位移檢測(cè)傳感器

位移檢測(cè)傳感器2023/1/171第一頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

位移分為線位移和角位移兩種，測(cè)量位移的常用方法有機(jī)械法、光測(cè)法和電測(cè)法。電測(cè)法是利用各種傳感器將位移量轉(zhuǎn)換成電量或電參數(shù)，再經(jīng)后接測(cè)量?jī)x器進(jìn)一步變換完成對(duì)位移檢測(cè)的一種方法。位移測(cè)試系統(tǒng)由傳感器、變換電器、顯示裝置或記錄儀器三部分組成。常用位移傳感器有電阻式、電容式、渦流式、壓電式、感應(yīng)同步式、磁柵式、光電式等。2023/1/172第二頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)參量型位移傳感器

工作原理：將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成電參數(shù)，即電阻、電容或電感。

一、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(zhǎng)度（m）S—導(dǎo)體橫截面積（m2）。改變其中任一參數(shù)均可使電阻值發(fā)生變化。電位計(jì)和應(yīng)變片就是根據(jù)這一原理制成的。2023/1/173第三頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

電位計(jì)通常由截面相等的骨架、繞于骨架上的電阻絲線圈（電阻元件）和沿電位器移動(dòng)的電刷等部分組成。電刷相對(duì)電阻元件可作直線運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)或螺旋運(yùn)動(dòng)，將直線位移、角位移成比例地轉(zhuǎn)換成電阻量的變化（線性），非線性電位計(jì)可將線位移和轉(zhuǎn)角變換成與之成某種函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。電位計(jì)的電阻有線繞電阻、薄膜電阻、導(dǎo)電塑料（有機(jī)實(shí)芯）電阻等。

2023/1/174第四頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

1.線性電位計(jì)的空載特性

線性電位計(jì)單位長(zhǎng)度(或轉(zhuǎn)角)的電阻值為常數(shù)。

如圖，有：R/L=RX/X則：KR——電位計(jì)的電阻靈敏度（Ω/m

）電位計(jì)的空載電壓為：Ku——電位計(jì)的電壓靈敏度（V/m）

電位計(jì)結(jié)構(gòu)及電源電壓一定時(shí),KR和Ku為常數(shù).2023/1/175第五頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

實(shí)際線繞電位計(jì)的電刷移動(dòng)時(shí)，每移動(dòng)一匝線圈使其阻值和輸出電壓產(chǎn)生一次跳躍，其輸出空載特性不是直線，而呈階梯狀，稱為階梯特性。線繞電位計(jì)的階梯特性限制了其精度和分辨力。階梯誤差由線繞電位計(jì)的匝數(shù)決定,線徑越小,同樣長(zhǎng)度的骨架所繞的線圈匝數(shù)越多，階梯誤差越小,分辨力越高。

對(duì)角位移式電位器來(lái)說(shuō)，Uo與電刷的旋轉(zhuǎn)角度成正比：2023/1/176第六頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

2.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，其空載特性為一條曲線，其電阻靈敏度KR=dR/dX，電壓靈敏度KU=dU0/dX均為變量，其值與電刷位移X有關(guān)。最大階梯誤差發(fā)生在特性曲線斜率最高處。非線性電位計(jì)的結(jié)構(gòu)形式有變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式和電位給定式等。2023/1/177第七頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

考題分析：

1.電位計(jì)式位移傳感器，其后接測(cè)量?jī)x器的輸入電阻對(duì)傳感器的輸出特性有何影響？如何減小這個(gè)影響？（并聯(lián)分流，產(chǎn)生測(cè)量誤差，應(yīng)使R輸入》R傳）

2.設(shè)一圓型截面繞線式位移傳感器的線圈半徑為5mm，共繞制了100圈，線圈總電阻為1K，則傳感器的靈敏度為多大？（1/πΩ/mm）

3.繞線式線性電位計(jì)式位移傳感器每厘米繞制200圈，所以分辨力為0.05毫米。2023/1/178第八頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

4.圖示為某電位計(jì)式位移傳感器的檢測(cè)電路。E=10V，R0=10K，AB為線性電位計(jì)，總長(zhǎng)度為150mm，總電阻為30K，C點(diǎn)為電刷位置。（1）計(jì)算輸出電壓U0=0V時(shí)的位移X；(100mm)

（2）當(dāng)位移X的變化范圍為10——140mm時(shí)，計(jì)算輸出電壓U0的范圍。(-6V—2.67V)ER0

2R0ACBU0x2023/1/179第九頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

二、電阻應(yīng)變式位移傳感器

工作原理：將被測(cè)位移引起的應(yīng)變?cè)a(chǎn)生的應(yīng)變，經(jīng)后續(xù)電路變換成電信號(hào)輸出，從而測(cè)出被測(cè)位移。電阻應(yīng)變式位移傳感器基本結(jié)構(gòu)見教材P15圖2-4。第四章詳細(xì)介紹。2023/1/1710第十頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

三、電容式位移傳感器平行板的間距d遠(yuǎn)小于平行板的尺寸時(shí)，邊緣效忽略。平行板電容器的容量：式中：ε——極板間介質(zhì)的介電常數(shù)（F/m），εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，ε0=8.85×10-12（F/m），真空介電常數(shù)；

S——極板面積（m2）；δ——極板間距（m）。

固定三個(gè)參量中的任意兩個(gè)，可以做成變極距式、變面積式和變介電常數(shù)式電容位移傳感器。+-δS平行板電容器電力線2023/1/1711第十一頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日分類示意圖

c)介質(zhì)變化型b)面積變化型:角位移型,平面線位移型,柱面線位移型.++++++a)極距變化型;+++2023/1/1712第十二頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

1.變極距式電容傳感器

當(dāng)動(dòng)極板受被測(cè)物體作用引起位移時(shí)，改變了兩極板之間的距離δ，從而使電容量發(fā)生變化。變極距式電容位移傳感器具有較高的靈敏度，但電容變化與極距變化之間為非線性關(guān)系。

2023/1/1713第十三頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日變極距式電容傳感器的特性曲線

從圖中可以看到，當(dāng)變極距式電容傳感器的初始極距δ0較小時(shí)，它的測(cè)量范圍變大還是變??？為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)δ0小些還是大些？

a）

結(jié)構(gòu)示意圖b）電容量與極板距離的關(guān)系1—定極板2—?jiǎng)訕O板

δΔδ2Δδ1δ2023/1/1714第十四頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

設(shè)極板間的初始距離為δ0時(shí)，電容量為C0：

當(dāng)極板間的距離減小Δδ時(shí)，電容量為C：電容的增量為：

2023/1/1715第十五頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

當(dāng)Δδ/δ0?1時(shí)，在小位移時(shí)，電容位移傳感器的靈敏度為：變極距式電容位移傳感器只適用于小位移的測(cè)量。

2023/1/1716第十六頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

為提高靈敏度，改善線性度，可采用差動(dòng)電容傳感器。當(dāng)動(dòng)極板處于平衡位置時(shí)，d1=d2=do，則C1=C2=Co，ΔC=C1-C2=0；當(dāng)動(dòng)極板右移⊿d時(shí)，d1=do-⊿d,d2=do+⊿d，電容總的相對(duì)變化為

采用差動(dòng)傳感器，靈敏度提高了一倍，非線性誤差大大減小。2023/1/1717第十七頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

2.變面積式電容傳感器

圖a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，極板1為動(dòng)極板，可左右移動(dòng)；極板2為定極板，固定不動(dòng)。當(dāng)位移x=0時(shí)，兩極板完全重合，此時(shí)電容量為：

當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)x后，電容為：靈敏度為：2023/1/1718第十八頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。2.變面積式電容傳感器

平板結(jié)構(gòu)對(duì)極距變化特別敏感，測(cè)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)際中最常用的結(jié)構(gòu)。單組式差動(dòng)式2023/1/1719第十九頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

圖b是同心圓筒形位移傳感器。外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)位移x=0時(shí)，電容量為：2.變面積式電容傳感器當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)x時(shí)，電容量為：則：靈敏度為：2023/1/1720第二十頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

2.變面積式電容傳感器

圖c是角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2的軸由被測(cè)物體帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)

角度時(shí)，兩極板的遮蓋面積減小，電容量減小。當(dāng)θ=0時(shí)，電容量為

當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)θ后，其電容為：靈敏度為：2023/1/1721第二十一頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日變面積式電容傳感器的特性

變面積式電容傳感器的輸出特性是線性的，靈敏度是常數(shù)，但靈敏度較低。這一類傳感器多用于檢測(cè)直線位移、角位移、尺寸等參量。

2023/1/1722第二十二頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

3.變介電常數(shù)式

在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，由于各種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以電容器的電容量也就不同。變介電常數(shù)式電容傳感器可作為測(cè)量液面高度的電容式液位計(jì)使用，還可用于測(cè)量厚度、介值的濕度和溫度等。2023/1/1723第二十三頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日xh2r2Rε1ε2類型1:電容式液位計(jì)

被測(cè)液體的液面在電容式傳感器元件的兩同心同柱型電極間變化時(shí)，引起極間不同介電常數(shù)的高度發(fā)生變化，導(dǎo)致電容的改變。ε1－空氣中介電常數(shù)；ε2－液體介質(zhì)介電常數(shù)；

h－電極板總長(zhǎng)度（m）；

r－內(nèi)電極板外徑（m）；R－外電極板內(nèi)徑（m）；

x－液面高度（m）。當(dāng)液面高度X=0時(shí)，電容為：

2023/1/1724第二十四頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

液面高度為X時(shí)的電容為：

可得：

電容式液位計(jì)具有線性輸出特性。靈敏度為：2023/1/1725第二十五頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日電容式液位計(jì)

棒狀電極（金屬管）外面包裹聚四氟乙烯套管，當(dāng)被測(cè)液體的液面上升時(shí)，引起棒狀電極與導(dǎo)電液體之間的電容變大。

聚四氟乙烯外套2023/1/1726第二十六頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

表幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)

在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時(shí)，哪一種情況下的電容量大？可以用于測(cè)量什么非電量？介質(zhì)厚度、濕度等。2023/1/1727第二十七頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日變介質(zhì)電容位移傳感器氣隙極板面積類型2：電容器的極板間插入某種介質(zhì)

(1)若插入介質(zhì)的厚度d保持不變，相對(duì)介電常數(shù)εr改變（如濕度變化），可做成濕度傳感器；(2)若εr不變，可做成測(cè)厚傳感器.(3)電容C與介質(zhì)厚度d及介電常數(shù)εr均為非線性關(guān)系.2023/1/1728第二十八頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

4.容柵傳感器——測(cè)量大位移

容柵傳感器是基于變面積工作原理的新型電容傳感器，它的電極排列如同柵狀,分為長(zhǎng)容柵和圓容柵兩種。長(zhǎng)容柵傳感器用于直線位移的測(cè)量，圓容柵傳感器用于角位移的測(cè)量。容柵傳感器由于多極電容及平均效應(yīng)，所以分辨力高、精度高、量程大，適用于大位移測(cè)量。2023/1/1729第二十九頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日容柵傳感器工作原理

一個(gè)極板由均勻排列電極的定柵組成，另一極板由一對(duì)相同尺寸的交錯(cuò)對(duì)插動(dòng)?xùn)艑?duì)組成。運(yùn)行時(shí)，兩電極柵片相對(duì)安裝，其中暗區(qū)域是兩電極柵的重疊面積，從而形成一對(duì)隨位移反向變化的差動(dòng)電容C1和C2。將電容極板刻成柵狀提高了測(cè)量精度并實(shí)現(xiàn)了大位移測(cè)量。定柵動(dòng)?xùn)艑?duì)2023/1/1730第三十頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

n——可動(dòng)容柵的柵極數(shù)；a，b——柵極片長(zhǎng)度和寬度測(cè)量位移時(shí)，動(dòng)?xùn)排c定柵相覆蓋的寬度發(fā)生變化，其電容量隨之變化。根據(jù)所測(cè)電容量的變化可知位移的變化量。

忽略電容邊緣效應(yīng)，長(zhǎng)容柵最大電容量為：2023/1/1731第三十一頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日片狀圓容柵r2,r1——圓盤柵極片外半徑和內(nèi)半徑α——每條柵極片對(duì)應(yīng)的圓心角（rad）2023/1/1732第三十二頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日柱狀圓容柵2023/1/1733第三十三頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日各種容柵測(cè)量裝置2023/1/1734第三十四頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日各種容柵數(shù)顯卡尺2023/1/1735第三十五頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日5.電容式位移傳感器的絕緣和屏蔽

電容傳感器容量較?。╬F），本身容抗很大，其絕緣電阻視為電容傳感器的旁路電阻。若絕緣材料性能不佳，會(huì)使電容傳感器產(chǎn)生零位漂移。要求其絕緣材料具有高絕緣電阻、低膨脹系數(shù)，幾何尺寸穩(wěn)定和低吸潮性。使用時(shí)，電容傳感器及其引線應(yīng)采取屏蔽措施：置于金屬殼內(nèi)，接地應(yīng)可靠。以消除寄生電容和外界靜電場(chǎng)及交變磁場(chǎng)的干擾。2023/1/1736第三十六頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日思考題：

1.有一變極距型電容傳感器，兩極板的重合面積為8cm2，兩極板間的距離為1mm，已知空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1.0006，試計(jì)算該傳感器的位移靈敏度。

2.一電容測(cè)微儀，其傳感器的圓形極板半徑r=4mm，工作初始間隙δ=0.3mm，問(wèn)：(1）工作時(shí)，如果傳感器的工作間隙變化量Δδ=±1μm時(shí)，電容變化量是多少？(2）如果測(cè)量電路的靈敏度S1=100mV/pF，讀數(shù)儀表的靈敏度S2=5格/mV，在Δδ=±1μm時(shí)，讀數(shù)儀表的指示值變化多少格？2023/1/1737第三十七頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日四、電感式位移傳感器

電感式位移傳感器基于電磁感應(yīng)原理將被測(cè)物理量位移轉(zhuǎn)換成自感L或互感M的變化，并通過(guò)測(cè)量電感量的變化確定位移量。電感式位移傳感器有自感式、互感式、渦流式和壓磁式等。其輸出功率大、靈敏度高、穩(wěn)定性好，應(yīng)用廣泛。凡可轉(zhuǎn)換成位移的物理量如壓力、振動(dòng)等均可測(cè)量。2023/1/1738第三十八頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日1.電感傳感器的基本工作原理N匝的線圈通以交變電流i時(shí)，產(chǎn)生磁通φm則自感L(H)為:L=Nφm/i(繞了類似R=U/I)

根據(jù)磁路歐姆定律：

φm=Ni/Rm

式中，R——磁阻（H-1）。則：L=Nφm/i=N2/Rm

磁阻包括鐵心、銜鐵和氣隙中的磁阻。

2023/1/1739第三十九頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)材料確定后，自感L是氣隙厚度和氣隙導(dǎo)磁截面積的函數(shù)。2023/1/1740第四十頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

螺管式電感傳感器是在線圈中插入圓柱形銜鐵，當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，磁路磁阻隨著銜鐵插入深度的不同而變化，自感量相應(yīng)發(fā)生變化。變氣隙型傳感器變截面型傳感器

2.自感傳感器的基本類型2023/1/1741第四十一頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日自感式電感傳感器常見的形式

變隙式變截面式螺線管式

2023/1/1742第四十二頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日(1)變氣隙式自感傳感器

氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻

L與δ之間是非線性關(guān)系。

磁路總的磁阻為

線圈的電感為

2023/1/1743第四十三頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日變隙式電感傳感器L-δ特性：與電容傳感器類似。

為了提高其靈敏度，增大線性工作范圍，減小非線性誤差，采用差動(dòng)電感式位移傳感器。2023/1/1744第四十四頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日差動(dòng)電感傳感器的特點(diǎn)

在變隙式差動(dòng)電感傳感器中，當(dāng)銜鐵隨被測(cè)量移動(dòng)而偏離中間位置時(shí)，兩個(gè)線圈的電感量一個(gè)增加，一個(gè)減小，形成差動(dòng)形式。

1-差動(dòng)線圈2-鐵心3-銜鐵4-測(cè)桿5-工件

2023/1/1745第四十五頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日差動(dòng)電感傳感器的特點(diǎn)

曲線1、2為L(zhǎng)1、L2的特性，3為差動(dòng)特性

差動(dòng)式電感傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)稱，對(duì)外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測(cè)量誤差。

從曲線圖可以看出，差動(dòng)式電感傳感器的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動(dòng)式電感傳感器的兩倍。2023/1/1746第四十六頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日3.改善性能考慮的因素

(1)損耗問(wèn)題:自感線圈不是一個(gè)純電感，除了電感量L之外，還存在線圈的銅耗、鐵心的渦流及磁滯損耗。

（2）氣隙邊緣效應(yīng)問(wèn)題：使輸出特性有所變化，需修正。（3）溫度誤差：需加以補(bǔ)償。（4）差動(dòng)式電感位移傳感器的零點(diǎn)剩余電壓?jiǎn)栴}：使用時(shí)后續(xù)電路上需采取補(bǔ)償措施。2023/1/1747第四十七頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日2.互感式位移傳感器——差動(dòng)變壓器式

單相變壓器有一個(gè)一次線圈（初級(jí)線圈），有若干個(gè)二次線圈（次級(jí)線圈）?；ジ惺轿灰苽鞲衅靼驯粶y(cè)位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次線圈間的互感量M的變化的裝置。當(dāng)一次線圈加上交流激磁電壓Ui后，將在二次線圈中產(chǎn)生與互感M成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)線圈間的互感量M變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)變化。由于兩個(gè)二次線圈采用差動(dòng)接法，故稱為差動(dòng)變壓器。目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是螺線管式差動(dòng)變壓器。2023/1/1748第四十八頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日差動(dòng)變壓器式傳感器的等效電路

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩個(gè)二次線圈反向串聯(lián)，組成差動(dòng)輸出形式。

差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)原理如圖。在線框上繞有一組一次線圈；在同一線框的上端和下端再繞制兩組完全對(duì)稱的二次線圈，它們反向串聯(lián)，組成差動(dòng)輸出形式。圖中標(biāo)有黑點(diǎn)的一端稱為同名端，即線圈的“頭”。

2023/1/1749第四十九頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日差動(dòng)變壓器式傳感器的工作原理

當(dāng)鐵心處于中間對(duì)稱位置時(shí)，M1=M2=M，互感電動(dòng)勢(shì)E1=E2=-Mdi/dt，故輸出電壓E0=E1-E2=0，此為鐵心的原始平衡位置，即零位。若鐵心上移，則M1>M2，互感電動(dòng)勢(shì)E1>E2，故輸出電壓E0與E1同相位，大小與鐵心位移成線性關(guān)系；若鐵心下移，則相反。鐵心偏離零位上、下移動(dòng)的距離和方向的信息，反映在二次側(cè)線圈輸出電動(dòng)勢(shì)E0的幅值和相位之中。將其進(jìn)行放大和相敏檢波，即可得到被測(cè)位移x的變化。2023/1/1750第五十頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

當(dāng)二次側(cè)線圈不對(duì)稱、一次線圈銅損電阻的存在、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間有分布電容等均會(huì)造成鐵心處于零位時(shí)，其輸出不為零，即存在零點(diǎn)殘余電壓，造成測(cè)量誤差。應(yīng)進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整。差壓變送器式電感位移傳感器的測(cè)量精度高，分辨力可達(dá)0.1μm，線性范圍大，能達(dá)250mm，穩(wěn)定性好，使用方便，可用于直線位移、角位移及能轉(zhuǎn)換成位移的壓力、重量、膨脹等機(jī)械量的測(cè)量。2023/1/1751第五十一頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日3.渦流式位移傳感器

渦流式位移傳感器利用電渦流效應(yīng)將被測(cè)量變換成傳感器線圈阻抗Z變化進(jìn)行測(cè)量。塊狀金屬置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，稱為渦流。這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。

2023/1/1752第五十二頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日電渦流效應(yīng)演示(高頻反射式)在靠近金屬板的電感線圈L1中接入高頻電源時(shí)，將產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)H1。如金屬板置于該交變磁場(chǎng)范圍內(nèi)時(shí)，金屬板內(nèi)就產(chǎn)生電渦流i2。i2會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與H1方向相反的新磁場(chǎng)H2，因而抵消部分原磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生改變。

渦流的大小與金屬體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度t及線圈與金屬體的距離x、線圈的激勵(lì)電流i、角頻率ω有關(guān)。2023/1/1753第五十三頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日渦流位移傳感器在金屬體上產(chǎn)生的電渦流，其滲透深度的并不是均勻分布的，與傳感器線圈的激勵(lì)電流的頻率有關(guān)，頻率f越高，電渦流滲透的深度就越淺。據(jù)此，渦流位移傳感器主要分為高頻反射和低頻透射兩類，高頻反射式應(yīng)用較為廣泛。

2023/1/1754第五十四頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日（1）高頻反射型渦流傳感器

檢測(cè)深度與激勵(lì)源頻率有何關(guān)系？

電渦流線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)表達(dá)式為：Z=R+jωL=f（i1、f、、ρ

、t、x）

如果控制上式中的i1、f、、ρ、t不變，電渦流線圈的阻抗Z就成為哪個(gè)非電量的單值函數(shù)？屬于接觸式測(cè)量還是非接觸式測(cè)量？

2023/1/1755第五十五頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日（2）高頻反射型渦流傳感器結(jié)構(gòu)及特性

電渦流探頭外形交變磁場(chǎng)2023/1/1756第五十六頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日電渦流探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1—電渦流線圈2—探頭殼體3—?dú)んw上的位置調(diào)節(jié)螺紋4—印制線路板5—夾持螺母6—電源指示燈

7—閾值指示燈8—輸出屏蔽電纜線9—電纜插頭

2023/1/1757第五十七頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日CZF-1系列傳感器的性能

分析上表請(qǐng)得出結(jié)論：探頭的直徑與測(cè)量范圍及分辨力之間有何關(guān)系？

2023/1/1758第五十八頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日（3）基本轉(zhuǎn)換電路

a.交流電橋橋路輸出電壓幅值隨傳感器線圈阻抗變化而變化。

b.諧振測(cè)幅電路傳感器等效電感L和固定電容組成諧振電路，諧振頻率源極跟蹤器交流放大器檢波濾波器xVDC振蕩器RC0L2023/1/1759第五十九頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

石英晶體振蕩器向L和C0組成的并聯(lián)諧振回路提供頻率及振幅穩(wěn)定的高頻激勵(lì)信號(hào)，它相當(dāng)于一個(gè)恒流源。當(dāng)無(wú)金屬導(dǎo)體時(shí)(金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離電渦流探頭)，諧振頻率為回路的固有頻率，這時(shí)諧振回路的阻抗最大，輸出電壓最大。當(dāng)被測(cè)金屬導(dǎo)體靠近電渦流探頭時(shí)