傳感器檢測技術(shù)及應(yīng)用（第2版）-王曉敏課件 項(xiàng)目2 位移、速度、流量傳感器及應(yīng)用

項(xiàng)目2位移、速度、流量傳感器及應(yīng)用1電測法常用的傳感器

位移：1、線位移2、角位移測量位移常用方法：機(jī)械法、光測法、電測法。

電測法：利用各種傳感器將位移量變換成電量或電參數(shù)，再經(jīng)后接測量儀器進(jìn)—步變換，完成對位移檢測的一種方法。

位移測試系統(tǒng)的組成：

1、傳感器、2、變換電器、3、顯示裝置或記錄儀器。

測量位移常用的傳感器：電阻式、電容式、渦流式、壓電式、感應(yīng)同步器式、磁柵式、光電式等多種類型。2位移傳感器的分類

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位移傳感器

位移傳感器可分為線位移和角位移測量傳感器。

線位移：指機(jī)構(gòu)沿著某一條直線移動的距離。線位移的測量又稱長度測量。這類測量常用的傳感器有電阻式、電感式、差動變壓器式以及感應(yīng)同步器、磁尺、光柵、激光位移計(jì)等。

角位移：指機(jī)構(gòu)沿著某一定點(diǎn)轉(zhuǎn)動的角度。

角位移的測量又稱角度測量，這類測量常用的傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器、碼盤、編碼器、圓形感應(yīng)同步器等。42.1參量型位移傳感器

參量位移傳感器的工作原理：將被測物理量轉(zhuǎn)化為電參數(shù)，即電阻、電容或電感等。此類傳感器式屬于結(jié)構(gòu)型，將機(jī)械結(jié)構(gòu)位移、變形等非電量轉(zhuǎn)換成電量，是基于測量物體受力變形而產(chǎn)生應(yīng)變的一種傳感器。

52.1.1電阻式位移傳感器電阻式位移傳感器的電阻值取決于材料的幾何尺寸和物理特性，即

式中ρ——導(dǎo)體電阻率(Ω·m)L——導(dǎo)體長度(m)S——導(dǎo)體橫截面積(m2)

由上式可知，改變其中任意參數(shù)都可使電阻值發(fā)生變化。電位計(jì)（電位器）和應(yīng)變片就是根據(jù)這—原理制成的。6電位計(jì)（電位器）的結(jié)構(gòu)原理

7電位計(jì)（器）的一般結(jié)構(gòu)和等效電路

常見用于傳感器的電位器有繞線式電位器、合成膜電位器、金屬膜電位器、導(dǎo)電塑料電位器、導(dǎo)電玻璃釉電位器以及光電電位器式傳感器。

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線性電位計(jì)其單位長度(或轉(zhuǎn)角)的電阻值是常數(shù)。以直線電位計(jì)為例。電位計(jì)電阻元件長度為l，總電阻R，電刷位移x，相應(yīng)的電阻為Rx，電源電壓U，輸出電壓U0，則有

式中KR——電位計(jì)的電阻靈敏度(Ω／m)。電位計(jì)輸出空載電壓為：

式中KU——電位計(jì)的電壓靈敏度。當(dāng)電位計(jì)結(jié)構(gòu)及電源電壓確定后，理想線性電位計(jì)KR和KU為常數(shù)，因此線性電位計(jì)輸出電壓與電刷位移(或轉(zhuǎn)角)呈線性關(guān)系。線性電位計(jì)的空載特性

9非線性電位計(jì)空載特性

非線性電位計(jì)其輸出電壓<或電阻)與電刷位移之間具有非線性函數(shù)關(guān)系。右圖為變骨架式非線性電位計(jì)。電位計(jì)在空載時，要求輸出電阻R為電刷位移x的某種函數(shù)f(x)，則需求出骨架高度h隨x的變化規(guī)律。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，因此空載特性是一條曲線，其電阻靈敏度KR，電壓靈敏度KU均為變量，其值與電刷位移x有關(guān)。10

電阻應(yīng)變式位移傳感器

電阻應(yīng)變式位移傳感器的基本原理是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電阻值的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸出。（具體介紹見第四章）112.1.2電容式位移傳感器

結(jié)構(gòu)型電容式位移傳感器以各類電容器作為傳感元件，將被測物理量（位移、壓力及物位等）變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化的一種傳感器，常用平板、圓筒形、極板形式。12電容式傳感器優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

優(yōu)點(diǎn)：測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、動態(tài)響應(yīng)時間短、易實(shí)現(xiàn)非接觸測量等。由于材料、工藝，特別是測量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，因此寄生電容的影響得到較好地解決，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測量之中。13

用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時，其電容C為S—極板相對覆蓋面積；δ—極板間距離；εr—相對介電常數(shù)；ε0—真空介電常數(shù)，ε0

＝8.85pF/m；ε—電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。

δ、S和εr中的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)有變化時，就改變了電容C0、δ或S的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變化；εr的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。Sδε電容式傳感器工作原理14電容式傳感器類型三種基本類型：變極距(變間隙)(δ)型變面積型(S)型變介電常數(shù)(εr)型位移：線位移和角位移兩種。極板形狀：平板或圓板形和圓柱(圓筒)形，雖還有球面形和鋸齒形等其他的形狀，但一般很少用。其中差動式一般優(yōu)于單組（單邊）式的傳感器。它靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高。15圖中極板1固定不動，極板2為可動電極(動片)，當(dāng)動片隨被測量變化而移動時，使兩極板間距變化，從而使電容量產(chǎn)生變化，其電容變化量ΔC為

C0—極距為時的初始電容量。δ2變極距型電容傳感器1CC0C-特性曲線1、變極距型電容傳感器16變面積型電容傳感器中，平板形結(jié)構(gòu)對極距變化特別敏感，測量精度受到影響。而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)，其中線位移單組式的電容量C在忽略邊緣效應(yīng)時為

l—外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長度；

r2、r1—圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。當(dāng)兩圓筒相對移動Δl時，電容變化量ΔC為2、變面積型電容傳感器17變介電常數(shù)型電容式傳感器大多用來測量電介質(zhì)的厚度、液位，還可根據(jù)極間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度改變而改變來測量介質(zhì)材料的溫度、濕度等。若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形厚度傳感器如下圖，傳感器的電容量與被厚度的關(guān)系為：δx厚度傳感器3、變介電常數(shù)型電容傳感器18

若忽略邊緣效應(yīng)，單組式平板形線位移傳感器如下圖，傳感器的電容量與被位移的關(guān)系為

a、b、lx:固定極板長度和寬度及被測物進(jìn)入兩極板間的長度；

δ:兩固定極板間的距離；

δx、ε、ε0:被測物的厚度和它的介電常數(shù)、空氣的介電常數(shù)。

l平板形lx單組式平板形線位移傳感器19若忽略邊緣效應(yīng)，圓筒式液位傳感器如圖，傳感器的電容量與被測液位的關(guān)系：

可見，傳感器電容量C與被測液位高度hx成線性關(guān)系。C1CC2液位傳感器h2r12r2hx變介質(zhì)型電容式位移傳感器液位傳感器h2r12r2hx20解：例：某電容式液位傳感器由直徑為40mm和8mm的兩個同心圓柱體組成。儲存灌也是圓柱形，直徑為50cm，高為1.2m。被儲存液體的εr

＝2.1。計(jì)算傳感器的最小電容和最大電容以及當(dāng)用在儲存灌內(nèi)傳感器的靈敏度(pF/L)。214．容柵式電容位移傳感器容柵式電容位移傳感器是在面積型電容位移傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的一種新型電容位移傳感器?？煞譃殚L容柵和圓容柵兩種，如圖所示。1是固定容柵，2是可動容柵，在A、B面上分別印制(或刻劃)—系列均勻分布并互相絕緣的金屬(如銅箔)柵極。固定容柵與可動容柵柵極面相對，中間留有間隙，形成一對電容。當(dāng)可動容柵相對固定容柵位移時，每對電容面積發(fā)生變化，因而電容值隨之變化，可測出線位移或角位移。22

1、

靜態(tài)靈敏度是被測量緩慢變化時傳感器電容變化量與引起其變化的被測量變化之比。對于變極距型其靜態(tài)靈敏度kg為

可見其靈敏度是初始極板間距的函數(shù)，同時還隨被測量而變化。減小δ可以提高靈敏度。但δ過小易導(dǎo)致電容器擊穿（空氣的擊穿電壓為3kV／mm）?？稍跇O間加一層云母片（其擊穿電壓大于103kV/mm）或塑料膜來改善電容器耐壓性能。電容式位移傳感器的主要性能23對變極距型電容式傳感器，當(dāng)極板間距變化時，其電容量的變化：顯然，輸出電容?C與被測量之間是非線性關(guān)系。只有當(dāng)(?δ/δ<<1時，略去各非線性項(xiàng)后才能得到近似線性關(guān)系為C＝C0(?δ/δ)。由于δ取值不能大，否則將降低靈敏度，因此變極距型電容式傳感器常工作在一個較小的范圍內(nèi)（1cm至零點(diǎn)幾mm），而且?δ最大應(yīng)小于極板間距δ的1/5～1/10。

電容式位移傳感器的主要性能（2、非線性）24采用差動形式，并取兩電容之差為輸出量?C

可見，差動式的非線性得到很大改善，靈敏度也提高了一倍。如果電容式傳感器輸出量采用容抗XC=1/(ωC)，那么被測量?δ就與?XC成線性關(guān)系，不需要滿足?δ<<δ這一要求了。在忽略邊緣效應(yīng)時，變面積型和變介電常數(shù)型（測厚除外）電容式傳感器具有很好的線性，但實(shí)際上由于邊緣效應(yīng)引起極板或極筒間電場分布不均勻，導(dǎo)致非線性問題仍然存在，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。電容式位移傳感器非線性的改善25

5、電容式位移傳感器的絕緣減小環(huán)境溫度、濕度等變化所產(chǎn)生的誤差,以保證絕緣材料的絕緣性能。溫度變化使傳感器內(nèi)各零件的幾何尺寸和相互位置及某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變,從而改變傳感器的電容量,產(chǎn)生溫度誤差。濕度也影響某些介質(zhì)的介電常數(shù)和絕緣電阻值。因此必須從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能。26

電容式位移傳感器的絕緣（2）電容式傳感器的金屬電極的材料以選用溫度系數(shù)低的鐵鎳合金為好，但較難加工。也可采用在陶瓷或石英上噴鍍金或銀的工藝，這樣電極可以做得極薄，對減小邊緣效應(yīng)極為有利。傳感器內(nèi)電極表面不便經(jīng)常清洗，應(yīng)加以密封；用以防塵、防潮。若在電極表面鍍以極薄的惰性金屬（如銠等）層，則可代替密封件起保護(hù)作用，可防塵、防濕、防腐蝕，并在高溫下可減少表面損耗、降低溫度系數(shù)，但成本較高。27電容式位移傳感器的絕緣（3）傳感器內(nèi)，電極的支架除要有一定的機(jī)械強(qiáng)度外，還要有穩(wěn)定的性能。因此選用溫度系數(shù)小和幾何尺寸長期穩(wěn)定性好，并具有高絕緣電阻、低吸潮性和高表面電阻的材料。例如石英、云母、人造寶石及各種陶瓷等做支架。雖然這些材料較難加工，但性能遠(yuǎn)高于塑料、有機(jī)玻璃等。在溫度不太高的環(huán)境下，聚四氟乙烯具有良好的絕緣性能，可以考慮選用。28

電容式位移傳感器的絕緣（4）盡量采用空氣或云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)近似為零的電介質(zhì)（也不受濕度變化的影響）作為電容式傳感器的電介質(zhì)。若用某些液體如硅油、煤油等作為電介質(zhì)，當(dāng)環(huán)境溫度、濕度變化時，它們的介電常數(shù)隨之改變，產(chǎn)生誤差。這種誤差雖可用后接的電子電路加以補(bǔ)償，但無法完全消除。29

電容式位移傳感器的絕緣（5）在可能的情況下,傳感器內(nèi)盡量采用差動對稱結(jié)構(gòu),這樣可以通過某些類型的測量電路(如電橋)來減小溫度等誤差。選用50kHz至幾MHz作為電容傳感器的電源頻率，以降低對傳感器絕緣部分的絕緣要求。傳感器內(nèi)所有的零件應(yīng)先進(jìn)行清洗、烘干后再裝配。傳感器要密封以防止水分侵入內(nèi)部而引起電容值變化和絕緣性能下降。傳感器的殼體剛性要好，以免安裝時變形。

30適當(dāng)減小極間距，使電極直徑或邊長與間距比增大，可減小邊緣效應(yīng)的影響，但易產(chǎn)生擊穿并有可能限制測量范圍。電極應(yīng)做得極薄使之與極間距相比很小，這樣也可減小邊緣電場的影響。此外，可在結(jié)構(gòu)上增設(shè)等位環(huán)來消除邊緣效應(yīng)。等位環(huán)3與電極2在同一平面上并將電極2包圍，且與電極2電絕緣但等電位，這就能使電極2的邊緣電力線平直，電極1和2之間的電場基本均勻，而發(fā)散的邊緣電場發(fā)生在等位環(huán)3外周不影響傳感器兩極板間電場。

帶有等位環(huán)的平板電容傳感器結(jié)構(gòu)原理圖均勻電場1233邊緣電場電容式傳感器消除和減小邊緣效應(yīng)31

電容式傳感器消除和減小寄生電容的影響寄生電容與傳感器電容相并聯(lián)，影響傳感器靈敏度，而它的變化則為虛假信號影響儀器的精度，必須消除和減小它。可采用方法：

（1）增加傳感器原始電容值（2）注意傳感器的接地和屏蔽（3）集成化（4）采用“驅(qū)動電纜”(雙層屏蔽等位傳輸)技術(shù)（5）采用運(yùn)算放大器法（6）整體屏蔽法32圖為采用接地屏蔽的圓筒形電容式傳感器。圖中可動極筒與連桿固定在一起隨被測量移動?？蓜訕O筒與傳感器的屏蔽殼（良導(dǎo)體）同為地，因此當(dāng)可動極筒移動時，固定極筒與屏蔽殼之間的電容值將保持不變，從而消除了由此產(chǎn)生的虛假信號。引線電纜也必須屏蔽在傳感器屏蔽殼內(nèi)。為減小電纜電容的影響，應(yīng)盡可能使用短而粗的電纜線，縮短傳感器至電路前置級的距離。

絕緣體屏蔽殼固定極筒可動極筒連桿導(dǎo)桿接地屏蔽圓筒形電容式傳感器示意圖6、電容式位移傳感器的接地和屏蔽33

電容式傳感器的集成化屏蔽

將傳感器與測量電路本身或其前置級裝在一個殼體內(nèi)，省去傳感器的電纜引線。這樣，寄生電容大為減小而且易固定不變，使儀器工作穩(wěn)定。但這種傳感器因電子元件的特點(diǎn)而不能在高、低溫或環(huán)境差的場合使用。

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電容式傳感器的雙層屏蔽等位傳輸采用“驅(qū)動電纜”(雙層屏蔽等位傳輸)技術(shù)

當(dāng)電容式傳感器的電容值很小，而因某些原因(如環(huán)境溫度較高)，測量電路只能與傳感器分開時，可采用“驅(qū)動電纜”技術(shù)。傳感器與測量電路前置級間的引線為雙屏蔽層電纜，其內(nèi)屏蔽層與信號傳輸線(即電纜芯線)通過1:1放大器成為等電位，從而消除了芯線與內(nèi)屏蔽層之間的電容。由于屏蔽線上有隨傳感器輸出信號變化而變化的電壓，因此稱為“驅(qū)動電纜”。采用這種技術(shù)可使電纜線長達(dá)10m之遠(yuǎn)也不影響儀器的性能。35

外屏蔽層接大地或接儀器地，用來防止外界電場的干擾。內(nèi)外屏蔽層之間的電容是1:1放大器的負(fù)載。1:1放大器是一個輸入阻抗要求很高、具有容性負(fù)載、放大倍數(shù)為1(準(zhǔn)確度要求達(dá)1/10000)的同相(要求相移為零)放大器。因此“驅(qū)動電纜”技術(shù)對1:1放大器要求很高，電路復(fù)雜，但能保證電容式傳感器的電容值小于1pF時，也能正常工作。當(dāng)電容式傳感器的初始電容值很大(幾百μF)時，只要選擇適當(dāng)?shù)慕拥攸c(diǎn)仍可采用一般的同軸屏蔽電纜，電纜可以長達(dá)10m，儀器仍能正常工作。

1：1＋－測量電路前置級外屏蔽層內(nèi)屏蔽層芯線傳感器“驅(qū)動電纜”技術(shù)原理圖

電容式傳感器的雙層屏蔽等位傳輸（2）36下圖是利用運(yùn)算放大器的虛地來減小引線電纜寄生電容CP的原理圖。電容傳感器的一個電極經(jīng)電纜芯線接運(yùn)算放大器的虛地Σ點(diǎn),電纜的屏蔽層接儀器地,這時與傳感器電容相并聯(lián)的為等效電纜電容Cp/(1＋A)，因而大大地減小了電纜電容的影響。外界干擾因屏蔽層接儀器地，對芯線不起作用。傳感器的另一電極接大地，用來防止外電場的干擾。若采用雙屏蔽層電纜，其外屏蔽層接大地，干擾影響就更小。實(shí)際上，這是一種不完全的電纜“驅(qū)動技術(shù)”，結(jié)構(gòu)較簡單。開環(huán)放大倍數(shù)A越大，精度越高。

-A～uoCCxu∑

利用運(yùn)算放大器式電路虛地點(diǎn)減小電纜電容原理圖電容式傳感器采用運(yùn)算放大器法屏蔽37將電容式傳感器和所采用的轉(zhuǎn)換電路、傳輸電纜等用同一個屏蔽殼屏蔽起來，正確選取接地點(diǎn)可減小寄生電容的影響和防止外界的干擾。下圖是差動電容式傳感器交流電橋所采用的整體屏蔽系統(tǒng)，屏蔽層接地點(diǎn)選擇在兩固定輔助阻抗臂Z3和Z4中間，使電纜芯線與其屏蔽層之間的寄生電容CP1和CP2分別與Z3和Z4相并聯(lián)。如果Z3和Z4比CP1和CP2的容抗小得多，則寄生電容CP1和CP2對電橋平衡狀態(tài)的影響就很小。

～交流電容電橋的屏蔽系統(tǒng)C1C2CP1CP2Z3Z4-A電容式傳感器的整體屏蔽法38電容式傳感器防止和減小外界干擾當(dāng)外界干擾(如電磁場)在傳感器上和導(dǎo)線之間感應(yīng)出電壓并與信號一起輸送至測量電路時就會產(chǎn)生誤差。干擾信號足夠大時，儀器無法正常工作。此外，接地點(diǎn)不同所產(chǎn)生的接地電壓差也是一種干擾信號，也會給儀器帶來誤差和故障。防止和減小干擾的措施：

1、屏蔽和接地。如傳感器殼體；導(dǎo)線；傳感器與測量電路前置級等等。

2、增加原始電容量，降低容抗。

3、導(dǎo)線和導(dǎo)線之間要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列，若必須平行排列時，可采用同軸屏蔽電纜線。

4、盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地。地線要用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰≈凭€。

5、采用差動式電容傳感器，減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和溫度、濕度等誤差。

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1．溫度穩(wěn)定性好傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，僅取決于電極的幾何尺寸，且空氣等介質(zhì)損耗很小，因此只要從強(qiáng)度、溫度系數(shù)等機(jī)械特性考慮，合理選擇材料和幾何尺寸即可，其他因素(因本身發(fā)熱極小)影響甚微。而電阻式傳感器有電阻，供電后產(chǎn)生熱量；電感式傳感器存在銅損、渦流損耗等，引起本身發(fā)熱產(chǎn)生零漂。

2．結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。能在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場等各種惡劣的環(huán)境條件下工作，適應(yīng)能力強(qiáng)，尤其可以承受很大的溫度變化，在高壓力、高沖擊、過載等情況下都能正常工作，能測超高壓和低壓差，也能對帶磁工件進(jìn)行測量。此外傳感器可以做得體積很小，以便實(shí)現(xiàn)某些特殊要求的測量。7、電容式傳感器的特點(diǎn)40

3．動態(tài)響應(yīng)好電容式傳感器由于極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小，又由于它的可動部分可以做得很小很薄，即質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾MHz的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量。又由于其介質(zhì)損耗小可以用較高頻率供電，因此系統(tǒng)工作頻率高。它可用于測量高速變化的參數(shù)，如測量振動、瞬時壓力等。

4．可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)當(dāng)被測件不能允許采用接觸測量的情況下,電容傳感器可以完成測量任務(wù)。當(dāng)采用非接觸測量時,電容式傳感器具有平均效應(yīng),可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。電容式傳感器除上述優(yōu)點(diǎn)之外，還因帶電極板間的靜電引力極小，因此所需輸入能量極小，所以特別適宜低能量輸入的測量，例如測量極低的壓力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很靈敏，分辨力非常高，能感受0.001m甚至更小的位移。

電容式傳感器的特點(diǎn)（2）41電容式傳感器的不足

1．輸出阻抗高，負(fù)載能力差

電容式傳感器的容量受其電極幾何尺寸等限制，一般為幾十到幾百pF，使傳感器的輸出阻抗很高，尤其當(dāng)采用音頻范圍內(nèi)的交流電源時，輸出阻抗高達(dá)106～108Ω。因此傳感器負(fù)載能力差，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至無法工作，必須采取屏蔽措施，從而給設(shè)計(jì)和使用帶來不便。容抗大還要求傳感器絕緣部分的電阻值極高（幾十MΩ以上），否則絕緣部分將作為旁路電阻而影響傳感器的性能（如靈敏度降低），為此還要特別注意周圍環(huán)境如溫濕度、清潔度等對絕緣性能的影響。高頻供電雖然可降低傳感器輸出阻抗，但放大、傳輸遠(yuǎn)比低頻時復(fù)雜，且寄生電容影響加大，難以保證工作穩(wěn)定。

42電容式傳感器的不足（2）

2．寄生電容影響大傳感器的初始電容量很小，而其引線電纜電容(l～2m導(dǎo)線可達(dá)800pF)、測量電路的雜散電容以及傳感器極板與其周圍導(dǎo)體構(gòu)成的電容等“寄生電容”卻較大。①降低了傳感器的靈敏度；②這些電容(如電纜電容)常常是隨機(jī)變化的，將使傳感器工作不穩(wěn)定，影響測量精度，其變化量甚至超過被測量引起的電容變化量，致使傳感器無法工作。因此對電纜選擇、安裝、接法有要求。43電容式傳感器的不足（3）

3、輸出特性非線性變極距型電容傳感器的輸出特性是非線性的，雖可采用差動結(jié)構(gòu)來改善，但不可能完全消除。其他類型的電容傳感器只有忽略了電場的邊緣效應(yīng)時，輸出特性才呈線性。否則邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的附加電容量將與傳感器電容量直接疊加，使輸出特性非線性。隨著材料、工藝、電子技術(shù)，特別是集成電路的高速發(fā)展，使電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揚(yáng)而缺點(diǎn)不斷得到克服。電容傳感器正逐漸成為一種高靈敏度、高精度，在動態(tài)、低壓及一些特殊測量方面大有發(fā)展前途的傳感器。

44

電感式傳感器定義：是一種利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測的裝置。

感測量：位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。

種類：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，分自感式和互感式兩種；根據(jù)結(jié)構(gòu)型式，分氣隙型、面積型和螺管型。

原理：基于機(jī)械量的改變引起線圈磁回路磁阻的變化，從而導(dǎo)致電感量變化這一物理現(xiàn)象。

被測量自感系數(shù)L—————→

帶鐵心線圈——————→實(shí)現(xiàn)非電量測量位移、壓力互感系數(shù)M變化2.1.3電感式位移傳感器45電感式傳感器特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡單、可靠，測量力小銜鐵為0.5～200×10-5N時，磁吸力為(1~10)×10-5N。②分辨力高機(jī)械位移：0.1μm，甚至更??；角位移：0.1角秒。輸出信號強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mV/mm。③重復(fù)性好，線性度優(yōu)良在幾十μm到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。不足：存在交流零位信號，不宜于高頻動態(tài)測量。

46有氣隙型、截面型和螺管型幾種結(jié)構(gòu)。組成：線圈1，銜鐵3和鐵芯2等。圖中點(diǎn)劃線表示磁路，磁路中空氣隙總長度為lδ，0.5lδ123x

(a)氣隙式

(b)截面式1.自感式電感位移傳感器47由磁路基本知識知，線圈自感為：

N：線圈匝數(shù)；Rm：磁路總磁阻(鐵芯與銜鐵磁阻和空氣隙磁阻)

氣隙式自感傳感器，因?yàn)闅庀遁^小(lδ為0.1～1mm)，所以，認(rèn)為氣隙磁場是均勻的，若忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為

l1：鐵芯磁路總長；l2：銜鐵的磁路長；S：隙磁通截面積；

S1：鐵芯橫截面積；S2：銜鐵橫截面積；μ1：鐵芯磁導(dǎo)率；μ2：銜鐵磁導(dǎo)率；μ0：真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7H／m；

lδ：空氣隙總長。氣隙型自感傳感器工作原理48由于自感傳感器的鐵芯一般在非飽和狀態(tài)下，其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率，因此鐵芯磁阻遠(yuǎn)較氣隙磁阻小，所以上式可簡化為可見，自感L是氣隙截面積和長度的函數(shù)，即L＝f(S,lδ)

如果S保持不變，則L為lδ的單值函數(shù)，構(gòu)成變隙式自感傳感器；若保持lδ不變，使S隨位移變化，則構(gòu)成變截面式自感傳感器。其特性曲線如圖。L氣隙型自感傳感器工作原理（2）L=f（S）L=f（lδ）lδS49

主要特性:靈敏度和線性度。當(dāng)鐵芯和銜鐵采用同一種導(dǎo)磁材料，且截面相同時，因?yàn)闅庀秎δ一般較小，故可認(rèn)為氣隙磁通截面與鐵芯截面相等，設(shè)磁路總長為l，則一般μr>>1，所以當(dāng)氣隙減少△lδ時K=μ0N2S自感傳感器特性分析

50自感的相對變化同理，當(dāng)總氣隙長度增加Δlδ時，自感減小為ΔL2，即自感傳感器特性分析（2）51自感傳感器特性分析（3）

若忽略高次項(xiàng)，則自感變化靈敏度為

線性度：lδLΔL1ΔL2L0lδ052自感傳感器特點(diǎn)①當(dāng)氣隙lδ發(fā)生變化時，自感的變化與氣隙變化均呈非線性關(guān)系，其非線性程度隨氣隙相對變化Δlδ/lδ的增大而增加；②氣隙減少Δlδ所引起的自感變化ΔL1與氣隙增加同樣Δlδ所引起的自感變化ΔL2并不相等，即ΔL1＞ΔL2，其差值隨Δlδ/lδ的增加而增大。53差動變氣隙式自感傳感器結(jié)構(gòu)由兩個電氣參數(shù)和磁路完全相同的線圈組成。當(dāng)銜鐵3移動時，一個線圈的自感增加，另一個線圈的自感減少，形成差動形式。如將這兩個差動線圈分別接入測量電橋鄰臂，則當(dāng)磁路總氣隙改變Δlδ時，自感相對變化為EUSC1342ⅠⅡRR(l-Δlδ)/2(l-Δlδ)/2差動變氣隙式自感傳感器54①差動式自感傳感器的靈敏度比單線圈傳感器提高一倍。②差動式自感傳感器非線性失真小。如當(dāng)Δlδ/lδ=10％時(略去l／lδ·μr),單線圈δ＜10％；而差動式的δ＜1％。75502505075100L/mHlδ/mm10025LD4321ⅠⅡ1234-ΔlδΔlδ

1—線圈Ⅰ自感特性；2—線圈Ⅱ自感特性；

3—線圈Ⅰ與Ⅱ差動自感特性；4—特性曲線差動式自感傳感器的輸出特性差動式自感傳感器的優(yōu)點(diǎn)55有單線圈和差動式兩種結(jié)構(gòu)形式。單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯。傳感器工作時，因鐵芯在線圈中伸入長度的變化，引起螺管線圈自感值的變化。當(dāng)用恒流源激勵時，則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)。rx螺旋管鐵心單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖l

2.螺管型自感傳感器56鐵芯在開始插入（x=0）或幾乎離開線圈時的靈敏度，比鐵芯插入線圈的1/2長度時的靈敏度小得多。這說明只有在線圈中段才有可能獲得較高的靈敏度，并且有較好的線性特性。螺管線圈內(nèi)磁場分布曲線rxl1.00.80.60.40.20.20.40.60.81.0H（）INlx（l）螺管型自感傳感器的磁場分布曲線57若被測量與Δlc成正比，則ΔL與被測量也成正比。實(shí)際上由于磁場強(qiáng)度分布不均勻，輸入量與輸出量之間關(guān)系非線性的。為了提高靈敏度與線性度,常采用差動螺管式自感傳感器。圖(b)中H=f(x)曲線表明：為了得到較好的線性,鐵芯長度取0.6l時,則鐵芯工作在H曲線的拐彎處,此時H變化小。這種差動螺管式自感傳感器的測量范圍為(5～50)mm,非線性誤差在0.5％左右。2lcΔlc2l線圈Ⅱ線圈Ⅰr0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH（）INl差動螺旋管式自感傳感器(a)結(jié)構(gòu)示意圖(b)磁場分布曲線x(l)(a)(b)3.差動螺旋管式

自感傳感器58

螺管式自感傳感器的特點(diǎn)①結(jié)構(gòu)簡單，制造裝配容易；②由于空氣間隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大；③由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場干擾；④由于磁阻高，為了達(dá)到某一自感量，需要的線圈匝數(shù)多，因而線圈分布電容大；⑤要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響其線性和穩(wěn)定性。

59假設(shè)自感線圈為一理想純電感，但實(shí)際傳感器中包括：線圈的銅損電阻（Rc）、鐵芯的渦流損耗電阻（Re）和線圈的寄生電容（C）。因此，自感傳感器的等效電路如圖。CLRcRe自感傳感器的等效電路60改善性能考慮的因素

1、激勵電壓幅值與頻率的影響激勵電源電壓幅值的波動，會使線圈激勵磁場的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢。而頻率的波動，只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率，其影響不大。

2、溫度變化的影響周圍環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化，從而使線圈磁場發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時，影響更為嚴(yán)重，因此，采用恒流源激勵比恒壓源激勵有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動電橋可以減少溫度的影響。

61當(dāng)差動變壓器的銜鐵處于中間位置時，理想條件下其輸出電壓為零。但實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時，在零點(diǎn)仍有一個微小的電壓值(從零點(diǎn)幾mV到數(shù)十mV)存在，稱為零點(diǎn)殘余電壓。如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性。零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)；零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會使放大器末級趨向飽和，影響電路正常工作等。0e2x-xe203、零點(diǎn)殘余電壓621、基波正交分量2、基波同相分量3、二次諧波4、三次諧波5、電磁干擾ee1e20e2012345(a)殘余電壓的波形(b)波形分析tt零點(diǎn)殘余電壓的波形63零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因

①基波分量。由于差動變壓器兩個次級繞組不可能完全一致，因此它的等效電路參數(shù)（互感M、自感L及損耗電阻R）不可能相同，從而使兩個次級繞組的感應(yīng)電勢數(shù)值不等。又因初級線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。

②高次諧波。高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦(主要是三次諧波)磁通，從而在次級繞組感應(yīng)出非正弦電勢。另外，激勵電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成分。64

1．從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性為保證線圈和磁路的對稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段。

2．選用合適的測量線路采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動方向，而且把銜鐵在中間位置時，因高次諧波引起的零點(diǎn)殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時的特性曲線由1變到2，從而消除了零點(diǎn)殘余電壓。e2+x-x210相敏檢波后的輸出特性消除零點(diǎn)殘余電壓方法65結(jié)構(gòu)原理：分氣隙型和差動變壓器兩種。目前多采用螺管型差動變壓器。其基本元件有銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈框架等。初級線圈作為差動變壓器激勵用，相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。螺管形差動變壓器根據(jù)初、次級排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。1.初級線圈;2.3次級線圈;4.銜鐵1243123(a)氣隙型(b)螺管型4.互感式位移傳感器—差動變壓器66321212112(a)(b)(c)(d)12112差動變壓器線圈各種排列形式1初級線圈；2次級線圈；3銜鐵3差動變壓器線圈各種排列形式67在理想情況下(忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗)，差動變壓器的等效電路如圖。初級線圈的復(fù)數(shù)電流值為ω—激勵電壓的角頻率；

e1—激勵電壓的復(fù)數(shù)值；由于Il的存在，在次級線圈中產(chǎn)生磁通Rm1及Rm2分別為磁通通過初級線圈及兩個次級線圈的磁阻，N1為初級線圈匝數(shù)?！玡2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1

e1：初級線圈激勵電壓L1,R1：初級線圈電感和電阻M1,M1：初級與次級線圈1,2間的互感L21,L22：兩個次級線圈的電感R21,R22：兩個次級線圈的電阻I1差動變壓器的等效電路68N2為次級線圈匝數(shù)。因此空載輸出電壓在次級線圈中感應(yīng)出電壓e21和e22，其值分別為其幅數(shù)輸出阻抗或69副Ⅰ0e2e2e21e22x副Ⅱ原線圈差動變壓器輸出電勢e2與銜鐵位移x的關(guān)系。其中x表示銜鐵偏離中心位置的距離。

差動變壓器輸出電勢與銜鐵位移的關(guān)系70差動變壓器的測量電路

差動變壓器的輸出電壓為交流，它與銜鐵位移成正比。用交流電壓表測量其輸出值只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向，因此常采用差動整流電路和

相敏檢波電路進(jìn)行測量。

1、差動整流電路根據(jù)半導(dǎo)體二級管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)。71全波整流電路和波形圖～e1RRcabhgfdeUSC銜鐵在零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd銜鐵在零位以上銜鐵在零位(b)(a)1、差動整流電路72容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。圖中調(diào)制電壓er和e同頻，經(jīng)過移相器使er和e保持同相或反相，且滿足er>>e。調(diào)節(jié)電位器R可調(diào)平衡，圖中電阻R1=R2=R0，電容C1=C2=C0，輸出電壓為UCD。該電路能判別鐵芯移動的方向。

Ri1～e1R1R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4e2、相敏檢波電路73當(dāng)導(dǎo)體置于交變磁場或在磁場中運(yùn)動時，導(dǎo)體上引起感生電流ie，此電流在導(dǎo)體內(nèi)閉合，稱為渦流。渦流大小與導(dǎo)體電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ以及產(chǎn)生交變磁場的線圈與被測體之間距離x，線圈激勵電流的頻率f有關(guān)。顯然磁場變化頻率愈高，渦流的集膚效應(yīng)愈顯著。即渦流穿透深度愈小，其穿透深度h可表示

ρ—導(dǎo)體電阻率(Ω·cm)；

μr—導(dǎo)體相對磁導(dǎo)率；

f—交變磁場頻率(Hz)。可見，渦流穿透深度h和激勵電流頻率f有關(guān)，所以渦流傳感器根據(jù)激勵頻率：高頻反射式或低頻透射式兩類。目前高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用廣泛。

5.渦流式位移傳感器74主要由一個安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成。此線圈可以粘貼于框架上，或在框架上開一條槽溝，將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)。下圖為CZF1型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)原理，它采取將導(dǎo)線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi)，形成線圈的結(jié)構(gòu)方式。

1234561線圈2框架3襯套4支架5電纜6插頭渦流式位移傳感器的結(jié)構(gòu)75傳感器線圈由高頻信號激勵，產(chǎn)生一個高頻交變磁場φi，當(dāng)被測導(dǎo)體靠近線圈時，在磁場作用范圍的導(dǎo)體表層，產(chǎn)生了與此磁場相交鏈的渦流ie，而此渦流又將產(chǎn)生一交變磁場φe阻礙外磁場的變化。從能量角度來看，在被測導(dǎo)體內(nèi)存在著渦流損耗（當(dāng)頻率較高時，忽略磁損耗）。能量損耗使傳感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此當(dāng)被測體與傳感器間的距離d改變時，傳感器的Q值和等效阻抗Z、電感L均發(fā)生變化，于是把位移量轉(zhuǎn)換成電量。這便是渦流傳感器的基本原理。iedM～ΦｎΦｉ渦流傳感器原理圖1、高頻反射渦流式傳感器工作原理762、低頻透射式渦流傳感器工作原理

圖中：發(fā)射線圈L1和接收線圈L2是兩個繞于膠木棒上的線圈，分別位于被測物體的上、下方。線圈l加音頻電壓Ui，線圈中便有同頻交流電流，并在周圍空間產(chǎn)生交變磁場。這—磁場穿過金屬片后作用于線圈L2，并感應(yīng)出電壓U0，當(dāng)磁場穿過金屬片時，在金屬片中產(chǎn)生渦流，消耗部分磁場能量，使輸出電壓U0有所降低。金屬片越厚，渦流損耗越大，輸出電壓越低?？梢姡敵鲭妷篣0間接反映金屬片M的厚度t。773、渦流式傳感器的特點(diǎn)

渦流式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于進(jìn)行非接觸測量，靈敏度高，應(yīng)用廣泛，可測位移、厚度、振動等。782.1.4感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是利用電磁感應(yīng)原理將線位移和角位移轉(zhuǎn)換成電信號的—種裝置。根據(jù)用途，可將感應(yīng)同步器分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種，分別用于測量線位移和角位移。

特點(diǎn)：1、精度較高，對環(huán)境要求較低，可測大位移；工作可靠?？垢蓴_能力強(qiáng)。維護(hù)簡單，壽命長。

2、在數(shù)控機(jī)床與大型測量儀器中常用感應(yīng)同步器測量位移。此外，工作時感應(yīng)同步器有多個繞組同時參與工作，故對局部誤差有平均化作用。

79

1）直線式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)1.感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和原理80

2）旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)813）感應(yīng)同步器的工作原理

直線式感應(yīng)同步器滑尺的兩相繞組用交流電勵磁時，由于電磁感應(yīng)，在定尺的繞組中會產(chǎn)生與勵磁電壓同頻率的交變感應(yīng)電動勢E。當(dāng)滑尺相對定尺移動時，滑尺與定尺的相對位置發(fā)生變化，改變了通過定尺繞組的磁通，從而改變了定尺繞組中輸出的感應(yīng)電動勢E。E的變化反映了定、滑尺間的相對位移，實(shí)現(xiàn)了位移至電量的變換。822.感應(yīng)同步器的工作方式

1）鑒相型感應(yīng)同步器：

給滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以頻率相同、幅值相同但時間相位差丌／2的交流勵磁電壓，

若起始時正弦繞組與定尺的感應(yīng)繞組對應(yīng)重合，當(dāng)滑尺移動時，滑尺與定尺的繞組不重合，則定尺繞組中產(chǎn)生對應(yīng)的感應(yīng)電壓以余弦或正弦函數(shù)變化θ角度。在鑒相工作方式中，由于耦合系數(shù)、勵磁電壓幅值以及頻率均是常數(shù)，所以定尺的感應(yīng)電壓就只隨空間相位θ的變化而變化了。由此可以說明定尺的感應(yīng)電壓與滑尺的位移值有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，通過鑒別定尺感應(yīng)電壓的相位，即可測得滑尺和定尺間的相對位移。83鑒相型測量電路框圖

842）鑒幅型感應(yīng)同步器——測量電路框圖

853.主要性能指標(biāo)

1）精度在整個測量范圍內(nèi)作靜態(tài)測量時的顯示值與被測實(shí)際值的最大可能偏離量，用正負(fù)偏差表示

2）分辨力系統(tǒng)能反映的最小位移變化量。在數(shù)字系統(tǒng)中分辨力與脈沖當(dāng)量或最低為顯示數(shù)字一致。所謂脈沖當(dāng)量q是指一個脈沖所對應(yīng)的機(jī)械位移變化量。對于線位移測量，可用下式計(jì)算：式中：W－節(jié)距

n－系統(tǒng)的細(xì)分?jǐn)?shù)863）跟蹤速度當(dāng)機(jī)械運(yùn)動大于系統(tǒng)所允許的跟蹤速度時，增量脈沖跟不上機(jī)械位移增量，就會發(fā)生丟失節(jié)距而不能正常工作的情況。系統(tǒng)的允許跟蹤速度ui為式中：fi-增量脈沖頻率

q-脈沖當(dāng)量87

安裝結(jié)構(gòu)圖如下所示。完整的感應(yīng)同步器有定尺組件、滑尺組件和防護(hù)罩三部分。4.感應(yīng)同步器的安裝使用88發(fā)電型位移傳感器—壓電位移傳感器

發(fā)電型位移傳感器是將被測物理量轉(zhuǎn)換為電源性參量，如電動勢、電荷等等。這種傳感器實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換型傳感器。這類傳感器有磁電型、壓電型等。壓電式位移傳感器的基本工作原理是將位移量轉(zhuǎn)換為力的變化，然后利用壓電效應(yīng)將力的變化轉(zhuǎn)換為電信號。

89光柵是在一塊長條型（或圓形）光學(xué)玻璃（或強(qiáng)反射金屬表面）上被均勻刻上許多寬度相等的刻線而制成。

a為刻線寬度,b為縫隙寬度,a+b=W稱為光柵的柵距（也稱光柵常數(shù)）。2.2光柵磁柵位移傳感器90

2.2.1光柵式位移傳感器在幾何量精密測量領(lǐng)域內(nèi)，光柵按其用途分長光柵和圓光柵兩類。

1．長光柵刻劃在玻璃尺上的光柵稱為長光柵，也稱為光柵尺，用于測量長度或直線位移。根據(jù)柵線型式的不同，長光柵分黑白光柵和閃耀光柵。根據(jù)光線的走向，長光柵還分為透射光柵和反射光柵（如強(qiáng)反射金屬板）。912.圓光柵刻劃在玻璃盤上的光柵稱為圓光柵，也稱光柵盤，用來測量角度或角位移。根據(jù)柵線刻劃的方向，圓光柵分兩種，一種是徑向光柵，其柵線的延長線全部通過光柵盤的圓心；另一種是切向光柵，其全部柵線與一個和光柵盤同心的直徑只有零點(diǎn)兒或幾個毫米的小圓相切。若按光線的走向，圓光柵只有透射光柵。921.莫爾條紋的形成當(dāng)指示光柵和標(biāo)尺光柵的刻線相交一個微小的夾角時,光源照射光柵尺，由于擋光效應(yīng)，兩塊光柵刻線的相交處形成亮帶，而在刻線彼此錯開處形成暗帶。在與光柵線紋大致垂直的方向上,產(chǎn)生出亮暗相間的條紋,這些條紋稱為“莫爾條紋”。光柵傳感器的工作原理932、莫爾條紋的重要特性1）運(yùn)動確定方向當(dāng)指示光柵不動，主光柵左右平移時，莫爾條紋將沿著指示柵線的方向上下移動，查看莫爾條紋的上下移動方向，即可確定主光柵左右移動方向。94莫爾條紋的特性22)放大作用放大倍數(shù)為1/θ,θ越小,B越大。例如：θ=0.1°時θ=0.1°=0.1×2π/360=0.00175432radW=0.02mmBH=11.4592mm。953、長光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)及原理

964、長光柵位移傳感器工作原理根據(jù)莫爾條紋的性質(zhì)，當(dāng)兩個光柵沿刻線垂直方向作相對移動時，莫爾條紋相對柵外不動點(diǎn)沿著近似垂直的運(yùn)動方向移動，光柵移動一個柵距W，莫爾條紋移動一個條紋間距BH；光柵運(yùn)動方向改變，莫爾條紋的運(yùn)動方向也作相應(yīng)改變；光柵條紋的光強(qiáng)度隨條紋移動按正弦規(guī)律變化。因此，可根據(jù)莫爾條紋移動的條紋數(shù)和方向，測出光柵移動的距離和方向。

975、光學(xué)系統(tǒng)—（1、透射式光路）98光學(xué)系統(tǒng)—（2、反射式光路）996.圓光柵的環(huán)形莫爾條紋1007.圓光柵的圓弧形莫爾條紋101

8.誤差的平均效應(yīng)光電元件對光柵的柵距誤差具有消差作用。莫爾條紋由光柵的大量刻線形成,對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用,幾條刻線的柵距誤差或斷裂對莫爾條紋的位置和形狀影響甚微。能在很大程度上消除短周期誤差的影響。例：W=0.02mm,接收元件尺寸10×10mm2,在10mm范圍內(nèi)有500條刻線參與工作，某幾條刻線誤差對莫爾條紋位置和形狀基本無影響。1022.2.2磁柵式位移傳感器磁柵式位移傳感器根據(jù)用途可分為長磁柵和圓磁柵位移傳感器。分別用于測量線位移和角位移。

長磁柵位移傳感器的工作原理：在非磁性金屬尺的平整表面上，鍍一層磁性材料薄膜，用錄音磁頭沿長度方向按一定波長記錄一周期性信號，以剩磁的形式保留在磁尺上。錄制后磁尺的磁化圖形排成SN、NS狀態(tài)。測量時利用重放磁頭將記錄信號還原。

磁柵位移傳感器特點(diǎn)：

1、有較高精度，目前可以作到系統(tǒng)精度達(dá)±0.01mm／m，分辨力為1～5μm。

2、磁信號的均勻性和穩(wěn)定性對磁柵式位移測量的精度影響較大。

103長磁柵位移傳感器的動態(tài)磁頭104長磁柵位移傳感器的靜態(tài)磁頭1052.3速度、加速度傳感器

物體移動的距離與時間的比值稱為速度（V），單位：m/s。表示速度變化快慢的物理量稱為加速度（a），單位：m/s2。表示轉(zhuǎn)動的角位移與轉(zhuǎn)動時間的比值稱為角速度（ω）單位：弧度／秒(rad／s)。轉(zhuǎn)速通常用每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)來表示，單位：轉(zhuǎn)／分(r／min)。每秒鐘的轉(zhuǎn)數(shù)也稱為轉(zhuǎn)動頻率，它是轉(zhuǎn)動周期的倒數(shù)。物體的速度有線速度和角速度兩種。因此用于測量物體速度的傳感器也有直線速度傳感器和轉(zhuǎn)速計(jì)兩種。1062.3.1速度傳感器4.1.1測速發(fā)電機(jī)測速發(fā)電機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理做成的專門測速的微型發(fā)電機(jī)，輸出電壓正比于輸入軸上的轉(zhuǎn)速，即

U0＝Blv

=Blrω

式中B—測速發(fā)電機(jī)中磁感應(yīng)強(qiáng)度；

r—測速發(fā)電機(jī)繞組的平均半徑；

l—測速發(fā)電機(jī)繞組的總有效長度；

ω—測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度；測速發(fā)電機(jī)可分為直流測速發(fā)電機(jī)和交流測速發(fā)電機(jī)兩類。測速發(fā)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：線性好，靈敏度高、輸出信號大。107機(jī)電一體化系統(tǒng)對測速發(fā)電機(jī)的要求和用途

要求：

①輸出電壓對轉(zhuǎn)速應(yīng)保持較精確的正比關(guān)系；②轉(zhuǎn)動慣量要??；③靈敏度要高，即測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓對轉(zhuǎn)速的變化反應(yīng)要靈敏。

用途：測速發(fā)電機(jī)被廣泛用于機(jī)電一體化系統(tǒng)中電動機(jī)轉(zhuǎn)速的測量和自動調(diào)節(jié)。一般測量范圍為(20—400)r／min。108（1）直流測速機(jī)的分類按勵磁方式分類：電磁式、永磁式兩大類；按電樞結(jié)構(gòu)分類：無槽電樞、有槽電樞、空心杯電樞和圓盤電樞等。

（2）直流測速機(jī)的工作原理圖▲

1、直流測速發(fā)電機(jī)

109（3）直流測速機(jī)的輸出特性▲在恒定磁場中，旋轉(zhuǎn)的電樞繞組切割磁通，并產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由電刷兩端引出的電樞電動勢為

Es＝KeΦn＝Cen

式中Ke—感應(yīng)系數(shù)；Φ—磁通；n--轉(zhuǎn)速；Ce--感應(yīng)電動勢與轉(zhuǎn)速的比例系數(shù)。

①空載時，直流測速機(jī)的輸出電壓和電樞電動勢相等，因而輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。

②負(fù)載時，直流測速機(jī)的輸出電壓和電樞電流為

VcF＝Es—Isrs=Cn

Is=VcF/RL式中

rs--電樞電阻，RL—負(fù)載電阻，C—為常數(shù)的系數(shù)。110直流測速機(jī)的輸出特性曲線圖111（4）產(chǎn)生誤差的原因和改進(jìn)方法▲

直流測速機(jī)輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間非線性的原因：

①有負(fù)載時，電樞反映去磁作用的影響，使輸出電壓不再與轉(zhuǎn)速成正比。

②電刷接觸壓降的影響。

③溫度的影響。

改進(jìn)方法：對①：定子磁極上安裝補(bǔ)償繞組，或使負(fù)載電阻大于規(guī)定值；對②：采用接觸壓降較小的銅—石墨電極或銅電極，并在它與換向器相接觸的表面上鍍銀；對③：在直流測速發(fā)電機(jī)的繞組回路中串聯(lián)一個電阻值較大的附加電阻，再接到勵磁電源上。1122、交流測速發(fā)電機(jī)▲（1）交流測速機(jī)分類：永磁式、感應(yīng)式、脈沖式。（2）永磁式交流測速機(jī)工作原理及特點(diǎn)：

①永磁式測速機(jī)定子繞組感應(yīng)的交變電動勢大小和頻率都隨輸入信號(轉(zhuǎn)速)而變化，即：

E=Kn

（K=4.44NKwΦmp/60）

②永磁式測速機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，無滑動接觸，但感應(yīng)電動勢的頻率隨轉(zhuǎn)速而改變，故其輸出電壓與轉(zhuǎn)速之間不成正比關(guān)系。

③這種永磁式測速機(jī)通常只用于指示式轉(zhuǎn)速計(jì)。113（3）感應(yīng)式測速機(jī)工作原理與結(jié)構(gòu)▲

利用定子、轉(zhuǎn)子齒槽相互位置的變化，使輸出繞組中的磁通產(chǎn)生脈動，從而感應(yīng)出電動勢。由于感應(yīng)電動勢頻率和轉(zhuǎn)速之間有嚴(yán)格的關(guān)系，相應(yīng)感應(yīng)電動勢的大小也與轉(zhuǎn)速成正比，故可用于測速機(jī)。

114（4）感應(yīng)式測速機(jī)的使用雖然感應(yīng)式測速機(jī)由于電動勢的頻率隨轉(zhuǎn)速而變，致使負(fù)載阻抗和測速機(jī)本身的內(nèi)阻抗大小均隨轉(zhuǎn)速而改變，但采用二極管對這種測速機(jī)的三相輸出電壓進(jìn)行橋式整流后，可取其直流輸出電壓作為速度信號，用于機(jī)電一體化系統(tǒng)的自動控制。感應(yīng)式測速機(jī)和整流電路結(jié)合后，可以作為性能良好的直流測速發(fā)電機(jī)使用。115（5）脈沖式測速機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用脈沖式測速機(jī)以脈沖頻率作為輸出信號，其特點(diǎn)是輸出信號的頻率相當(dāng)高，即使在較低轉(zhuǎn)速下(如每分鐘幾轉(zhuǎn)或幾十轉(zhuǎn))，也能輸出較多的脈沖數(shù)，因而以脈沖個數(shù)顯示的速度分辨力比較高，適用于速度比較低的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，特別適用于鑒頻鎖相的速度控制系統(tǒng)。1162.3.2線振動速度傳感器▲1、線振動速度傳感器的工作原理線振動速度傳感器的運(yùn)動線圈以被測速度在磁鐵中作垂直于磁場方向的相對運(yùn)動時切割磁力線，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E。當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)中的線圈匝數(shù)N、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、線圈的平均長度l均為常量時，傳感器的感應(yīng)電動勢正比于被測速度。因此，測量感應(yīng)電動勢E就可求出被測速度。117感應(yīng)式線振動速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

1182.3.3變磁通式、霍爾式和電渦流式速度傳感器

1、變磁通式速度、角速度傳感器（1）開磁路式傳感器

f=Z×n

F—脈沖電勢頻率

Z—齒輪的齒數(shù)N—轉(zhuǎn)速119（2）閉磁路式傳感器結(jié)構(gòu)1202、霍爾式和電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器（1）霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器▲

霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。霍爾傳感器廣泛用于加速度、電磁、壓力、振動等方面的測量。

霍爾效應(yīng)：置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)其電流方向與磁場方向不一致時，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。121霍爾元件的結(jié)構(gòu)

122霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的應(yīng)用

123（2）電渦流式位移傳感器

電渦流式位移傳感器的測量原理

▲根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中做切割磁力線運(yùn)動時，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈漩渦狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，產(chǎn)生的現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。124電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器的工作過程1252.3.4陀螺式角速度傳感器

1．轉(zhuǎn)子陀螺式角速度傳感器

1262．壓電陀螺式角速度傳感器

(1)振梁型工作原理

127(2)雙晶片型傳感器

128(3)圓管型傳感器

1292.3.6加速度傳感器▲

加速度傳感器有多種形式，其工作原理都是利用慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而造成的各種效應(yīng)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電量后間接度量被測加速度。常用的加速度傳感器有壓電式、應(yīng)變式、磁致伸縮式等。壓電式加速度傳感器的頻率范圍廣、動態(tài)范圍寬、靈敏度高，故應(yīng)用較為廣泛。130

壓電式加速度傳感器▲壓電式加速度傳感器是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。壓電式加速度傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。近年來，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著與之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電式加速度傳感器的使用更為方便。131

1．壓電式加速度傳感器原理▲壓電元件由兩片壓電片組成，質(zhì)量塊用彈簧，螺栓，螺帽預(yù)加載荷。測量時，將基座與試件剛性固定，當(dāng)傳感器感受彈簧振動時，由于彈簧剛度大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊慣性很小，則質(zhì)量塊與基座感受相同的振動。并受到與加速度反方向的相反慣性力的作用。這樣，質(zhì)量塊m就有一正比于加速度a的交變力作用