《传感器与检测技术》高教(4版)-第六章

第6章位移检测

本章主要介绍自感式位移计、差动变压式位移计、电位器式位移计、感应同步器、光栅、光电码盘、电涡流位移计、电容式位移计等的原理、结构、特性及应用。电感式传感器

将被测量转换成电感(或互感)变化的传感器，称为电感式传感器。电感式传感器是建立在电磁感应定律基础上的，它把被测位移转换为自感系数L的变化。然后将L接入一定的转换电路，位移变化便可变成电信号

电感式传感器的工作原理及分类

电感式传感器又称电感式传感器或可变磁阻式传感器，原理如图所示。线圈的电感值按下式计算：

其中：

电感式传感器

若忽略Rc，则有故

电感式传感器分为三种类型，如图所示。

电感式传感器输出特性

变间隙式和变截面式自感传感器的输出的特性如图所示。其灵敏度分别为为

变间隙式电感传感器的输出特性

变截面式电感传感器的输出特性

电感式传感器差动电感传感器原理

差动变间隙式传感器结构及特性如图所示。

差动电感传感器是将有公共衔铁的两个相同电感传感器结合在一起的一种传感器

电感式传感器

初始电感当衔铁移动时，气隙增加或减小，引起电感的变化

因L1、L2是差动形式，故总的电感变化量为

略去高次项，则有

电感式传感器灵敏度与单边式相比，有如下优点：（1）灵敏度提高一倍；（2）具有温度自补偿作用，抗外磁场干扰能力强；（3）电磁吸力相互抵消，线性度高。电感式传感器电感式位移计1、轴向电感式位移计的结构1—引线；2—固定磁筒；3—衔铁；4—线圈；5—弹簧；6—防转销；7—钢球导轨；8—测杆；9—密封套；10—测端。这种电感式传感器的自由行程较大，且结构简单，安装容易，缺点是灵敏度低，且不宜测量快速变化的位移。

电感式传感器2、电感式位移计的测量电路电感式位移计测量电路将电感量的变化转换成电压或电流变化，送入放大器，再由指示仪表或记录仪表指示或记录。测量电路的形式很多，通常都采用电桥电路。电感式传感器A、B两点的电位差即输出电压（1）衔铁处于中间位置时，输出电压为（2）衔铁向上移动时，输出电压为（3）衔铁向下移动时，输出电压为电感式传感器可见，当测杆的铁芯，由平衡位置上下移动相同的距离、产生相同电感增量时，电桥空载输出电压大小相等而符号相反，由此测得位移大小和方向。差动变压器位移计差动变压器是互感传感器，是把被测位移转换为传感器线圈的互感系数变化量，由于这种传感器通常做成差动的，故称为差动变压器，由于该类传感器具有结构简单、灵敏度高、测量范围广等优点，被广泛应用于位移量的测量。

差动变压器位移计差动变压器工作原理及特性

差动变压器主要由一个线框和一个铁芯组成，在线框上绕有一组初级线圈作为输入线圈，在同一线框上另绕两组次级线圈作为输出线圈，并在线框中央圆柱孔中放入铁芯，如图所示，当初级线圈加以适当频率的电压激励时，根据变压器的作用原理，在两个次级线圈中就产生感应电动势。差动变压器位移计当铁芯处于中间位置时，输出电压:

当铁芯向右移动时，则输出电压:

当铁芯向左移动时，则输出电压:

输出电压的方向反映了铁芯的运动方向，大小反映了铁芯的位移大小。

差动变压器位移计输出特性如图所示。差动变压器位移计6.2.2差动变压器位移计结构1-测头；2-轴套；3-测杆；4-铁芯；5-线圈架；6-导线；7-屏蔽筒；8-圆片弹簧；9-弹簧；10-防尘罩

差动变压器位移计此差动变压器位移计的测量范围约为±0.5mm～±75mm，分辨力可达～，差动变压器中间部分的线性比较好，非线性误差约为0.5%，其灵敏度比差动电感式高，当测量电路输入阻抗高时，用电压灵敏度来表示，当测量电路输入阻抗低时，用电流灵敏度来表示。当用400Hz以上高频激磁电源时，其电压灵敏度可达(0.5～2)V/mm·V。电流灵敏度可达0.1mA/mm·V。由于其灵敏度较高，测量大位移时可不用放大器，因此，测量电路较为简单差动变压器位移计差动变压器位移计的测量电路

1.大位移测量电路

电路如图所示。只测位移大小时，用图a、b电路；大小、方向都测时，用图c、d的相敏检波电路。

差动变压器位移计2.微小位移测量电路

DGS—20C/A型测微仪的框图如示。此位移传感器的测量范围一般为几毫米，分辨率可达0.1μm～，工作可靠。缺点是动态性能差，只能用于静态测量。

电位器传感器

6.3.1电位器传感器基本工作原理

电位计式电阻传感器的工作原理是基于均匀截面导体的电阻计算公式电位计式电阻传感器的结构如图，图(a)为直线式电位计，可测线位移；(b)为旋转式电位计，可测角位移。

电位器传感器电位器传感器输出特性

电位器传感器电位器传感器结构

1、电阻丝：对电阻丝的要求是：电阻系数大，温度系数小，对铜的热电势应尽可能小，常用材料有：铜镍合金类、铜锰合金类、镍铬丝等。

2、骨架：对骨架材料要求形状稳定表面绝缘电阻高，有较好的散热能力。常用的有陶瓷、酚醛树脂和工程塑料等。

3、电刷：电刷与电阻丝材料应配合恰当、接触电势小，并有一定的接触压力。这能使噪声降低。电位器传感器电位计式位移传感器

YHD型电位计式位移传感器的结构如图。1—测量轴；2—滑线电阻；3—电刷；4—精密无感电阻；5—导轨；6—弹簧；7—壳体电位器传感器具有结构简单、成本低、输出信号大、精度高、性能稳定等优点，虽然存在着电噪声大，寿命短等缺点，但仍被广泛应用于线位移或角位移的测量之中电容式位移传感器单电极电容式位移传感器及其应用1—平面测端（电极）2—绝缘衬套材料3—壳体4—弹簧卡圈5—电极座6—盘形电容7—螺母电容式位移传感器振动位移和回转精度的测量电容式位移传感器变面积差动式电容位移传感器及其应用1-测杆2-膜片3、5-开槽弹簧片4-可动极筒6-插座

7-调力螺钉8-测力弹簧9-引线10、11-固定极筒电容式位移传感器精密大位移测量用的变面积电容式传感器的原理图，它由一块长栅状的具有等间距的栅状电极和一对相对交叉放置的梳状电极组成。在工作时，栅状电极与梳状电极的相对位置状态如图（b）所示。电容式位移传感器测量电路如下，输出信号可以近似地写成

光栅位移测试

光栅式位移传感器，也称计量光栅，主要用于长度和角度的精密测量。

光栅的基本结构1、光栅：光栅是在透明的玻璃上刻有大量平行等宽等距的刻线构成的，结构如图。设其中透光的缝宽为a，不透光的缝宽为b，一般情况下，光栅的透光缝宽等于不透光的缝宽，即a=b。图中d=a+b称为光栅栅距（也称光栅节距或称光栅常数）。

光栅位移测试2、光栅的分类

光栅按其用途分长光栅和圆光栅两类。计量光栅分类见图。

光栅位移测试6.5.2光栅传感器的工作原理

光栅传感器由光栅、光路、光电元件和转换电路等组成。

1、光栅传感器的组成

光栅传感器的组成如图所示。指示光栅应置于主光栅的费涅耳第一焦面上，其间的距离为：

光栅位移测试2、莫尔条纹

（1）莫尔条纹：光栅式传感器的基本工作原理是利用光栅的莫尔条纹现象来进行测量的。莫尔条纹如图所示。

光栅位移测试

（2）莫尔条纹的特征

1)运动对应关系：莫尔条纹的移动量和移动方向与主光栅相对于指示光栅的位移量和方向有严格的对应关系。如图所示。

光栅位移测试

2)减小误差：莫尔条纹对光栅的刻线误差有平均作用，能在很大程度上消除栅距局部误差和短周期误差影响。3)位移放大：莫尔条纹的间距随着光栅线纹交角而改变，其关系如下：

从上式可知，θ越小，条纹间距B将变得越大，莫尔条纹有放大作用，其放大倍数为：

光栅位移测试3、光栅的信号输出

主光栅移动一个栅距W，莫尔条纹变化一个周期，莫尔条纹的变化近似为正弦波形，可看成是一个直流分量与的叠加，即：为了能够辨别方向，设置了辨向环节，结构框图如示。

码盘式传感器

码盘式传感器是以编码器为基础的，它是测量轴角位置和位移的方法之一。

光电码盘式传感器的工作原理

光电码盘式传感器是用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。

其工作原理示意图如示。

1—光源2—柱面镜3—码盘4—狭缝5—形成件码盘式传感器光电码盘

码盘按其所用码制可分为二进码、循环码、十进码、六十进码等。1、二进制码盘

图所示是一个四位二进制码盘，涂黑部分输出为0，空白部分输出为1。码盘式传感器二进制码盘的特点为：

（1）n位二进制码盘能分辨的角度为：

（2）二进码为有权码，编码CnCn-1…C1对应于零位算起的转角为:码盘式传感器2、循环码码盘

图是一个四位的循环码盘，表是十进制数、二进制数及四位循环码的对照表。二进制码转换成循环码的规则是：二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不进位加法得循环码。码盘式传感器若R表示循环码，C为二进制码，则：

循环码变成二进制码的关系式为：

码盘式传感器二进制码与循环码的转换电路如图。

码盘式传感器二进制码与循环码的转换电路如图。码盘式传感器光电码盘的应用

图是一光电码盘测角装置。

ZYF62/09系列光电码盘

激光式传感器

6.7.1激光的特性和稳频方法

1、激光的特性

（1）方向性强（2）单色性好（3）亮度高（4）相干性好

2、激光器

按激光器的工作物质可分为以下几类：

（1）固体激光器：常用的有红宝石激光器、钕玻璃激光器等。（2）气体激光器：常用的为氦氖激光器、二氧化碳激光器、一氧化碳激光器等。

激光式传感器

（3）液体激光器：液体激光器分为无机液体激光器和有机液体激光器等。

（4）半导体激光器：半导体激光器是比较年轻的一种，比较成熟的是砷化镓激光器。

3、激光的稳频方法

较常用的稳频方法是兰姆下陷稳频法。

激光式传感器激光干涉传感器测长原理

激光干涉传感器测长原理实质是光的干涉原理，常用的是迈克尔逊双光束干涉系统。测长的基本公式为：激光干涉传感器以激光为光源，具有以下优点：（1）测量精度高，如测量一米长度精度可达10-7~10-8量级。（2）分辨率高，并可测出10–4nm以下的长度变化。（3）量程大，可达几十米。（4）便于实现自动测量。

思考题与习题1.简述线位移、角位移的检测方法及测量原理？2.用电容式传感器能否检测线位移或角位移？能否检测μm级或mm级或更大范围的位移？若能，需采用什么样的结构形式？