位移传感器及工程应用.ppt
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1、第7章 位移传感器及工程应用,7.1 电位器式位移传感器7.2 电感式位移传感器7.3 电容式位移传感器7.4 霍尔式位移传感器7.5 位移传感器工程应用案例,返回主目录,7.1 电位器式位移传感器,把位移变化转换成电阻值变化的敏感元件称作电位器式位移传感器,简称为电位器。电位器种类繁多,若按其结构形式分类,可分为绕线式、薄膜式、分段式和液体触点式等多种。若按其输入/输出特性分类,可分为线性电位器和非线性电位器两种。线性电位器1.线性电位器的结构如果电位器的输出电阻与被测位移量呈线性关系,则称该电位器为线性电位器。常见线性电位器的结构如图7-1所示。,图7-1 常见线性电位器的基本结构,2.工
2、作原理当电位器的滑动触点受到外界作用力而产生位移时,就改变了电位器的电阻值,这个电阻值的变化与位移变化成线性关系,这就是线性电位器的工作原理。,根据使用场合的不同,电位器既可以作为变阻器使用,也可以作为分压器使用。由于电位器的输出功率较大,在一般场合下,可用指示仪表直接接收电位器送来的信号,这就大大地简化了测量电路。非线性电位器如果电位器的输出电阻与被测位移量呈非线性关系,则称它为非线性电位器。非线性电位器又称作函数电位器。1.非线性电位器的结构下面以图7-2(a)中所示的函数关系为例介绍非线性电位器的结构。首先对 R=f(x)曲线进行分析,确定实现方案。一般来说,实现函数电位器的方案有三种。
3、,第一种方法骨架结构示意图如图7-2(b)所示。该方法采用的是曲线骨架结构,通过精心设计骨架形状来逼近函数较精确,但曲线骨架制造困难。,图7-2(b)采用曲线骨架结构示意图,图7-2(a)非线性电位器的特性曲线,第二种方法是在允许误差的范围内进行折线逼近,即用 四条线段 组成的折线代替原来的曲线来近似逼近曲线R=f(x),采用阶梯骨架结构示意图如图7-2(c)所示。,图7-2(c)采用阶梯骨架结构示意图,图7-2(a)非线性电位器的特性曲线,对于阶梯骨架结构,在骨架宽度b一定的情况下,骨架高度hi可按下式计算,(7-1),式中:D为电阻丝直径;k为电阻丝绕制节距;为电阻率;Ri为Ai点所对应的
4、电阻值;xi为Ai点所对应的位移;b为骨架宽度;R0=0;x0=0。,图7-2(d)等截面骨架结构示意图,第三种方法是采用等截面骨架和电阻并联的结构来实现的,它的结构示意图如图7-2(d)所示。,图7-2(a)非线性电位器的特性曲线,对于等截面骨架结构,各段并联的电阻值ri,一般可按下列公式计算,(7-2),式中,Ri为等截面支架上xi-1点和xi点之间并联的电阻;R(i-1)i为等截面支架上xi-1点和xi点之间电阻丝的电阻;Ri为i点所对应的电阻。由上可见,这种等截面骨架函数电位器最易实现,但它只保证了在x1、x2、x3、x4点处的电阻值符合曲线;当电刷处在各段中间位置时,由于分流作用将引
5、起一定的误差。故多用于要求精度不高的场合。,2.工作原理,非线性电位器的滑动触点一般位于直线面上,当滑动触点受到外界作用力而产生位移时,就改变了电位器的电阻值,这个电阻值的变化与位移变化成非线性关系,这就是非线性电位器的工作原理。,绕线式电位器的材料,1.电阻丝,电阻丝的优点是电阻率大、电阻温度系数小,耐磨损,耐腐蚀、焊接方便等。常用电阻丝材料有以下几种:1)铜锰合金类它的电阻温度系数为0.0010.003/,比铜的热电势小,约为12V/,其缺点是工作温度低,一般为-5060。,2)铜镍合金类它电阻温度系数最小,约0.002/,电阻率为0.45m,机械强度高。但比铜的热电势大,康铜是这类合金的
6、代表。3)铂铱合金类它具有硬度高,机械强度大、抗腐蚀、耐氧化、耐磨等优点,电阻率为0.23m,可制成很细的丝做高阻值电位器。此外,还有镍铬丝、卡玛丝及银钯丝等。,2.电刷电刷结构往往反映出电位器的噪音电平。只有当电刷与电阻丝材料配合恰当,触点有良好的抗氧化能力,接触电势小,并有一定的接触压力时,才能使噪音降低。常用电位器的接触力在0.0050.05N之间。,3.骨架,对骨架材料要求形状稳定,其热膨胀系数和电阻丝相近,表面绝缘电阻高,并且希望有较好的散热能力。,4.噪音,电位器传感器的噪声一般分为两类:一类是噪声来自电位器上自由电子的随机运动,这种噪声电子流叠加在电阻的工作电流上;另一类是电刷沿
7、电位器移动时因接触电阻变化引起的接触噪声。此外,还有摩擦电噪声,振动噪声和高速噪声。,电位器传感器的应用,绕线式角位移电位器传感器的工作原理如图7-3所示。绕线式角位移电位器传感器一般性能如下:,动态范围:10165线性度:0.53电位器全电阻:102103工作温度:-50150工作寿命:104 次,图7-3 角位移电位器的工作原理,7.2 电感式位移传感器,自感式位移传感器,把被测位移变化转变为线圈自感系数变化的传感器称作自感式位移传感器。因为自感系数常称作电感系数,所以自感式位移传感器也常称作电感式位移传感器。,由本书 节知,一个匝数为N的线圈,其自感系数L为式中,Rm为线圈磁路总磁阻。式
8、(73)表明,当匝数N确定后,自感系数L仅是磁阻Rm的函数。而自感式位移传感器就是通过改变磁路的磁阻来实现自感系数变化的,故又把它称作变磁阻式位移传感器。,(7-3),根据被测位移改变磁阻的方式,它又分为变气隙型、变面积型和螺线管型三种。图74是单自感式位移传感器的基本结构示意图。在这三种类型中最常用的是变气隙型和螺线管型两种,现分别介绍如下。,图74 单自感式位移传感器的基本结构示意图,1.变气隙型自感式位移传感器,变气隙型单自感式位移传感器的基本结构如图74(a)所示。按本书节的分析可得,该传感器的自感系数L为,(7-4),图7-4(a)变气隙型,式中,N为线圈的匝数;为气隙磁路的长度;A
9、0为中间气隙磁路的横截面积;0为空气的磁导率(0=410-7H/m)。,假设该传感器的初始气隙为0,则初始电感量L0为,当被测运动部件与衔铁刚性相连时,若被测运动部件使衔铁向上移动了x,即=0 x,将它代入式(74)整理得电感系数L为,当x/01时,分母1-(x/0)21,忽略分母中的(x/0)2项得式(77)表明,变气隙型单自感式位移传感器的电感L与位移x呈近似线性关系。因此,它适合于测量微小位移的场合。,(75),(76),(77),为了提高灵敏度和减小非线性误差,通常把它做成差动形式。变气隙型差动自感式位移传感器的结构如图7-5所示。它由两个相同的线圈和磁路组成,当位于中间的衔铁上下移动
10、时,上下两个线圈的电感量,一个增加一个减少,形成差动形式。,按本书节分析可得,变气隙型差动自感式位移传感器与变气隙型单自感式位移传感器相比,灵敏度提高了一倍,并且非线性误差也大大减少。,图7-5 变气隙型差动自感传感器结构,变气隙型自感式传感器的最大优点是:灵敏度高;其主要缺点是:线性范围小、自由行程小、制造装配困难、互换性差,因而限制了它的应用。3.螺线管型自感式位移传感器螺线管型自感式位移传感器的结构也有单自感和差动式两种,图74(c)是螺线管型单自感式位移传感器的结构示意图。假设螺线管的内半径为rs,长度为ls,活动衔铁的半径为r0,插入螺线管线圈的长度为l,当lsrs时,可认为螺线管内
11、为匀强磁场,忽略边沿效应,则螺线管电感L的计算公式为式中,V为螺线管内空间的体积;n为线圈单位长度上的匝数;为螺线管内空间介质的磁导率。,(78),根据式(7-8)可推导出图74(c)中螺线管线圈的电感系数L为式中,0为空气的磁导率;r为活动衔铁的相对磁导率;N为螺线管线圈的匝数。若活动衔铁插入线圈的初始深度为l0,当衔铁在螺线管线圈中向上移动了x,即l=l0+x时,将它代入式(79)得由式(710)可知,当螺线管的结构参数确定后,自感L与位移x呈线性关系。但由于实际螺线管内磁场不完全均匀及存在边沿效应等因素,所以实际的自感L与位移x呈近似线性关系。,(710),(79),图7-6 螺线管型差
12、动自感式位移传感器结构,为了减少非线性误差,实际制作时通常取l0=ls/2。这种传感器的优点是量程大、结构简单、便于制作;缺点是灵敏度比较低,且有一定的非线性。一般用于测量精度要求不是很高,且检测量程比较大的线位移情况。,为了提高灵敏度,减少非线性误差,通常把它做成差动形式,图76是螺线管型差动自感式位移传感器的结构图。它由两个完全相同的螺线管组合而成。,显然,当衔铁处于两个螺线管相连的中心位置时,两边的螺线管电感量相等。当衔铁偏离中心位置时,左右两个线圈的电感量,一个增加一个减少,形成差动形式。同样可以证明,螺线管型差动自感式位移传感器与螺线管型单自感式位移传感器相比,灵敏度提高了一倍,并且
13、非线性误差也大大减少。3.自感式位移传感器测量电路由于位移是向量,它既有大小,又有方向。为了方便测量位移的大小和方向,常采用差动式电感传感器。差动自感式位移传感器测量电路相对比较复杂,常用的是相敏检波电路。相敏检波电路有多种,下面介绍两种。,1)电阻式差动交流电桥相敏检波电路电阻式差动交流电桥相敏检波电路如图77所示。图中差动自感传感器的两个线圈Zx1、Zx2和两个平衡电阻(R1=R2=R)组成一个电阻式差动交流电桥,二极管VD1VD4接成相敏检波电路。,图77 电阻式差动交流电桥相敏检波电路,假设uo的参考极性为上正下负,流过电阻R1、R2的电流分别为i1、i2。下面分三种情况来分析它的检波
14、原理。当衔铁处于中间位置时,由于差动传感器两线圈的Zx1=Zx2,且R1=R2,电桥平衡。于是输出电压uo=0。当衔铁偏离中间位置上移使Zx1的阻抗增大,Zx2的阻抗减小时,在u的正半周内,由于A点电位高于B点,二极管VD2、VD4导通,VD1、VD3截止。则电流i1流经Zx2、VD4后自上而下地流过R1,而电流i2流经Zx1、VD2后自下而上地流过R2,且i1i2。根据uo的标定方向可知 uo0,在u的负半周内,由于A点电位低于B点。二极管VD1、VD3导通,VD2、VD4截止。根据此时电流i1、i2的流向和i10。由此可知,在这种情况下,不管u是正半周还是负半周,输出电压uo总是大于零。,
15、当衔铁偏离中间位置下移使线圈Zx1的阻抗减小,Zx2的阻抗增大时,同理可知,不管交流电源u是正半周还是负半周,输出电压uo总是小于零。2)变压器式差动交流电桥相敏检波电路变压器式差动交流电桥相敏检波电路如图78所示。图中VD1VD4是四个性能完全相同的二极管,组成一个相敏检波电路。R起限流作用。因us与u2同频,经过移相电路可使us与u2保持同相或反相。输出电压信号uo从CD两端输出。为了有效地控制四个二极管的导通,要求us的幅值要远大于u2的幅值,且R1=R2=R0。下面也分三种情况来分析。,图78 变压器式差动交流电桥相敏检波电路,当衔铁处于中间位置时,由于Zx1=Zx2=Z0,则u2=0
16、,只有us起作用。假设us为正半周时A为“+”,B为“”,VD1和VD3导通,VD2和VD4截止;因VD1和VD3两支路对称,故输出电压uo=0。同理可知,当us为负半周时,输出电压uo也为零。,当衔铁偏离中心位置向上移动时,设us与u2同相,因us的幅值远大于u2,则在us和u2的正半周(即A为“+”,B为“”)内,VD1和VD3导通,VD2和VD4截止;故VD1回路的总电势为us+u2,VD3回路总电势为 us-u2。设流过VD1和VD3的电流分别为i1和i3,则i1i3,输出电压 uo0。在us和u2的负半周(即B为“+”,A为“”)内,VD2和VD4导通,VD1和VD3截止;则VD2回
17、路总电势大小为us+u2,VD4回路总电势大小为 us-u2,设流过VD2和VD4的电流分别为i2和i4,则i2i4,输出电压uo0。该分析说明,只要衔铁偏离中心位置向上移动,无论us和u2处于正半周还是负半周,输出电压uo始终大于零。当衔铁偏离中心位置向下移动时,因us与u2此时反相。同理可得,无论us和u2如何变化,输出电压uo始终小于零。,3)差动交流电桥相敏检波电路的特点综上分析,得出差动交流电桥相敏检波电路具有以下特点:尽管该测量电路的外加电压是交流电,但输出电压uo确是脉动的直流电。当衔铁处于中间位置时,uo=0。当衔铁偏离中间位置上移使线圈Zx1的阻抗增大,Zx2的阻抗减小时,就
18、有 uo0。当衔铁偏离中间位置下移使线圈Zx1的阻抗减小,Zx2的阻抗增大时,就有uo0。为了便于得到稳定的输出,在工程应用时通常都给它加滤波电路。滤波后的输出电压UO,其大小和正负就代表了被测位移的大小和方向。这就是差动电桥的相敏检波原理。,4.零点残余电压及其补偿,前面在讨论测量电路输出电压时曾说过,当差动传感器的衔铁处于中间位置时,测量电路的输出电压等于零。但实际的输出电压往往不等于零。图79给出了无相敏检波电路时,差动电感交流电桥的输出电压有效值Uo与活动衔铁位移的关系曲线。,图79 差动电感传感器无相敏检波时交流电桥的输出特性,其中虚线表示输出电压有效值与衔铁位移之间的理想特性曲线,
19、实线为实际特性曲线。通常把衔铁处于中间位置(x=0)时,电桥输出电压的有效值称作零点残余电压,记作E0。,1)零点残余电压产生的原因差动传感器的两个电感线圈绕制的不对称;上下磁路几何尺寸制作的不对称以及上下磁性材料的特性不一致。2)零点残余电压的补偿方法在设计和工艺上,力求做到磁路对称,铁芯材料均匀;并经过热处理以消除机械应力,改善磁性;其次是两线圈绕制要尽量均匀对称,力求几何尺寸与电气特性保持一致。在电路上进行补偿。常用的方法是在差动交流电桥中串联上一个调零电位器Rp。对于图77和图78测量电路来说,其补偿电路结构如图710(a)、(b)所示。对其输出电压uo滤波后,得到输出电压平均值UO的
20、特性曲线如图710(c)所示。,图710 具有调零功能的差动交流电桥相敏检波电路及输出特性,7.2.2 互感式位移传感器,互感式位移传感器是基于变压器的原理工作的,它本身就是一个变压器,它把被测位移量转换为互感的变化,使次级线圈感应电压也产生相应的变化。由于互感式位移传感器的次级线圈做成差动连接形式,所以又常把它称为差动变压器式传感器。它的结构形式较多,主要有变间隙型、变面积型和螺线管型等等。但目前应用最多的是螺线管型差动变压器,下面仅介绍这种互感式位移传感器。,1.螺线管式差动变压器,螺线管式差动变压器结构如图7-11(a)所示。它有衔铁、一个初级线圈、两个次级线圈和绝缘框架等组成。它的两个
21、次级线圈反相串联形成差动输出,其等效电路如图7-11(b)所示。,图7-11 螺线管型差动变压器结构及等效电路,根据变压器原理,初级线圈中通以电流为 时,在两个次级线圈中所产生的感应电势分别为,(7-11),(7-12),由于两个次级线圈反相串联,且次级开路,则输出电压为,当衔铁处于中间位置时,由于,(7-13),(7-14),当衔铁偏离中间位置时,由于,由图7-11(b)可知,当次级开路时,初级线圈的电流 为,(7-15),(7-17),(7-16),将式(7-25)代入式(7-22)得,,其有效值为,式中,U1为初级线圈激励电压 的有效值。,式(717)说明,当差动变压器的结构参数R1、L
22、1及激励电压的有效值U1和角频率确定后,输出电压的有效值U2就仅是M1、M2的函数。差动变压器输出电压有效值U2与衔铁位移 之间的关系曲线如图712所示。图中E21、E22分别为两个次级线圈的输出电势有效值。,图712 差动变压器输出电压特性,从图中可以看出,它与自感式传感器相似,也存在零点残余电压,使得实际特性曲线不通过原点。,2.差动变压器测量电路,有两种:一种是差动变压器相敏检波电路,前面已介绍过。另一种是差动变压器整流电路。图7-13是四种典型的差动变压器整流电路。图(a)、(b)是电流输出型。用于低阻抗负载的场合,图中Rp是调零电位器。,图7-13 四种典型的差动整流电路,图(c)和
23、图(d)是电压输出型差动变压器整流电路。图中Rp是调零电位器,用于消除零点残余电压。该测量电路适合于高阻抗负载的场合,,图7-13 四种典型的差动整流电路,下面以图713(a)为例分析差动变压器整流电路的工作原理。从图713(a)可知,不论两个次级线圈的输出电压瞬时极性如何,上面次级线圈的输出电压经桥式整流、电容滤波后产生的电流I1总是从A流向B;而下面次级线圈的输出电压经桥式整流、电容滤波后产生的电流I2总是从B流向A。故从A点流向B点的总电流I为当衔铁处于中间位置时,因I1=I2,所以I=0。当衔铁偏离中心位置上移时,因I1I2,则I0;而当衔铁偏离中心位置往下移动时,有I2I1,则I0。
24、由此可知,总电流I既能表示衔铁位移的大小,又能表示衔铁位移的方向。,(718),7.2.3 涡流式位移传感器,1 电涡流效应当把成块的金属导体置于变化的磁场中或者在固定的磁场中做切割磁力线的运动时,则在金属导体内部就会产生漩涡状的感应电流(即电涡流),而这个电涡流又会在其周围产生磁场,该磁场反过来又对原来的磁场起相抵的作用,从而导致原来的磁场减弱,这种现象就称作电涡流效应。,图7-14(a)为电涡流效应原理图。线圈受涡流影响时的等效阻抗Z可以写成式中,r为线圈与被测导体的尺寸因子。,(7-19),图7-14 电涡流效应原理图及等效电路,金属板内的电涡流对传感器线圈的反射作用,可用图7-14(b
25、)所示的等效电路来说明。根据基尔霍夫(Kirchhoff)定律,可列出方程如下:,(7-20),解此方程组得线圈受电涡流影响后的等效阻抗Z为,(7-21),令则,(7-24),式中,Req为线圈受电涡流影响后的等效电阻,Leq为线圈受电涡流影响后的等效电感。,线圈受电涡流影响后的品质因数Q综上分析可知,由于电涡流的反射作用。线圈阻抗由Z1=R1+jL1变成了Z=Req+jLeq。品质因数也由Q1=L1/R1变成了Q=Leq/Req,显然,电涡流反射影响的结果使线圈阻抗的实部增大了,虚部减少了。品质因数也减少了。这就是电涡流效应的理论依据。,(7-25),2.涡流式位移传感器的工作原理及结构涡流
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