5.1+5.2 電位器式+電感式位移傳感器

5位移與物位傳感器

（DisplacementandLevelSensor）

飛機(jī)剛體位移+機(jī)翼剛體轉(zhuǎn)動+機(jī)體應(yīng)變位移（形變）飛行過程中的位移相關(guān)變化？剛體位移（rigid-bodymotion）剛體轉(zhuǎn)動（rotation）應(yīng)變位移（Straindeformation）剛性位移，相對位移不發(fā)生變化位移：物體(質(zhì)點(diǎn))的位置變化是位置的函數(shù)；相對位移，彈性體內(nèi)部點(diǎn)之間的相對位移發(fā)生改變。5位移與物位傳感器

5.1電位器式傳感器5.2電感式傳感器5.3電容式傳感器5.4超聲波傳感器5.5數(shù)字式位置傳感器5.6接近開關(guān)5.1電位器式位移傳感器一、電位器式傳感器的工作原理

5(5.1.1)5.1電位器式位移傳感器圖5.1.1（a）

電位器式線位移傳感器6圖5.1.1（b）

電位器式角位移傳感器5.1.2電位器式傳感器的特點(diǎn)電位器式傳感器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、精度高、輸出信號大、性能穩(wěn)定并容易實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)；其缺點(diǎn)是要求輸入能量大，電刷與電阻元件之間容易磨損、動態(tài)響應(yīng)慢、耐振動差；易磨損；對外來物敏感；不適合苛刻溫度環(huán)境。適合測量緩變物理量，可測量幾~幾百毫米（線）位移或0~3600角位移。5.1.3電位器式位移傳感器應(yīng)用汽車油量檢測儀5.1.3電位器式位移傳感器應(yīng)用5位移與物位傳感器

5.1電位器式傳感器5.2電感式傳感器5.3電容式傳感器5.4超聲波傳感器5.5數(shù)字式傳感器5.6接近開關(guān)5.2

電感式傳感器5.2.1自感式傳感器5.2.2差動變壓器式傳感器5.2.3電渦流式傳感器重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2023/9/2213電感傳感器的基本工作原理演示氣隙變小，電感變大，電流變小F工作原理

線圈自感Ψ——線圈總磁鏈,單位：韋伯；I——通過線圈的電流，單位：安培；W——線圈的匝數(shù)；Rm——磁路總磁阻，單位：1/亨。5.2.1自感式傳感器li——各段導(dǎo)磁體的長度；Ui——各段導(dǎo)磁體的磁導(dǎo)率；Si——各段導(dǎo)磁體的截面積；

δ——空氣隙的厚度；U0

——真空磁導(dǎo)率S——空氣隙截面積變氣隙型傳感器變截面型傳感器線圈中放入圓形銜鐵可變自感螺管型傳感器。上一頁返回下一頁a)氣隙型

b)截面型

c)螺管型自感式傳感器原理圖變隙式自感傳感器靈敏度上一頁返回下一頁對式（5.2.13）作線性化處理，忽略高階無窮小，可得：

非線性誤差變氣隙型電感傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，其主要缺點(diǎn)是線性范圍小，自由行程小，制造裝配困難，互換性差，因而限制了它的應(yīng)用δL（b）L-δ關(guān)系曲線變截面式自感傳感器傳感器氣隙長度保持不變，令磁通截面積隨被測非電量而變，設(shè)鐵芯材料和銜鐵材料的磁導(dǎo)率相同，則此變面積自感傳感器自感L為靈敏度變面積式自感傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條件下，輸入與輸出呈線性關(guān)系,因此可望得到較大的線性范圍。但是與變氣隙式自感傳感器相比，其靈敏度降低。上一頁返回下一頁SLL-S關(guān)系曲線螺線管式自感傳感器1-螺線管線圈Ⅰ；2-螺線管線圈Ⅱ；3-骨架；4-活動鐵芯

實(shí)際上由于線圈內(nèi)部的磁場是不均勻的，電感量的增量ΔL與△lc存在著非線性。但當(dāng)銜鐵的位移不大時，仍可將ΔL與△lc的關(guān)系近似看作是線性的。上一頁返回下一頁2023/9/2219差動電感傳感器的特點(diǎn)

在變隙式差動電感傳感器中，當(dāng)銜鐵隨被測量移動而偏離中間位置時，兩個線圈的電感量一個增加，一個減小，形成差動形式。

請分析：靈敏度、線性度有何變化曲線1、2為L1、L2

的特性，3為差動特性1-差動線圈2-鐵心3-銜鐵4-測桿5-工件

圖5.2.9電感電橋自感式傳感器的轉(zhuǎn)換電路

圖5.2.10差動自感式傳感器的變壓器電橋在實(shí)際測量時，△R／R0一般都很小，故要求電感線圈有較大的Q值。當(dāng)Q值很大時當(dāng)電感線圈的Q值較大時，2023/9/2221轉(zhuǎn)換電路若僅采用電橋電路和普通的檢波電路，則只能判別位移的大小，卻無法判別輸出的相位和位移的方向。如果在輸出電壓送到指示儀前，經(jīng)過一個能判別相位的檢波電路，則不但可以反映位移的大?。ǖ姆担€可以反映位移的方向（的相位）。這種檢波電路稱為相敏檢波電路。圖5.2.12相敏整流電橋電路原理圖2023/9/2222輸出特性曲線a）非相敏檢波b）相敏檢波1—理想特性曲線

2—實(shí)際特性曲線

1傳感器引線2鐵心套筒3磁芯4電感線圈5彈簧6防轉(zhuǎn)件7滾珠導(dǎo)軌8測桿9密封件10瑪瑙測端自感式位移傳感器螺線管式電感位移傳感器螺線管f194c-6v螺線管根據(jù)圖中給出的電流方向，標(biāo)出通電螺線管的N、S極電感式位移傳感器

電感式傳感器是利用改變磁路幾何尺寸、磁體位置來改變電感或互感的電感量或壓磁效應(yīng)原理制成的。主要用于位移、壓力、力、振動、加速度等參數(shù)的測量。5.2.2差動變壓器式傳感器

差動變壓器是把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換成線圈互感量的變化。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動的形式連接，故稱之為差動變壓器式傳感器。

變隙式變截面式 螺線管式(a)、(b)變隙式差動變壓器；(c)、(d)螺線管式差動變壓器；(e)、(f)變面積式差動變壓器上一頁返回下一頁直流差動變壓器式角位移傳感器-RVIT-15-120I角位移傳感器TD系列線性差動變壓器式位移傳感器變隙式差動變壓器當(dāng)一次側(cè)線圈接入激勵電壓后，二次側(cè)線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電壓輸出互感變化時，輸出電壓將作相應(yīng)變化上一頁返回下一頁兩個初級繞組的同名端順向串聯(lián)，而兩個次級繞組的同名端則反向串聯(lián)。當(dāng)沒有位移時，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個鐵芯的間隙為δa0=δb0=δ0兩個次級繞組的互感電勢相等，即e2a=e2b。由于次級繞組反向串聯(lián)，因此，差動變壓器輸出電壓當(dāng)被測體有位移時，與被測體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使δa≠δb兩次級繞組的互感電勢e2a≠e2b，輸出電壓

電壓的大小反映了被測位移的大小，通過用相敏檢波等電路處理，使最終輸出電壓的極性能反映位移的方向。1.工作原理上一頁返回下一頁１

工作原理１-活動銜鐵；２-導(dǎo)磁外殼；３-骨架；４-匝數(shù)為W1初級繞組；５-匝數(shù)為W2a的次級繞組；６-匝數(shù)為W2b的次級繞組上一頁返回下一頁螺線管式差動變壓器M1、M2——初級繞組與兩個次級繞組間的互感；L1、R1——初級繞組的電感和有效電阻；L21、L22——兩個次級繞組的電感；R21、R22——兩個次級繞組的有效電阻；I1②鐵芯上升時，M1=M+ΔM，M2=M-ΔM與U21同極性③鐵芯下降時，M1=M-ΔM，M2=M+ΔM①鐵芯處于中間位置時，M1=M2=M，U0=0與U22同極性圖5.3.6差動變壓器輸出電壓特性曲線上一頁返回下一頁轉(zhuǎn)換電路差動整流電路(a)TR0△X(b)TR0△X半波整流電壓輸出半波整流電流輸出（c）全波整流電壓電路T△xR0（d）全波整流電流輸出C5T△xR013684b2aCcd791011

容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。圖中比較電壓Ｕ0和Ｕ１同頻，經(jīng)過移相器使Ｕ0和Ｕ１保持同相或反相，且滿足Ｕ0＞＞Ｕ１。2．二極管相敏檢波電路D2i4u01u02-R+RLRD3D1D4RRT1T2i3+-U21U22-+-+UL圖4-17相敏檢波前后的輸出特性曲線x0ULx0UL（a）經(jīng)過相敏檢波電路后，正位移輸出正電壓，負(fù)位移輸出負(fù)電壓。差動變壓器的輸出經(jīng)過相敏檢波以后，特性曲線由下圖的（a）變成（b），殘存電壓自動消失。

（b）U0輸出x鐵芯N21N1N22rU1微小位移的測量1－測端2－防塵罩3－軸套4－圓片簧5－測桿6－磁筒7－磁芯8－線圈9－彈簧10－導(dǎo)線測量范圍為um~mm級；非線性度為0.1～0.5%；分辨力可達(dá)≤1μm差動變壓器式線性傳感器自感式螺旋測微器自感式/差動變壓器式傳感器的應(yīng)用1－測端2－防塵罩3－軸套4－圓片簧5－測桿6－磁筒7－磁芯8－線圈9－彈簧10－導(dǎo)線力/力矩的測量1－線圈2－銜鐵3－彈性元件優(yōu)點(diǎn)：承受軸向力時應(yīng)力分布均勻；當(dāng)長徑比較小時，受橫向偏心的分力的影響較小。62P71543差動變壓器式壓力傳感器螺線管式壓力傳感器壓力的測量差動變壓器式加速度傳感器

用于測定振動物體的頻率和振幅時其激磁頻率必須是振動頻率的十倍以上，才能得到精確的測量結(jié)果?？蓽y量的振幅為(0.1～5)mm，振動頻率為(0～150)Hz。

加速度a方向1211彈性支承2差動變壓器圖5.2.34差動變壓器式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖42電感式滾柱直徑分選裝置5.3.8滾柱直徑分選裝置

1—?dú)飧?—活塞3—推桿4—被測滾柱5—落料管6—電感測微器

7—鎢鋼測頭8—限位擋板9—電磁翻板10—容器（料斗）

2023/9/2243電感式滾柱直徑分選裝置（外形）

滑道分選倉位軸承滾子外形（參考中原量儀股份有限公司資料）44電感式輪廓儀

旁向式電感測微頭45電感式不圓度計(jì)原理該圓度計(jì)采用旁向式電感測微頭46Formtracer表面粗糙度、輪廓形狀一體機(jī)

（參考日本三豐Mitutoyo資料）旋轉(zhuǎn)盤電感式傳感器47高頻反射式渦流傳感器工作原理圖5.3.11渦流的產(chǎn)生5.2.3

電渦流式傳感器48渦流式傳感器的變換原理：利用導(dǎo)體在交流磁場中的渦流效應(yīng)。5.2.3

電渦流式傳感器渦流：成塊的金屬置于變化的磁場中，或者在固定磁場中運(yùn)動時，金屬導(dǎo)體內(nèi)就要產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的流線在金屬內(nèi)是閉合的，所以稱為渦流。①存在交變磁場；②導(dǎo)體處于交變磁場中。渦流產(chǎn)生的必要條件：圖5.2.36電渦流與激勵電流的關(guān)系曲線圖5.2.37電渦流密度軸向分布曲線圖5.2.41透射型電渦流式傳感器測量原理圖圖5.2.42感應(yīng)電勢與厚度關(guān)系曲線圖事實(shí)上，M中電渦流I2的大小，除了與M的厚度t有關(guān)外，還與M的電阻率ρ以及M的化學(xué)成分和物理狀態(tài)（特別是溫度）有關(guān)，由此引起相應(yīng)的誤差，并限制了測厚的范圍，但可以采用樣塊校正和恒溫的辦法進(jìn)行補(bǔ)償。線圈的等效阻抗Z是一個多元函數(shù)，可表示為圖5.2.39電渦流傳感器等效電路圖線圈的等效電阻為線圈的等效電感為線圈的等效Q值為轉(zhuǎn)換電路

圖5.2.42定頻調(diào)幅式測量電路組成原理框圖圖5.2.43并聯(lián)諧振回路諧振曲線圖5.2.44傳感器輸出電壓與諧振頻率的關(guān)系特性曲線圖5.2.46變頻調(diào)幅式測量電路原理框圖轉(zhuǎn)換電路

圖5.2.47調(diào)頻式測量電路的原理框圖振蕩器輸出的頻率信號通過高頻放大器放大和限幅器限幅后，可以直接送到計(jì)算機(jī)計(jì)數(shù)，也可以通過頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路（鑒頻器）轉(zhuǎn)換為電壓信號，再通過功率放大器放大后，送到顯示器顯示位移量，或由記錄儀記錄位移量。電渦流式傳感器電感式接近開關(guān)(非埋入式)

電感式接近開關(guān)（埋入式）線性度 0.25%F.S.重復(fù)性 0.1%F.S.響應(yīng)頻率25kHz材料 金屬防護(hù)等級 IP67eddyNCDT電渦流位移傳感器56渦流式傳感器主要用于位移、振動、轉(zhuǎn)速、距離、厚度等參數(shù)的測量。

由于渦流式傳感器測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)以及可以非接觸測量等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的各個領(lǐng)域。電渦流式傳感器的應(yīng)用高準(zhǔn)確度測位移相關(guān)參量要求：對象為導(dǎo)體；對象固定；逐點(diǎn)標(biāo)定；線性化處理；溫度補(bǔ)償；58位移測量

它可以用來測量各種形式的位移量。圖5.3.12是位移計(jì)測量示意圖。(a)為汽輪機(jī)主軸的軸向位移測量示意圖；(b)為磨床換向閥、先導(dǎo)閥的位移測量示意圖，(c)為金屬試件的熱膨脹系數(shù)測量示意圖。圖5.3.12位移計(jì)測量示意圖1-被測件；2-傳感器探頭59測量注塑機(jī)開合模的間隙偏心和振動檢測零件識別60振幅測量

(a)為汽輪機(jī)和空氣壓縮機(jī)常用的以渦流式傳感器來監(jiān)控主軸的徑向振動的示意圖；

(b)為測量發(fā)動機(jī)渦輪葉片的振幅的示意圖；

(c)在研究軸的振動時，常需要了解軸的振動形狀，做出軸振形圖。通常使用數(shù)個傳感器探頭并排地安置在軸附近。用多通道指示儀輸出至記錄儀。在軸振動時，可以獲得各個傳感器所在位置軸的瞬時振幅，從而畫出軸振形圖。圖5.3.13振幅測量示意圖1-被測體；2-傳感器探頭61

測量懸臂梁的振幅及頻率

汽輪機(jī)葉片測試