檢測技術(shù)與儀表課程設(shè)計

1、課程設(shè)計報告位移傳感器 學(xué) 院 信息工程與自動化學(xué)院 學(xué)科專業(yè) 姓名 學(xué)號 2012 指導(dǎo)教師 許曉平 起止周期 2014年12月2015年1月 提交日期 目錄摘要2一位移傳感器的工作原理及組成結(jié)構(gòu)2一電感式位移傳感器21.分類22.電感式傳感器特點24.產(chǎn)品特性35.變磁阻式傳感器自感式36.差動變壓器式傳感器互感式67.電渦流式傳感器電渦流式9二電容式位移傳感器121.簡介122.應(yīng)用范圍123.性能134.工作原理135.組成結(jié)構(gòu)136.主要特點14三霍爾式位移傳感器141. 工作原理142.霍爾元件的主要特性及材料14四.光纖位移傳感器161. 結(jié)構(gòu)及工作原理162.光纖探頭的端部,發(fā)

2、射光纖與接收光纖分布163.光的全反射定義174.光纖位移傳感器的一個典型范例18總結(jié)與體會18參考文獻(xiàn)19摘要位移傳感器又稱為線性傳感器，是一種屬于金屬感應(yīng)的線性器件，傳感器的作用是把各種被測物理量轉(zhuǎn)換為電量。在生產(chǎn)過程中，位移的測量一般分為測量實物尺寸和機(jī)械位移兩種。按被測變量變換的形式不同，位移傳感器可分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式又可分為物性型和結(jié)構(gòu)型兩種。常用位移傳感器以模擬式結(jié)構(gòu)型居多，包括電位器式位移傳感器、電感式位移傳感器、自整角機(jī)、電容式位移傳感器、電渦流式位移傳感器、霍爾式位移傳感器等。數(shù)字式位移傳感器的一個重要優(yōu)點是便于將信號直接送入計算機(jī)系統(tǒng)。這種傳感器發(fā)展迅速，應(yīng)用日

3、益廣泛。位移是和物體的位置在運(yùn)動過程中的移動有關(guān)的量，位移的測量方式所涉及的范圍是相當(dāng)廣泛的。小位移通常用應(yīng)變式、電感式、差動變壓器式、渦流式、霍爾傳感器來檢測，大的位移常用感應(yīng)同步器、光柵、容柵、磁柵等傳感技術(shù)來測量。其中光柵傳感器因具有易實現(xiàn)數(shù)字化、精度高（目前分辨率最高的可達(dá)到納米級）、抗干擾能力強(qiáng)、沒有人為讀數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠等優(yōu)點，在機(jī)床加工、檢測儀表等行業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、霍爾式位移傳感器、光纖位移傳感器一位移傳感器的工作原理及組成結(jié)構(gòu)一電感式位移傳感器電感式傳感器（inductance type transducer）是利用

4、電磁感應(yīng)把被測的物理量如位移，壓力，流量，振動等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。1.分類（1）變磁阻式傳感器自感式（2）差動變壓器式傳感器互感式（3）電渦流式傳感器電渦流式2.電感式傳感器特點（1）結(jié)構(gòu)簡單，傳感器無活動電觸點，因此工作可靠壽命長。（2）靈敏度和分辨力高，能測出0.01微米的位移變化。傳感器的輸出信號強(qiáng)，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達(dá)數(shù)百毫伏的輸出。（3）線性度和重復(fù)性都比較好，在一定位移范圍（幾十微米至數(shù)毫米）內(nèi)，傳感器非線性誤差可達(dá)0.05%0.1%。同時，這種傳感器能實現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制

5、，它在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中廣泛被采用。但不足的是，它有頻率響應(yīng)較低，不宜快速動態(tài)測控等缺點。電感式傳感器種類很多，常見的有自感式，互感式和渦流式三種。4.產(chǎn)品特性電感式傳感器，是用于近距離定位金屬物體的通用方式。因為主要是通過霍爾效應(yīng)來完成檢測，所以也稱為霍爾傳感器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由兩部分構(gòu)成：前端由纏繞著發(fā)射、接收線圈的鐵芯構(gòu)成檢測部分；后端為電路部分，整體封裝在塑料或金屬外殼中。工作時，電磁鐵芯部分發(fā)生交變磁場，對靠近的金屬物體表面產(chǎn)生渦流效應(yīng)，從而削弱LC震蕩電路，放大電路部分分析電磁鐵芯接收線圈的微弱LC震蕩電路變化，并給予相應(yīng)的輸出。不同外形尺寸，其額定檢測距離一般至多到100mm。通常狀

6、態(tài)下，各廠家對于其標(biāo)稱的檢測距離為在實驗室條件下測得的額定檢測距離。實際應(yīng)用中，考慮到各方面的環(huán)境因素，其可靠檢測距離約為額定檢測距離的80%，但對于被測物是有一定要求的。由于應(yīng)用現(xiàn)場的被測物材料的導(dǎo)磁性和尺寸大小，一般情況下達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)被測物的要求，那么傳感器的檢測距離會進(jìn)一步的衰減，這也就是很多用戶感覺電感傳感器的檢測距離比廠家標(biāo)稱的小很多的原因。在這種非標(biāo)檢測的情況下，各廠家及其不同系列產(chǎn)品的差異較大。另外，更深入的講，在抗電磁干擾性、環(huán)境溫度、電壓擾動以及安裝要求等方面，都存在著差異。選擇合適的傳感器，會大幅提升設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和可靠性，也最大的可能性減少傳感器的失效或損毀，減少不必要的

7、維護(hù)投入。汽車制造業(yè)在生產(chǎn)過程中，大量使用電感式傳感器作為定位檢測，如何針對此行業(yè)選擇最適合的產(chǎn)品，顯得尤為重要。5.變磁阻式傳感器自感式（1）簡介由鐵心和線圈構(gòu)成的將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化的傳感器，又稱電感式位移傳感器。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料導(dǎo)磁系數(shù)都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導(dǎo)致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當(dāng)把線圈接入測量電路并接通激勵電源時，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。電感式傳感器的特點是：無活動觸點、可靠度高、壽命長；分辨率高；靈敏度高；線性度高、重復(fù)性好；測量范圍寬（測量范圍大時分辨率低）；無輸入時有零位輸出電壓，引起測量誤差；對激

8、勵電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；不適用于高頻動態(tài)測量。電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機(jī)械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測量。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實際應(yīng)用中，這三種傳感器多制成差動式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。（2）應(yīng)用電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快、易實現(xiàn)非接觸測量等突出的優(yōu)點，特別適合用于酸類，堿類，氯化物，有機(jī)溶劑，液態(tài)CO2，氨水，PVC粉料，灰料，油水界面等液位測量，目前在冶金、石油、化工、煤炭、水泥、糧食等行業(yè)中應(yīng)用廣泛。（3）變磁阻式傳感器工作原理（4

9、）變磁阻式傳感器輸出特性（5） 變磁阻式傳感器測量電路A交流電橋式測量電路B變壓器式測量電路C諧振式測量電路6.差動變壓器式傳感器互感式互感式傳感器把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器差動變壓器式傳感器次級繞組用差動形式結(jié)構(gòu)：變隙式、變面積式、螺線管式優(yōu)點：測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠（1）螺線管式差動變壓器基本特性零點殘余電壓及補(bǔ)償：零點殘余電壓主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等問題引起的。（基波、高次諧波）（2）差動式變壓器測量電路兩個目的：（1）辨別移動方向（2）消除零點殘余電壓兩種方法：（1）差動整流電路（2）相敏檢波電路（

10、1）差動整流電路（2）相敏檢波電路7.電渦流式傳感器電渦流式電渦流傳感器能靜態(tài)和動態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導(dǎo)體距探頭表面距離。它是一種非接觸的線性化計量工具。電渦流傳感器能準(zhǔn)確測量被測體（必須是金屬導(dǎo)體）與探頭端面之間靜態(tài)和動態(tài)的相對位移變化。在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械和往復(fù)式運(yùn)動機(jī)械狀態(tài)分析，振動研究、分析測量中，對非接觸的高精度振動、位移信號，能連續(xù)準(zhǔn)確地采集到轉(zhuǎn)子振動狀態(tài)的多種參數(shù)。如軸的徑向振動、振幅以及軸向位置。電渦流傳感器以其長期工作可靠性好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高等優(yōu)點，在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)的在線監(jiān)測與故障診斷中得到廣泛應(yīng)用。（1）工作原理電渦流效應(yīng)塊狀金屬導(dǎo)體置于

11、變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運(yùn)動時, 導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流。（2）基本特性（3）電渦流的徑向形成范圍（1）電渦流徑向形成的范圍大約在傳感器線圈外徑ras的1.82.5 倍范圍內(nèi), 且分布不均勻（2）電渦流密度在短路環(huán)半徑r=0處為零（3）電渦流的最大值在r=ras附近的一個狹窄區(qū)域內(nèi)（4）可以用一個平均半徑為ras（ras=（ri+ra）/2）的短路環(huán)來集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）（4）電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系（1）電渦強(qiáng)度與距離x呈非線性關(guān)系, 且隨著x/ras的增加而迅速減小。 （2）當(dāng)利用電渦流式傳感器測量位移時, 只有在x/ras 1(一般取 0.050.15)的

12、范圍才能得到較好的線性和較高的靈敏度（5）低頻透射式渦流厚度傳感器（6）高頻反射式渦流厚度傳感器（7）典型應(yīng)用電渦流傳感器系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、冶金等行業(yè)和一些科研單位。對汽輪機(jī)、水輪機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、空分機(jī)、齒輪箱、大型冷卻泵等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸的徑向振動、軸向位移、鍵相器、軸轉(zhuǎn)速、脹差、偏心、以及轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究和零件尺寸檢驗等進(jìn)行在線測量和保護(hù)。二電容式位移傳感器1.簡介電容位移傳感器是一種非接觸電容式原理的精密測量儀器，具有一般非接觸式儀器所共有的無磨擦、無損磨和無惰性特點外，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，抗電磁干擾能力強(qiáng)和使用操作方便等優(yōu)點。

13、在國內(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)中一種不可缺少的測試儀器。2.應(yīng)用范圍主要用于解決下述各種測量問題：壓電微位移、振動臺，電子顯微鏡微調(diào)，天文望遠(yuǎn)鏡鏡片微調(diào)，精密微位移測量等。3.性能電容式位移傳感器的電容器極板多為金屬材料，極板間襯物多為無機(jī)材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等;因此可以在高溫、低溫強(qiáng)磁場、強(qiáng)輻射下長期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測難題。該傳感器還可與控制室中的二次儀表或控制器相連，在線、連續(xù)、實時的檢測各種數(shù)據(jù)然后直接顯示，遠(yuǎn)程控制和報警。實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，積算、傳輸和控制功能。廣泛應(yīng)用于各種注塑機(jī)中。電容式位移傳感器尤其適合緩慢變化或微

14、小量的測量，一般來說采用電容式傳感器進(jìn)行檢測比較適宜。電容式位移傳感器的這些性能必然促使其應(yīng)用范圍越來越廣泛。4.工作原理 以電容器為敏感元件，將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器稱為電容式傳感器。電容傳感器的形式很多，常使用變極距式電容傳感器和變面式電容傳感器進(jìn)行位移測量。原理圖為： 5.組成結(jié)構(gòu) 電容式位移傳感器的基本結(jié)構(gòu)型式。按照超聲波流量計將機(jī)械位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙葑兓幕驹恚娙菔轿灰苽鞲衅骺煞譃槊娣e變化型、極距變化型和介質(zhì)變化型三類。這三種類型又可按位移的形式分為線位移和角位移兩種。每一種又依據(jù)傳感器的形狀分成平板形和圓筒形。圓筒形傳感器不能用作改變極距的位移傳感器。6.主要特點量程

15、：201250m；分辨率：0.1nm；零磁滯；線性最高0.02%；頻帶可調(diào)：505000Hz；靈敏度可調(diào)：5125m/V；真空兼容選項；非接觸式測量方法； 三霍爾式位移傳感器1. 工作原理保持霍耳元件的激勵電流不變，并使其在一個梯度均勻的磁場中移動，則所移動的位移正比于輸出的霍耳電勢。磁場梯度越大，靈敏度越高；梯度變化越均勻，霍耳電勢與位移的關(guān)系越接近于線性。霍耳式位移傳感器的慣性小、頻響高、工作可靠、壽命長，因此常用于將各種非電量轉(zhuǎn)換成位移后再進(jìn)行測量的場合。霍爾元件是指利用霍爾效應(yīng)產(chǎn)生輸出電壓的元件根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，如果垂直作用于元件平面的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，通過元件的電流為I，無負(fù)荷時產(chǎn)生的

16、霍爾電壓用下式表示KH。式中，I為通過元件電流,H為元件的靈敏度,為磁感應(yīng)強(qiáng)度；fH為形狀系數(shù)，由元件的形狀和霍爾角所決定，一般小于。2.霍爾元件的主要特性及材料（1）霍爾元件的主要特性參數(shù)靈敏度KH：表示元件在單位的磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流所得到的開路霍爾電動勢霍爾輸入電阻：霍爾控制及間的電阻值霍爾最大允許激勵電流：以霍爾元件允許的最大溫度為限所對應(yīng)的激勵電流不等位電勢：當(dāng)霍爾元件的控制電流為額定值時，若元件所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，測得的空載霍爾電勢。（不等位電勢是由霍爾電極2和之間的電阻決定的，r0稱不等位電阻）寄生直流電勢（霍爾元件零位誤差的一部分）：當(dāng)沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制

17、電流時，霍爾電極的輸出有一個直流電勢控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時，會產(chǎn)生整流效應(yīng)。兩個霍爾電極焊點的不一致，引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢霍爾電勢溫度系數(shù)：在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度每變化1霍爾電勢變化的百分率。（2）霍爾元件的材料目前最常用的霍爾元件材料是鍺（Ge）、硅（Si）、銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）和不同比例亞砷酸銦和磷酸銦組成的In（AsyP1-y）型固熔體（其中y表示百分比）等半導(dǎo)體材料。其中N型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好，其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺，但其電子遷移率比較低，帶負(fù)載能力較差，通常不用

18、作單個霍爾元件。銻化銦對溫度最敏感，尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特性線性度好。In（AsyP1-y）型固熔體的熱穩(wěn)定性最好。（3）霍爾傳感器的優(yōu)點及應(yīng)用1)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，頻帶寬，動態(tài)特性好和壽命長2)應(yīng)用：電磁測量：測量恒定的或交變的磁感應(yīng)強(qiáng)度、有功功率、無功功率、相位、電能等參數(shù)；自動檢測系統(tǒng)：多用于位移、壓力的測量。(4)微位移和壓力的測量測量原理：霍爾電勢與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，若磁感應(yīng)強(qiáng)度是位置的函數(shù)，則霍爾電勢的大小就可以用來反映霍爾元件的位置。應(yīng)用：位移測量、力、壓力、應(yīng)變、機(jī)械振動、加速度測量原理：

19、霍爾電勢與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，若磁感應(yīng)強(qiáng)度是位置的函數(shù)，則霍爾電勢的大小就可以用來反映霍爾元件的位置。應(yīng)用：位移測量、力、壓力、應(yīng)變、機(jī)械振動、加速度四.光纖位移傳感器1. 結(jié)構(gòu)及工作原理 當(dāng)光纖探頭端部緊貼被測件時,發(fā)射光纖中的光不能反射到接收光纖中去,接收光纖中無光信號;當(dāng)被測表面逐漸遠(yuǎn)離光纖探頭時,發(fā)射光纖照亮被測表面的面積越來越大,于是相應(yīng)的發(fā)射光錐和接收光錐重合面積B1越來越大,因而接收光纖端面上被照亮的B2區(qū)也越來越大,有一個線性增長的輸出信號; 當(dāng)整個接收光纖被全部照亮?xí)r,輸出信號就達(dá)到了位移-輸出信號曲線上的“光峰點”,光峰點以前的這段曲線叫前坡區(qū);當(dāng)被測表面繼續(xù)遠(yuǎn)離時, 被反射

20、光照亮的B2面積大于C, 部分反射光沒有反射進(jìn)接收光纖, 接收到的光強(qiáng)逐漸減小,光敏輸出器的輸出信號逐漸減弱,進(jìn)入曲線的后坡區(qū)。2.光纖探頭的端部,發(fā)射光纖與接收光纖分布隨機(jī)分布;半球形對開分布;共軸內(nèi)發(fā)射分布;3.光的全反射定義入射光全部被反射回原介質(zhì)的現(xiàn)象稱為光的全反射。對應(yīng)于折射角的入射角稱為臨界角。光發(fā)生全反射必須具備的條件是：a. 光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)；b. 入射角大于臨界角。臨界角的計算由折射定律可以計算臨界角：若光從某介質(zhì)n射向真空(或空氣)，則=l 根據(jù)上式，只要知道某種介質(zhì)的折射率n ，就可以求出它對真空(或空氣)的臨界角。全反射在生產(chǎn)技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。用全反射棱鏡可

21、以制造潛望鏡；利用光在光導(dǎo)纖維中的全反射傳光、傳像等更是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的通信方式。4.光纖位移傳感器的一個典型范例發(fā)射、接收各300根光纖組成一根0.762mm的光纜。光纖內(nèi)芯是折射率為1.62的火石玻璃,包層是折射率為1.52的玻璃。光纜的后部被分成兩支,一支用于發(fā)射光,一支用于接收光。光源是2.5V的白熾燈泡,而接收光信號的敏感元件是光電池。光敏檢測器輸出與接收到的光強(qiáng)成正比的電信號。對于每0.25m位移產(chǎn)生1V的電壓輸出,分辨率是0.025m?？偨Y(jié)與體會課程設(shè)計結(jié)束了，回想起走過的歷程還真是頗有感觸。應(yīng)該說有過彷徨也有過迷惘吧，但此刻收獲的卻是看見自己辛勤勞動出成果后的喜悅，突然間，覺

22、得一切都值了。在這段時間內(nèi)，我去過圖書館翻閱書籍，也重新研讀了教材上的理論知識。古語云：“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行?！闭娴母杏|頗深，學(xué)習(xí)時，總感覺聽懂了，也就滿足了，進(jìn)而就順其自然地掩卷不思了，哪里想到學(xué)的東西如何運(yùn)用到生產(chǎn)實踐中?？赏ㄟ^課程設(shè)計，我才恍然大悟，原來真沒那么簡單，任何東西只要與生產(chǎn)生活相掛鉤，那就一定有東西可以挖掘，也就一定有很多知識解決不了現(xiàn)實問題。如此，我才慢慢開始溯本求源，開始從細(xì)微之處肯透知識點，本次課程設(shè)計何不是如此呢？通過霍爾元件的電流應(yīng)該多大才合適，應(yīng)=5mA,(大于5mA后有些霍爾元件的霍爾電壓不會隨著物體位移的變化而變化，而是為一個定值)這要是在生活中誰會去在意呢但是到了設(shè)計中，我們就不得不考慮其四兩撥千斤般的作用了，我想也正是通過這些細(xì)微末節(jié)處，才讓我們真切認(rèn)識到知識是多么神圣與重要，我們要有所成就就必須認(rèn)真細(xì)心，多學(xué)多思，多把理論知識與實踐生活聯(lián)系起來。此外，通過這次課設(shè)，我進(jìn)一步體會到了工具的重要性，這包括軟件操作工具書等方面。因為我們不可能學(xué)富五車，因而就有必要翻閱文獻(xiàn)資料，如設(shè)計用到的相關(guān)書籍，標(biāo)準(zhǔn)手冊等等。同時，具備較好的計算機(jī)