《傳感器與檢測技術(shù)》高教(4版)-第六章

第6章位移檢測

本章主要介紹自感式位移計、差動變壓式位移計、電位器式位移計、感應(yīng)同步器、光柵、光電碼盤、電渦流位移計、電容式位移計等的原理、結(jié)構(gòu)、特性及應(yīng)用。電感式傳感器

將被測量轉(zhuǎn)換成電感(或互感)變化的傳感器，稱為電感式傳感器。電感式傳感器是建立在電磁感應(yīng)定律基礎(chǔ)上的，它把被測位移轉(zhuǎn)換為自感系數(shù)L的變化。然后將L接入一定的轉(zhuǎn)換電路，位移變化便可變成電信號

電感式傳感器的工作原理及分類

電感式傳感器又稱電感式傳感器或可變磁阻式傳感器，原理如圖所示。線圈的電感值按下式計算：

其中：

電感式傳感器

若忽略Rc，則有故

電感式傳感器分為三種類型，如圖所示。

電感式傳感器輸出特性

變間隙式和變截面式自感傳感器的輸出的特性如圖所示。其靈敏度分別為為

變間隙式電感傳感器的輸出特性

變截面式電感傳感器的輸出特性

電感式傳感器差動電感傳感器原理

差動變間隙式傳感器結(jié)構(gòu)及特性如圖所示。

差動電感傳感器是將有公共銜鐵的兩個相同電感傳感器結(jié)合在一起的一種傳感器

電感式傳感器

初始電感當銜鐵移動時，氣隙增加或減小，引起電感的變化

因L1、L2是差動形式，故總的電感變化量為

略去高次項，則有

電感式傳感器靈敏度與單邊式相比，有如下優(yōu)點：（1）靈敏度提高一倍；（2）具有溫度自補償作用，抗外磁場干擾能力強；（3）電磁吸力相互抵消，線性度高。電感式傳感器電感式位移計1、軸向電感式位移計的結(jié)構(gòu)1—引線；2—固定磁筒；3—銜鐵；4—線圈；5—彈簧；6—防轉(zhuǎn)銷；7—鋼球?qū)к墸?—測桿；9—密封套；10—測端。這種電感式傳感器的自由行程較大，且結(jié)構(gòu)簡單，安裝容易，缺點是靈敏度低，且不宜測量快速變化的位移。

電感式傳感器2、電感式位移計的測量電路電感式位移計測量電路將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，送入放大器，再由指示儀表或記錄儀表指示或記錄。測量電路的形式很多，通常都采用電橋電路。電感式傳感器A、B兩點的電位差即輸出電壓（1）銜鐵處于中間位置時，輸出電壓為（2）銜鐵向上移動時，輸出電壓為（3）銜鐵向下移動時，輸出電壓為電感式傳感器可見，當測桿的鐵芯，由平衡位置上下移動相同的距離、產(chǎn)生相同電感增量時，電橋空載輸出電壓大小相等而符號相反，由此測得位移大小和方向。差動變壓器位移計差動變壓器是互感傳感器，是把被測位移轉(zhuǎn)換為傳感器線圈的互感系數(shù)變化量，由于這種傳感器通常做成差動的，故稱為差動變壓器，由于該類傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、測量范圍廣等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于位移量的測量。

差動變壓器位移計差動變壓器工作原理及特性

差動變壓器主要由一個線框和一個鐵芯組成，在線框上繞有一組初級線圈作為輸入線圈，在同一線框上另繞兩組次級線圈作為輸出線圈，并在線框中央圓柱孔中放入鐵芯，如圖所示，當初級線圈加以適當頻率的電壓激勵時，根據(jù)變壓器的作用原理，在兩個次級線圈中就產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。差動變壓器位移計當鐵芯處于中間位置時，輸出電壓:

當鐵芯向右移動時，則輸出電壓:

當鐵芯向左移動時，則輸出電壓:

輸出電壓的方向反映了鐵芯的運動方向，大小反映了鐵芯的位移大小。

差動變壓器位移計輸出特性如圖所示。差動變壓器位移計6.2.2差動變壓器位移計結(jié)構(gòu)1-測頭；2-軸套；3-測桿；4-鐵芯；5-線圈架；6-導線；7-屏蔽筒；8-圓片彈簧；9-彈簧；10-防塵罩

差動變壓器位移計此差動變壓器位移計的測量范圍約為±0.5mm～±75mm，分辨力可達～，差動變壓器中間部分的線性比較好，非線性誤差約為0.5%，其靈敏度比差動電感式高，當測量電路輸入阻抗高時，用電壓靈敏度來表示，當測量電路輸入阻抗低時，用電流靈敏度來表示。當用400Hz以上高頻激磁電源時，其電壓靈敏度可達(0.5～2)V/mm·V。電流靈敏度可達0.1mA/mm·V。由于其靈敏度較高，測量大位移時可不用放大器，因此，測量電路較為簡單差動變壓器位移計差動變壓器位移計的測量電路

1.大位移測量電路

電路如圖所示。只測位移大小時，用圖a、b電路；大小、方向都測時，用圖c、d的相敏檢波電路。

差動變壓器位移計2.微小位移測量電路

DGS—20C/A型測微儀的框圖如示。此位移傳感器的測量范圍一般為幾毫米，分辨率可達0.1μm～，工作可靠。缺點是動態(tài)性能差，只能用于靜態(tài)測量。

電位器傳感器

6.3.1電位器傳感器基本工作原理

電位計式電阻傳感器的工作原理是基于均勻截面導體的電阻計算公式電位計式電阻傳感器的結(jié)構(gòu)如圖，圖(a)為直線式電位計，可測線位移；(b)為旋轉(zhuǎn)式電位計，可測角位移。

電位器傳感器電位器傳感器輸出特性

電位器傳感器電位器傳感器結(jié)構(gòu)

1、電阻絲：對電阻絲的要求是：電阻系數(shù)大，溫度系數(shù)小，對銅的熱電勢應(yīng)盡可能小，常用材料有：銅鎳合金類、銅錳合金類、鎳鉻絲等。

2、骨架：對骨架材料要求形狀穩(wěn)定表面絕緣電阻高，有較好的散熱能力。常用的有陶瓷、酚醛樹脂和工程塑料等。

3、電刷：電刷與電阻絲材料應(yīng)配合恰當、接觸電勢小，并有一定的接觸壓力。這能使噪聲降低。電位器傳感器電位計式位移傳感器

YHD型電位計式位移傳感器的結(jié)構(gòu)如圖。1—測量軸；2—滑線電阻；3—電刷；4—精密無感電阻；5—導軌；6—彈簧；7—殼體電位器傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、輸出信號大、精度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，雖然存在著電噪聲大，壽命短等缺點，但仍被廣泛應(yīng)用于線位移或角位移的測量之中電容式位移傳感器單電極電容式位移傳感器及其應(yīng)用1—平面測端（電極）2—絕緣襯套材料3—殼體4—彈簧卡圈5—電極座6—盤形電容7—螺母電容式位移傳感器振動位移和回轉(zhuǎn)精度的測量電容式位移傳感器變面積差動式電容位移傳感器及其應(yīng)用1-測桿2-膜片3、5-開槽彈簧片4-可動極筒6-插座

7-調(diào)力螺釘8-測力彈簧9-引線10、11-固定極筒電容式位移傳感器精密大位移測量用的變面積電容式傳感器的原理圖，它由一塊長柵狀的具有等間距的柵狀電極和一對相對交叉放置的梳狀電極組成。在工作時，柵狀電極與梳狀電極的相對位置狀態(tài)如圖（b）所示。電容式位移傳感器測量電路如下，輸出信號可以近似地寫成

光柵位移測試

光柵式位移傳感器，也稱計量光柵，主要用于長度和角度的精密測量。

光柵的基本結(jié)構(gòu)1、光柵：光柵是在透明的玻璃上刻有大量平行等寬等距的刻線構(gòu)成的，結(jié)構(gòu)如圖。設(shè)其中透光的縫寬為a，不透光的縫寬為b，一般情況下，光柵的透光縫寬等于不透光的縫寬，即a=b。圖中d=a+b稱為光柵柵距（也稱光柵節(jié)距或稱光柵常數(shù)）。

光柵位移測試2、光柵的分類

光柵按其用途分長光柵和圓光柵兩類。計量光柵分類見圖。

光柵位移測試6.5.2光柵傳感器的工作原理

光柵傳感器由光柵、光路、光電元件和轉(zhuǎn)換電路等組成。

1、光柵傳感器的組成

光柵傳感器的組成如圖所示。指示光柵應(yīng)置于主光柵的費涅耳第一焦面上，其間的距離為：

光柵位移測試2、莫爾條紋

（1）莫爾條紋：光柵式傳感器的基本工作原理是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象來進行測量的。莫爾條紋如圖所示。

光柵位移測試

（2）莫爾條紋的特征

1)運動對應(yīng)關(guān)系：莫爾條紋的移動量和移動方向與主光柵相對于指示光柵的位移量和方向有嚴格的對應(yīng)關(guān)系。如圖所示。

光柵位移測試

2)減小誤差：莫爾條紋對光柵的刻線誤差有平均作用，能在很大程度上消除柵距局部誤差和短周期誤差影響。3)位移放大：莫爾條紋的間距隨著光柵線紋交角而改變，其關(guān)系如下：

從上式可知，θ越小，條紋間距B將變得越大，莫爾條紋有放大作用，其放大倍數(shù)為：

光柵位移測試3、光柵的信號輸出

主光柵移動一個柵距W，莫爾條紋變化一個周期，莫爾條紋的變化近似為正弦波形，可看成是一個直流分量與的疊加，即：為了能夠辨別方向，設(shè)置了辨向環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)框圖如示。

碼盤式傳感器

碼盤式傳感器是以編碼器為基礎(chǔ)的，它是測量軸角位置和位移的方法之一。

光電碼盤式傳感器的工作原理

光電碼盤式傳感器是用光電方法把被測角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號的轉(zhuǎn)換部件。

其工作原理示意圖如示。

1—光源2—柱面鏡3—碼盤4—狹縫5—形成件碼盤式傳感器光電碼盤

碼盤按其所用碼制可分為二進碼、循環(huán)碼、十進碼、六十進碼等。1、二進制碼盤

圖所示是一個四位二進制碼盤，涂黑部分輸出為0，空白部分輸出為1。碼盤式傳感器二進制碼盤的特點為：

（1）n位二進制碼盤能分辨的角度為：

（2）二進碼為有權(quán)碼，編碼CnCn-1…C1對應(yīng)于零位算起的轉(zhuǎn)角為:碼盤式傳感器2、循環(huán)碼碼盤

圖是一個四位的循環(huán)碼盤，表是十進制數(shù)、二進制數(shù)及四位循環(huán)碼的對照表。二進制碼轉(zhuǎn)換成循環(huán)碼的規(guī)則是：二進制碼與其本身右移一位后并舍去末位的數(shù)碼作不進位加法得循環(huán)碼。碼盤式傳感器若R表示循環(huán)碼，C為二進制碼，則：

循環(huán)碼變成二進制碼的關(guān)系式為：

碼盤式傳感器二進制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換電路如圖。

碼盤式傳感器二進制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換電路如圖。碼盤式傳感器光電碼盤的應(yīng)用

圖是一光電碼盤測角裝置。

ZYF62/09系列光電碼盤

激光式傳感器

6.7.1激光的特性和穩(wěn)頻方法

1、激光的特性

（1）方向性強（2）單色性好（3）亮度高（4）相干性好

2、激光器

按激光器的工作物質(zhì)可分為以下幾類：

（1）固體激光器：常用的有紅寶石激光器、釹玻璃激光器等。（2）氣體激光器：常用的為氦氖激光器、二氧化碳激光器、一氧化碳激光器等。

激光式傳感器

（3）液體激光器：液體激光器分為無機液體激光器和有機液體激光器等。

（4）半導體激光器：半導體激光器是比較年輕的一種，比較成熟的是砷化鎵激光器。

3、激光的穩(wěn)頻方法

較常用的穩(wěn)頻方法是蘭姆下陷穩(wěn)頻法。

激光式傳感器激光干涉?zhèn)鞲衅鳒y長原理

激光干涉?zhèn)鞲衅鳒y長原理實質(zhì)是光的干涉原理，常用的是邁克爾遜雙光束干涉系統(tǒng)。測長的基本公式為：激光干涉?zhèn)鞲衅饕约す鉃楣庠矗哂幸韵聝?yōu)點：（1）測量精度高，如測量一米長度精度可達10-7~10-8量級。（2）分辨率高，并可測出10–4nm以下的長度變化。（3）量程大，可達幾十米。（4）便于實現(xiàn)自動測量。

思考題與習題1.簡述線位移、角位移的檢測方法及測量原理？2.用電容式傳感器能否檢測線位移或角位移？能否檢測μm級或mm級或更大范圍的位移？若能，需采用什么樣的結(jié)構(gòu)形式？