位移传感器及工程应用

第7章位移传感器及工程应用第7章位移传感器及工程应用7.1电位器式位移传感器7.2电感式位移传感器7.3电容式位移传感器7.4霍尔式位移传感器7.5位移传感器工程应用案例返回主目录第7章位移传感器及工程应用7.1电位器式位移传感器把位移变化转换成电阻值变化的敏感元件称作电位器式位移传感器，简称为电位器。电位器种类繁多，若按其结构形式分类，可分为绕线式、薄膜式、分段式和液体触点式等多种。若按其输入/输出特性分类，可分为线性电位器和非线性电位器两种。7.1.1线性电位器1.线性电位器的结构如果电位器的输出电阻与被测位移量呈线性关系，则称该电位器为线性电位器。常见线性电位器的结构如图7-1所示。第7章位移传感器及工程应用图7-1常见线性电位器的基本结构2.工作原理当电位器的滑动触点受到外界作用力而产生位移时，就改变了电位器的电阻值，这个电阻值的变化与位移变化成线性关系，这就是线性电位器的工作原理。第7章位移传感器及工程应用根据使用场合的不同，电位器既可以作为变阻器使用，也可以作为分压器使用。由于电位器的输出功率较大，在一般场合下，可用指示仪表直接接收电位器送来的信号，这就大大地简化了测量电路。7.1.2非线性电位器如果电位器的输出电阻与被测位移量呈非线性关系，则称它为非线性电位器。非线性电位器又称作函数电位器。1.非线性电位器的结构下面以图7-2(a)中所示的函数关系为例介绍非线性电位器的结构。首先对R=f(x)曲线进行分析，确定实现方案。一般来说，实现函数电位器的方案有三种。第7章位移传感器及工程应用第一种方法骨架结构示意图如图7-2(b)所示。该方法采用的是曲线骨架结构，通过精心设计骨架形状来逼近函数较精确，但曲线骨架制造困难。图7-2(b)采用曲线骨架结构示意图Rx0)(xfR图7-2(a)非线性电位器的特性曲线第7章位移传感器及工程应用第二种方法是在允许误差的范围内进行折线逼近，即用四条线段组成的折线代替原来的曲线来近似逼近曲线R=f(x)，采用阶梯骨架结构示意图如图7-2(c)所示。图7-2(c)采用阶梯骨架结构示意图图7-2(a)非线性电位器的特性曲线4332211AAAAAAOA第7章位移传感器及工程应用对于阶梯骨架结构，在骨架宽度b一定的情况下，骨架高度hi可按下式计算)4,3,2,1(8112ibxxRRDkhiiiii(7-1)式中：D为电阻丝直径；k为电阻丝绕制节距；ρ为电阻率；Ri为Ai点所对应的电阻值；xi为Ai点所对应的位移；b为骨架宽度；R0=0；x0=0。第7章位移传感器及工程应用图7-2(d)等截面骨架结构示意图第三种方法是采用等截面骨架和电阻并联的结构来实现的，它的结构示意图如图7-2(d)所示。图7-2(a)非线性电位器的特性曲线第7章位移传感器及工程应用对于等截面骨架结构，各段并联的电阻值ri，一般可按下列公式计算)4,3,2,1()()(1)1(1)1(iRRRRRRRiiiiiiiii(7-2)式中，R'i为等截面支架上xi-1点和xi点之间并联的电阻；R'(i-1)i为等截面支架上xi-1点和xi点之间电阻丝的电阻；Ri为i点所对应的电阻。由上可见，这种等截面骨架函数电位器最易实现，但它只保证了在x1、x2、x3、x4点处的电阻值符合曲线；当电刷处在各段中间位置时，由于分流作用将引起一定的误差。故多用于要求精度不高的场合。第7章位移传感器及工程应用2.工作原理非线性电位器的滑动触点一般位于直线面上，当滑动触点受到外界作用力而产生位移时，就改变了电位器的电阻值，这个电阻值的变化与位移变化成非线性关系，这就是非线性电位器的工作原理。7.1.3绕线式电位器的材料1.电阻丝电阻丝的优点是电阻率大、电阻温度系数小，耐磨损，耐腐蚀、焊接方便等。常用电阻丝材料有以下几种：1）铜锰合金类它的电阻温度系数为0.001％~0.003％/℃，比铜的热电势小，约为1~2μV/℃，其缺点是工作温度低，一般为-50~60℃。第7章位移传感器及工程应用2）铜镍合金类它电阻温度系数最小，约±0.002％/℃，电阻率为0.45μΩm，机械强度高。但比铜的热电势大，康铜是这类合金的代表。3）铂铱合金类它具有硬度高，机械强度大、抗腐蚀、耐氧化、耐磨等优点，电阻率为0.23μΩm，可制成很细的丝做高阻值电位器。此外，还有镍铬丝、卡玛丝及银钯丝等。2.电刷电刷结构往往反映出电位器的噪音电平。只有当电刷与电阻丝材料配合恰当，触点有良好的抗氧化能力，接触电势小，并有一定的接触压力时，才能使噪音降低。常用电位器的接触力在0.005～0.05N之间。第7章位移传感器及工程应用3.骨架对骨架材料要求形状稳定，其热膨胀系数和电阻丝相近，表面绝缘电阻高，并且希望有较好的散热能力。4.噪音电位器传感器的噪声一般分为两类：一类是噪声来自电位器上自由电子的随机运动，这种噪声电子流叠加在电阻的工作电流上；另一类是电刷沿电位器移动时因接触电阻变化引起的接触噪声。此外，还有摩擦电噪声，振动噪声和高速噪声。第7章位移传感器及工程应用7.1.4电位器传感器的应用绕线式角位移电位器传感器的工作原理如图7-3所示。绕线式角位移电位器传感器一般性能如下：动态范围：±10～±165°线性度：±0.5～±3％电位器全电阻：102~103Ω工作温度：-50～150℃工作寿命：104次图7-3角位移电位器的工作原理第7章位移传感器及工程应用7.2电感式位移传感器7.2.1自感式位移传感器把被测位移变化转变为线圈自感系数变化的传感器称作自感式位移传感器。因为自感系数常称作电感系数，所以自感式位移传感器也常称作电感式位移传感器。由本书4.6.1节知，一个匝数为N的线圈，其自感系数L为式中，Rm为线圈磁路总磁阻。式(7-3)表明，当匝数N确定后，自感系数L仅是磁阻Rm的函数。而自感式位移传感器就是通过改变磁路的磁阻来实现自感系数变化的，故又把它称作变磁阻式位移传感器。(7-3)mRNL2第7章位移传感器及工程应用根据被测位移改变磁阻的方式，它又分为变气隙型、变面积型和螺线管型三种。图7-4是单自感式位移传感器的基本结构示意图。在这三种类型中最常用的是变气隙型和螺线管型两种，现分别介绍如下。铁芯衔铁xx骨架衔铁u(a)变气隙型(b)变面积型(c)螺线管型δu线圈A0/2线圈A0lslrsu线圈衔铁Ax铁芯δ0r0图7-4单自感式位移传感器的基本结构示意图第7章位移传感器及工程应用1.变气隙型自感式位移传感器变气隙型单自感式位移传感器的基本结构如图7-4(a)所示。按本书4.6.1节的分析可得，该传感器的自感系数L为(7-4)图7-4(a)变气隙型式中，N为线圈的匝数；δ为气隙磁路的长度；A0为中间气隙磁路的横截面积；μ0为空气的磁导率（μ0=4π×10-7H/m）。2002ANL第7章位移传感器及工程应用假设该传感器的初始气隙为δ0，则初始电感量L0为000202AWL当被测运动部件与衔铁刚性相连时，若被测运动部件使衔铁向上移动了x，即δ=δ0–x，将它代入式(7-4)整理得电感系数L为200000)/(1)/1(/1xxLxLL当x/δ01时，分母1-(x/δ0)2≈1，忽略分母中的(x/δ0)2项得式(7-7)表明，变气隙型单自感式位移传感器的电感L与位移x呈近似线性关系。因此，它适合于测量微小位移的场合。xLLL000(7-5)(7-6)(7-7)第7章位移传感器及工程应用为了提高灵敏度和减小非线性误差，通常把它做成差动形式。变气隙型差动自感式位移传感器的结构如图7-5所示。它由两个相同的线圈和磁路组成，当位于中间的衔铁上下移动时，上下两个线圈的电感量，一个增加一个减少，形成差动形式。按本书4.6.2节分析可得，变气隙型差动自感式位移传感器与变气隙型单自感式位移传感器相比，灵敏度提高了一倍，并且非线性误差也大大减少。图7-5变气隙型差动自感传感器结构第7章位移传感器及工程应用变气隙型自感式传感器的最大优点是：灵敏度高；其主要缺点是：线性范围小、自由行程小、制造装配困难、互换性差，因而限制了它的应用。3.螺线管型自感式位移传感器螺线管型自感式位移传感器的结构也有单自感和差动式两种，图7-4(c)是螺线管型单自感式位移传感器的结构示意图。假设螺线管的内半径为rs，长度为ls，活动衔铁的半径为r0，插入螺线管线圈的长度为l，当lsrs时，可认为螺线管内为匀强磁场，忽略边沿效应，则螺线管电感L的计算公式为式中，V为螺线管内空间的体积；n为线圈单位长度上的匝数；µ为螺线管内空间介质的磁导率。VnL2(7-8)第7章位移传感器及工程应用根据式(7-8)可推导出图7-4(c)中螺线管线圈的电感系数L为式中，µ0为空气的磁导率；µr为活动衔铁的相对磁导率；N为螺线管线圈的匝数。若活动衔铁插入线圈的初始深度为l0，当衔铁在螺线管线圈中向上移动了x，即l=l0+x时，将它代入式(7-9)得由式(7-10)可知，当螺线管的结构参数确定后，自感L与位移x呈线性关系。但由于实际螺线管内磁场不完全均匀及存在边沿效应等因素，所以实际的自感L与位移x呈近似线性关系。ssrssllrrlNrL20220)1(1ssrsslxlrrlNrL020220)1(1(7-10)(7-9)第7章位移传感器及工程应用图7-6螺线管型差动自感式位移传感器结构为了减少非线性误差，实际制作时通常取l0=ls/2。这种传感器的优点是量程大、结构简单、便于制作；缺点是灵敏度比较低，且有一定的非线性。一般用于测量精度要求不是很高，且检测量程比较大的线位移情况。为了提高灵敏度，减少非线性误差，通常把它做成差动形式，图7-6是螺线管型差动自感式位移传感器的结构图。它由两个完全相同的螺线管组合而成。第7章位移传感器及工程应用显然，当衔铁处于两个螺线管相连的中心位置时，两边的螺线管电感量相等。当衔铁偏离中心位置时，左右两个线圈的电感量，一个增加一个减少，形成差动形式。同样可以证明，螺线管型差动自感式位移传感器与螺线管型单自感式位移传感器相比，灵敏度提高了一倍，并且非线性误差也大大减少。3.自感式位移传感器测量电路由于位移是向量，它既有大小，又有方向。为了方便测量位移的大小和方向，常采用差动式电感传感器。差动自感式位移传感器测量电路相对比较复杂，常用的是相敏检波电路。相敏检波电路有多种，下面介绍两种。第7章位移传感器及工程应用1）电阻式差动交流电桥相敏检波电路电阻式差动交流电桥相敏检波电路如图7-7所示。图中差动自感传感器的两个线圈Zx1、Zx2和两个平衡电阻（R1=R2=R）组成一个电阻式差动交流电桥，二极管VD1~VD4接成相敏检波电路。ABCDZx1R2R1+-VD1uouZx2VD2VD3VD4图7-7电阻式差动交流电桥相敏检波电路第7章位移传感器及工程应用假设uo的参考极性为上正下负，流过电阻R1、R2的电流分别为i1、i2。下面分三种情况来分析它的检波原理。①当衔铁处于中间位置时，由于差动传感器两线圈的Zx1=Zx2，且R1=R2，电桥平衡。于是输出电压uo=0。②当衔铁偏离中间位置上移使Zx1的阻抗增大，Zx2的阻抗减小时，在u的正半周内，由于A点电位高于B点，二极管VD2、VD4导通，VD1、VD3截止。则电流i1流经Zx2、VD4后自上而下地流过R1，而电流i2流经Zx1、VD2后自下而上地流过R2，且i1i2。根据uo的标定方向可知uo0，在u的负半周内，由于A点电位低于B点。二极管VD1、VD3导通，VD2、VD4截止。根据此时电流i1、i2的流向和i1i2可得uo0。由此可知，在这种情况下，不管u是正半周还是负半周，输出电压uo总是大于零。第7章位移传感器及工程应用③当衔铁偏离中间位置下移使线圈Zx1的阻抗减小，Zx2的阻抗增大时，同理可知，不管交流电源u是正半周还是负半周，输出电压uo总是小于零。2）变压器式差动交流电