传感器与检测技术课件 项目五 测量物体位移量 任务5.1电感式传感器测量位移量

项目五测量物体位移量2生活中的计算机网络【项目思维导图】【项目教学目标】【知识目标】1．能明白自感式电感传感器的工作原理；2．能看懂自感式传感器类型及应用场合；3.能掌握互感式电感传感器的工作原理；4.能明白编码器和光电编码器工作原理；5.能掌握编码器的分类；6.能掌握脉冲盘式编码器工作原理；7.能了解脉冲盘式编码器的参数。【技能目标】1.会识别互感式传感器使用的测量电路；2.会发现电感式传感器在生产中具体应用；3.会使用电涡流传感器测量轴位移；4.会识别码盘式编码器的进制编码；5.会选择数字测速中编码器的方法。【素养目标】1.通过工作页式小组活动，培养学生的团队合作精神；2.通过接近传感器的学习，体会自强不息对个人、国家和民族的意义，主动地学会自立，培养自强精神；3.通过编码器的学习，任何一个狭缝都是团体的一部分，培养“合作共羸”、“协同创新”团队协作意识。任务5.1电感式传感器测量位移量位移是物体在一定方向上的位置变化，在自动化生产与工程自动控制中经常需要测量位移。测量时应当根据不同的测量对象选择测量点、测量方向和测量系统，其中，位移传感器的测量精度在测量中起重要作用。位移测量的分类：按被测量分为线位移测量和角位移测量。按测量参数的特性，位移测量分为静态位移测量和动态位移测量。位移测量是线位移和角移测量的统称。实际上就是长度和角度的测量。位移是矢量。它表示物体上某一点在两个不同瞬间的位置变化。因而对位长移的度量，应使测量方向与位移方向重合，这样才能真实地测量出位移量的大小。任务描述任务描述：在工程技术中，测量机械零件的长度、厚度和液位等，实际上都是利用不同的位移传感器进行线位移的测量。如在装配轴承滚柱时，为保证轴承的质量，一般要先对滚柱的直径进行分选，各滚柱直径的误差在几个微米，因此要进行微位移检测。以往用人工测量和分选轴承用滚柱的直径是一件十分费时且容易出错的工作。在自动检测系统中，往往要用到电感式测微传感器进行测量，测量精度较高，电感式位移传感器的工作原理是什么？其结构、特点如何？这就是我们本节课的任务目标。知识链接：电感式传感器测量位移量

电感式传感器是建立在电磁感应基础上的，电感式传感器可以把输入的物理量（如位移、振动、压力、流量、比重）转换为线圈的自感系数L或互感系数M的变化，并通过测量电路将L或M的变化转换为电压或电流的变化，从而将非电量转换成电信号输出，实现对非电量的测量。电感式传感器具有工作可靠、寿命长、灵敏度高、分辨力高、精度高、线性好、性能稳定、重复性好等优点。根据工作原理的不同，电感式传感器可分为变磁阻式（自感式）、变压器式（互感式）和电涡流式（互感式）等种类，如图5-1所示。图5-1各种电感测微传感器知识链接：电感式传感器测量位移量

一、自感式电感传感器自感式传感器是利用自感量随气隙变化而改变的原理制成的，用来测量位移。自感式传感器主要有闭磁路变隙式和开磁路螺线管式，它们又都可以分为单线圈式与差动式两种结构形式。1．电感式传感器工作原理自感式传感器的结构如图5-2所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从两导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。图5-2自感式传感器的结构知识链接：电感式传感器测量位移量

由电工学磁路知识可知，线圈的自感量为

式中，N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻（H-1）。由于自感式电感传感器中铁心和衔铁的磁阻比空气隙磁阻小很多，因此铁心和衔铁的磁阻可忽略不计，磁路总磁阻Rm近似空气隙磁阻，即式中，δ为空气隙厚度；A为空气气隙的有效截面积；μ0为真空磁导率，与空气的磁导率相近。因此电感线圈的电感量为一个上式表明，当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路磁阻Rm的函数，只要改变δ或A均可导致电感变化，因此电感式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积A的传感器。前者可用于测量直线位移，后者则可测量角位移。知识链接：电感式传感器测量位移量

2.自感式电感传感器常见形式自感式电感传感器常见的形式有变气隙式、变截面式和螺线管式等三种，电感式传感器的结构原理如图5-3所示。（a）变气隙式自感传感器（b）变截面式自感传感器（c）螺管式自感传感器

图5-3自感式电感传感器常见结构知识链接：电感式传感器测量位移量

（1）变气隙式自感传感器变气隙式自感式传感器的结构原理如图5-4所示，图5-4（a）为单边式，图5-4（b）为差动式。它们由铁芯、线圈和衔铁组成。由式（5.1）可知，变气隙长度式传感器的线性度差、示值范围窄、自由行程小，但在小位移下灵敏度很高，常用于小位移的测量。为了扩大示值范围和减小非线性误差，可采用差动结构。将两个线圈接在电桥的相邻臂，构成差动电桥，不仅可使灵敏度提高一倍，而且使非线性误差大为减小。

1-线圈2-铁芯3-衔铁图5-4变气隙式自感式电感传感器常见结构知识链接：电感式传感器测量位移量

（2）变截面式自感式传感器如果变隙式电感传感器的气隙长度不变，铁芯与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化而改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变截面积式电感传感器，通过式（5.3）可知，变截面式传感器具有良好的线性度、自由行程大、示值范围宽等特点，由于漏感等原因，变截面型电感传感器在A=0时，仍有一定的电感，所以其线性区较小，而且灵敏度较低，通常用来测量较大的位移。（3）螺线管式自感式传感器如图5-3（c）所示为螺线管式电感传感器的结构示意图。当活动衔铁随被测物移动时，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。知识链接：电感式传感器测量位移量

螺线管式自感传感器结构简单、装配容易、自由行程大、示值范围宽，缺点是：灵敏度较低，易受外部磁场干扰。目前，该类传感器随放大器性能提高而得以广泛应用。

以上三种电感传感器使用时，由于线圈中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起振动及附加误差，而且非线性误差较大；另外，外界的干扰如电源电压频率的变化，温度的变化都使输出产生误差。所以，在实际工作中常采用两个相同的传感器线圈共用一个衔铁，构成差动式电感传感器，这样可以提高传感器的灵敏度，减少测量误差。知识链接：电感式传感器测量位移量

3．电感式传感器测量电路自感式传感器的测量电路用来将电感转换成相应的电压或电流信号，以便供放大器进行放大，然后用测量仪表显示或记录。电感传感器可以通过交流电桥将线圈电感的变化转换成电压或电流信号输出。但是，为了判别衔铁位移的方向，测量电路一般采用带相敏整流的交流电桥，如图5-5所示。

图中，电桥的两个臂Z1.Z2分别为差动式传感器中的电感线圈，另两个臂为平衡阻抗Z3.Z4（Z3=Z4=Z0），VD1.VD2.VD3.VD4四只二极管组成相敏整流器，激励交流电压加在A、B两点之间，输出直流电压U0由C、D两点输出，测量仪表可以是零刻度居中的直流电压表或数字电压表。知识链接：电感式传感器测量位移量

当衔铁处于中间位置时，传感器两上差动线圈的阻抗Z1=Z2=Z0，电桥处于平衡状态，C点电位等于D点电位，电表指示为零。图5-5带相敏整流的交流电桥电路图

当衔铁向一边移动时，传感器两个差动线圈的阻抗发生变化，当衔铁上移时，上部线圈阻抗增大，Z1=Z0+，下部线圈阻抗减少，Z2=Z0-。如果输入交流电压为正半周，则A点电位由于Z1增大而比平衡时的C点电位降低；而在A—E—C—B支路中，C点电位由于Z1增大而比平衡时的C点电位降低；而在A—F—D—B去路中，D点电位由于Z2减少而比平衡时的D点电位增高，所以D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。知识链接：电感式传感器测量位移量

如果输入交流电压为负半周，则A点电位为负，B点电位为正，二极管VD2.VD3导通，VD1.VD4截止，在A—E—C—B支路中，C点电位由于Z2减少而比平衡时的C点电位降低；而在A—F—D—B支路中，D点位由于Z1增大而比平衡时的D点电位增高，所以仍然是D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。同样可以得出结论：当衔铁下移时，电压表总是反向偏转，输出为负。

由此可见，采用带相敏整流的交流电桥，输出电压既能反映位移量的大小，又能反映位移的方向，所以应用较为广泛。知识链接：电感式传感器测量位移量4.自感式传感器的应用（1）自感式测厚仪图5-6自感式测厚仪知识链接：电感式传感器测量位移量（2）测位移轴向式测试头如图5.7（a）所示，1—引线2—线圈3—衔铁4—测力弹簧5—导杆6—密封罩7—测头

电感测微仪的原理框图如图5.7（b）所示，电感测微仪是一种能够测量微小尺寸变化的精密测量仪器，它由主体和测头两部分组成，配上相应的测量装置（例如测量台架等），能够完成各种精密测量。

被广泛应用于精密机械制造业、晶体管和集成电路制造业以及国防、科研、计量部门的精密长度测量。图5-7（a）轴向式测试头（b）电感测微仪的原理框图知识链接：电感式传感器测量位移量二、差动变压器（互感式）传感器把被测的非电量变化转换为线圈互感量M变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，当初级绕组接入激励电源之后，次级绕组就将产生感应电动势，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等。目前应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量l—100μm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单和性能可靠等优点。知识链接：电感式传感器测量位移量1．差动变压器工作原理差动式电感传感器的结构如图5-8所示。两个完全相同的单纯圈电感传感器共同一个活动衔铁就构成了差动式电感传感器。在变隙型差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。差动式电感传感器灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。并且差动式式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度较高。采用差动结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。所以，实用的电感传感器几乎全是差动的。知识链接：电感式传感器测量位移量（a）变隙型（b）螺管型图5-8差动式电感传感器知识链接：电感式传感器测量位移量

螺线管式差动变压器结构如图5-9所示，它由初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图5-9所示。图中为一次绕组激励电压；、

分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感，L1为一次绕组的电感：L2.L’2：分别为两个二次绕组的电感。

图5-9螺线管式差动变压器结构和等效电路知识链接：电感式传感器测量位移量

当铁心处于中心对称位置时，则Uout1=Uout2，所以Uout=0；两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同，由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。在传感器的量程内，衔铁移动越大，差动输出电动势就越大。当铁心向两端位移时，Uout1大于或小于Uout2，使Uout不等于零，其值与铁心的位移成正比。当衔铁向二次绕组一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。

特点：结构简单、灵敏度高、线性度好和测量范围宽。缺点是存在零点残余电动势。可采用相敏检波电路等措施进行补偿。

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2．零点残余电压（1）零点残余电压当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值存在，称为零点残余电压。图5-10差动变压器输出特性曲线图5-11差动整流电路知识链接：电感式传感器测量位移量

（2）零点残余电压产生的原因①传感器的两个次级绕组的电气参数、几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势幅值不等，相位不同，因此不论怎样调整衔铁位置，两线圈中感应电势都不能完全抵消。②磁性材料磁化曲线的非线性，导致电源电压中含有高次谐波。③导磁材料存在铁损、不均匀，一次绕组有铜耗电阻，线圈间存在寄生电容，导致差动变压器的输入电流与磁通不相同。（3）减小零点残余电压的方法①尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数和磁路Φ对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。②选用合适的测量电路。③采用补偿线路减小零点残余电压。知识链接：电感式传感器测量位移量

3.差动变压器式传感器测量电路差动变压器的输出电压是交流分量，它与衔铁位移成正比，其输出电压如用交流电压表来测量时存在下述问题：①总有残余电压输出，因而零点附近的小位移测量困难。②无法判断衔铁移动的方向。为此，常采用相敏检波电路和差动整流电路来处理。（1）差动整流电路。这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出，如图5-11所示。（2）相敏检波电路。相敏检波电路由变压器T1和T2以及接成环形的四个半导体二极管组成。差动变压器输出电压经过交流放大器放大后输出的幅值应为幅值的3~5倍。知识链接：电感式传感器测量位移量

如图5-12所示是差动相敏检波电路的一种形式。相敏检波电路要求比较电压的幅值尽可能大，比较电压与差动变压器二次侧输出电压的频率相同，相位相同或相反。图5-12差动相敏检波电路知识链接：电感式传感器测量位移量

4.差动变压器的应用实例差动变压器传感器一般用于接触测量，它主要用于位移测量，也可以用于振动、加速度、压力、流量和液位等与位移有关的任何机械量。（1）压力的测量如图5-13所示是变隙电感式压力传感器的结构图。它由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起。当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下，产生与压力P大小成正比的位移。于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表指示值就反映了被测压力的大小。图5-13变隙电感式压力传感器结构图知识链接：电感式传感器测量位移量（2）电感式仿形机床在加复杂机械零件时，采用仿形加工是一种较简单的方法。图5-14是电感式（或差动变压器式）仿形机床的示意图，1-标准靠模样板；2-测端（靠模轮）；3-电感测微器；4-铣刀龙门框架；5-立柱；6-伺服电动机。假设被加工的工件为凸轮。机床的左边转轴上固定一个已加工好的标准凸轮。毛坯固定在右边的转轴上，左、右两轴同步旋转。铣刀与电感测微仪安装在由伺服电机驱动的、可以沿着立柱的导轨上、下移动的龙门架上。电感测微仪的硬质合金测端与标准凸轮外表轮廓接触。当衔铁不在差动电感线圈的中心位置时，测微仪有输出。输出电压经伺服放大器放大后，伺服电机正转（或反转）。知识链接：电感式传感器测量位移量

带动龙门框架上移（或下移），直到测微仪的衔铁恢复到差动电感线圈的中间位置为止。龙门框架的上下位置决定了铣刀的切削深度。当标准凸轮转过一具微小的角度时，衔铁再一次被顶高（或下降），测微仪必然有输出，伺服电机转动，使铣刀也上升（或下降），从而减小（或增加）切削深度。这个过程一直持续到加工出与标准凸轮完全一样的工件为止。图5-14电感式仿形铣床图5-15差动变压器式加速度传感器知识链接：电感式传感器测量位移量（3）加速度的测量

如图5-15所示为差动变压器式加速度传感器的原理结构示意图。它同悬臂梁和差动变压器构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁与被测振动体相连，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体发生振动时，衔铁随着一起振动，使得差动变压器的输出电压发生变化，输出电压的大小及频率与振动物体的振幅与频率有关。知识链接：电感式传感器测量位移量

（3）加速度的测量

如图5-15所示为差动变压器式加速度传感器的原理结构示意图。它同悬臂梁和差动变压器构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁与被测振动体相连，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体发生振动时，衔铁随着一起振动，使得差动变压器的输出电压发生变化，输出电压的大小及频率与振动物体的振幅与频率有关。知识链接：电感式传感器测量位移量

（3）加速度的测量

如图5-15所示为差动变压器式加速度传感器的原理结构示意图。它同悬臂梁和差动变压器构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁与被测振动体相连，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体发生振动时，衔铁随着一起振动，使得差动变压器的输出电压发生变化，输出电压的大小及频率与振动物体的振幅与频率有关。知识链接：电感式传感器测量位移量（3）加速度的测量

如图5-15所示为差动变压器式加速度传感器的原理结构示意图。它同悬臂梁和差动变压器构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁与被测振动体相连，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体发生振动时，衔铁随着一起振动，使得差动变压器的输出电压发生变化，输出电压的大小及频率与振动物体的振幅与频率有关。知识链接：电感式传感器测量位移量（3）加速度的测量

如图5-15所示为差动变压器式加速度传感器的原理结构示意图。它同悬臂梁和差动变压器构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁与被测振动体相连，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体发生振动时，衔铁随着一起振动，使得差动变压器的输出电压发生变化，输出电压的大小及频率与振动物体的振幅与频率有关。知识链接：电感式传感器测量位移量（3）加速度的测量

如图5-15所示为差动变压器式加速度传感器的原理结构示意图。它同悬臂梁和差动变压器构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁与被测振动体相连，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体发生振动时，衔铁随着一起振动，使得差动变压器的输出电压发生变化，输出电压的大小及频率与振动物体的振幅与频率有关。知识链接：电感式传感器测量位移量

四、电涡流传感器（互感式）测量轴位移

电涡流电感式传感器的内部结构如图5-16所示，它是根据电涡流效应制成的传感器。电涡流效应指的是这样一种现象：根据法拉第电磁感应定律，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，通过导体的磁通将发生变化，产生感应电动势，该电动势在导体表面形成电流并自行闭合，状似水中的涡流，称为电涡流。电涡流只集中在金属导体的表面，这一现象称为趋肤效应。

电涡流电感式传感器最大的特点是：能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量；还具有体积小、灵敏度高、频带响应宽等特点，应用极其广泛。知识链接：电感式传感器测量位移量

电涡流电感式传感器对被测材料敏感性强。如果被测对象的材料不同，传感器的灵敏度和线性范围都要改变，必须重新矫校正。就是对同一种被测材料来说，如果被测表面的材质不均匀，或者工件内部有裂痕，都会影响测量结果。测量轴振动时，轴的不圆度也将反映的振幅值中。所以测量时要选择合适的测量点和均质光滑的测量表面。要测量准确，对被测体的几何形状也是