检测技术及仪表-课程设计.doc

自动检测技术及仪表课程设计位移传感器学 号： 姓 名： 班 级： 指导老师： 昆明理工大学信息工程与自动化学院 2013年1月目录一、摘要 1二、位移传感器的工作原理及组成结构 21. 电感式位移传感器 22. 电容式位移传感器 23. 电涡流式位移传感器 34. 霍尔式位移传感器 35. 光纤位移传感器 4三、测量电路原理图1. 电感式位移传感器测量原理图 52. 电容式位移传感器测量原理图 53. 电涡流式位移传感器测量原理图 54. 霍尔式位移传感器测量原理图 65. 光纤位移传感器测量原理图 6四、传感器的应用分析 7五、总结 10六、参考资料 11一、摘要位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。模拟式又可分为物性型和结构型两种。常用位移传感器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。这种传感器发展迅速，应用日益广泛。二、位移传感器的工作原理及组成结构1.电感式位移传感器工作原理：电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，利用电感元件把被测位移量的变化转化成电感的自感系数L，再由测量电路转换成电压或电流信号。为提高自感式传感器的灵敏度，增大传感器的线性工作范围，实际应用中较多的是将两个结构相同的自感线圈组合在一起形成差动式电感传感器。组成结构： 电感传感器由线圈（线圈接交流电源）、铁芯和衔铁组成。在铁芯和衔铁之间有一个空气隙，空气隙的厚度为。传感器的运动部分与衔铁相连。当运动部分产生位移时，空气隙的厚度或空气隙的面积S发生改变，从而使电感量L发生变化。2. 电容式位移传感器工作原理： 以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。电容传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感器和变面式电容传感器进行位移测量。原理图为： 组成结构： 电容式位移传感器的基本结构型式。按照超声波流量计将机械位移转变为电容变化的基本原理，电容式位移传感器可分为面积变化型、极距变化型和介质变化型三类。这三种类型又可按位移的形式分为线位移和角位移两种。每一种又依据传感器的形状分成平板形和圆筒形。圆筒形传感器不能用作改变极距的位移传感器。3. 电涡流式位移传感器工作原理：电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。组成结构工作过程：当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值也发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半，即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。4. 霍尔式位移传感器工作原理：保持霍耳元件的激励电流不变，并使其在一个梯度均匀的磁场中移动，则所移动的位移正比于输出的霍耳电势。磁场梯度越大，灵敏度越高；梯度变化越均匀，霍耳电势与位移的关系越接近于线性。霍耳式位移传感器的惯性小、频响高、工作可靠、寿命长，因此常用于将各种非电量转换成位移后再进行测量的场合。霍尔元件是指利用霍尔效应产生输出电压的元件根据霍尔效应原理，如果垂直作用于元件平面的磁感应强度为B，通过元件的电流为I，无负荷时产生的霍尔电压用下式表示KH。式中，I为通过元件电流,H为元件的灵敏度,为磁感应强度；fH为形状系数，由元件的形状和霍尔角所决定，一般小于。5光纤位移传感器结构及工作原理： 当光纤探头端部紧贴被测件时,发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去,接收光纤中无光信号;当被测表面逐渐远离光纤探头时,发射光纤照亮被测表面的面积越来越大,于是相应的发射光锥和接收光锥重合面积B1越来越大,因而接收光纤端面上被照亮的B2区也越来越大,有一个线性增长的输出信号; 当整个接收光纤被全部照亮时,输出信号就达到了位移-输出信号曲线上的“光峰点”,光峰点以前的这段曲线叫前坡区;当被测表面继续远离时, 被反射光照亮的B2面积大于C, 部分反射光没有反射进接收光纤, 接收到的光强逐渐减小,光敏输出器的输出信号逐渐减弱,进入曲线的后坡区。三、测量电路原理图1. 电感式位移传感器：2. 电容式位移传感器： 3. 电涡流式位移传感器：4. 霍尔式位移传感器：5. 光纤位移传感器：四、传感器的应用分析1.电容传感器：把位移的变化换作电容的变化进行制作的。适合高频测量。 优点：它具有灵敏度高、能实现非接触量的测量，而且可以在恶劣场合下工作。 缺点：输出特性的非线性，对绝缘电阻要求比较高。对连接线缆有很高的要求，它要有屏蔽性能，而且最好选用高频电源用来供电。 目前状况，现在做的最好的电容式位移传感器可以测量0.001 微米的位移，误差非常小。电容式微位移传感器近来被广泛应用于航空、航天及工业生产部门测量微小位移、微小尺寸以及测量振动和压力等各领域。目前，电容测微仪正朝着智能化、小型化及模块化方向发展，其体积越来越小。用单片机或微机进行测量数据采集、数据通讯及非线性误差修正等工作，使其在功能、性能等方面有了较大的飞跃。电容式微位移传感器，具有检测范围大、性能稳定、灵敏度高和成本低等优点，可广泛用于航空、航天及工业生产部门测量微小位移、微小尺寸以及测量振动和压力等各领域。2.电感传感器：将测量量换作线圈自感或互感的变化的传感器。线位移，角位移都可测。优点：灵敏度高，输出信号比较大，因此有利于信号的传输。缺点：频率响应较低,不宜于高频动态测量。常用的：1、变气隙型中电感的变化与传感器中活动衔铁的位移相对应。 2、变面积型是用铁芯与衔铁之间重合面积的变化来反映位移。3、螺管型是衔铁插入长度的变化导致电感变化的原理。电感测微仪的硬件电路主要包括电感式传感器、正弦波振荡器、放大器、相敏检波器及单片机系统。 正弦波振荡器 为 电感式传感器 和 相敏检波器 提供了频率和幅值稳定的激励电压. 正弦波振荡器 输出的信号 加到测量头中。 工件的微小位移经电感式传感器的测头带动两线圈内衔铁移动，使两线圈内的电感量发生相对的变化。 当衔铁处于两线圈的中间位置时，两线圈的电感量相等，电桥平衡。当测头带动衔铁上下移动时，若上线圈的电感量增加，下线圈的电感量则减少。若上线圈的电感量减少，下线圈的电感量则增加。交流阻抗相应地变化，电桥失去平衡从而输出了一个幅值与位移成正比，频率与振荡器频率相同，相位与位移方向相对应的调制信号。此信号经放大，由 相敏检波器 鉴出极性。 得到一个与衔铁位移相对应的 直流电压信号 。A/D转换器输入到单片机。 经过数据处理进行显示。3.电涡流式传感器：基于电涡流效应，它的感应参数是阻抗的变化，尽量使阻抗是位移的函数，它还与被测物体的形状跟尺寸有关。量程一般在0 到80 毫米。电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位。对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学研究和零件尺寸检验等进行在线测量和保护。胀差测量斜坡式胀差测量补偿式胀差测量双斜面胀差测量振动测量轴位移测量轴心轨迹测量差动测量动力膨胀转子动平径向运动分析转速和相位差测试转速测量表面不平整度测量裂痕测量非导电材料厚度测量金属元件合格检测轴承测量换向片测量4.霍尔传感器：直流稳压电源在出厂前及使用、修理后都必须对其性能指标进行检定。目前，常用的计量检定方法是采用手动或半自动化方法，其主要缺点是手段落后、效率低、速度慢、工作繁琐，系统误差较大。为此，我们可以采用霍尔电流传感器和霍尔电压传感器来取代传统的交、直流电压表以及交、直流电流表，设计一种直流稳压电源自动计量检定装置，将它们的输出信号经A/D板采集后送至工控机处理，从而实现计量检定的自动化。（一）线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。例如：1电流传感器由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。 霍尔电流传感器工作原理如图6所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。2位移测量两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小，（二）开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号的分布可以测出车辆的运动速度。6. 光纤式传感器：绝缘子污秽、磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 被测量对光纤内传输的光进行调制, 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化, 再通过对被调制过的信号进行解调, 从而得出被测信号。光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化, 光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术；比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。目前光纤传感器已经有70多种，大致上分成光纤自身传感器和利用光纤的传感器。五、总结在对这次的课程设计报告的思考，制作和整理中，我又从中巩固了很多关于位移传感器的知识以及该传感器的应用及其现在的发展状况。首先是从设计题目的选题开始。传感器在工业生产中是得到广泛的应用的，对于自动化方面的学生的我们来说，传感器的知识是必须要好好了解、学习和掌握的，所以定下该题目。其次就是对位移传感器的原理的分析和讨论。位移传感器按照各种不同的标准或者要求是可以分为很多类型的，在此，我是选择描述位移传感器中应用比较多比较广泛的几种位移传感器进行原理、参数等的分析的，其分别为：电感式位移传感器、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器以及光纤位移传感器。在这几种位移传感器中，光纤位移传感器是最近几年才开始兴起和投入使用的，比起其他的位移传感器而言，虽然其具有更多有娘特性，但被使用的范围还不是特别广泛。再者就是对个传感器的使用方法及检测原理图的了解和掌握。由于各传感器的原理和组成成分的不同，就导致了各传感器多被测量的选择和要求的不同。所以，只有在明白了原理和特性的基础之上，才能很好地对传感器进行合适良好的选择和使用。不管是在生产当中还是实验验证中，无论是对哪一种传感器的选择使用当中，都应该遵循其测量的范围和要求，不能够用错误的、不符合规定的方法进行测量。如果那样的话，就得不出正确的数据和结论。六、参考资料检测技术与仪表 武汉理工大学出版社 王俊杰 王家桢位移传感器的发展及研究 四川理工学院 昌学年 姚毅 闫玲电感式位移传感器线性补偿技术 邵向东 郭华电感式位移传感器动态测试系统模型分析 合肥理工大学仪器仪表学院 于连栋 费业泰智能型电容位移传感器的研制及应用 国电自动化研究学院 刘果一种开关驱动的电涡流式位移传感器的原理与实验研究 西安交通大学电气工程学院 钟建鹏 李黎川新型耐高压电涡流位移传感器的研究 浙江大学 李其朋 丁凡光纤位移传感器的研究进展及其应用 南昌大学机电工程学院 周顺斌 刘莹