位移检测传感器.pptx
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1、2024/4/22 周一1 位移分为线位移和角位移两种,测量位移的位移分为线位移和角位移两种,测量位移的常用方法有机械法、光测法和电测法。常用方法有机械法、光测法和电测法。电测法是利用各种传感器将位移量转换成电电测法是利用各种传感器将位移量转换成电量或电参数,再经后接测量仪器进一步变换完量或电参数,再经后接测量仪器进一步变换完成对位移检测的一种方法。位移测试系统由传成对位移检测的一种方法。位移测试系统由传感器、变换电器、显示装置或记录仪器三部分感器、变换电器、显示装置或记录仪器三部分组成。常用位移传感器有电阻式、电容式、涡组成。常用位移传感器有电阻式、电容式、涡流式、压电式、感应同步式、磁栅式
2、、光电式流式、压电式、感应同步式、磁栅式、光电式等。等。2024/4/22 周一2第一节第一节 参量型位移传感器参量型位移传感器 工作原理:将被测物理量转换成电参数,即工作原理:将被测物理量转换成电参数,即电阻、电容或电感。电阻、电容或电感。一、电阻式位移传感器一、电阻式位移传感器电阻式位移传感器的电阻值取决于材料的几何尺寸和电阻式位移传感器的电阻值取决于材料的几何尺寸和物理特性,即:物理特性,即:式中式中导体电阻率(导体电阻率(m););L导体长度(导体长度(m)S导体横截面积(导体横截面积(m2)。)。改变其中任一参数均可使电阻值发生变化。电位计改变其中任一参数均可使电阻值发生变化。电位计
3、和应变片就是根据这一原理制成的。和应变片就是根据这一原理制成的。2024/4/22 周一3电位计通常由截面相等的骨架、绕于骨架电位计通常由截面相等的骨架、绕于骨架上的电阻丝线圈(电阻元件)和沿电位器移动上的电阻丝线圈(电阻元件)和沿电位器移动的电刷等部分组成。电刷相对电阻元件可作直的电刷等部分组成。电刷相对电阻元件可作直线运动、转动或螺旋运动,将直线位移、角位线运动、转动或螺旋运动,将直线位移、角位移成比例地转换成电阻量的变化(线性),非移成比例地转换成电阻量的变化(线性),非线性电位计可将线位移和转角变换成与之成某线性电位计可将线位移和转角变换成与之成某种函数关系的电阻或电压输出。种函数关系
4、的电阻或电压输出。电位计的电阻有线绕电阻、薄膜电阻、导电电位计的电阻有线绕电阻、薄膜电阻、导电塑料(有机实芯)电阻等。塑料(有机实芯)电阻等。2024/4/22 周一41.线性电位计的空载特性线性电位计的空载特性线性电位计单位长度线性电位计单位长度(或转角或转角)的电阻值为常数。的电阻值为常数。如图,有:如图,有:R/L=RX/X则:则:KR电位计的电阻灵敏度(电位计的电阻灵敏度(/m)电位计的空载电压为:电位计的空载电压为:Ku电位计的电压灵敏度(电位计的电压灵敏度(V/m)电位计结构及电源电压一定时电位计结构及电源电压一定时,KR和和Ku为常数为常数.2024/4/22 周一5 实际线绕电
5、位计的电刷移动时,每移动一匝线圈实际线绕电位计的电刷移动时,每移动一匝线圈使其阻值和输出电压产生一次跳跃,其输出空载特性使其阻值和输出电压产生一次跳跃,其输出空载特性不是直线,而呈阶梯状,称为阶梯特性。不是直线,而呈阶梯状,称为阶梯特性。线绕电位计的阶梯特性限制了其精度和分辨力。线绕电位计的阶梯特性限制了其精度和分辨力。阶梯误差由线绕电位计的匝数决定阶梯误差由线绕电位计的匝数决定,线径越小线径越小,同样长同样长度的骨架所绕的线圈匝数越多,阶梯误差越小度的骨架所绕的线圈匝数越多,阶梯误差越小,分辨分辨力越高。力越高。对角位移式电位器来说,对角位移式电位器来说,Uo与电刷的旋转与电刷的旋转角度成正
6、比:角度成正比:2024/4/22 周一6 2.2.非线性电位计空载特性非线性电位计空载特性 非线性电位计其输出电压(或电阻)与电刷非线性电位计其输出电压(或电阻)与电刷位移之间具有非线性函数关系,其空载特性为位移之间具有非线性函数关系,其空载特性为一条曲线,其电阻灵敏度一条曲线,其电阻灵敏度KR=dR/dX,电压灵,电压灵敏度敏度KU=dU0/dX均为变量,其值与电刷位移均为变量,其值与电刷位移X有关有关。最大阶梯误差发生在特性曲线斜率最高。最大阶梯误差发生在特性曲线斜率最高处。处。非线性电位计的结构形式有变骨架式、变节非线性电位计的结构形式有变骨架式、变节距式、分路电阻式和电位给定式等。距
7、式、分路电阻式和电位给定式等。2024/4/22 周一7 考题分析:考题分析:1.1.电位计式位移传感器,其后接测量仪器的输入电电位计式位移传感器,其后接测量仪器的输入电阻对传感器的输出特性有何影响?如何减小这个影响阻对传感器的输出特性有何影响?如何减小这个影响?(并联分流,产生测量误差,应使?(并联分流,产生测量误差,应使R R输入输入R R传传)2.2.设一圆型截面绕线式位移传感器的线圈半径为设一圆型截面绕线式位移传感器的线圈半径为5mm5mm,共绕制了,共绕制了100100圈,线圈总电阻为圈,线圈总电阻为1K1K,则传感器的灵敏,则传感器的灵敏度为多大?(度为多大?(1/mm1/mm)3
8、.3.绕线式线性电位计式位移传感器每厘米绕制绕线式线性电位计式位移传感器每厘米绕制200200圈,圈,所以分辨力为所以分辨力为 0.05 0.05 毫米。毫米。2024/4/22 周一8 4.4.图示为某电位计式位移传感器的检测电路。图示为某电位计式位移传感器的检测电路。E=10VE=10V,R R0 0=10K=10K,ABAB为线性电位计,总长度为为线性电位计,总长度为150mm150mm,总电阻为总电阻为30K30K,C C点为电刷位置。点为电刷位置。(1 1)计算输出电压)计算输出电压U U0 0=0V=0V时的位移时的位移X X;(100mm)(100mm)(2 2)当位移)当位移X
9、 X的变化范围为的变化范围为10140mm10140mm时,计算输时,计算输出电压出电压U U0 0的范围。的范围。(-6V2.67V)(-6V2.67V)E RE R0 0 2R2R0 0A AC CB BU U0 0 x x2024/4/22 周一9 二、电阻应变式位移传感器二、电阻应变式位移传感器 工作原理:将被测位移引起的应变元件产工作原理:将被测位移引起的应变元件产生的应变,经后续电路变换成电信号输出,从生的应变,经后续电路变换成电信号输出,从而测出被测位移。而测出被测位移。电阻应变式位移传感器基本结构见教材电阻应变式位移传感器基本结构见教材P15P15图图2-42-4。第四章详细介
10、绍。第四章详细介绍。2024/4/22 周一10三、电容式位移传感器三、电容式位移传感器 平行板的间距平行板的间距d d 远小于平行板的远小于平行板的 尺寸时,边缘效忽略。尺寸时,边缘效忽略。平行板平行板电容器的容量:电容器的容量:式中:式中:极板间介质的介极板间介质的介电常电常数(数(F/mF/m),),r r为介质的为介质的相对介电常数,相对介电常数,0 0=8.8510=8.8510-12-12(F/mF/m),),真空介真空介电常数;电常数;S S 极板面积(极板面积(m m2 2););极板间距(极板间距(m m)。)。固定三个参量中的任意两个,可以做成固定三个参量中的任意两个,可以
11、做成变极距式、变极距式、变面积式和变介电常数式变面积式和变介电常数式电容位移传感器。电容位移传感器。+-S平行板电容器平行板电容器电力线2024/4/22 周一11分类示意图分类示意图c)c)介质变化型介质变化型b)b)面积变化型面积变化型:角位移型角位移型,平面线位移型平面线位移型,柱面线位移型柱面线位移型.+a)a)极距变化型极距变化型;+2024/4/22 周一12 1.1.变极距式电容传感器变极距式电容传感器 当动极板受被测物体作用引起位移时,当动极板受被测物体作用引起位移时,改变了两极板之间的距离改变了两极板之间的距离,从而使电容量,从而使电容量发生变化。发生变化。变极距式电容位移传
12、感器具有较高的灵敏变极距式电容位移传感器具有较高的灵敏度,但电容变化与极距变化之间为非线性关度,但电容变化与极距变化之间为非线性关系。系。2024/4/22 周一13变极距式电容传感器的特性曲线变极距式电容传感器的特性曲线 从图中可以看到,当变极距式电容传感器的初始从图中可以看到,当变极距式电容传感器的初始极距极距0 0较小时,它的测量范围变大还是变小?为了提较小时,它的测量范围变大还是变小?为了提高灵敏度,应使当高灵敏度,应使当0 0小些还是大些?小些还是大些?a)结构示意图结构示意图b)电容量与极板距离的关系)电容量与极板距离的关系1定极板定极板2动极板动极板212024/4/22 周一1
13、4设极板间的初始距离为设极板间的初始距离为0 0时,电容时,电容量为量为C C0 0:当极板间的距离减小当极板间的距离减小时,电容时,电容量为量为C C:电容的增量为:电容的增量为:2024/4/22 周一15当当/0 0 1 1时,时,在小位移时,电容位移传感器的在小位移时,电容位移传感器的灵敏度为:灵敏度为:变极距式电容位移传感器只适用变极距式电容位移传感器只适用于小位移的测量。于小位移的测量。2024/4/22 周一16 为提高灵敏度,改善线性度,可采用为提高灵敏度,改善线性度,可采用差动电容传感器。当动极板处于平衡位差动电容传感器。当动极板处于平衡位置时,置时,d d1 1=d=d2
14、2=d=do o,则,则C C1 1=C=C2 2=C=Co o,C=CC=C1 1-C C2 2=0=0;当动极板右移;当动极板右移d d时,时,d d1 1=d=do o-d,-d,d d2 2=d=do o+d+d,电容总的相对变化为,电容总的相对变化为采用差动传感器,灵敏度提采用差动传感器,灵敏度提高了一倍,非线性误差大大高了一倍,非线性误差大大减小。减小。2024/4/22 周一172.变面积式电容传感器变面积式电容传感器 图图a是平板形直线位移式结构,极板是平板形直线位移式结构,极板1为为动极板,动极板,可左右移动;极板可左右移动;极板2为定极板,为定极板,固固定不动。当位移定不动
15、。当位移x=0 x=0时,两极板完全重合,时,两极板完全重合,此时电容量为:此时电容量为:当动极板移动当动极板移动x后,电容为:后,电容为:灵敏度为:灵敏度为:2024/4/22 周一18 外圆筒不动,外圆筒不动,内圆筒在外圆内圆筒在外圆筒内作上、下筒内作上、下直线运动。直线运动。2.变面积式电容传感器变面积式电容传感器平板结构对极距变化特别敏感,测量精度平板结构对极距变化特别敏感,测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小,成为实际中最常用的结构。响很小,成为实际中最常用的结构。单组式单组式差动式差动式2024/4/22 周一19 图图b
16、b是同心圆筒形位移传感器。外是同心圆筒形位移传感器。外圆筒不动,内圆筒在外圆筒内作上、圆筒不动,内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。当位移下直线运动。当位移x=0 x=0时,电容量时,电容量为:为:2.变面积式电容传感器变面积式电容传感器当动极板移动当动极板移动x x时,电容量为:时,电容量为:则:则:灵敏度为:灵敏度为:2024/4/22 周一202.变面积式电容传感器变面积式电容传感器 图图c c是角位移式的结构。极板是角位移式的结构。极板2 2的轴由的轴由被测物体带动旋转被测物体带动旋转 角度时,两极板的角度时,两极板的遮盖面积减小,电容量减小。当遮盖面积减小,电容量减小。当=0=0时,时
17、,电容量为电容量为 当动极板移动当动极板移动后,其电容为:后,其电容为:灵敏度为:灵敏度为:2024/4/22 周一21变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的特性变面积式电容传感器的输出特性是线变面积式电容传感器的输出特性是线性的,灵敏度是常数,但灵敏度较低。这一性的,灵敏度是常数,但灵敏度较低。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。寸等参量。2024/4/22 周一223.变介电常数式变介电常数式 在电容器两极板间插入不同介质时,由在电容器两极板间插入不同介质时,由于各种介质的相对介电常数不同,所以电容于各种介质的相对介电常数不同,所
18、以电容器的电容量也就不同。器的电容量也就不同。变介电常数式电容传感器可作为测量液变介电常数式电容传感器可作为测量液面高度的电容式液位计使用,还可用于测量面高度的电容式液位计使用,还可用于测量厚度、介值的湿度和温度等。厚度、介值的湿度和温度等。2024/4/22 周一23xh2r2R12类型类型1:电容式液位计电容式液位计被测液体的液面在电容式被测液体的液面在电容式传感器元件的两同心同柱型电传感器元件的两同心同柱型电极间变化时,引起极间不同介极间变化时,引起极间不同介电常数的高度发生变化,导致电常数的高度发生变化,导致电容的改变。电容的改变。1空气中介电常数;空气中介电常数;2液体介质介电常数;
19、液体介质介电常数;h电极板总长度(电极板总长度(m););r内电极板外径(内电极板外径(m););R外电极板内径(外电极板内径(m););x液面高度(液面高度(m)。)。当液面高度当液面高度X=0时,电容时,电容为:为:2024/4/22 周一24液面高度为液面高度为X时的电容为:时的电容为:可得:可得:电容式液位计具有线性输出特性。电容式液位计具有线性输出特性。灵敏度为:灵敏度为:2024/4/22 周一25 电容式液位计电容式液位计棒状电极(金属管)外面棒状电极(金属管)外面包裹聚四氟乙烯套管,当被包裹聚四氟乙烯套管,当被测液体的液面上升时,引起测液体的液面上升时,引起棒状电极与导电液体之
20、间的棒状电极与导电液体之间的电容变大。电容变大。聚四氟乙烯外套聚四氟乙烯外套2024/4/22 周一26表表 几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时,在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时,哪一种情况下的电容量大?可以用于测量什么哪一种情况下的电容量大?可以用于测量什么非电量?介质厚度、湿度等。非电量?介质厚度、湿度等。2024/4/22 周一27变介质电容位移传感器变介质电容位移传感器气隙气隙极板面积极板面积类型类型2:电容器的极板间插入某种介质:电容器的极板间插入某种介质(1)若插入介质的厚度若插入介质的厚度d 保持不变,相对介电常数保持不变,相
21、对介电常数r 改变(如湿度变化),可做成湿度传感器;改变(如湿度变化),可做成湿度传感器;(2)若若r不变,可做成测厚传感器不变,可做成测厚传感器.(3)电容电容C与介质厚度与介质厚度d及介电常数及介电常数r均为非线性关均为非线性关系系.2024/4/22 周一28 4.4.容栅传感器容栅传感器测量大位移测量大位移 容栅传感器是基于变面积工作原理的新型电容传容栅传感器是基于变面积工作原理的新型电容传感器,它的电极排列如同栅状感器,它的电极排列如同栅状,分为长容栅和圆容栅分为长容栅和圆容栅两种。长容栅传感器用于直线位移的测量,圆容栅两种。长容栅传感器用于直线位移的测量,圆容栅传感器用于角位移的测
22、量。传感器用于角位移的测量。容栅传感器由于多极电容及平均效应,所以分辨容栅传感器由于多极电容及平均效应,所以分辨力高、精度高、量程大,适用于大位移测量。力高、精度高、量程大,适用于大位移测量。2024/4/22 周一29容栅传感器工作原理容栅传感器工作原理一个极板由均匀排列电极的定栅组成,另一极板由一个极板由均匀排列电极的定栅组成,另一极板由一对相同尺寸的交错对插动栅对组成。运行时,两电极一对相同尺寸的交错对插动栅对组成。运行时,两电极栅片相对安装,其中暗区域是两电极栅的重叠面积,从栅片相对安装,其中暗区域是两电极栅的重叠面积,从而形成一对随位移反向变化的差动电容而形成一对随位移反向变化的差动
23、电容C C1 1和和C C2 2。将电容。将电容极板刻成栅状提高了测量精度并实现了大位移测量。极板刻成栅状提高了测量精度并实现了大位移测量。定栅定栅动栅对动栅对2024/4/22 周一30 nn可动容栅的栅极数;可动容栅的栅极数;a a,bb栅极片长度和宽度栅极片长度和宽度 测量位移时,动栅与定栅相覆盖的宽度发生测量位移时,动栅与定栅相覆盖的宽度发生变化,其电容量随之变化。根据所测电容量的变化,其电容量随之变化。根据所测电容量的变化可知位移的变化量。变化可知位移的变化量。忽略电容边缘效应,长容栅最大电容忽略电容边缘效应,长容栅最大电容量为:量为:2024/4/22 周一31片状圆容栅片状圆容栅
24、r r2 2,r,r1 1圆盘栅极片外半径和内半径圆盘栅极片外半径和内半径 每条栅极片对应的圆心角(每条栅极片对应的圆心角(radrad)2024/4/22 周一32柱状圆容栅柱状圆容栅2024/4/22 周一33各种容栅测量装置各种容栅测量装置2024/4/22 周一34各种容栅数显卡尺各种容栅数显卡尺2024/4/22 周一355.5.电容式位移传感器的绝缘和屏蔽电容式位移传感器的绝缘和屏蔽电容传感器容量较小(电容传感器容量较小(pF),本身容抗很大,其),本身容抗很大,其绝缘电阻视为电容传感器的旁路电阻。若绝缘材料性绝缘电阻视为电容传感器的旁路电阻。若绝缘材料性能不佳,会使电容传感器产生
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