檢測(cè)技術(shù)及儀表-課程設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及儀表課程設(shè)計(jì)位移傳感器學(xué) 號(hào)： 姓 名： 班 級(jí)： 指導(dǎo)老師： 昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院 2013年1月目錄 = 1 * CHINESENUM3 一、摘要 1 = 2 * CHINESENUM3 二、位移傳感器的工作原理及組成結(jié)構(gòu) 2電感式位移傳感器 2電容式位移傳感器 2電渦流式位移傳感器 3霍爾式位移傳感器 3光纖位移傳感器 4 = 3 * CHINESENUM3 三、測(cè)量電路原理圖電感式位移傳感器測(cè)量原理圖 5電容式位移傳感器測(cè)量原理圖 5電

2、渦流式位移傳感器測(cè)量原理圖 5霍爾式位移傳感器測(cè)量原理圖 6光纖位移傳感器測(cè)量原理圖 6四、傳感器的應(yīng)用分析 7五、總結(jié) 10六、參考資料 11 = 1 * CHINESENUM3 一、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(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電量。在生產(chǎn)過程中，位移的測(cè)量一般分為測(cè)量實(shí)物尺寸和機(jī)械位移兩種。按被測(cè)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

3、傳感器的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是便于將信號(hào)直接送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這種傳感器發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛。 = 2 * CHINESENUM3 二、位移傳感器的工作原理及組成結(jié)構(gòu)1.電感式位移傳感器 = 1 * GB4 工作原理：電感式位移傳感器是一種屬于金屬感應(yīng)的線性器件，接通電源后，利用電感元件把被測(cè)位移量的變化轉(zhuǎn)化成電感的自感系數(shù)L，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)。為提高自感式傳感器的靈敏度，增大傳感器的線性工作范圍，實(shí)際應(yīng)用中較多的是將兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的自感線圈組合在一起形成差動(dòng)式電感傳感器。 = 2 * GB4 組成結(jié)構(gòu)： 電感傳感器由線圈（線圈接交流電源）、鐵芯和銜鐵組成。在鐵芯和銜鐵之間有一個(gè)空氣隙，

4、空氣隙的厚度為。傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)生位移時(shí)，空氣隙的厚度或空氣隙的面積S發(fā)生改變，從而使電感量L發(fā)生變化。2. 電容式位移傳感器 = 1 * GB4 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(cè)量。原理圖為： = 2 * GB4 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

5、圓筒形。圓筒形傳感器不能用作改變極距的位移傳感器。3. 電渦流式位移傳感器 = 1 * GB4 工作原理：電渦流傳感器能靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測(cè)量被測(cè)金屬導(dǎo)體距探頭表面距離。它是一種非接觸的線性化計(jì)量工具。電渦流傳感器能準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)體（必須是金屬導(dǎo)體）與探頭端面之間靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的相對(duì)位移變化。在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械和往復(fù)式運(yùn)動(dòng)機(jī)械狀態(tài)分析，振動(dòng)研究、分析測(cè)量中，對(duì)非接觸的高精度振動(dòng)、位移信號(hào)，能連續(xù)準(zhǔn)確地采集到轉(zhuǎn)子振動(dòng)狀態(tài)的多種參數(shù)。如軸的徑向振動(dòng)、振幅以及軸向位置。電渦流傳感器以其長(zhǎng)期工作可靠性好、測(cè)量范圍寬、靈敏度高、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷中得到廣泛

6、應(yīng)用。 = 2 * GB4 組成結(jié)構(gòu)工作過程：當(dāng)被測(cè)金屬與探頭之間的距離發(fā)生變化時(shí)，探頭中線圈的Q值也發(fā)生變化，Q值的變化引起振蕩電壓幅度的變化，而這個(gè)隨距離變化的振蕩電壓經(jīng)過檢波、濾波、線性補(bǔ)償、放大歸一處理轉(zhuǎn)化成電壓（電流）變化，最終完成機(jī)械位移(間隙)轉(zhuǎn)換成電壓（電流）。由上所述，電渦流傳感器工作系統(tǒng)中被測(cè)體可看作傳感器系統(tǒng)的一半，即一個(gè)電渦流位移傳感器的性能與被測(cè)體有關(guān)。4. 霍爾式位移傳感器 = 1 * GB4 工作原理：保持霍耳元件的激勵(lì)電流不變，并使其在一個(gè)梯度均勻的磁場(chǎng)中移動(dòng)，則所移動(dòng)的位移正比于輸出的霍耳電勢(shì)。磁場(chǎng)梯度越大，靈敏度越高；梯度變化越均勻，霍耳電勢(shì)與位移的關(guān)系越接

7、近于線性?；舳轿灰苽鞲衅鞯膽T性小、頻響高、工作可靠、壽命長(zhǎng)，因此常用于將各種非電量轉(zhuǎn)換成位移后再進(jìn)行測(cè)量的場(chǎng)合?；魻栐侵咐没魻栃?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(shí)產(chǎn)生的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。5光纖位移傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理： 當(dāng)光纖探頭端部緊貼被測(cè)件時(shí),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(hào);當(dāng)被測(cè)表面逐漸遠(yuǎn)離光纖探頭時(shí),發(fā)射光纖照亮被測(cè)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

8、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(gè)線性增長(zhǎng)的輸出信號(hào); 當(dāng)整個(gè)接收光纖被全部照亮?xí)r,輸出信號(hào)就達(dá)到了位移-輸出信號(hào)曲線上的“光峰點(diǎn)”,光峰點(diǎn)以前的這段曲線叫前坡區(qū);當(dāng)被測(cè)表面繼續(xù)遠(yuǎn)離時(shí), 被反射光照亮的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(hào)逐漸減弱,進(jìn)入曲線的后坡區(qū)。 = 3 * CHINESENUM3 三、測(cè)量電路原理圖電感式位移傳感器：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：光纖位移傳感器：四、傳感器的應(yīng)用分析1.電容傳感器：把位移的變化換作電容的變化進(jìn)行制作的。適合高頻測(cè)量。 優(yōu)點(diǎn)：

9、它具有靈敏度高、能實(shí)現(xiàn)非接觸量的測(cè)量，而且可以在惡劣場(chǎng)合下工作。 缺點(diǎn)：輸出特性的非線性，對(duì)絕緣電阻要求比較高。對(duì)連接線纜有很高的要求，它要有屏蔽性能，而且最好選用高頻電源用來供電。 目前狀況，現(xiàn)在做的最好的電容式位移傳感器可以測(cè)量0.001 微米的位移，誤差非常小。電容式微位移傳感器近來被廣泛應(yīng)用于航空、航天及工業(yè)生產(chǎn)部門測(cè)量微小位移、微小尺寸以及測(cè)量振動(dòng)和壓力等各領(lǐng)域。目前，電容測(cè)微儀正朝著智能化、小型化及模塊化方向發(fā)展，其體積越來越小。用單片機(jī)或微機(jī)進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊及非線性誤差修正等工作，使其在功能、性能等方面有了較大的飛躍。電容式微位移傳感器，具有檢測(cè)范圍大、性能穩(wěn)定、靈敏度

10、高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于航空、航天及工業(yè)生產(chǎn)部門測(cè)量微小位移、微小尺寸以及測(cè)量振動(dòng)和壓力等各領(lǐng)域。2.電感傳感器：將測(cè)量量換作線圈自感或互感的變化的傳感器。線位移，角位移都可測(cè)。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，輸出信號(hào)比較大，因此有利于信號(hào)的傳輸。缺點(diǎn)：頻率響應(yīng)較低,不宜于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。常用的：1、變氣隙型中電感的變化與傳感器中活動(dòng)銜鐵的位移相對(duì)應(yīng)。 2、變面積型是用鐵芯與銜鐵之間重合面積的變化來反映位移。3、螺管型是銜鐵插入長(zhǎng)度的變化導(dǎo)致電感變化的原理。電感測(cè)微儀的硬件電路主要包括電感式傳感器、正弦波振蕩器、放大器、相敏檢波器及單片機(jī)系統(tǒng)。 正弦波振蕩器 為 電感式傳感器 和 相敏檢波器 提供了頻率和幅

11、值穩(wěn)定的激勵(lì)電壓. 正弦波振蕩器 輸出的信號(hào) 加到測(cè)量頭中。 工件的微小位移經(jīng)電感式傳感器的測(cè)頭帶動(dòng)兩線圈內(nèi)銜鐵移動(dòng)，使兩線圈內(nèi)的電感量發(fā)生相對(duì)的變化。 當(dāng)銜鐵處于兩線圈的中間位置時(shí)，兩線圈的電感量相等，電橋平衡。當(dāng)測(cè)頭帶動(dòng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，若上線圈的電感量增加，下線圈的電感量則減少。若上線圈的電感量減少，下線圈的電感量則增加。交流阻抗相應(yīng)地變化，電橋失去平衡從而輸出了一個(gè)幅值與位移成正比，頻率與振蕩器頻率相同，相位與位移方向相對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)放大，由 相敏檢波器 鑒出極性。 得到一個(gè)與銜鐵位移相對(duì)應(yīng)的 直流電壓信號(hào) 。A/D轉(zhuǎn)換器輸入到單片機(jī)。 經(jīng)過數(shù)據(jù)處理進(jìn)行顯示。3.電渦流式傳感器

12、：基于電渦流效應(yīng)，它的感應(yīng)參數(shù)是阻抗的變化，盡量使阻抗是位移的函數(shù)，它還與被測(cè)物體的形狀跟尺寸有關(guān)。量程一般在0 到80 毫米。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(duì)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(dòng)、軸向位移、鍵相器、軸轉(zhuǎn)速、脹差、偏心、以及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究和零件尺寸檢驗(yàn)等進(jìn)行在線測(cè)量和保護(hù)。脹差測(cè)量斜坡式脹差測(cè)量補(bǔ)償式脹差測(cè)量雙斜面脹差測(cè)量振動(dòng)測(cè)量軸位移測(cè)量軸心軌跡測(cè)量差動(dòng)測(cè)量動(dòng)力膨脹轉(zhuǎn)子動(dòng)平徑向運(yùn)動(dòng)分析轉(zhuǎn)速和相位差測(cè)試轉(zhuǎn)速測(cè)量表面不平整度測(cè)量裂痕測(cè)量非導(dǎo)電材料厚度測(cè)量金屬元件合格檢測(cè)軸承測(cè)量換向片測(cè)量4.霍

13、爾傳感器：直流穩(wěn)壓電源在出廠前及使用、修理后都必須對(duì)其性能指標(biāo)進(jìn)行檢定。目前，常用的計(jì)量檢定方法是采用手動(dòng)或半自動(dòng)化方法，其主要缺點(diǎn)是手段落后、效率低、速度慢、工作繁瑣，系統(tǒng)誤差較大。為此，我們可以采用霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器來取代傳統(tǒng)的交、直流電壓表以及交、直流電流表，設(shè)計(jì)一種直流穩(wěn)壓電源自動(dòng)計(jì)量檢定裝置，將它們的輸出信號(hào)經(jīng)A/D板采集后送至工控機(jī)處理，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)量檢定的自動(dòng)化。（一）線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測(cè)量。例如：1電流傳感器由于內(nèi)部存在磁場(chǎng)，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測(cè)量出磁場(chǎng)，從而確定導(dǎo)線中電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾。其是不與被

14、測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路，不消耗被測(cè)電源的功率，特別適合于大電流傳感。 霍爾電流傳感器工作原理如圖6所示，標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鐵芯有一個(gè)缺口，將霍爾傳感器插入缺口中，圓環(huán)上繞有線圈，當(dāng)電流通過線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，則霍爾傳感器有信號(hào)輸出。2位移測(cè)量?jī)蓧K永久磁鐵同極性相對(duì)放置，將線性型霍爾傳感器置于中間，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，這個(gè)點(diǎn)可作為位移的零點(diǎn)，當(dāng)霍爾傳感器在Z軸上作Z位移時(shí)，傳感器有一個(gè)電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移，便可測(cè)出拉力及壓力的大小，（二）開關(guān)型霍爾傳感器主要用于測(cè)轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、流速、接近開關(guān)、關(guān)門告知器、報(bào)警器、自動(dòng)控制電路等。在非磁性材料的圓盤邊上粘

15、一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就輸出一個(gè)脈沖，從而可測(cè)出轉(zhuǎn)數(shù)（計(jì)數(shù)器），若接入頻率計(jì)，便可測(cè)出轉(zhuǎn)速。如果把開關(guān)型霍爾傳感器按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在軌道上，當(dāng)裝在運(yùn)動(dòng)車輛上的永磁體經(jīng)過它時(shí)，可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈沖信號(hào)。根據(jù)脈沖信號(hào)的分布可以測(cè)出車輛的運(yùn)動(dòng)速度。光纖式傳感器：絕緣子污穢、磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測(cè)量。功能型傳感器是利用光纖本身的把光纖作為敏感元件, 被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制, 使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化, 再通過對(duì)被調(diào)制過的進(jìn)行解調(diào), 從而得出被測(cè)信號(hào)。光纖在其中

16、不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測(cè)量調(diào)制，多采用多模光纖。：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高，典型例子：、光纖水聽器等非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化, 光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，常采用單模光纖。光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測(cè)量調(diào)制。優(yōu)點(diǎn)：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)；比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)：靈敏度較低。實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，可以用來測(cè)量多種物理量，比如聲場(chǎng)、電場(chǎng)、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)難以完成的測(cè)量任務(wù)。在狹小的空間里，在強(qiáng)電磁干擾和高電壓的環(huán)境

17、里，光纖傳感器都顯示出了獨(dú)特的能力。目前光纖傳感器已經(jīng)有70多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。五、總結(jié)在對(duì)這次的課程設(shè)計(jì)報(bào)告的思考，制作和整理中，我又從中鞏固了很多關(guān)于位移傳感器的知識(shí)以及該傳感器的應(yīng)用及其現(xiàn)在的發(fā)展?fàn)顩r。首先是從設(shè)計(jì)題目的選題開始。傳感器在工業(yè)生產(chǎn)中是得到廣泛的應(yīng)用的，對(duì)于自動(dòng)化方面的學(xué)生的我們來說，傳感器的知識(shí)是必須要好好了解、學(xué)習(xí)和掌握的，所以定下該題目。其次就是對(duì)位移傳感器的原理的分析和討論。位移傳感器按照各種不同的標(biāo)準(zhǔn)或者要求是可以分為很多類型的，在此，我是選擇描述位移傳感器中應(yīng)用比較多比較廣泛的幾種位移傳感器進(jìn)行原理、參數(shù)等的分析的，其分別為：電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、電渦流式位移傳感器、霍爾式位移傳感器以及光纖位移傳感器。在這幾種位移傳感器中，光纖位移傳感器是最近幾年才開始興起和投入使用的，比起其他的位移傳感器而言，雖然其具有更多有娘特性，但被使用的范圍還不是特別廣泛。再者就是對(duì)個(gè)傳感器的使用方法及檢測(cè)原理圖的了解和掌握。由于各傳感器的原理和組成成分的不同，就導(dǎo)致了各傳感器多被測(cè)量的選擇和要求的不同。所以，只有在明白了原理和特性的基礎(chǔ)之上，才能很好地對(duì)傳感器進(jìn)行合適良好的選擇和使用。不管是在生產(chǎn)當(dāng)中還是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，無論是對(duì)哪一種傳感器的選擇使用當(dāng)中，都應(yīng)該遵循其測(cè)量的范圍和要求，不能夠用錯(cuò)誤的、不符合規(guī)定