2RRLCRBLxRAlxCClxCCRRxlCAB000ln)2由此可得由此可得（第二章 位移检测传感器3. 3. 变介质型电容式位移传感器变介质型电容式位移传感器测量液

33、面高度的电容式液位计测量液面高度的电容式液位计2/2/ln222111210DrrdrrrrhC，：外极筒内半径外极筒内半径内极筒外半径内极筒外半径式中：式中：为为液面高度为零时的电容液面高度为零时的电容第二章 位移检测传感器3. 3. 变介质型电容式位移传感器变介质型电容式位移传感器测量液面高度的电容式液位计测量液面高度的电容式液位计xxxhrrCrrhrrhhC12120122121/ln)(2/ln2/ln)(2-有液体介质后传感器的电容值为：有液体介质后传感器的电容值为：xhrrC1212/ln)(2-hhCCx1120)(-第二章 位移检测传感器3. 3. 变介质型电容式位移传感器变

34、介质型电容式位移传感器测量液面高度的电容式液位计测量液面高度的电容式液位计 可见，电容式液位计可见，电容式液位计具有线性输出特性。在用具有线性输出特性。在用于位移或尺寸测量的变介于位移或尺寸测量的变介质电容位移传感器，一般质电容位移传感器，一般都具有较好的线性关系。都具有较好的线性关系。故这种传感器可以测量液故这种传感器可以测量液位、料位的高度。位、料位的高度。第二章 位移检测传感器3. 3. 变介质型电容式位移传感器变介质型电容式位移传感器电容测厚仪电容测厚仪dCC1C2C3第二章 位移检测传感器S/ C12321C1 C1 11 CC/C2SSC1C3C2d)(/000rrdSdS）（）（

35、C电容电容C与介质厚度与介质厚度介电常数介电常数之间的关系是非线性的之间的关系是非线性的电容测厚仪电容测厚仪3. 3. 变介质型电容式位移传感器变介质型电容式位移传感器SdCCdSdSCCrr031003111）（第二章 位移检测传感器4. 4. 容栅式位移传感器容栅式位移传感器第二章 位移检测传感器4. 4. 容栅式位移传感器容栅式位移传感器 图2-13a,1是固定容栅，是固定容栅，2是可动容是可动容栅，在栅，在A、B面上分别印制（或刻划）一系列均匀面上分别印制（或刻划）一系列均匀分布并互相绝缘的金属（如铜箔）。固定容栅与可分布并互相绝缘的金属（如铜箔）。固定容栅与可动容栅栅极面相对，中间留

36、有间隙动容栅栅极面相对，中间留有间隙，形成一对对，形成一对对电容。当可动容栅相对固定容栅移动时每对电容面电容。当可动容栅相对固定容栅移动时每对电容面积发生变化，因而电容值随之变化，可测出线位移积发生变化，因而电容值随之变化，可测出线位移或角位移。或角位移。第二章 位移检测传感器4. 4. 容栅式位移传感器容栅式位移传感器abnmaxC式中：式中：n为可动容栅的栅极数为可动容栅的栅极数 a、b分别为栅极的宽度和长度（分别为栅极的宽度和长度（m)在测量位移时，动栅与定栅相覆盖的宽度发生变化，则覆在测量位移时，动栅与定栅相覆盖的宽度发生变化，则覆盖面积发生变化，因此其电容量随之变化，所以根据所测盖面

37、积发生变化，因此其电容量随之变化，所以根据所测电容量的变化可知位移的变化量。电容量的变化可知位移的变化量。第二章 位移检测传感器4. 4. 容栅式位移传感器容栅式位移传感器2)(C22maxrRn式中：式中：R、r栅极外半径和内半径（栅极外半径和内半径（m） 每条栅极所对应的圆心角（每条栅极所对应的圆心角（rad)动栅转动时使两栅之间的覆盖角由动栅转动时使两栅之间的覆盖角由变为变为x,电容电容C随之变化。随之变化。 图图2-13b,片状圆容栅的两圆盘片状圆容栅的两圆盘1、2同轴安装，同轴安装，栅状成辐射状，可动容栅随被测对象一起转动。栅状成辐射状，可动容栅随被测对象一起转动。第二章 位移检测传

38、感器 容栅式传感器它在具有电容式传感器优点的同时，又具有容栅式传感器它在具有电容式传感器优点的同时，又具有多极电容带来的平均效应，分辨力高，提高了抗干扰能力、提多极电容带来的平均效应，分辨力高，提高了抗干扰能力、提高了测量精度高了测量精度( (可达可达5um)5um)、极大地扩展了量程、极大地扩展了量程( (可达可达1m)1m)，适宜，适宜进行大位移测量，对刻划精度和安装精度要求可有所降低，是进行大位移测量，对刻划精度和安装精度要求可有所降低，是一种很有发展前途的传感器。一种很有发展前途的传感器。 容栅式传感器的优点：容栅式传感器的优点：4. 4. 容栅式位移传感器容栅式位移传感器第二章 位移

39、检测传感器5 5、电容位移传感器的绝缘和屏蔽、电容位移传感器的绝缘和屏蔽 传感器的初始电容量很小，而极板与周围物体、传感器的初始电容量很小，而极板与周围物体、各种仪器、电缆以至人体都会发生电容联系，产生附各种仪器、电缆以至人体都会发生电容联系，产生附加电容，称为寄生电容。这些寄生电容较大，加电容，称为寄生电容。这些寄生电容较大，与传感与传感器电容相并联器电容相并联，改变了电容传感器的电容量，一方面，改变了电容传感器的电容量，一方面降低量传感器的灵敏度，另一方面这些寄生电容（如降低量传感器的灵敏度，另一方面这些寄生电容（如电缆电容）常常是随机变化的，从而导致了电容位移电缆电容）常常是随机变化的，

40、从而导致了电容位移传感器特性的不稳定，影响测量精度。传感器特性的不稳定，影响测量精度。措施：为了解决此问题，通常对电容位移传感器及措施：为了解决此问题，通常对电容位移传感器及其引线采取屏蔽措施，将传感器放在金属壳内，接其引线采取屏蔽措施，将传感器放在金属壳内，接地应安全可靠。地应安全可靠。 电容位移传感器的屏蔽和接地问题电容位移传感器的屏蔽和接地问题第二章 位移检测传感器 电容位移传感器的一般比较小，如果电源频率不高，则电容位移传感器的一般比较小，如果电源频率不高，则传感器本身的容抗就会相当大，具有如此大内阻的电容位移传感器本身的容抗就会相当大，具有如此大内阻的电容位移传感器，通常的绝缘电阻只

41、能视为电容位移传感器的旁路电传感器，通常的绝缘电阻只能视为电容位移传感器的旁路电阻，我们称之为漏电阻。若绝缘材料性能不佳，绝缘电阻随阻，我们称之为漏电阻。若绝缘材料性能不佳，绝缘电阻随环境温度和湿度而变化，还会使电容位移传感器的输出产生环境温度和湿度而变化，还会使电容位移传感器的输出产生缓慢的零位漂移。缓慢的零位漂移。解决方法：绝缘材料应具有高的绝缘电阻、低的膨胀系数、解决方法：绝缘材料应具有高的绝缘电阻、低的膨胀系数、几何尺寸的长期稳定性和低的吸潮性，常用的材料有玻璃、几何尺寸的长期稳定性和低的吸潮性，常用的材料有玻璃、石英等，使用时要进行表面密封。石英等，使用时要进行表面密封。 5 5、电

42、容位移传感器的绝缘和屏蔽、电容位移传感器的绝缘和屏蔽电容式位移传感器的绝缘电容式位移传感器的绝缘第二章 位移检测传感器第二章 位移检测传感器第二章 位移检测传感器第二章 位移检测传感器第二章 位移检测传感器第二章 位移检测传感器第二章 位移检测传感器第二章 位移检测传感器第二章 位移检测传感器西门子推出的西门子推出的“ID MouseID Mouse” ” 鼠标。鼠标上端安有指尖传感鼠标。鼠标上端安有指尖传感器，一旦指纹被识别，使用者器，一旦指纹被识别，使用者就可以启动就可以启动PCPC的操作系统。的操作系统。如果长时间不动鼠标，它将自如果长时间不动鼠标，它将自动启动屏幕保护程序，直到使动启动

43、屏幕保护程序，直到使用者再次触摸用者再次触摸ID ID 鼠标为止。鼠标为止。这个鼠标在这个鼠标在0.250.25平方英寸平方英寸的触的触摸芯片上有摸芯片上有6500065000个传感系统，个传感系统，可捕捉指纹的细节。该系统非可捕捉指纹的细节。该系统非常灵敏，甚至用户的手有伤口常灵敏，甚至用户的手有伤口它都能准确的辨别出来。它都能准确的辨别出来。第二章 位移检测传感器 第二章 位移检测传感器第二章 位移检测传感器 1.把电容式位移传感器做成差动形式，即可把电容式位移传感器做成差动形式，即可以提高测量（以提高测量（ ），又可以使零点附近），又可以使零点附近工作特性的线性度得到改善。工作特性的线性

44、度得到改善。灵敏度灵敏度2. 电容式测厚仪应用的传感器属于电容式测厚仪应用的传感器属于 A.容栅式电容传感器容栅式电容传感器 B.变极距型电容传感器变极距型电容传感器 C.变介质型电容传感器变介质型电容传感器 D.变极板面积型电容传感器变极板面积型电容传感器第二章 位移检测传感器3、变极距型电容位移传感器只有在（、变极距型电容位移传感器只有在（ ）测量时，其灵敏度才为常数。测量时，其灵敏度才为常数。小位移小位移4、某变极距型位移传感器的极板直径为、某变极距型位移传感器的极板直径为D=10mm,极板间介质的相对介电常数极板间介质的相对介电常数r r=500,空气介电常数空气介电常数0 0=8.8

45、5x10-12F/m。当极板间的。当极板间的初始距离初始距离0 0=5mm 时，求在微小位移测量时时，求在微小位移测量时该传感器的灵敏度。该传感器的灵敏度。第二章 位移检测传感器mFSCCK/109 .13)105()102/10(1085. 8500923231220004、某变极距型位移传感器的极板直径为、某变极距型位移传感器的极板直径为D=10mm,极极板间介质的相对介电常数板间介质的相对介电常数r r=500,空气介电常数空气介电常数0 0=8.85x10-12F/m。当极板间的初始距离。当极板间的初始距离0 0=5mm 时，求在微小位移测量时该传感器的灵敏度。时，求在微小位移测量时该

46、传感器的灵敏度。第二章 位移检测传感器 5.下列电容式位移传感器中，测量范围最大下列电容式位移传感器中，测量范围最大的是。的是。 A. 变极板面积型变极板面积型 B.变极距型变极距型 C.变介质型变介质型 D.容栅式容栅式6.电容式传感器根据工作原理可分为变极电容式传感器根据工作原理可分为变极距型、变面积型和距型、变面积型和( )( )型型变介质变介质第二章 位移检测传感器 4、电容式液位计属于、电容式液位计属于A.容栅型电容式传感器容栅型电容式传感器B.改变介质型电容式传感器改变介质型电容式传感器C.改变极距型电容式传感器改变极距型电容式传感器D.改极板面积型电容式传感器改极板面积型电容式传

47、感器第二章 位移检测传感器 感应同步器是利用感应同步器是利用电磁感应原理电磁感应原理将将线位移线位移和和角位移角位移转换成转换成电信号电信号的一种装置。的一种装置。 根据用途，可将感应同步器分为根据用途，可将感应同步器分为直线式直线式和和旋转式旋转式两种，分两种，分别用于测量别用于测量线位移线位移和和角位移角位移。三、感应同步器三、感应同步器1.1.感应同步器的结构和原理感应同步器的结构和原理第二章 位移检测传感器 sin cos 节距定尺滑尺三、感应同步器三、感应同步器1.1.感应同步器的结构和原理感应同步器的结构和原理感应同步器有一个固定绕组和一个可动绕组。绕组采用腐蚀的感应同步器有一个固

48、定绕组和一个可动绕组。绕组采用腐蚀的方法在印制电路板上制成，故称印制电路绕组。方法在印制电路板上制成，故称印制电路绕组。第二章 位移检测传感器 感应同步器是利用感应同步器是利用励磁绕组励磁绕组与与感应绕组感应绕组间发生相对位移时，间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，由于电磁耦合的变化，感应绕组感应绕组中的中的感应电压感应电压随随位移位移的变的变化而变化，借以进行位移量的检测。化而变化，借以进行位移量的检测。三、感应同步器三、感应同步器1.1.感应同步器的结构和原理感应同步器的结构和原理第二章 位移检测传感器 感应同步器感应同步器滑尺滑尺上的绕组是上的绕组是励磁绕组励磁绕组，定尺定尺上的绕组是

49、上的绕组是感感应绕组应绕组。 定尺固定在床身上，滑尺则安装在机床的移动部件上。通定尺固定在床身上，滑尺则安装在机床的移动部件上。通过对感应电压的测量，可以精确地测量出位移量。过对感应电压的测量，可以精确地测量出位移量。三、感应同步器三、感应同步器1.1.感应同步器的结构和原理感应同步器的结构和原理第二章 位移检测传感器感应电动势感应电动势移动距离移动距离U0USUS定尺定尺滑尺滑尺WW/4正弦绕组正弦绕组A A余弦绕组余弦绕组B B在励磁绕组上加上一定的交变励磁电压，定尺绕组中就产生相同频率的感应电动在励磁绕组上加上一定的交变励磁电压，定尺绕组中就产生相同频率的感应电动势，其幅值大小随滑尺移动

50、呈余弦规律变化。滑尺移动一个节距，感应电动势变势，其幅值大小随滑尺移动呈余弦规律变化。滑尺移动一个节距，感应电动势变化一个周期。化一个周期。三、感应同步器三、感应同步器1.1.感应同步器的结构和原理感应同步器的结构和原理第二章 位移检测传感器 当当滑尺滑尺相对相对定尺定尺移动时，滑尺与定尺的移动时，滑尺与定尺的相对位置相对位置发生变化，发生变化，改变了通过改变了通过定尺绕组的磁通定尺绕组的磁通，从而改变了，从而改变了定尺绕组中输出定尺绕组中输出的感应电动势的感应电动势E。 E的变化反映了定、滑尺间的相对位移，实现了位移至电的变化反映了定、滑尺间的相对位移，实现了位移至电量的变换。量的变换。 三

51、、感应同步器三、感应同步器1.1.感应同步器的结构和原理感应同步器的结构和原理实际测试时，感应同步器一般与数显表共同组成一个位移测试系统。根据实际测试时，感应同步器一般与数显表共同组成一个位移测试系统。根据对滑尺的正、余弦绕组供给励磁电压方式的不同，又分为鉴相和鉴幅测试对滑尺的正、余弦绕组供给励磁电压方式的不同，又分为鉴相和鉴幅测试系统。系统。鉴相型：通过鉴相型：通过检测感应电动势的相位检测感应电动势的相位测量位移测量位移鉴幅型：通过鉴幅型：通过检测感应电动势的幅值检测感应电动势的幅值测量位移测量位移第二章 位移检测传感器三、感应同步器三、感应同步器鉴相型鉴相型滑尺正、余旋绕组上同时加入同频、

52、等幅、相位相差滑尺正、余旋绕组上同时加入同频、等幅、相位相差9090的激励电压的激励电压 时，感应同步器的磁路可视为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺绕时，感应同步器的磁路可视为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺绕组上的总感应电压为：组上的总感应电压为：sin()SCixEEEkUtcoscost tsinsint和Ut和UU Ui ii iK-与感应同步器结构有关的电磁耦合系数；与感应同步器结构有关的电磁耦合系数；x-相位角，相位角，W-定尺节距（定尺节距（m）xWx2第二章 位移检测传感器滑尺与定尺相对位移量滑尺与定尺相对位移量x的求取：的求取： W:2= x:x x=Wx/2

53、结论：相对位移量结论：相对位移量 x 与与 相位角相位角x 呈线性关系，呈线性关系，只要能测出相位角只要能测出相位角x，就可求得位移量，就可求得位移量 x 。三、感应同步器三、感应同步器鉴相型鉴相型第二章 位移检测传感器三、感应同步器三、感应同步器鉴相式测量电路工作原理鉴相式测量电路工作原理脉冲发生器发出频率一定的脉冲序列，经脉冲相位变换器进行脉冲发生器发出频率一定的脉冲序列，经脉冲相位变换器进行分频，输出参考信号方波和指令信号方波。分频，输出参考信号方波和指令信号方波。第二章 位移检测传感器 指令信号方波使励磁供电线路产生振幅、频率相同而相位指令信号方波使励磁供电线路产生振幅、频率相同而相位

54、差差9090 的正弦信号电压的正弦信号电压U Ui isinsin t t和余弦信号电压和余弦信号电压U Ui icoscos t t，供给感应同步器滑尺或定尺的供给感应同步器滑尺或定尺的A A、B B绕组。绕组。三、感应同步器三、感应同步器鉴相式测量电路工作原理鉴相式测量电路工作原理第二章 位移检测传感器 定尺上产生感应电动势定尺上产生感应电动势E E，经放大整形后变为方波，并和，经放大整形后变为方波，并和参考信号方波送入鉴相器。参考信号方波送入鉴相器。三、感应同步器三、感应同步器鉴相式测量电路工作原理鉴相式测量电路工作原理第二章 位移检测传感器 鉴相器的输出是感应电动势信号与参考信号的相位

55、差，即鉴相器的输出是感应电动势信号与参考信号的相位差，即相位相位x，且反映出它的正负。相位信号和高频脉冲信号一，且反映出它的正负。相位信号和高频脉冲信号一起进入与门电路，当相位信号起进入与门电路，当相位信号x存在时，门打开，允许高存在时，门打开，允许高频时间脉冲信号通过；当相位信号频时间脉冲信号通过；当相位信号x不存在时，门关闭。不存在时，门关闭。三、感应同步器三、感应同步器鉴相式测量电路工作原理鉴相式测量电路工作原理第二章 位移检测传感器 这样，门输出的信号脉冲数与相角这样，门输出的信号脉冲数与相角x x成正比。该脉冲进成正比。该脉冲进入可逆计数器计数，并由译码和显示器显示数字。通过门入可逆

56、计数器计数，并由译码和显示器显示数字。通过门电路的信号脉冲还送到脉冲相位变换器中，使参考信号跟电路的信号脉冲还送到脉冲相位变换器中，使参考信号跟随感应电动势的相位。随感应电动势的相位。三、感应同步器三、感应同步器鉴相式测量电路工作原理鉴相式测量电路工作原理第二章 位移检测传感器 根据感应电动势根据感应电动势E的幅值鉴别位移量的幅值鉴别位移量x的大小的大小三、感应同步器三、感应同步器鉴幅型鉴幅型第二章 位移检测传感器 根据感应电动势根据感应电动势E的幅值鉴别位移量的幅值鉴别位移量x的大小的大小 滑尺正、余弦绕组通入的激励电压同频、同相，但幅值不滑尺正、余弦绕组通入的激励电压同频、同相，但幅值不同

57、。同。三、感应同步器三、感应同步器鉴幅型鉴幅型第二章 位移检测传感器当正、余弦绕组上施加的激励电压为当正、余弦绕组上施加的激励电压为 和和 时，时， 定尺上的感应电动势为定尺上的感应电动势为E。在滑尺偏离初始位置。在滑尺偏离初始位置 x位移后，位移后，其感应电动势为其感应电动势为iAsinUtiBcosUt2coscosmEkUxtAtW2mAkUxW三、感应同步器三、感应同步器鉴幅型鉴幅型第二章 位移检测传感器三、感应同步器三、感应同步器2.2.感应同步器测位移的特点感应同步器测位移的特点具有较高的精度与分辨力。其测量精度首先取决于印制电路绕组的加工精度，具有较高的精度与分辨力。其测量精度首先取决于印制电路绕组的加工精度，温度变化对其测量精度影响不大。感应同步器是由许多节距同时参加工作，多节温度变化对其测量精度影响不大。感应同步器是由许多节距同时参加工作，多节距的误差平均效应减小了局部误差的影响。距的误差平均效应减小了局部误差的影响。抗干扰能力强。感应同步器在一个节距内是一个绝对测量装置，在任何时间内抗干扰能力强。感应