傳感器測(cè)位移

傳感器測(cè)位移一.前言位移傳感器，又稱線性傳感器，是利用各種元件檢測(cè)對(duì)象物的物理變化量，通過(guò)將該變化量換算為距離，來(lái)測(cè)量從傳感器到對(duì)象物的距離位移的機(jī)器。小位移通常用應(yīng)變式，電感式，差動(dòng)變壓器式，渦流式，霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)，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(lái)測(cè)量。本次著重于介紹電位器式位移傳感器，電渦流式位移傳感器，霍爾式位移傳感器和差動(dòng)式位移傳感器二?電位器式位移傳感器1） 電位器傳感器原理：電位器傳感器的工作原理是基于電位器電阻可調(diào)，即調(diào)節(jié)滑片的位置時(shí)，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。利用電橋的平衡特性，當(dāng)滑片移動(dòng)AL時(shí)，電阻相應(yīng)增加或減小AR,,引起電壓發(fā)生相應(yīng)的變化。導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的材料性能（電阻率P）、導(dǎo)體的尺寸（長(zhǎng)度L、橫截面A）、形狀以及導(dǎo)體的溫度等因素有關(guān)。如果導(dǎo)體的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，橫截面為A，電阻率為P，那么它的電阻值R可表示為R=P—A由式可見，在勻質(zhì)導(dǎo)體中，電阻與其長(zhǎng)度成正比。2） 連接電路圖：常見的旋轉(zhuǎn)式變阻器和滑線式變阻器，可作為角位移和線位移測(cè)量的電阻式傳感器。位移的變化通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)改變電阻器滑臂的位置，從而改變了a、b端的電阻值Rab，如下圖所示：

圖1位移圖1位移x與電阻Rab成正比這類傳感器通常是以電位計(jì)的形式接入測(cè)量電路，稱為電位計(jì)式傳感器。在c、b間接入電源U，在a、b間接入負(fù)載電阻Rl。+5V圖2圖2測(cè)量電路原理圖令x=Rab/R(即x=0時(shí)，Rab=0;x=1，Rab=R)得1+ —x(1-x)RL可見，輸出電壓（負(fù)載上的電壓）UL與位移x呈非線性關(guān)系。只有當(dāng)Rl=8時(shí)，輸出電壓UL與位移x間才是線性關(guān)系。3）輸出特性曲線:

圖3輸出特性曲線二?電渦流式位移傳感器1） 簡(jiǎn)述電渦流效應(yīng)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。而根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。2） 工作原理圖4電渦流式傳感器的基本原理如圖3.25所示，有一通以交變電流4的傳感器線圈。由于電流4的存在，線圈周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)H1。若被測(cè)導(dǎo)體置于該磁場(chǎng)范圍內(nèi)，導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流L，1也將產(chǎn)生一個(gè)新磁場(chǎng)H，H與H方向相反，力圖削弱原磁場(chǎng)H,2 2 1 1從而導(dǎo)致線圈的電感、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。這些參數(shù)變化與導(dǎo)體的幾何形

狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、線圈的幾何參數(shù)、電流的頻率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離有關(guān)，如果控制上述參數(shù)中一個(gè)參數(shù)改變就能構(gòu)成測(cè)量該參數(shù)的傳感器。圖5等效電路為分析方便，將被測(cè)導(dǎo)體上形成的電渦流等效為一個(gè)短路環(huán)中的電流。這樣，線圈與被測(cè)導(dǎo)體便等效為相互耦合的兩個(gè)線圈，如圖5所示。設(shè)線圈的電阻為R,電感為L(zhǎng),阻抗為Z=R+j3L；短路環(huán)的電阻為R，電感為L(zhǎng)；線圈與短路1 1 1 1 1 2 2環(huán)之間的互感系數(shù)為M。M隨它們之間的距離x減小而增大。加在線圈兩端的激?勵(lì)電壓為氣，可求得線圈受金屬導(dǎo)體渦流影響后的等效阻抗為:Z=RZ=R1+R2①2M2 +j①R2+(①L)2L1-L2①2M2R2+(①L)22 2(3-39)線圈的等效電感為:①2M2-L 2R22+(叫)2(3-40)由式(3-39)可見，由于渦流的影響，線圈阻抗的實(shí)數(shù)部分增大，虛數(shù)部分減小，因此線圈的品質(zhì)因數(shù)Q下降。阻抗由2】變?yōu)閆，常稱其變化部分為“反射阻抗”。由式(3-39)可得：L—2LiR①L—2Li— R Z2 I1 2 /(3-41)式中(3-41)式中Qo=°Li/Ri無(wú)渦流影響時(shí)線圈的Q值;Z2*；+°2L2——短路環(huán)的阻抗。Q值的下降是由于渦流損耗所引起，并與金屬材料的導(dǎo)電性和距離x直接有關(guān)。當(dāng)金屬導(dǎo)體是磁性材料時(shí)，影響Q值的還有磁滯損耗與磁性材料對(duì)等效電感的作用。在這種情況下，線圈與磁性材料所構(gòu)成磁路的等效磁導(dǎo)率七的變化將影響L。當(dāng)距離x減小時(shí)，由于七增大而使式(3-40)中之L1變大。測(cè)量電路電渦流傳感器常用的測(cè)量電路有電橋電路和諧振電路，阻抗Z的測(cè)量一般用電橋，電感L的測(cè)量電路一般用諧振電路。振藩罪A —1，—i—|2昏汛圖6電橋電路原理電橋法是將傳感器線圈的等效阻抗變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。上圖為電橋法的原理圖。圖中A,B兩線圈作為傳感器線圈。傳感器線圈與兩電容的并聯(lián)阻抗作為電橋的橋臂，起始狀態(tài)，使電橋平衡。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化，使電橋失去平衡，將電橋不平衡造成的輸出信號(hào)進(jìn)行放大并檢波，就可得到與被測(cè)量成正比輸出。電橋法主要用于兩個(gè)電渦流線圈組成的差動(dòng)式傳感器。諧振法是將傳感器線圈的等效電感的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，傳感器線圈與電容并聯(lián)組成LC并聯(lián)諧振回路u，其謝振頻率為，諧振時(shí)回路的等效阻抗最大，Z=L/RC，其中R為諧振回路等效電阻。當(dāng)線圈電感L發(fā)生變化時(shí)，賄賂的等效阻抗和謝振頻率都將隨L的變化而變化，因此可以利用測(cè)量回路阻抗的方法或測(cè)量回路謝振頻率的方法間接測(cè)出傳感器的被測(cè)值。由式(3-39)?(3-41)可知，線圈-金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的阻抗、電感和品質(zhì)因數(shù)都是該系統(tǒng)互感系數(shù)平方的函數(shù)。而互感系數(shù)又是距離x的非線性函數(shù)，因此當(dāng)構(gòu)成電渦流式位移傳感器時(shí),Z=fQLL'fQ)、Q=f/x)都是非線性函數(shù)。但在一

定范圍內(nèi)，可以將這些函數(shù)近似地用一線性函數(shù)來(lái)表示，于是在該范圍內(nèi)通過(guò)測(cè)量Z、L或Q的變化就可以線性地獲得位移的變化。4）輸出特性圖7輸出特性曲線三.霍爾式傳感器測(cè)位移1）霍爾效應(yīng)定義：金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象圖8霍爾效應(yīng)2）霍爾元件原理：由于運(yùn)動(dòng)電荷受磁場(chǎng)中洛侖茲力作用的結(jié)果，設(shè)在N型半導(dǎo)體薄片上通以

電流I,則半導(dǎo)體中的載流子（電子）沿著與電流方向相反運(yùn)動(dòng)（速度V）,由于在垂直于半導(dǎo)體薄片平面的方向上施加磁場(chǎng)B,所以電子受洛侖茲力的作用，向一邊偏轉(zhuǎn)（虛線所示），并使該邊形成電子積累，而另一邊則為正電荷積累，于是形成電場(chǎng)，該電場(chǎng)阻止運(yùn)動(dòng)電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)電場(chǎng)作用在運(yùn)動(dòng)電子上的力與洛侖茲力相等時(shí)，電子的積累便達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，在薄片兩橫斷面之間建立電場(chǎng)，相應(yīng)的電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)。V=RIBHHdRh—霍爾系數(shù)（嵯）其中:I—控制電流（￡?；）其中:B-磁感應(yīng)強(qiáng)度0）d-元件厚度（m）IBneb其中:5其中:5:厚度n:電子濃度e:電荷量另 Kh=1（ne5）貝VEh=KhIBR=PRp—載流體電阻率R-載流子遷移率（N型半導(dǎo)體的較大，很高。所以，RH大。）另Kh=RHd （Km2AWb）霍爾元件靈敏度。3）連接電路圖:圖9測(cè)量電路

圖9測(cè)量電路4)輸出特性線:圖104)輸出特性線:圖10輸出特性霍爾靈敏系數(shù)Kh在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度作用下，霍爾器件輸出端的開路電壓，稱為霍爾靈敏系數(shù)Kh,霍爾靈敏系數(shù)Kh的單位為V/(AT)。四.差動(dòng)式位移傳感器差動(dòng)變壓器原理：差動(dòng)變壓器式傳感器，簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器(LinerVariableDifferentialTransformer簡(jiǎn)稱LVDT),它是一個(gè)有可動(dòng)鐵芯和兩個(gè)次級(jí)線圈的變壓器。傳感器的可動(dòng)鐵芯和待測(cè)物相連，兩個(gè)次級(jí)線圈接成差動(dòng)形式，可動(dòng)鐵芯的位移利用線圈的互感作用轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化，從而得到待測(cè)位移。由差動(dòng)變壓器的靈敏度表達(dá)式KUU』K=sc=^s^.2A8 SN0 1可知，傳感器的靈敏度將隨電源電壓Usr和變壓比N2/N1的增大而提高，隨起始間隙增大而降低。一般情況下取N2/N1=1~2,太大時(shí)，次級(jí)線圈的輸出阻

抗過(guò)高，易受外部干擾的影響。必須注意，位移量要限制在一定范圍內(nèi)，50一般在0.5mm左右。50過(guò)大，靈敏度要降低，而且邊緣磁通將增大到不能忽略的程度，從而使非線性增大。在實(shí)際輸出特性中，當(dāng)50=0時(shí)，還存在著零位電壓U0。2）連接電路:(b)(b)3）測(cè)量電路差動(dòng)變壓器的輸出電壓是調(diào)幅波，為了辨別銜鐵的移動(dòng)方向，需要進(jìn)行解調(diào)。下圖為解調(diào)電路：差動(dòng)相敏檢波電路。解調(diào)電路可以消減零位電壓，減少測(cè)量誤差。圖12差動(dòng)相敏檢波電路容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。圖中調(diào)制電壓er和e同頻，經(jīng)過(guò)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。當(dāng)鐵芯在中間時(shí),e=0,只有er起作用，輸出電壓UCD=0。若鐵芯上移，e尹0,設(shè)e和er同相位，由于er>>e,故er正半周時(shí)D1、D2仍導(dǎo)通，但D1回路內(nèi)總電勢(shì)為er+1/2e，而D2回路內(nèi)總電勢(shì)為er—1/2e，故回路電流i1>i2輸出電壓UCD=R0(i1-i2)>0。當(dāng)er負(fù)半周時(shí)，由于e和er同相位，故而i4>i3,UCD=R0(i4-i3)>0，因此鐵芯上移時(shí)輸出電壓UCD>0。當(dāng)鐵芯下移時(shí)，e和er相位相反。同理可得UCD<0。由此可見，該電路能判別鐵芯移動(dòng)的方向。輸出特性圖13等效電路被測(cè)體帶動(dòng)移動(dòng):仇d圖14圖13等效電路被測(cè)體帶動(dòng)移動(dòng):仇d圖14變隙式差動(dòng)變壓器輸出特性1理想特性；2實(shí)際特性靈敏度差動(dòng)變壓器的靈敏度隨電源電壓U和變壓比W2/W1的增大而提高，隨初始?xì)庀对龃蠖档?。增加次?jí)匝數(shù)W2與增大激勵(lì)電壓U將提高靈敏度。圖15 激勵(lì)頻率與靈敏度的關(guān)系圖16激勵(lì)電壓與靈敏度的關(guān)系五.比較幾種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)及改善傳感器名稱優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)改善方法電位器式位移傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高適用范圍廣?？垢蓴_力強(qiáng)高穩(wěn)定度的直流電源易于獲得傳感器至測(cè)量?jī)x表的連線導(dǎo)線的分布參數(shù)影響小對(duì)被測(cè)量物體的物理特性要求高測(cè)量位移的線性范圍受到傳感器線圈直徑的限制適用范圍窄后續(xù)要采用直流放大器，容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，線路也比較復(fù)雜使用電阻范圍廣，且阻值變化小的電位器

電渦流式位移傳感器測(cè)量范圍寬，可靠性好，靈敏度高結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反應(yīng)速度快可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量抗干擾能力強(qiáng)壽命長(zhǎng)，可在各種惡劣條件下使用不能在強(qiáng)電，磁場(chǎng)中測(cè)量