位移传感器的原理和应用.ppt

第第4章章 位移传感器位移传感器 4.1 位移传感器引入 Ø电梯超载电梯超载Ø植物生长过程检测植物生长过程检测4.2 电感式传感器 工作原理工作原理 线圈自感 Ψ——线圈总磁链,单位：韦伯；I——通过线圈的电流，单位：安培；W——线圈的匝数；Rm——磁路总磁阻，单位：1/亨a)气隙型 b)截面型 c)螺管型自感式传感器原理图 l i ——各段导磁体的长度；U i——各段导磁体的磁导率；S i ——各段导磁体的截面积； δ ——空气隙的厚度；U0 ——真空磁导率S ——空气隙截面积变气隙型传感器变截面型传感器 线圈中放入圆形衔铁 可变自感 螺管型传感器上一页返 回下一页变面积式自感传感器变面积式自感传感器l传感器气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电传感器气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此量而变，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积自感传感器自感变面积自感传感器自感L L为为 灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。

但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低上一页返 回下一页螺线管式自感传感器螺线管式自感传感器1-螺线管线圈Ⅰ；2-螺线管线圈Ⅱ；3-骨架；4-活动铁芯 L10，L20——分别为线圈Ⅰ、Ⅱ的初始电感值；rc为活动铁心半径，2lc为活动铁心长度上一页返 回下一页(3.1.21)1 传感器引线 2 铁心套筒 3 磁芯 4 电 感 线 圈 5 弹 簧 6 防转件 7 滚 珠 导 轨 8 测 杆 9 密封件 10玛瑙测端 自感式位移传感器自感式位移传感器电感式位移传感器电感式位移传感器 l电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的主要用于位移、压磁效应原理制成的主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参数的测量压力、力、振动、加速度等参数的测量 电感式接近开关电感式接近开关(非埋入式非埋入式) lDC10～30V，三线NPN输出，常开。

检测距离：5mm安装时接近开关检测面不可以和周围金属齐平面电感式接近开关（埋入式）电感式接近开关（埋入式） lDC12DC12～～24V24V，三线，三线NPNNPN输出，常开检测距离：输出，常开检测距离：4mm4mm能检测金属物体，特别对铁金属，但选能检测金属物体，特别对铁金属，但选择非铁金属时，其检测距离会大大的缩短性择非铁金属时，其检测距离会大大的缩短性能稳定，是最常用的检测方法安装时接近开能稳定，是最常用的检测方法安装时接近开关检测面和周围金属齐平面关检测面和周围金属齐平面4.3 差动变压器 差差动动变变压压器器是是把把被被测测的的非非电电量量变变化化转转换换成成线线圈圈互互感感量量的的变变化化这这种种传传感感器器是是根根据据变变压压器器的的基基本本原原理理制制成成的的，，并并且且次次级级绕绕组组用用差差动动的的形形式式连连接接，，故故称称之之为为差差动动变压器式传感器变压器式传感器 变隙式变隙式 变面积式变面积式 螺线管式螺线管式(a)、(b) 变隙式差动变压器；(c)、(d) 螺线管式差动变压器；(e)、(f) 变面积式差动变压器 上一页返 回下一页变隙式差动变压器变隙式差动变压器 当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出互感变化时，输出电压将作相应变化 上一页返 回下一页两个初级绕组的同名端顺向串联，而两个次级绕组的同名端则反向串联。

当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙为δa0 =δb0=δ0两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b由于次级绕组反向串联，因此，差动变压器输出电压当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使δa≠δb两次级绕组的互感电势e2a≠e2b，输出电压 电压的大小反映了被测位移的大小，通过用相敏检波等电路处理，使最终输出电压的极性能反映位移的方向1. 1. 工作原理工作原理上一页返 回下一页螺线管式差动变压器 上一页返 回下一页１１. 工作原理工作原理 １-活动衔铁；２-导磁外壳；３-骨架；４-匝数为W1初级绕组；５-匝数为W2a的次级绕组；６-匝数为W2b的次级绕组上一页返 回下一页l当初级线圈绕组加上适当频率的电压激当初级线圈绕组加上适当频率的电压激励时，在两个绕组励时，在两个绕组W2A和和W2B产生感应电产生感应电动势动势 和和 ，当活动衔铁处于初始平，当活动衔铁处于初始平衡位置时，衡位置时， 则则 l当活动衔铁偏离平衡位置时，则当活动衔铁偏离平衡位置时，则图3.2.6 差动变压器输出电压特性曲线 上一页返 回下一页力和力矩的测量力和力矩的测量1－线圈2－衔铁3－弹性元件优点优点优点优点：承受轴向力时应力分布均匀； 当长径比较小时，受横向偏心的分力的影响较小。

微小位移的测量微小位移的测量1－测端2－防尘罩3－轴套4－圆片簧5－测杆6－磁筒7－磁芯8－线圈9－弹簧10－导线21电感式滚柱直径分选装置 3.2.8 3.2.8 滚柱直径分柱直径分选装置装置 1 1—气缸气缸 2 2—活塞活塞 3 3—推杆推杆 4 4—被被测滚柱柱 5 5—落料管落料管 6 6—电感感测微器微器 7 7—钨钢测头 8 8—限位限位挡板板 9 9—电磁翻板磁翻板 1010—容器（料斗）容器（料斗） 2024/7/2922电感式滚柱直径分选装置（外形） 滑道滑道分分选仓位位轴承承滚子外形子外形（（参参考中原量考中原量仪股股份份有限公司有限公司资料）料）2024/7/2923电感式滚柱直径分选装置外形落料振动落料振动台台滑道滑道1111个个分分选仓位位（（参参考无考无锡市通市通达达滚子有限公司子有限公司资料）料）废料料仓24粗糙度仪外形粗糙度仪外形25电感式轮廓仪 旁向式旁向式电感电感 测微头测微头26电感式不圆度计原理 该圆度计采用该圆度计采用旁向式电感测微头旁向式电感测微头27电感式不圆度测量系统外形（参考洛阳汇智测控技术有限公司资料）旋旋转盘测量头测量头28涡流式传感器的变换原理：涡流式传感器的变换原理： 利用金属导体在交流磁场中的涡流效应。

利用金属导体在交流磁场中的涡流效应4.4 涡流传感器涡流：涡流：成块的金属置于变化的磁场中，或者在固成块的金属置于变化的磁场中，或者在固定磁场中运动时，金属导体内就要产生感定磁场中运动时，金属导体内就要产生感应电流，这种电流的流线在金属内是闭合应电流，这种电流的流线在金属内是闭合的，所以称为涡流的，所以称为涡流①①存在交变磁场；存在交变磁场；②②导体处于交变磁场中导体处于交变磁场中涡流产生的必涡流产生的必要条件是：要条件是：29高频反射式涡流传感器工作原理高频反射式涡流传感器工作原理图图3.2.11 3.2.11 涡流的发生涡流的发生 30涡流式传感器的应用涡流式传感器的应用 涡流式传感器主要用于位移、振动、转速、涡流式传感器主要用于位移、振动、转速、距离、厚度等参数的测量距离、厚度等参数的测量 由于涡流式传感器测量范围大、灵敏度高、由于涡流式传感器测量范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强以及可以非接触测结构简单、抗干扰能力强以及可以非接触测量等优点，广泛用于工业生产和科学研究的量等优点，广泛用于工业生产和科学研究的各个领域各个领域31位移测量位移测量 它可以用来测量各种形式的位移量。

图它可以用来测量各种形式的位移量图3.2.12是位移计测是位移计测量示意图量示意图a)为汽轮机主轴的轴向位移测量示意图；为汽轮机主轴的轴向位移测量示意图；(b)为磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图，为磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图，(c)为金属试为金属试件的热膨胀系数测量示意图件的热膨胀系数测量示意图图图3.2.12 位移计测量示意图位移计测量示意图1-被测件；被测件；2-传感器探头传感器探头32测量注塑机开合模的间隙测量注塑机开合模的间隙偏心和振动检测偏心和振动检测零件识别零件识别33振幅测量振幅测量 (a)(a)为汽轮机和空气压缩机常用的以涡流式传感器来监控为汽轮机和空气压缩机常用的以涡流式传感器来监控主轴的径向振动的示意图；主轴的径向振动的示意图； (b)(b)为测量发动机涡轮叶片的振幅的示意图；为测量发动机涡轮叶片的振幅的示意图； (c)(c)在研究轴的振动时，常需要了解轴的振动形状，做出在研究轴的振动时，常需要了解轴的振动形状，做出轴振形图通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近轴振形图通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近用多通道指示仪输出至记录仪。

在轴振动时，可以获得各用多通道指示仪输出至记录仪在轴振动时，可以获得各个传感器所在位置轴的瞬时振幅，从而画出轴振形图个传感器所在位置轴的瞬时振幅，从而画出轴振形图图图3.2.13 振幅测量示意图振幅测量示意图1-被测体；被测体；2-传感器探头传感器探头34 测量量悬臂梁的振幅及臂梁的振幅及频率率 汽轮机叶片测试汽轮机叶片测试 对桥梁、丝杆等机械结构的振对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器动测量，须使用多个传感器35厚度测量厚度测量 （（a）图中，当金属板）图中，当金属板1的厚度变化时，将使传感的厚度变化时，将使传感器探头器探头2与金属板间距离改变，从而引起输出电压与金属板间距离改变，从而引起输出电压的变化由于在工作过程中金属板会上、下波动，的变化由于在工作过程中金属板会上、下波动，这将影响测量精度这将影响测量精度图图3.2.14 3.2.14 厚度计测量示意图厚度计测量示意图1-1-被测物；被测物；2-2-传感器探头传感器探头36 在被测板在被测板1的上、下方各装一个传感器探头的上、下方各装一个传感器探头2，其，其间距离为间距离为D，而它们与板的上、下表面分别相距，而它们与板的上、下表面分别相距 x1和和x2，这样板厚，这样板厚 ，当两个传感器在，当两个传感器在工作时分别测得工作时分别测得x1和和x2 ，转换成电压值后相加。

相，转换成电压值后相加相加后的电压值与两传感器间距离加后的电压值与两传感器间距离D对应的设定电压对应的设定电压再相减，就得到与板厚相对应的电压值再相减，就得到与板厚相对应的电压值37涂层厚度仪涂层厚度仪 测量量线路板的路板的铜膜厚度膜厚度38转速测量转速测量 在一个旋转体上开一条或数条槽如图在一个旋转体上开一条或数条槽如图3.2.15(a)3.2.15(a)所示，或者做所示，或者做成齿，如图成齿，如图3.2.15(b)3.2.15(b)所示，旁边安装一个涡流传感器当旋所示，旁边安装一个涡流传感器当旋转体转动时，涡流传感器将周期性地改变输出信号，此电压转体转动时，涡流传感器将周期性地改变输出信号，此电压经过放大、整形，可用频率计指示出频率数值此值与槽数经过放大、整形，可用频率计指示出频率数值此值与槽数和被测转速有关，即和被测转速有关，即 图3.2.15 3.2.15 转速速测量量涡流传感器涡流传感器395.涡流探伤涡流探伤 可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以及可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。

用于焊接部位的探伤等 裂纹将引起金属的电阻率、磁导率的变化在裂裂纹将引起金属的电阻率、磁导率的变化在裂纹处也可以说有位移值的变化这些综合参数纹处也可以说有位移值的变化这些综合参数( )的变化将引起传感器参数的变化，通过测量传感器的变化将引起传感器参数的变化，通过测量传感器参数的变化即可达到探伤的目的参数的变化即可达到探伤的目的40 在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比为了获得需要在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比为了获得需要的频率而采用滤波器，如图的频率而采用滤波器，如图3.3.16(a)3.3.16(a)所示，需要进一步抑所示，需要进一步抑制干扰信号，可采用幅值甄别电路把这一电路调整到裂缝制干扰信号，可采用幅值甄别电路把这一电路调整到裂缝信号正好能通过的状态，凡是低于裂缝信号都不能通过这一信号正好能通过的状态，凡是低于裂缝信号都不能通过这一电路，这样干扰信号都抑制掉了如图电路，这样干扰信号都抑制掉了如图3.2.16(b)3.2.16(b)所示图图3.2.16 3.2.16 用涡流探伤时的测量信号用涡流探伤时的测量信号41电涡流探流探伤仪电涡流流焊管探管探伤电涡流裂流裂纹探探测电涡流传感器1.1.工作原理及类型工作原理及类型 S ——极板相对覆盖面积；    d ——极板间距离；    εr——相对介电常数；    ε0——真空介电常数，；    ε ——电容极板间介质的介电常数。

dSε4.5 电容式传感器 变极距变极距( (δ））型型: (a)、、(e) 变面积型变面积型(S)(S)型型: (b)、、(c)、、(d)、、(f)、、(g) （（h）） 变介电常数变介电常数(ε )型型: （（i）～）～(l) 上一页返 回下一页2. 变极距型电容传感器变极距型电容传感器C与 非线性关系 若△d/d<<1时，则式（3.3.3）可简化为 若极距缩小△d 最大位移应小于间距的1/10初始电容上一页返 回下一页在实际应用中，采用差动式在实际应用中，采用差动式改善其非线性3. 变面积型电容传感器变面积型电容传感器当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为△C与△x间呈线性关系 上一页返 回下一页电容式角位移传感器电容式角位移传感器 当θ=0时 当θ≠0时传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系 上一页返 回下一页4. 变介电常数型电容式传感器变介电常数型电容式传感器初始电容 电容式液位传感器 电容与液位的关系为： 上一页返 回下一页可见，传感器的电容量正比于液位的高度h当L=0时，若 传感器的初始电容 上一页返 回下一页b0为极板的宽度电容变化量与电介质移动量L呈线性关系 当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为电容式传感器的应用 1. 电容式差压传感器电容式差压传感器2. 电容式加速度传感器电容式加速度传感器3. 电容式振动位移传感器电容式振动位移传感器4. 容栅式传感器容栅式传感器 上一页返 回下一页P2玻璃盘镀金层金属膜片C2电极引线p1C1电容式差压传感器 结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)能测微小压差(0～0.75Pa)、真空或微小绝对压力需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可 上一页返 回下一页11511151差差压变送器送器231B 面A 面546Cx1Cx21、5 －固定极板 2－壳体 3－簧片 4 －质量块 6－ 绝缘体 精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度 电容式加速度传感器上一页返 回下一页a)测振幅b)测轴回转精度和轴心偏摆被测物振动电容式传感器被测轴电容式传感器电容式位移传感器应用 上一页返 回下一页电容式称重传感器59电容式接近开关l属于一种具有开关量输出的位置传感器，它由属于一种具有开关量输出的位置传感器，它由LCLC高频高频振荡电路、信号转换处理电路等部分组成振荡电路、信号转换处理电路等部分组成l当没有物体靠近感应电极时，感应电极与大地间的电当没有物体靠近感应电极时，感应电极与大地间的电容量容量C C非常小，非常小，LCLC高频振荡器正常振荡。

高频振荡器正常振荡l当被检测物体（如与大地有很大分布电容的人体、液当被检测物体（如与大地有很大分布电容的人体、液体等）靠近感应电极时，感应电极对地电容体等）靠近感应电极时，感应电极对地电容C C增大，增大，使得高频振荡器的振荡减弱直至停振使得高频振荡器的振荡减弱直至停振60电容式接近容式接近开关开关在物位在物位测量控制中的量控制中的应用用电电荷荷平平衡衡式式位位移移传传感感器器 可变电压VM与测头的位置成比例 已在类似于孔径测量仪等便携式测量工具中应用上一页返 回下一页4. 容栅式传感器容栅式传感器 (1) 基本类型及工作原理基本类型及工作原理(2) 容栅式传感器应用容栅式传感器应用上一页返 回下一页(1) 基本类型及工作原理基本类型及工作原理 l长容栅长容栅l圆容栅圆容栅片状片状柱状柱状上一页下一页返 回长容栅长容栅上一页下一页返 回n－动尺栅级片数 a , b－栅极片长度和宽度上一页下一页返 回CCmax0aW3a2Wx片状圆容栅片状圆容栅r2 , r1 － 圆盘栅极片外半径和内半径 a － 每条栅极片对应的圆心角（rad）上一页下一页返 回柱状圆容栅柱状圆容栅上一页下一页返 回(3) 容栅式传感器应用l主要应用于量具、量仪和机床数显装置。

主要应用于量具、量仪和机床数显装置l角位移角位移容栅传感器已在电子数显千分尺容栅传感器已在电子数显千分尺及机床分度盘中应用及机床分度盘中应用l线位移线位移容栅传感器已在电子数显卡尺、容栅传感器已在电子数显卡尺、数显深度尺、数显高度尺、机床数显标数显深度尺、数显高度尺、机床数显标尺中应用尺中应用 上一页返 回容容栅式式轮胎花胎花纹深度尺深度尺容容栅式式错位量位量测量量仪系列产品71容容栅式式传感器感器应用用瑞士瑞士tesatesa数数显千分尺千分尺数数显卡尺卡尺三爪三爪内径内径千分尺千分尺。