传感器测位移.docx

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传感器测位移

传感器测位移

一．前言

位移传感器，又称线性传感器，是利用各种元件检测对象物的物理变化量，通过将该变化量换算为距离，来测量从传感器到对象物的距离位移的机器。

小位移通常用应变式，电感式，差动变压器式，涡流式，霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器，光栅，容栅，磁栅等传感技术来测量。

本次着重于介绍电位器式位移传感器，电涡流式位移传感器，霍尔式位移传感器和差动式位移传感器等。

二．电位器式位移传感器

1）电位器传感器原理：

电位器传感器的工作原理是基于电位器电阻可调,即调节滑片的位置时,它的电阻值相应发生变化。

利用电桥的平衡特性，当滑片移动ΔL时,电阻相应增加或减小ΔR,,引起电压发生相应的变化。

导体的电阻与导体的材料性能（电阻率ρ）、导体的尺寸（长度L、横截面A）、形状以及导体的温度等因素有关。

如果导体的长度为L，横截面为A，电阻率为ρ，那么它的电阻值R可表示为

由式可见，在匀质导体中，电阻与其长度成正比。

2）连接电路图：

常见的旋转式变阻器和滑线式变阻器，可作为角位移和线位移测量的电阻式传感器。

位移的变化通过机械机构改变电阻器滑臂的位置，从而改变了a、b端的电阻值Rab，如下图所示：

图1 位移x与电阻Rab成正比

这类传感器通常是以电位计的形式接入测量电路，称为电位计式传感器。

在c、b间接入电源U，在a、b间接入负载电阻RL。

图2 测量电路原理图

令x=Rab／R（即x=0时，Rab=0；x=1，Rab=R）得

可见，输出电压（负载上的电压）UL与位移x呈非线性关系。

只有当RL=∞时，输出电压UL与位移x间才是线性关系。

3）输出特性曲线：

图3 输出特性曲线

二．电涡流式位移传感器

1）简述电涡流效应

根据法拉第电磁感应原理，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，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。

而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。

2）工作原理

图4 电涡流式传感器的基本原理

如图3.25所示，有一通以交变电流

的传感器线圈。

由于电流

的存在，线圈周围就产生一个交变磁场H1。

若被测导体置于该磁场范围内，导体内便产生电涡流

，

也将产生一个新磁场H2，H2与H1方向相反，力图削弱原磁场H1,从而导致线圈的电感、阻抗和品质因数发生变化。

这些参数变化与导体的几何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间的距离有关，如果控制上述参数中一个参数改变就能构成测量该参数的传感器。

图5 等效电路

为分析方便，将被测导体上形成的电涡流等效为一个短路环中的电流。

这样，线圈与被测导体便等效为相互耦合的两个线圈，如图5所示。

设线圈的电阻为R1，电感为L1，阻抗为Z1=R1+jωL1；短路环的电阻为R2，电感为L2；线圈与短路环之间的互感系数为M。

M随它们之间的距离x减小而增大。

加在线圈两端的激励电压为

，可求得线圈受金属导体涡流影响后的等效阻抗为：

               （3-39）

线圈的等效电感为：

                                       （3-40）

由式（3-39）可见，由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线圈的品质因数Q下降。

阻抗由Z1变为Z，常称其变化部分为“反射阻抗”。

由式（3-39）可得：

                          （3-41） 式中 

——无涡流影响时线圈的Q值；

——短路环的阻抗。

Q值的下降是由于涡流损耗所引起，并与金属材料的导电性和距离x直接有关。

当金属导体是磁性材料时，影响Q值的还有磁滞损耗与磁性材料对等效电感的作用。

在这种情况下，线圈与磁性材料所构成磁路的等效磁导率μe的变化将影响L。

当距离x减小时，由于μe增大而使式（3-40）中之L1变大。

3）测量电路

电涡流传感器常用的测量电路有电桥电路和谐振电路，阻抗Z的测量一般用电桥，电感L的测量电路一般用谐振电路。

图6电桥电路原理

电桥法是将传感器线圈的等效阻抗变化转换为电压或电流的变化。

上图为电桥法的原理图。

图中A,B两线圈作为传感器线圈。

传感器线圈与两电容的并联阻抗作为电桥的桥臂，起始状态，使电桥平衡。

在进行测量时，由于传感器线圈的等效阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡造成的输出信号进行放大并检波，就可得到与被测量成正比输出。

电桥法主要用于两个电涡流线圈组成的差动式传感器。

谐振法是将传感器线圈的等效电感的变化转换为电压或电流的变化，传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回路u，其谢振频率为

，谐振时回路的等效阻抗最大，Z=L/RC，其中R为谐振回路等效电阻。

当线圈电感L发生变化时，贿赂的等效阻抗和谢振频率都将随L的变化而变化，因此可以利用测量回路阻抗的方法或测量回路谢振频率的方法间接测出传感器的被测值。

由式（3-39）～（3-41）可知，线圈-金属导体系统的阻抗、电感和品质因数都是该系统互感系数平方的函数。

而互感系数又是距离x的非线性函数，因此当构成电涡流式位移传感器时，Z=f1（x）、L=f2（x）、Q=f3（x）都是非线性函数。

但在一定范围内，可以将这些函数近似地用一线性函数来表示，于是在该范围内通过测量Z、L或Q的变化就可以线性地获得位移的变化。

4）输出特性

图7 输出特性曲线

三．霍尔式传感器测位移

1）霍尔效应定义：

金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将会产生电动势，这种现象称为霍尔效应。

如下图：

图8 霍尔效应

2）霍尔元件原理：

由于运动电荷受磁场中洛仑兹力作用的结果，设在N型半导体薄片上通以电流I，则半导体中的载流子（电子）沿着与电流方向相反运动（速度V），由于在垂直于半导体薄片平面的方向上施加磁场B，所以电子受洛仑兹力 的作用，向一边偏转（虚线所示），并使该边形成电子积累，而另一边则为正电荷积累，于是形成电场，该电场阻止运动电子的继续偏转。

当电场作用在运动电子上的力 与洛仑兹力 相等时，电子的积累便达到动态平衡，在薄片两横断面之间建立电场，相应的电势称为霍尔电势。

其中：

其中：

另        则

（N型半导体的较大，很高。

所以，RH大。

）

另      （      ）霍尔元件灵敏度。

3）连接电路图：

图9 测量电路

4）输出特性线：

图10 输出特性

5）霍尔灵敏系数KH

在单位控制电流和单位磁感应强度作用下，霍尔器件输出端的开路电压，称为霍尔灵敏系数KH，霍尔灵敏系数KH的单位为V/（AT）。

四．差动式位移传感器

1）差动变压器原理：

差动变压器式传感器,简称差动变压器（LinerVariableDifferentialTransformer简称LVDT）,它是一个有可动铁芯和两个次级线圈的变压器。

传感器的可动铁芯和待测物相连,两个次级线圈接成差动形式,可动铁芯的位移利用线圈的互感作用转换成感应电动势的变化,从而得到待测位移。

由差动变压器的灵敏度表达式

可知,传感器的灵敏度将随电源电压Usr和变压比N2/N1的增大而提高,随起始间隙增大而降低。

一般情况下取N2/N1=1~2,太大时,次级线圈的输出阻抗过高,易受外部干扰的影响。

必须注意,位移量要限制在一定范围内,δ0一般在0.5mm左右。

δ0过大,灵敏度要降低,而且边缘磁通将增大到不能忽略的程度,从而使非线性增大。

在实际输出特性中,当δ0=0时,还存在着零位电压U0。

2）连接电路:

图11 测量电路

3）测量电路

差动变压器的输出电压是调幅波，为了辨别衔铁的移动方向，需要进行解调。

下图为解调电路：

差动相敏检波电路。

解调电路可以消减零位电压，减少测量误差。

图12差动相敏检波电路

容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。

图中调制电压er和e同频，经过移相器使er和e保持同相或反相，且满足er>>e。

调节电位器R可调平衡，图中电阻R1=R2=R0，电容C1=C2=C0，输出电压为UCD。

当铁芯在中间时,e=0,只有er起作用，输出电压UCD＝0。

若铁芯上移，e≠0，设e和er同相位，由于er>>e，故er正半周时D1、D2仍导通，但D1回路内总电势为er＋1/2e，而D2回路内总电势为er－1/2e，故回路电流i1＞i2输出电压UCD=R0（i1–i2）>0。

当er负半周时，由于e和er同相位，故而i4>i3,UCD=R0（i4-i3）>0，因此铁芯上移时输出电压UCD>0。

当铁芯下移时，e和er相位相反。

同理可得UCD<0。

由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。

4）输出特性

图13 等效电路

被测体带动移动：

图14 变隙式差动变压器输出特性

１理想特性；２实际特性

5）灵敏度

差动变压器的灵敏度随电源电压U和变压比W2/W1的增大而提高，随初始气隙增大而降低。

增加次级匝数W2与增大激励电压U将提高灵敏度。

图15 激励频率与灵敏度的关系

图16激励电压与灵敏度的关系

五．比较几种传感器的优缺点及改善

传感器名称

优点

缺点

改善方法

电位器式位移传感器

1.结构简单，灵敏度高

适用范围广。

2.抗干扰力强

3.高稳定度的直流电源易于获得

4.传感器至测量仪表的连线导线的分布参数影响小

1.对被测量物体的物理特性要求高

2.测量位移的线性范围受到传感器线圈直径的限制

3.适用范围窄

4.后续要采用直流放大器，容易产生零点漂移，线路也比较复杂

使用电阻范围广，且阻值变化小的电位器

电涡流式位移传感器

1.测量范围宽，可靠性好，灵敏度高

2.结构简单，反应速度快

3.可实现非接触测量

4.抗干扰能力强

5.寿命长，可在各种恶劣条件下使用

1.不能在强电，磁场中测量

2.测量的范围比较小

1.避免在探头直径一倍的地方有其他的金属

2.避免强磁场和电场的干扰

霍尔式位移传感器

1.应用广：

一切非电量只要能通过前置敏感元件变换成位移量即可利用霍尔传感器进行测量

精度高

2.线性度好工作频带宽可靠性高

3.动态性能好元件结构简单，工艺成熟

1.不等位电势影响

2.大直流或强磁场时对其干扰大

1.补偿电路

2.对模块进行适当调整

差动式位移变压器

1.性能可靠

2.示值范围大

3.精度高

4.结构简单

1.产生零点残余电压

1.设计和工艺保证结构的对称

2.选用合适的测量线路

3.用补偿线路