傳感器及檢測(cè)技術(shù)課件第二章

1、第二章 位移檢測(cè)傳感器第二章 位移檢測(cè)傳感器第一節(jié)第一節(jié) 參量型位移傳感器參量型位移傳感器 參量位移傳感器的工作原理是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為電參參量位移傳感器的工作原理是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為電參數(shù)，即電阻、電容或電感等。數(shù)，即電阻、電容或電感等。電參數(shù)電參數(shù)（電阻、電（電阻、電容、電感容、電感被測(cè)物理量被測(cè)物理量 傳感器傳感器三大無(wú)源元件三大無(wú)源元件第二章 位移檢測(cè)傳感器第一節(jié)第一節(jié) 參量型位移傳感器參量型位移傳感器一、電阻式位移傳感器一、電阻式位移傳感器電阻：電阻：實(shí)際的金屬導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的尺寸及材料的導(dǎo)電實(shí)際的金屬導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的尺寸及材料的導(dǎo)電性能有關(guān)。性能有關(guān)。式中：式中： 稱為電阻率，

2、是表示材料對(duì)電流起阻礙作用的物理量。稱為電阻率，是表示材料對(duì)電流起阻礙作用的物理量。 l 是導(dǎo)體的長(zhǎng)度，是導(dǎo)體的長(zhǎng)度， S 為導(dǎo)體的截面積。為導(dǎo)體的截面積。SlR從上式可見(jiàn)，若導(dǎo)體的三個(gè)參數(shù)從上式可見(jiàn)，若導(dǎo)體的三個(gè)參數(shù)( (電阻率、長(zhǎng)度電阻率、長(zhǎng)度L L或截面積或截面積S)S)中的一個(gè)或數(shù)個(gè)發(fā)生變化，則電阻值隨著變化，因此可利用中的一個(gè)或數(shù)個(gè)發(fā)生變化，則電阻值隨著變化，因此可利用此原理來(lái)構(gòu)成傳感器。電位計(jì)和應(yīng)變片就是根據(jù)這一原理制此原理來(lái)構(gòu)成傳感器。電位計(jì)和應(yīng)變片就是根據(jù)這一原理制成的。成的。例如，例如，若改變長(zhǎng)度若改變長(zhǎng)度L L，則可制成，則可制成電位計(jì)電位計(jì)；改變改變L L、S S則可制成

3、電阻則可制成電阻應(yīng)變式應(yīng)變式第二章 位移檢測(cè)傳感器第一節(jié)第一節(jié) 參量型位移傳感器參量型位移傳感器電位計(jì)的結(jié)構(gòu)原理與特性電位計(jì)的結(jié)構(gòu)原理與特性 如果電阻絲直徑（如果電阻絲直徑（S)S)和材質(zhì)和材質(zhì)( () )一定時(shí)，則電阻值隨導(dǎo)線一定時(shí)，則電阻值隨導(dǎo)線長(zhǎng)度長(zhǎng)度L L而變化。根據(jù)這一原理制成電位計(jì)。而變化。根據(jù)這一原理制成電位計(jì)。 電位計(jì)是一種常用的機(jī)電元件。通常由骨架、電阻元件電位計(jì)是一種常用的機(jī)電元件。通常由骨架、電阻元件（線圈）及電刷（滑動(dòng)觸點(diǎn)）等零件組成。（線圈）及電刷（滑動(dòng)觸點(diǎn)）等零件組成。線繞電位器線繞電位器 R b c a b x 第二章 位移檢測(cè)傳感器第一節(jié)第一節(jié) 參量型位移傳感器

4、參量型位移傳感器電位計(jì)的結(jié)構(gòu)原理與特性電位計(jì)的結(jié)構(gòu)原理與特性按電位計(jì)的結(jié)構(gòu)形式可分為：直線位移型、角位移型和按電位計(jì)的結(jié)構(gòu)形式可分為：直線位移型、角位移型和非線形型。非線形型。按電位計(jì)的輸入按電位計(jì)的輸入/ /輸出特性可分為：線性電位器、非線輸出特性可分為：線性電位器、非線性電位器性電位器 圖2-1 電位計(jì)的結(jié)構(gòu)類型（a）直線位移型；（b）角位移型；（3）非線性型第二章 位移檢測(cè)傳感器第一節(jié)第一節(jié) 參量型位移傳感器參量型位移傳感器電位計(jì)的結(jié)構(gòu)原理與特性電位計(jì)的結(jié)構(gòu)原理與特性電位計(jì)的電阻元件通常有：繞線電阻、薄膜電阻、導(dǎo)電塑料等電位計(jì)的電阻元件通常有：繞線電阻、薄膜電阻、導(dǎo)電塑料等優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：電

5、位計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；電位計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；價(jià)格低廉；對(duì)環(huán)境條件要求價(jià)格低廉；對(duì)環(huán)境條件要求不高；不高；輸出信號(hào)大，易于轉(zhuǎn)換（一般不需要放大就可以輸出信號(hào)大，易于轉(zhuǎn)換（一般不需要放大就可以直接作為輸出）；性能穩(wěn)定，并容易實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)關(guān)系。直接作為輸出）；性能穩(wěn)定，并容易實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)關(guān)系。第二章 位移檢測(cè)傳感器第一節(jié)第一節(jié) 參量型位移傳感器參量型位移傳感器電位計(jì)的結(jié)構(gòu)原理與特性電位計(jì)的結(jié)構(gòu)原理與特性電位計(jì)的電阻元件通常有：繞線電阻、薄膜電阻、導(dǎo)電塑料等電位計(jì)的電阻元件通常有：繞線電阻、薄膜電阻、導(dǎo)電塑料等缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：要求輸入能量大（觸點(diǎn)始終存在摩擦和損耗。要求輸入能量大（觸點(diǎn)始終存在摩擦和損耗。由于有摩擦，就

6、要求電位計(jì)有比較大的輸入功率，否則由于有摩擦，就要求電位計(jì)有比較大的輸入功率，否則就會(huì)降低電位計(jì)的性能）；由于電刷與電阻元件之間有就會(huì)降低電位計(jì)的性能）；由于電刷與電阻元件之間有摩擦，容易磨損，產(chǎn)生噪聲干擾，因此可靠性不太好，摩擦，容易磨損，產(chǎn)生噪聲干擾，因此可靠性不太好，靈敏度較低，分辨力有限，靈敏度較低，分辨力有限， 精度不夠高，精度不夠高， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)較動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，僅適于測(cè)量變化較緩慢的量。差，僅適于測(cè)量變化較緩慢的量。第二章 位移檢測(cè)傳感器第二章 位移檢測(cè)傳感器第一節(jié)第一節(jié) 參量型位移傳感器參量型位移傳感器一、電阻式位移傳感器一、電阻式位移傳感器（1 1）線性電位計(jì)的空載特性）線性電位

7、計(jì)的空載特性線性電位計(jì)其單位長(zhǎng)度（或轉(zhuǎn)角）的電阻值是常數(shù)。線性電位計(jì)其單位長(zhǎng)度（或轉(zhuǎn)角）的電阻值是常數(shù)。（以直線電位計(jì)為例），如下圖（以直線電位計(jì)為例），如下圖第二章 位移檢測(cè)傳感器電位計(jì)電阻長(zhǎng)度為電位計(jì)電阻長(zhǎng)度為l ，總電阻為，總電阻為R, ,電刷位移電刷位移x, ,相應(yīng)的電阻為相應(yīng)的電阻為Rx, ,電源電壓電源電壓Ui, ,輸出電壓輸出電壓U0 xKxLRRRx/m）/m）電位計(jì)的電阻靈敏度（電位計(jì)的電阻靈敏度（K KR R若若電位器為空載電位器為空載（RL=）時(shí)）時(shí) ,即空載特性為即空載特性為:第二章 位移檢測(cè)傳感器Ku電位計(jì)的電壓靈敏度電位計(jì)的電壓靈敏度(V/m)， 當(dāng)電位計(jì)結(jié)構(gòu)及電源

8、電壓確定后，當(dāng)電位計(jì)結(jié)構(gòu)及電源電壓確定后， Ku和和KR為常數(shù)，線為常數(shù)，線性電位計(jì)輸出與電刷位移（或）轉(zhuǎn)角呈線性關(guān)系。性電位計(jì)輸出與電刷位移（或）轉(zhuǎn)角呈線性關(guān)系。xKxLURRUUuixio電位計(jì)輸出空載電壓為電位計(jì)輸出空載電壓為: :第二章 位移檢測(cè)傳感器線繞電位計(jì)線繞電位計(jì) 線繞電位計(jì)電阻元件由線繞電位計(jì)電阻元件由康銅絲、鉑銥合金及卡瑪絲康銅絲、鉑銥合金及卡瑪絲等電阻絲繞制，等電阻絲繞制， 因而能承受因而能承受較高的溫度，較高的溫度， 常被制成功率常被制成功率型電位計(jì)，型電位計(jì)， 其額定功率范圍其額定功率范圍一般為一般為0.250.2550 W50 W， 阻值范阻值范圍為圍為100 10

9、0 100 k100 k。 對(duì)對(duì)于線繞電位計(jì)，于線繞電位計(jì)，第二章 位移檢測(cè)傳感器 對(duì)于線繞電位計(jì)，對(duì)于線繞電位計(jì)，電阻絲是一匝一匝地繞在骨架上的，電阻絲是一匝一匝地繞在骨架上的， 即使電刷在電阻元件上是連續(xù)滑動(dòng)的，它與導(dǎo)線的接觸仍是即使電刷在電阻元件上是連續(xù)滑動(dòng)的，它與導(dǎo)線的接觸仍是以一匝一匝為單位移動(dòng)的，而不是連續(xù)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)電刷離開(kāi)以一匝一匝為單位移動(dòng)的，而不是連續(xù)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)電刷離開(kāi)這一匝而與下一匝接觸時(shí)這一匝而與下一匝接觸時(shí), ,電阻突然增加一匝阻值電阻突然增加一匝阻值, ,因此電阻因此電阻是呈階梯變化的，這樣導(dǎo)致輸出電壓隨著電刷的移動(dòng)而出現(xiàn)是呈階梯變化的，這樣導(dǎo)致輸出電壓隨著電刷的移動(dòng)

10、而出現(xiàn)階躍變化，電刷每移過(guò)一匝階躍變化，電刷每移過(guò)一匝, ,輸出電壓便階躍一次輸出電壓便階躍一次, ,當(dāng)電位計(jì)當(dāng)電位計(jì)有有W W匝時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生匝時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生W W個(gè)電壓階梯個(gè)電壓階梯, ,。因此繞線電位計(jì)的電阻和電壓輸出空載特性并不是一條理因此繞線電位計(jì)的電阻和電壓輸出空載特性并不是一條理想直線，而是階梯狀，稱為階梯特性。如圖所示想直線，而是階梯狀，稱為階梯特性。如圖所示線繞電位計(jì)線繞電位計(jì)第二章 位移檢測(cè)傳感器局部剖面和階梯特性局部剖面和階梯特性 從左圖中可見(jiàn)從左圖中可見(jiàn), ,在理想情在理想情況下況下, ,特性曲線每個(gè)階梯的大特性曲線每個(gè)階梯的大小完全相同小完全相同, ,則通過(guò)每個(gè)階梯則通過(guò)

11、每個(gè)階梯中點(diǎn)的直線即是理論特性曲中點(diǎn)的直線即是理論特性曲線線, ,階梯曲線圍繞它上下跳動(dòng)階梯曲線圍繞它上下跳動(dòng), ,從而帶來(lái)一定誤差從而帶來(lái)一定誤差, ,這就是階這就是階梯誤差。該誤差是一種梯誤差。該誤差是一種原理原理誤差。它限制了線繞電位計(jì)誤差。它限制了線繞電位計(jì)的精度和分辨力的精度和分辨力。（如圖所示）（如圖所示）第二章 位移檢測(cè)傳感器 線繞式電位計(jì)的階梯誤差和分辨率是由于其工作原理線繞式電位計(jì)的階梯誤差和分辨率是由于其工作原理的不完善而引起的，是一種原理性誤差的不完善而引起的，是一種原理性誤差,它決定了線繞它決定了線繞式電位計(jì)所能達(dá)到的最高精度。式電位計(jì)所能達(dá)到的最高精度。 在實(shí)際設(shè)計(jì)中

12、在實(shí)際設(shè)計(jì)中,減少階梯誤差的主要方式就是增加匝數(shù)。減少階梯誤差的主要方式就是增加匝數(shù)。當(dāng)骨架長(zhǎng)度一定時(shí)，就要減小導(dǎo)線直徑（小型電位計(jì)當(dāng)骨架長(zhǎng)度一定時(shí)，就要減小導(dǎo)線直徑（小型電位計(jì)通常選通常選0.5mm或更細(xì)的導(dǎo)線）或更細(xì)的導(dǎo)線） ；反之當(dāng)導(dǎo)線直徑一定；反之當(dāng)導(dǎo)線直徑一定時(shí)，就要增加骨架長(zhǎng)度（如采用多圈螺旋電位器時(shí)，就要增加骨架長(zhǎng)度（如采用多圈螺旋電位器)。 分辨率與階梯誤差有關(guān)，當(dāng)骨架長(zhǎng)度一定時(shí)，階梯誤分辨率與階梯誤差有關(guān)，當(dāng)骨架長(zhǎng)度一定時(shí)，階梯誤差由線繞電位計(jì)的導(dǎo)線直徑?jīng)Q定。線徑越小，匝數(shù)越差由線繞電位計(jì)的導(dǎo)線直徑?jīng)Q定。線徑越小，匝數(shù)越多，階梯誤差越小，分辨率越高。反之亦然。多，階梯誤差越小

13、，分辨率越高。反之亦然。第二章 位移檢測(cè)傳感器第一節(jié)第一節(jié) 參量型位移傳感器參量型位移傳感器一、電阻式位移傳感器一、電阻式位移傳感器（2 2）非線性電位計(jì)的空載特性）非線性電位計(jì)的空載特性 非線性電位計(jì)的輸出電壓（或電阻）與電刷位移之間具有非線性電位計(jì)的輸出電壓（或電阻）與電刷位移之間具有非線性函數(shù)關(guān)系，即電位計(jì)可以將位移或轉(zhuǎn)角變換成與之非線性函數(shù)關(guān)系，即電位計(jì)可以將位移或轉(zhuǎn)角變換成與之有某種函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。有某種函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。 非線性電位計(jì)的結(jié)構(gòu)形式有變骨架式、變節(jié)距式、分路電非線性電位計(jì)的結(jié)構(gòu)形式有變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式和電位給定式等。阻式和電位給定式等。第二

14、章 位移檢測(cè)傳感器第一節(jié)第一節(jié) 參量型位移傳感器參量型位移傳感器一、電阻式位移傳感器一、電阻式位移傳感器（2 2）非線性電位計(jì)的空載特性）非線性電位計(jì)的空載特性 變骨架式非線性電位器是在保持電位器結(jié)構(gòu)參數(shù)變骨架式非線性電位器是在保持電位器結(jié)構(gòu)參數(shù)、S、t不變時(shí)不變時(shí),只改變骨架寬度只改變骨架寬度b或高度或高度h來(lái)實(shí)現(xiàn)非線性函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)非線性函數(shù)關(guān)系關(guān)系 我們以只改變高度我們以只改變高度h的變骨架高度式非線性線繞電位器的變骨架高度式非線性線繞電位器為例為例,則保持則保持、S、t、b 不變。不變。 當(dāng)電位計(jì)在空載時(shí)，要求輸出電阻當(dāng)電位計(jì)在空載時(shí)，要求輸出電阻R為電刷位移為電刷位移x的某的某種函數(shù)種函

15、數(shù)f(x)，則需求出骨架高度，則需求出骨架高度h隨隨x的變化規(guī)律。的變化規(guī)律。第二章 位移檢測(cè)傳感器 在上圖所示曲線上任取一小在上圖所示曲線上任取一小段段, ,則可視為直線則可視為直線, ,當(dāng)電刷移當(dāng)電刷移動(dòng)微小位移為動(dòng)微小位移為dxdx時(shí)，引起相時(shí)，引起相應(yīng)的電阻變化就是應(yīng)的電阻變化就是dR,dR,則則SthbdxdR)(2bdxdUIStbdxdRSth022式中式中 bb骨架寬度（骨架寬度（m); Sm); S導(dǎo)線的導(dǎo)電截面積導(dǎo)線的導(dǎo)電截面積 t t 繞線節(jié)距，即相鄰兩導(dǎo)線間距離（繞線節(jié)距，即相鄰兩導(dǎo)線間距離（m) m) 導(dǎo)線電阻率（導(dǎo)線電阻率（.m); I.m); I流過(guò)電位計(jì)的電流（

16、流過(guò)電位計(jì)的電流（A)A) U U0_ 0_ 電位計(jì)輸出電壓（電位計(jì)輸出電壓（V)V)第二章 位移檢測(cè)傳感器 由于由于S S、t t、b b、I I均為常數(shù)，而均為常數(shù)，而dR/dxdR/dx和和dUdU0 0/dx/dx都是都是x x的函的函數(shù)，所以骨架高度數(shù)，所以骨架高度h h是電刷位移是電刷位移x x的函數(shù)，且與的函數(shù)，且與dR/dxdR/dx和和dUdU0 0/dx/dx有關(guān)。有關(guān)。 電阻靈敏度電阻靈敏度dxdRKR 電壓靈敏度電壓靈敏度dxdUKU0 由于非線性電位計(jì)輸出電壓（或）電阻與電刷位移之間是非由于非線性電位計(jì)輸出電壓（或）電阻與電刷位移之間是非線性函數(shù)關(guān)系，因此空載特性是一

17、條曲線。其電壓、電阻靈線性函數(shù)關(guān)系，因此空載特性是一條曲線。其電壓、電阻靈敏度與電刷位移敏度與電刷位移x x有關(guān)，由于骨架高度是變化的有關(guān)，由于骨架高度是變化的, ,因而階梯特因而階梯特性的階梯也是變化的性的階梯也是變化的, ,最大階梯值發(fā)生在特性曲線斜率最大最大階梯值發(fā)生在特性曲線斜率最大處處, ,故階梯誤差發(fā)生在特性曲線斜率最高處。故階梯誤差發(fā)生在特性曲線斜率最高處。bdxdUIStbdxdRSth022第二章 位移檢測(cè)傳感器1、繞線式線性電位計(jì)階梯誤差的存在限制了它的（、繞線式線性電位計(jì)階梯誤差的存在限制了它的（ ）和分辨力：和分辨力：精度精度第二章 位移檢測(cè)傳感器2、某線繞式線性電位計(jì)

18、的骨架直徑、某線繞式線性電位計(jì)的骨架直徑D0=10mm，總長(zhǎng)度總長(zhǎng)度L0=100mm，導(dǎo)線直徑，導(dǎo)線直徑d=0.1mm,電阻率電阻率=0.6=0.6* *1010（-6-6） .m；總匝數(shù)；總匝數(shù)W=1000。試計(jì)算該電位計(jì)的空載電阻靈敏試計(jì)算該電位計(jì)的空載電阻靈敏度度KR(2010）mmmmmmmmmmdLWDdLWDSLWDLSWDLRK/24) 1 . 0(*)(1001000*)(10*10*6 . 0*4442232002000000R第二章 位移檢測(cè)傳感器2、某線繞式線性電位計(jì)的骨架直徑、某線繞式線性電位計(jì)的骨架直徑D0=10mm，總長(zhǎng)度總長(zhǎng)度L0=100mm，導(dǎo)線直徑，導(dǎo)線直徑d

19、=0.1mm,電阻率電阻率=0.6=0.6* *1010（-6-6） .m；總匝數(shù)；總匝數(shù)W=1000。試計(jì)算該電位計(jì)的空載電阻靈敏試計(jì)算該電位計(jì)的空載電阻靈敏度度KR(2010）mmdLWDdLWDSLWDLSWDLRK/24)10*1 . 0(*1001000*10*10*10*6 . 0*44423362002000000R第二章 位移檢測(cè)傳感器3 3、繞線式非線性電位計(jì)的最大階梯誤差發(fā)生在特性曲線、繞線式非線性電位計(jì)的最大階梯誤差發(fā)生在特性曲線（ ）的最大處：（）的最大處：（20102010）斜率斜率第二章 位移檢測(cè)傳感器4、某繞線式線性電位計(jì)如圖所示，電位計(jì)的總長(zhǎng)度為、某繞線式線性電

20、位計(jì)如圖所示，電位計(jì)的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)=100mm,總電阻為總電阻為R=20，輸入電壓，輸入電壓Ui=24V,試求：（1）電位計(jì)的靈敏度）電位計(jì)的靈敏度KR輸和電壓靈敏度輸和電壓靈敏度KU;（2）當(dāng)電刷的位移）當(dāng)電刷的位移x=24mm時(shí)，相應(yīng)的電阻時(shí)，相應(yīng)的電阻Rx和電位計(jì)輸和電位計(jì)輸出的空載電壓出的空載電壓U0第二章 位移檢測(cè)傳感器4、某繞線式線性電位計(jì)如圖所示，電位計(jì)的總長(zhǎng)度為、某繞線式線性電位計(jì)如圖所示，電位計(jì)的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)=100mm,總電阻為總電阻為R=20，輸入電壓，輸入電壓Ui=24V,試求：（1）電位計(jì)的靈敏度）電位計(jì)的靈敏度KR輸和電壓靈敏度輸和電壓靈敏度KU;2 . 010020R

21、LRK24. 010024uLUKi第二章 位移檢測(cè)傳感器4、某繞線式線性電位計(jì)如圖所示，電位計(jì)的總長(zhǎng)度為、某繞線式線性電位計(jì)如圖所示，電位計(jì)的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)=100mm,總電阻為總電阻為R=20，輸入電壓，輸入電壓Ui=24V,試求：（2）當(dāng)電刷的位移）當(dāng)電刷的位移x=24mm時(shí)，相應(yīng)的電阻時(shí)，相應(yīng)的電阻Rx和電位計(jì)輸和電位計(jì)輸出的空載電壓出的空載電壓U08 . 424*2 . 0 xxLRRVxLURRUU76. 524*24. 0ixio第二章 位移檢測(cè)傳感器5 5、下列被測(cè)物理量中，適合使用電位器式傳感器進(jìn)行測(cè)量、下列被測(cè)物理量中，適合使用電位器式傳感器進(jìn)行測(cè)量的是的是 A. A. 位移位

22、移 B. B. 溫度溫度 C. C. 濕度濕度 D. D. 扭矩扭矩第二章 位移檢測(cè)傳感器6、什么是參量型的位移傳感器（密押二）、什么是參量型的位移傳感器（密押二）將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)化為電參數(shù)如電阻，電容，將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)化為電參數(shù)如電阻，電容，電感等的傳感器。電感等的傳感器。第二章 位移檢測(cè)傳感器第一節(jié)第一節(jié) 參量型位移傳感器參量型位移傳感器二、電阻應(yīng)變式位移傳感器二、電阻應(yīng)變式位移傳感器第二章 位移檢測(cè)傳感器第二章 位移檢測(cè)傳感器應(yīng)變式傳感器廣泛應(yīng)用于各種電子稱應(yīng)變式傳感器廣泛應(yīng)用于各種電子稱第二章 位移檢測(cè)傳感器 動(dòng)態(tài)電子秤動(dòng)態(tài)電子秤應(yīng)變式傳感器廣泛應(yīng)用于各種電子稱應(yīng)變式傳感器廣泛

23、應(yīng)用于各種電子稱第二章 位移檢測(cè)傳感器機(jī)械秤包裝機(jī)機(jī)械秤包裝機(jī)吊秤吊秤應(yīng)變式傳感器廣泛應(yīng)用于各種電子稱應(yīng)變式傳感器廣泛應(yīng)用于各種電子稱第二章 位移檢測(cè)傳感器三、電容式位移傳感器三、電容式位移傳感器 電容位移傳感器是一種非接觸電容式原理的精密測(cè)電容位移傳感器是一種非接觸電容式原理的精密測(cè)量?jī)x器，具有一般非接觸式儀器所共有的無(wú)磨擦、無(wú)損量?jī)x器，具有一般非接觸式儀器所共有的無(wú)磨擦、無(wú)損磨和無(wú)惰性特點(diǎn)外，還具有信噪比大，靈敏度高，零漂磨和無(wú)惰性特點(diǎn)外，還具有信噪比大，靈敏度高，零漂小，頻響寬，非線性小，精度穩(wěn)定性好，抗電磁干擾能小，頻響寬，非線性小，精度穩(wěn)定性好，抗電磁干擾能力強(qiáng)和使用操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

24、在國(guó)內(nèi)研究所，高等院校、力強(qiáng)和使用操作方便等優(yōu)點(diǎn)。在國(guó)內(nèi)研究所，高等院校、工廠和軍工部門得到廣泛應(yīng)用，成為科研、教學(xué)和生產(chǎn)工廠和軍工部門得到廣泛應(yīng)用，成為科研、教學(xué)和生產(chǎn)中一種不可缺少的測(cè)試儀器。中一種不可缺少的測(cè)試儀器。第二章 位移檢測(cè)傳感器ZNXsensor超精密電容位移傳感器ZCS1100精密電容位移傳感器三、電容式位移傳感器三、電容式位移傳感器第二章 位移檢測(cè)傳感器三、電容式位移傳感器三、電容式位移傳感器應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用領(lǐng)域：壓電微位移、振動(dòng)臺(tái)，電子顯微鏡微調(diào)，天文望壓電微位移、振動(dòng)臺(tái)，電子顯微鏡微調(diào)，天文望遠(yuǎn)鏡鏡片微調(diào)，精密微位移測(cè)量等。遠(yuǎn)鏡鏡片微調(diào)，精密微位移測(cè)量等。 第二章 位移檢

25、測(cè)傳感器三、電容式位移傳感器三、電容式位移傳感器電容式位移傳感器是利用電容式位移傳感器是利用電容量的變化來(lái)測(cè)量線位電容量的變化來(lái)測(cè)量線位移或角位移的裝置，移或角位移的裝置，其基本工作原理如右圖示：其基本工作原理如右圖示：平板電容為平板電容為SC S S 極板面積極板面積 極板間距極板間距 0 0 真空介電常數(shù)真空介電常數(shù) r r 極板介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)極板介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)= = 0 0 r r第二章 位移檢測(cè)傳感器三、電容式位移傳感器三、電容式位移傳感器SC 第二章 位移檢測(cè)傳感器三、電容式位移傳感器三、電容式位移傳感器變極距型電容位移傳感器：具有較高的靈敏度、但電變極距型電容位移傳感器：具

26、有較高的靈敏度、但電容變化與極距變化之間為非線性關(guān)系。容變化與極距變化之間為非線性關(guān)系。變面積型和變介質(zhì)（變介電常數(shù)）電容位移傳感器：變面積型和變介質(zhì)（變介電常數(shù)）電容位移傳感器：具有比較好的線性，但靈敏度比較低。具有比較好的線性，但靈敏度比較低。第二章 位移檢測(cè)傳感器封閉形式下使用封閉形式下使用開(kāi)放形式下使用，即利用被測(cè)對(duì)象作為一個(gè)極板（當(dāng)被開(kāi)放形式下使用，即利用被測(cè)對(duì)象作為一個(gè)極板（當(dāng)被測(cè)對(duì)象為導(dǎo)體時(shí)），或利用被測(cè)對(duì)象作為極板間的介質(zhì)測(cè)對(duì)象為導(dǎo)體時(shí)），或利用被測(cè)對(duì)象作為極板間的介質(zhì)（當(dāng)被測(cè)對(duì)象為絕緣體時(shí)）（當(dāng)被測(cè)對(duì)象為絕緣體時(shí)）由于帶電極板間的靜電引力小，活動(dòng)部分的可動(dòng)質(zhì)量小，由于帶電極板

27、間的靜電引力小，活動(dòng)部分的可動(dòng)質(zhì)量小，對(duì)輸入能量的要求低，且具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性對(duì)輸入能量的要求低，且具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性由于介質(zhì)損耗小，傳感器本身發(fā)熱影響小，而使其能在高由于介質(zhì)損耗小，傳感器本身發(fā)熱影響小，而使其能在高頻范圍內(nèi)工作。頻范圍內(nèi)工作。電容位移傳感器的構(gòu)件和連接電纜會(huì)引起泄漏電容，造成電容位移傳感器的構(gòu)件和連接電纜會(huì)引起泄漏電容，造成測(cè)量誤差。測(cè)量誤差。三、電容式位移傳感器三、電容式位移傳感器第二章 位移檢測(cè)傳感器三、電容式位移傳感器三、電容式位移傳感器1.1.變極距型電容位移傳感器變極距型電容位移傳感器由式由式SC 知，電容知，電容C與極板間距與極板間距成雙曲線關(guān)系。成雙曲

28、線關(guān)系。00 SC 0 SC第二章 位移檢測(cè)傳感器三、電容式位移傳感器三、電容式位移傳感器1.1.變極距型電容位移傳感器變極距型電容位移傳感器0000000000/1/CCSSSCCC 時(shí)，當(dāng)1/0(2-5)(2-5)(2-6)(2-6)第二章 位移檢測(cè)傳感器三、電容式位移傳感器三、電容式位移傳感器1.1.變極距型電容位移傳感器變極距型電容位移傳感器(2-6)(2-6)00CC2000SCCK第二章 位移檢測(cè)傳感器三、電容式位移傳感器三、電容式位移傳感器1.1.變極距型電容位移傳感器變極距型電容位移傳感器只能用于小位移測(cè)量只能用于小位移測(cè)量，只有在小位移測(cè)量時(shí)，其靈敏度才為，只有在小位移測(cè)量時(shí)

29、，其靈敏度才為常數(shù)（由上述分析可知，只有在常數(shù)（由上述分析可知，只有在/ /0 0 11的情況，電容隨的情況，電容隨極板間距離的變化才近似成線性關(guān)系）極板間距離的變化才近似成線性關(guān)系） 0 0第二章 位移檢測(cè)傳感器三、電容式位移傳感器三、電容式位移傳感器1.1.變極距型電容位移傳感器變極距型電容位移傳感器 0 0。第二章 位移檢測(cè)傳感器 下靜片下靜片上靜片上靜片動(dòng)片動(dòng)片雙板式差動(dòng)電容器雙板式差動(dòng)電容器兩定板和中間一塊動(dòng)板組成差動(dòng)結(jié)構(gòu)兩定板和中間一塊動(dòng)板組成差動(dòng)結(jié)構(gòu)第二章 位移檢測(cè)傳感器C1 1C2 2第二章 位移檢測(cè)傳感器雙板式差動(dòng)電容器雙板式差動(dòng)電容器第二章 位移檢測(cè)傳感器 下靜片下靜片上靜

30、片上靜片動(dòng)片動(dòng)片00 021 SC, 0201,1000011 CSCCC1000021 CSCCC第二章 位移檢測(cè)傳感器時(shí)時(shí)，當(dāng)當(dāng)10 / .CC30200011 .CC30200021 下靜片下靜片上靜片上靜片動(dòng)片動(dòng)片雙板式差動(dòng)電容器雙板式差動(dòng)電容器第二章 位移檢測(cè)傳感器第二章 位移檢測(cè)傳感器32000100%100% 3 11r（） 下靜片下靜片上靜片上靜片動(dòng)片動(dòng)片雙板式差動(dòng)電容器雙板式差動(dòng)電容器第二章 位移檢測(cè)傳感器三、電容式位移傳感器三、電容式位移傳感器2.2.變極板面積型電容位移傳感器變極板面積型電容位移傳感器 變面積型電容位移傳感器可用于變面積型電容位移傳感器可用于線位移測(cè)量線位

31、移測(cè)量，也可用，也可用于于角位移測(cè)量角位移測(cè)量。 根據(jù)不同需要采用根據(jù)不同需要采用平板型極板平板型極板、圓筒型極板圓筒型極板或或鋸齒型鋸齒型極板極板這類傳感器輸入這類傳感器輸入/ /輸出具有線性特性輸出具有線性特性第二章 位移檢測(cè)傳感器三、電容式位移傳感器三、電容式位移傳感器2.2.變極板面積型電容位移傳感器變極板面積型電容位移傳感器 當(dāng)有效覆蓋從當(dāng)有效覆蓋從S0 變至變至 S，則，則可見(jiàn)可見(jiàn)SS與與CC的變化呈的變化呈線性關(guān)系，故其靈敏度線性關(guān)系，故其靈敏度為常數(shù)：為常數(shù)：可見(jiàn)，可見(jiàn)，n 動(dòng)極板移動(dòng)時(shí)，兩極板間的相對(duì)有效面積動(dòng)極板移動(dòng)時(shí)，兩極板間的相對(duì)有效面積S S發(fā)生變化，發(fā)生變化，引起電

32、容引起電容C C發(fā)生變化。發(fā)生變化。000000 )( SSSSSC0 SCK第二章 位移檢測(cè)傳感器圖中所示線位移式傳感器：圖中所示線位移式傳感器： 則有：00ClCl000000000 llClllblbSC靈敏度為：靈敏度為：00lClCK 第二章 位移檢測(cè)傳感器，0 SC 0 ，0 )1 ()1 (00CSCCC00CCCC 0CC第二章 位移檢測(cè)傳感器ABRRLCln20RBLxRA第二章 位移檢測(cè)傳感器1000ln2RRLCRBLxRAlxCClxCCRRxlCAB000ln)2由此可得由此可得（第二章 位移檢測(cè)傳感器3. 3. 變介質(zhì)型電容式位移傳感器變介質(zhì)型電容式位移傳感器測(cè)量液

33、面高度的電容式液位計(jì)測(cè)量液面高度的電容式液位計(jì)2/2/ln222111210DrrdrrrrhC，：外極筒內(nèi)半徑外極筒內(nèi)半徑內(nèi)極筒外半徑內(nèi)極筒外半徑式中：式中：為為液面高度為零時(shí)的電容液面高度為零時(shí)的電容第二章 位移檢測(cè)傳感器3. 3. 變介質(zhì)型電容式位移傳感器變介質(zhì)型電容式位移傳感器測(cè)量液面高度的電容式液位計(jì)測(cè)量液面高度的電容式液位計(jì)xxxhrrCrrhrrhhC12120122121/ln)(2/ln2/ln)(2-有液體介質(zhì)后傳感器的電容值為：有液體介質(zhì)后傳感器的電容值為：xhrrC1212/ln)(2-hhCCx1120)(-第二章 位移檢測(cè)傳感器3. 3. 變介質(zhì)型電容式位移傳感器變

34、介質(zhì)型電容式位移傳感器測(cè)量液面高度的電容式液位計(jì)測(cè)量液面高度的電容式液位計(jì) 可見(jiàn)，電容式液位計(jì)可見(jiàn)，電容式液位計(jì)具有線性輸出特性。在用具有線性輸出特性。在用于位移或尺寸測(cè)量的變介于位移或尺寸測(cè)量的變介質(zhì)電容位移傳感器，一般質(zhì)電容位移傳感器，一般都具有較好的線性關(guān)系。都具有較好的線性關(guān)系。故這種傳感器可以測(cè)量液故這種傳感器可以測(cè)量液位、料位的高度。位、料位的高度。第二章 位移檢測(cè)傳感器3. 3. 變介質(zhì)型電容式位移傳感器變介質(zhì)型電容式位移傳感器電容測(cè)厚儀電容測(cè)厚儀dCC1C2C3第二章 位移檢測(cè)傳感器S/ C12321C1 C1 11 CC/C2SSC1C3C2d)(/000rrdSdS）（）（

35、C電容電容C與介質(zhì)厚度與介質(zhì)厚度介電常數(shù)介電常數(shù)之間的關(guān)系是非線性的之間的關(guān)系是非線性的電容測(cè)厚儀電容測(cè)厚儀3. 3. 變介質(zhì)型電容式位移傳感器變介質(zhì)型電容式位移傳感器SdCCdSdSCCrr031003111）（第二章 位移檢測(cè)傳感器4. 4. 容柵式位移傳感器容柵式位移傳感器第二章 位移檢測(cè)傳感器4. 4. 容柵式位移傳感器容柵式位移傳感器 圖2-13a,1是固定容柵，是固定容柵，2是可動(dòng)容是可動(dòng)容柵，在柵，在A、B面上分別印制（或刻劃）一系列均勻面上分別印制（或刻劃）一系列均勻分布并互相絕緣的金屬（如銅箔）。固定容柵與可分布并互相絕緣的金屬（如銅箔）。固定容柵與可動(dòng)容柵柵極面相對(duì)，中間留

36、有間隙動(dòng)容柵柵極面相對(duì)，中間留有間隙，形成一對(duì)對(duì)，形成一對(duì)對(duì)電容。當(dāng)可動(dòng)容柵相對(duì)固定容柵移動(dòng)時(shí)每對(duì)電容面電容。當(dāng)可動(dòng)容柵相對(duì)固定容柵移動(dòng)時(shí)每對(duì)電容面積發(fā)生變化，因而電容值隨之變化，可測(cè)出線位移積發(fā)生變化，因而電容值隨之變化，可測(cè)出線位移或角位移?；蚪俏灰?。第二章 位移檢測(cè)傳感器4. 4. 容柵式位移傳感器容柵式位移傳感器abnmaxC式中：式中：n為可動(dòng)容柵的柵極數(shù)為可動(dòng)容柵的柵極數(shù) a、b分別為柵極的寬度和長(zhǎng)度（分別為柵極的寬度和長(zhǎng)度（m)在測(cè)量位移時(shí)，動(dòng)?xùn)排c定柵相覆蓋的寬度發(fā)生變化，則覆在測(cè)量位移時(shí)，動(dòng)?xùn)排c定柵相覆蓋的寬度發(fā)生變化，則覆蓋面積發(fā)生變化，因此其電容量隨之變化，所以根據(jù)所測(cè)蓋面

37、積發(fā)生變化，因此其電容量隨之變化，所以根據(jù)所測(cè)電容量的變化可知位移的變化量。電容量的變化可知位移的變化量。第二章 位移檢測(cè)傳感器4. 4. 容柵式位移傳感器容柵式位移傳感器2)(C22maxrRn式中：式中：R、r柵極外半徑和內(nèi)半徑（柵極外半徑和內(nèi)半徑（m） 每條柵極所對(duì)應(yīng)的圓心角（每條柵極所對(duì)應(yīng)的圓心角（rad)動(dòng)?xùn)呸D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)使兩柵之間的覆蓋角由動(dòng)?xùn)呸D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)使兩柵之間的覆蓋角由變?yōu)樽優(yōu)閤,電容電容C隨之變化。隨之變化。 圖圖2-13b,片狀圓容柵的兩圓盤片狀圓容柵的兩圓盤1、2同軸安裝，同軸安裝，柵狀成輻射狀，可動(dòng)容柵隨被測(cè)對(duì)象一起轉(zhuǎn)動(dòng)。柵狀成輻射狀，可動(dòng)容柵隨被測(cè)對(duì)象一起轉(zhuǎn)動(dòng)。第二章 位移檢測(cè)傳

38、感器 容柵式傳感器它在具有電容式傳感器優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又具有容柵式傳感器它在具有電容式傳感器優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又具有多極電容帶來(lái)的平均效應(yīng)，分辨力高，提高了抗干擾能力、提多極電容帶來(lái)的平均效應(yīng)，分辨力高，提高了抗干擾能力、提高了測(cè)量精度高了測(cè)量精度( (可達(dá)可達(dá)5um)5um)、極大地?cái)U(kuò)展了量程、極大地?cái)U(kuò)展了量程( (可達(dá)可達(dá)1m)1m)，適宜，適宜進(jìn)行大位移測(cè)量，對(duì)刻劃精度和安裝精度要求可有所降低，是進(jìn)行大位移測(cè)量，對(duì)刻劃精度和安裝精度要求可有所降低，是一種很有發(fā)展前途的傳感器。一種很有發(fā)展前途的傳感器。 容柵式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：容柵式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：4. 4. 容柵式位移傳感器容柵式位移傳感器第二章 位移

39、檢測(cè)傳感器5 5、電容位移傳感器的絕緣和屏蔽、電容位移傳感器的絕緣和屏蔽 傳感器的初始電容量很小，而極板與周圍物體、傳感器的初始電容量很小，而極板與周圍物體、各種儀器、電纜以至人體都會(huì)發(fā)生電容聯(lián)系，產(chǎn)生附各種儀器、電纜以至人體都會(huì)發(fā)生電容聯(lián)系，產(chǎn)生附加電容，稱為寄生電容。這些寄生電容較大，加電容，稱為寄生電容。這些寄生電容較大，與傳感與傳感器電容相并聯(lián)器電容相并聯(lián)，改變了電容傳感器的電容量，一方面，改變了電容傳感器的電容量，一方面降低量傳感器的靈敏度，另一方面這些寄生電容（如降低量傳感器的靈敏度，另一方面這些寄生電容（如電纜電容）常常是隨機(jī)變化的，從而導(dǎo)致了電容位移電纜電容）常常是隨機(jī)變化的，

40、從而導(dǎo)致了電容位移傳感器特性的不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度。傳感器特性的不穩(wěn)定，影響測(cè)量精度。措施：為了解決此問(wèn)題，通常對(duì)電容位移傳感器及措施：為了解決此問(wèn)題，通常對(duì)電容位移傳感器及其引線采取屏蔽措施，將傳感器放在金屬殼內(nèi)，接其引線采取屏蔽措施，將傳感器放在金屬殼內(nèi)，接地應(yīng)安全可靠。地應(yīng)安全可靠。 電容位移傳感器的屏蔽和接地問(wèn)題電容位移傳感器的屏蔽和接地問(wèn)題第二章 位移檢測(cè)傳感器 電容位移傳感器的一般比較小，如果電源頻率不高，則電容位移傳感器的一般比較小，如果電源頻率不高，則傳感器本身的容抗就會(huì)相當(dāng)大，具有如此大內(nèi)阻的電容位移傳感器本身的容抗就會(huì)相當(dāng)大，具有如此大內(nèi)阻的電容位移傳感器，通常的絕緣電阻只

41、能視為電容位移傳感器的旁路電傳感器，通常的絕緣電阻只能視為電容位移傳感器的旁路電阻，我們稱之為漏電阻。若絕緣材料性能不佳，絕緣電阻隨阻，我們稱之為漏電阻。若絕緣材料性能不佳，絕緣電阻隨環(huán)境溫度和濕度而變化，還會(huì)使電容位移傳感器的輸出產(chǎn)生環(huán)境溫度和濕度而變化，還會(huì)使電容位移傳感器的輸出產(chǎn)生緩慢的零位漂移。緩慢的零位漂移。解決方法：絕緣材料應(yīng)具有高的絕緣電阻、低的膨脹系數(shù)、解決方法：絕緣材料應(yīng)具有高的絕緣電阻、低的膨脹系數(shù)、幾何尺寸的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和低的吸潮性，常用的材料有玻璃、幾何尺寸的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和低的吸潮性，常用的材料有玻璃、石英等，使用時(shí)要進(jìn)行表面密封。石英等，使用時(shí)要進(jìn)行表面密封。 5 5、電

42、容位移傳感器的絕緣和屏蔽、電容位移傳感器的絕緣和屏蔽電容式位移傳感器的絕緣電容式位移傳感器的絕緣第二章 位移檢測(cè)傳感器第二章 位移檢測(cè)傳感器第二章 位移檢測(cè)傳感器第二章 位移檢測(cè)傳感器第二章 位移檢測(cè)傳感器第二章 位移檢測(cè)傳感器第二章 位移檢測(cè)傳感器第二章 位移檢測(cè)傳感器第二章 位移檢測(cè)傳感器西門子推出的西門子推出的“ID MouseID Mouse” ” 鼠標(biāo)。鼠標(biāo)上端安有指尖傳感鼠標(biāo)。鼠標(biāo)上端安有指尖傳感器，一旦指紋被識(shí)別，使用者器，一旦指紋被識(shí)別，使用者就可以啟動(dòng)就可以啟動(dòng)PCPC的操作系統(tǒng)。的操作系統(tǒng)。如果長(zhǎng)時(shí)間不動(dòng)鼠標(biāo)，它將自如果長(zhǎng)時(shí)間不動(dòng)鼠標(biāo)，它將自動(dòng)啟動(dòng)屏幕保護(hù)程序，直到使動(dòng)啟動(dòng)

43、屏幕保護(hù)程序，直到使用者再次觸摸用者再次觸摸ID ID 鼠標(biāo)為止。鼠標(biāo)為止。這個(gè)鼠標(biāo)在這個(gè)鼠標(biāo)在0.250.25平方英寸平方英寸的觸的觸摸芯片上有摸芯片上有6500065000個(gè)傳感系統(tǒng)，個(gè)傳感系統(tǒng)，可捕捉指紋的細(xì)節(jié)。該系統(tǒng)非可捕捉指紋的細(xì)節(jié)。該系統(tǒng)非常靈敏，甚至用戶的手有傷口常靈敏，甚至用戶的手有傷口它都能準(zhǔn)確的辨別出來(lái)。它都能準(zhǔn)確的辨別出來(lái)。第二章 位移檢測(cè)傳感器 第二章 位移檢測(cè)傳感器第二章 位移檢測(cè)傳感器 1.把電容式位移傳感器做成差動(dòng)形式，即可把電容式位移傳感器做成差動(dòng)形式，即可以提高測(cè)量（以提高測(cè)量（ ），又可以使零點(diǎn)附近），又可以使零點(diǎn)附近工作特性的線性度得到改善。工作特性的線性

44、度得到改善。靈敏度靈敏度2. 電容式測(cè)厚儀應(yīng)用的傳感器屬于電容式測(cè)厚儀應(yīng)用的傳感器屬于 A.容柵式電容傳感器容柵式電容傳感器 B.變極距型電容傳感器變極距型電容傳感器 C.變介質(zhì)型電容傳感器變介質(zhì)型電容傳感器 D.變極板面積型電容傳感器變極板面積型電容傳感器第二章 位移檢測(cè)傳感器3、變極距型電容位移傳感器只有在（、變極距型電容位移傳感器只有在（ ）測(cè)量時(shí)，其靈敏度才為常數(shù)。測(cè)量時(shí)，其靈敏度才為常數(shù)。小位移小位移4、某變極距型位移傳感器的極板直徑為、某變極距型位移傳感器的極板直徑為D=10mm,極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)r r=500,空氣介電常數(shù)空氣介電常數(shù)0 0=8.8

45、5x10-12F/m。當(dāng)極板間的。當(dāng)極板間的初始距離初始距離0 0=5mm 時(shí)，求在微小位移測(cè)量時(shí)時(shí)，求在微小位移測(cè)量時(shí)該傳感器的靈敏度。該傳感器的靈敏度。第二章 位移檢測(cè)傳感器mFSCCK/109 .13)105()102/10(1085. 8500923231220004、某變極距型位移傳感器的極板直徑為、某變極距型位移傳感器的極板直徑為D=10mm,極極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)r r=500,空氣介電常數(shù)空氣介電常數(shù)0 0=8.85x10-12F/m。當(dāng)極板間的初始距離。當(dāng)極板間的初始距離0 0=5mm 時(shí)，求在微小位移測(cè)量時(shí)該傳感器的靈敏度。時(shí)，求在微小位移測(cè)量時(shí)該

46、傳感器的靈敏度。第二章 位移檢測(cè)傳感器 5.下列電容式位移傳感器中，測(cè)量范圍最大下列電容式位移傳感器中，測(cè)量范圍最大的是。的是。 A. 變極板面積型變極板面積型 B.變極距型變極距型 C.變介質(zhì)型變介質(zhì)型 D.容柵式容柵式6.電容式傳感器根據(jù)工作原理可分為變極電容式傳感器根據(jù)工作原理可分為變極距型、變面積型和距型、變面積型和( )( )型型變介質(zhì)變介質(zhì)第二章 位移檢測(cè)傳感器 4、電容式液位計(jì)屬于、電容式液位計(jì)屬于A.容柵型電容式傳感器容柵型電容式傳感器B.改變介質(zhì)型電容式傳感器改變介質(zhì)型電容式傳感器C.改變極距型電容式傳感器改變極距型電容式傳感器D.改極板面積型電容式傳感器改極板面積型電容式傳

47、感器第二章 位移檢測(cè)傳感器 感應(yīng)同步器是利用感應(yīng)同步器是利用電磁感應(yīng)原理電磁感應(yīng)原理將將線位移線位移和和角位移角位移轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成電信號(hào)電信號(hào)的一種裝置。的一種裝置。 根據(jù)用途，可將感應(yīng)同步器分為根據(jù)用途，可將感應(yīng)同步器分為直線式直線式和和旋轉(zhuǎn)式旋轉(zhuǎn)式兩種，分兩種，分別用于測(cè)量別用于測(cè)量線位移線位移和和角位移角位移。三、感應(yīng)同步器三、感應(yīng)同步器1.1.感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和原理感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和原理第二章 位移檢測(cè)傳感器 sin cos 節(jié)距定尺滑尺三、感應(yīng)同步器三、感應(yīng)同步器1.1.感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和原理感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和原理感應(yīng)同步器有一個(gè)固定繞組和一個(gè)可動(dòng)繞組。繞組采用腐蝕的感應(yīng)同步器有一個(gè)固

48、定繞組和一個(gè)可動(dòng)繞組。繞組采用腐蝕的方法在印制電路板上制成，故稱印制電路繞組。方法在印制電路板上制成，故稱印制電路繞組。第二章 位移檢測(cè)傳感器 感應(yīng)同步器是利用感應(yīng)同步器是利用勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組與與感應(yīng)繞組感應(yīng)繞組間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，由于電磁耦合的變化，由于電磁耦合的變化，感應(yīng)繞組感應(yīng)繞組中的中的感應(yīng)電壓感應(yīng)電壓隨隨位移位移的變的變化而變化，借以進(jìn)行位移量的檢測(cè)?；兓?，借以進(jìn)行位移量的檢測(cè)。三、感應(yīng)同步器三、感應(yīng)同步器1.1.感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和原理感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和原理第二章 位移檢測(cè)傳感器 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器滑尺滑尺上的繞組是上的繞組是勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組，定尺定尺上的繞組是

49、上的繞組是感感應(yīng)繞組應(yīng)繞組。 定尺固定在床身上，滑尺則安裝在機(jī)床的移動(dòng)部件上。通定尺固定在床身上，滑尺則安裝在機(jī)床的移動(dòng)部件上。通過(guò)對(duì)感應(yīng)電壓的測(cè)量，可以精確地測(cè)量出位移量。過(guò)對(duì)感應(yīng)電壓的測(cè)量，可以精確地測(cè)量出位移量。三、感應(yīng)同步器三、感應(yīng)同步器1.1.感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和原理感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和原理第二章 位移檢測(cè)傳感器感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)移動(dòng)距離移動(dòng)距離U0USUS定尺定尺滑尺滑尺WW/4正弦繞組正弦繞組A A余弦繞組余弦繞組B B在勵(lì)磁繞組上加上一定的交變勵(lì)磁電壓，定尺繞組中就產(chǎn)生相同頻率的感應(yīng)電動(dòng)在勵(lì)磁繞組上加上一定的交變勵(lì)磁電壓，定尺繞組中就產(chǎn)生相同頻率的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其幅值大小隨滑尺移動(dòng)

50、呈余弦規(guī)律變化。滑尺移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變勢(shì)，其幅值大小隨滑尺移動(dòng)呈余弦規(guī)律變化。滑尺移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化一個(gè)周期?；粋€(gè)周期。三、感應(yīng)同步器三、感應(yīng)同步器1.1.感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和原理感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和原理第二章 位移檢測(cè)傳感器 當(dāng)當(dāng)滑尺滑尺相對(duì)相對(duì)定尺定尺移動(dòng)時(shí)，滑尺與定尺的移動(dòng)時(shí)，滑尺與定尺的相對(duì)位置相對(duì)位置發(fā)生變化，發(fā)生變化，改變了通過(guò)改變了通過(guò)定尺繞組的磁通定尺繞組的磁通，從而改變了，從而改變了定尺繞組中輸出定尺繞組中輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。 E的變化反映了定、滑尺間的相對(duì)位移，實(shí)現(xiàn)了位移至電的變化反映了定、滑尺間的相對(duì)位移，實(shí)現(xiàn)了位移至電量的變換。量的變換。 三

51、、感應(yīng)同步器三、感應(yīng)同步器1.1.感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和原理感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和原理實(shí)際測(cè)試時(shí)，感應(yīng)同步器一般與數(shù)顯表共同組成一個(gè)位移測(cè)試系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際測(cè)試時(shí)，感應(yīng)同步器一般與數(shù)顯表共同組成一個(gè)位移測(cè)試系統(tǒng)。根據(jù)對(duì)滑尺的正、余弦繞組供給勵(lì)磁電壓方式的不同，又分為鑒相和鑒幅測(cè)試對(duì)滑尺的正、余弦繞組供給勵(lì)磁電壓方式的不同，又分為鑒相和鑒幅測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)。鑒相型：通過(guò)鑒相型：通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位測(cè)量位移測(cè)量位移鑒幅型：通過(guò)鑒幅型：通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值測(cè)量位移測(cè)量位移第二章 位移檢測(cè)傳感器三、感應(yīng)同步器三、感應(yīng)同步器鑒相型鑒相型滑尺正、余旋繞組上同時(shí)加入同頻、

52、等幅、相位相差滑尺正、余旋繞組上同時(shí)加入同頻、等幅、相位相差9090的激勵(lì)電壓的激勵(lì)電壓 時(shí)，感應(yīng)同步器的磁路可視為線性的，根據(jù)疊加原理，則與之相耦合的定尺繞時(shí)，感應(yīng)同步器的磁路可視為線性的，根據(jù)疊加原理，則與之相耦合的定尺繞組上的總感應(yīng)電壓為：組上的總感應(yīng)電壓為：sin()SCixEEEkUtcoscost tsinsint和Ut和UU Ui ii iK-與感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)有關(guān)的電磁耦合系數(shù)；與感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)有關(guān)的電磁耦合系數(shù)；x-相位角，相位角，W-定尺節(jié)距（定尺節(jié)距（m）xWx2第二章 位移檢測(cè)傳感器滑尺與定尺相對(duì)位移量滑尺與定尺相對(duì)位移量x的求取：的求?。?W:2= x:x x=Wx/2

53、結(jié)論：相對(duì)位移量結(jié)論：相對(duì)位移量 x 與與 相位角相位角x 呈線性關(guān)系，呈線性關(guān)系，只要能測(cè)出相位角只要能測(cè)出相位角x，就可求得位移量，就可求得位移量 x 。三、感應(yīng)同步器三、感應(yīng)同步器鑒相型鑒相型第二章 位移檢測(cè)傳感器三、感應(yīng)同步器三、感應(yīng)同步器鑒相式測(cè)量電路工作原理鑒相式測(cè)量電路工作原理脈沖發(fā)生器發(fā)出頻率一定的脈沖序列，經(jīng)脈沖相位變換器進(jìn)行脈沖發(fā)生器發(fā)出頻率一定的脈沖序列，經(jīng)脈沖相位變換器進(jìn)行分頻，輸出參考信號(hào)方波和指令信號(hào)方波。分頻，輸出參考信號(hào)方波和指令信號(hào)方波。第二章 位移檢測(cè)傳感器 指令信號(hào)方波使勵(lì)磁供電線路產(chǎn)生振幅、頻率相同而相位指令信號(hào)方波使勵(lì)磁供電線路產(chǎn)生振幅、頻率相同而相位

54、差差9090 的正弦信號(hào)電壓的正弦信號(hào)電壓U Ui isinsin t t和余弦信號(hào)電壓和余弦信號(hào)電壓U Ui icoscos t t，供給感應(yīng)同步器滑尺或定尺的供給感應(yīng)同步器滑尺或定尺的A A、B B繞組。繞組。三、感應(yīng)同步器三、感應(yīng)同步器鑒相式測(cè)量電路工作原理鑒相式測(cè)量電路工作原理第二章 位移檢測(cè)傳感器 定尺上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)定尺上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E E，經(jīng)放大整形后變?yōu)榉讲?，并和，?jīng)放大整形后變?yōu)榉讲?，并和參考信?hào)方波送入鑒相器。參考信號(hào)方波送入鑒相器。三、感應(yīng)同步器三、感應(yīng)同步器鑒相式測(cè)量電路工作原理鑒相式測(cè)量電路工作原理第二章 位移檢測(cè)傳感器 鑒相器的輸出是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)與參考信號(hào)的相位

55、差，即鑒相器的輸出是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)與參考信號(hào)的相位差，即相位相位x，且反映出它的正負(fù)。相位信號(hào)和高頻脈沖信號(hào)一，且反映出它的正負(fù)。相位信號(hào)和高頻脈沖信號(hào)一起進(jìn)入與門電路，當(dāng)相位信號(hào)起進(jìn)入與門電路，當(dāng)相位信號(hào)x存在時(shí)，門打開(kāi)，允許高存在時(shí)，門打開(kāi)，允許高頻時(shí)間脈沖信號(hào)通過(guò)；當(dāng)相位信號(hào)頻時(shí)間脈沖信號(hào)通過(guò)；當(dāng)相位信號(hào)x不存在時(shí)，門關(guān)閉。不存在時(shí)，門關(guān)閉。三、感應(yīng)同步器三、感應(yīng)同步器鑒相式測(cè)量電路工作原理鑒相式測(cè)量電路工作原理第二章 位移檢測(cè)傳感器 這樣，門輸出的信號(hào)脈沖數(shù)與相角這樣，門輸出的信號(hào)脈沖數(shù)與相角x x成正比。該脈沖進(jìn)成正比。該脈沖進(jìn)入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并由譯碼和顯示器顯示數(shù)字。通過(guò)門入可逆

56、計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，并由譯碼和顯示器顯示數(shù)字。通過(guò)門電路的信號(hào)脈沖還送到脈沖相位變換器中，使參考信號(hào)跟電路的信號(hào)脈沖還送到脈沖相位變換器中，使參考信號(hào)跟隨感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位。隨感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位。三、感應(yīng)同步器三、感應(yīng)同步器鑒相式測(cè)量電路工作原理鑒相式測(cè)量電路工作原理第二章 位移檢測(cè)傳感器 根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的幅值鑒別位移量的幅值鑒別位移量x的大小的大小三、感應(yīng)同步器三、感應(yīng)同步器鑒幅型鑒幅型第二章 位移檢測(cè)傳感器 根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的幅值鑒別位移量的幅值鑒別位移量x的大小的大小 滑尺正、余弦繞組通入的激勵(lì)電壓同頻、同相，但幅值不滑尺正、余弦繞組通入的激勵(lì)電壓同頻、同相，但幅值不同

57、。同。三、感應(yīng)同步器三、感應(yīng)同步器鑒幅型鑒幅型第二章 位移檢測(cè)傳感器當(dāng)正、余弦繞組上施加的激勵(lì)電壓為當(dāng)正、余弦繞組上施加的激勵(lì)電壓為 和和 時(shí)，時(shí)， 定尺上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為定尺上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E。在滑尺偏離初始位置。在滑尺偏離初始位置 x位移后，位移后，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為iAsinUtiBcosUt2coscosmEkUxtAtW2mAkUxW三、感應(yīng)同步器三、感應(yīng)同步器鑒幅型鑒幅型第二章 位移檢測(cè)傳感器三、感應(yīng)同步器三、感應(yīng)同步器2.2.感應(yīng)同步器測(cè)位移的特點(diǎn)感應(yīng)同步器測(cè)位移的特點(diǎn)具有較高的精度與分辨力。其測(cè)量精度首先取決于印制電路繞組的加工精度，具有較高的精度與分辨力。其測(cè)量精度首先取決于印制電路繞組的加工精度，溫度變化對(duì)其測(cè)量精度影響不大。感應(yīng)同步器是由許多節(jié)距同時(shí)參加工作，多節(jié)溫度變化對(duì)其測(cè)量精度影響不大。感應(yīng)同步器是由許多節(jié)距同時(shí)參加工作，多節(jié)距的誤差平均效應(yīng)減小了局部誤差的影響。距的誤差平均效應(yīng)減小了局部誤差的影響?？垢蓴_能力強(qiáng)。感應(yīng)同步器在一個(gè)節(jié)距內(nèi)是一個(gè)絕對(duì)測(cè)量裝置，在任何時(shí)間內(nèi)抗干擾能力強(qiáng)。感應(yīng)