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传感器测位移

一.前言

位移传感器，又称线性传感器，是利用各种元件检测对象物的物理变化量，通过将该变化量换算为距离，来测量从传感器到对象物的距离位移的机器。小位移通常用应变式，电感式，差动变压器式，涡流式，霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器，光栅，容栅，磁栅等传感技术来测量。本次着重于介绍电位器式位移传感器，电涡流式位移传感器，霍尔式位移传感器和差动式位移传感器

二?电位器式位移传感器

1） 电位器传感器原理：

电位器传感器的工作原理是基于电位器电阻可调，即调节滑片的位置时，它的电阻值相应发生变化。

利用电桥的平衡特性，当滑片移动AL时，电阻相应增加或减小AR,,引起电压发生相应的变化。

导体的电阻与导体的材料性能（电阻率P）、导体的尺寸（长度L、横截面A）、形状以及导体的温度等因素有关。如果导体的长度为L，横截面为A，电阻率为P，那么它的电阻值R可表示为

R=P—

A

由式可见，在匀质导体中，电阻与其长度成正比。

2） 连接电路图：

常见的旋转式变阻器和滑线式变阻器，可作为角位移和线位移测量的电阻式传感器。位移的变化通过机械机构改变电阻器滑臂的位置，从而改变了a、b端的电阻值Rab，如下图所示：

图1位移

图1位移x与电阻Rab成正比

这类传感器通常是以电位计的形式接入测量电路，称为电位计式传感器。在c、b间接入电源U，在a、b间接入负载电阻Rl。

+5V

图2

图2测量电路原理图

令x=Rab/R(即x=0时，Rab=0;x=1，Rab=R)得

1+ —x(1-x)

R

L

可见，输出电压（负载上的电压）UL与位移x呈非线性关系。只有当Rl=8时，输出电压UL与位移x间才是线性关系。

3）输出特性曲线:

图3输出特性曲线

二?电涡流式位移传感器

1） 简述电涡流效应

根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。

2） 工作原理

图4电涡流式传感器的基本原理

如图3.25所示，有一通以交变电流4的传感器线圈。由于电流4的存在，

线圈周围就产生一个交变磁场H1。若被测导体置于该磁场范围内，导体内便产生

电涡流L，1也将产生一个新磁场H，H与H方向相反，力图削弱原磁场H,

2 2 1 1

从而导致线圈的电感、阻抗和品质因数发生变化。这些参数变化与导体的几何形

状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间的距离有关，如果控制上述参数中一个参数改变就能构成测量该参数的传感器。

图5等效电路

为分析方便，将被测导体上形成的电涡流等效为一个短路环中的电流。这样，线圈与被测导体便等效为相互耦合的两个线圈，如图5所示。设线圈的电阻为R,电感为L,阻抗为Z=R+j3L；短路环的电阻为R，电感为L；线圈与短路

1 1 1 1 1 2 2

环之间的互感系数为M。M随它们之间的距离x减小而增大。加在线圈两端的激

?

励电压为气，可求得线圈受金属导体涡流影响后的等效阻抗为:

Z=R

Z=R1+R2

①2M2 +j①

R2+(①L)2

L1-L2

①2M2

R2+(①L)2

2 2

(3-39)

线圈的等效电感为:

①2M2-L

2R22+(叫)2

(3-40)

由式(3-39)可见，由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线圈的品质因数Q下降。阻抗由2】变为Z，常称其变化部分为“反射阻抗”。由式(3-39)可得：

L—2LiR①

L—2

L

i

—

R Z2 I

1 2 /

(3-41)式中

(3-41)式中Qo=°Li/Ri

无涡流影响时线圈的Q

值;

Z2*；+°2L2——短路环的阻抗。

Q值的下降是由于涡流损耗所引起，并与金属材料的导电性和距离x直接有关。当金属导体是磁性材料时，影响Q值的还有磁滞损耗与磁性材料对等效电感的作用。在这种情况下，线圈与磁性材料所构成磁路的等效磁导率七的变化将影响L。当距离x减小时，由于七增大而使式(3-40)中之L1变大。

测量电路

电涡流传感器常用的测量电路有电桥电路和谐振电路，阻抗Z的测量一般用电桥，电感L的测量电路一般用谐振电路。

振藩罪A —1，—i—|

2昏汛

图6电桥电路原理

电桥法是将传感器线圈的等效阻抗变化转换为电压或电流的变化。上图为电桥法的原理图。

图中A,B两线圈作为传感器线圈。传感器线圈与两电容的并联阻抗作为电桥的桥臂，起始状态，使电桥平衡。在进行测量时，由于传感器线圈的等效阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将