傳感器測位移一.前言位移傳感器，又稱線性傳感器，是利用各種元件檢測對象物的物理變化量，通過將該變化量換算為距離，來測量從傳感器到對象物的距離位移的機器。小位移通常用應變式，電感式，差動變壓器式，渦流式，霍爾傳感器來檢測，大的位移常用感應同步器，光柵，容柵，磁柵等傳感技術來測量。本次著重于介紹電位器式位移傳感器，電渦流式位移傳感器，霍爾式位移傳感器和差動式位移傳感器二?電位器式位移傳感器1） 電位器傳感器原理：電位器傳感器的工作原理是基于電位器電阻可調，即調節滑片的位置時，它的電阻值相應發生變化。利用電橋的平衡特性，當滑片移動AL時，電阻相應增加或減小AR,,引起電壓發生相應的變化。導體的電阻與導體的材料性能（電阻率P）、導體的尺寸（長度L、橫截面A）、形狀以及導體的溫度等因素有關。如果導體的長度為L，橫截面為A，電阻率為P，那么它的電阻值R可表示為R=P—A由式可見，在勻質導體中，電阻與其長度成正比。2） 連接電路圖：常見的旋轉式變阻器和滑線式變阻器，可作為角位移和線位移測量的電阻式傳感器。位移的變化通過機械機構改變電阻器滑臂的位置，從而改變了a、b端的電阻值Rab，如下圖所示：

圖1位移圖1位移x與電阻Rab成正比這類傳感器通常是以電位計的形式接入測量電路，稱為電位計式傳感器。在c、b間接入電源U，在a、b間接入負載電阻Rl。+5V圖2圖2測量電路原理圖令x=Rab/R(即x=0時，Rab=0;x=1，Rab=R)得1+ —x(1-x)RL可見，輸出電壓（負載上的電壓）UL與位移x呈非線性關系。只有當Rl=8時，輸出電壓UL與位移x間才是線性關系。3）輸出特性曲線:

圖3輸出特性曲線二?電渦流式位移傳感器1） 簡述電渦流效應根據法拉第電磁感應原理，塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內將產生呈渦旋狀的感應電流，此電流叫電渦流，以上現象稱為電渦流效應。而根據電渦流效應制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。2） 工作原理圖4電渦流式傳感器的基本原理如圖3.25所示，有一通以交變電流4的傳感器線圈。由于電流4的存在，線圈周圍就產生一個交變磁場H1。若被測導體置于該磁場范圍內，導體內便產生電渦流L，1也將產生一個新磁場H，H與H方向相反，力圖削弱原磁場H,2 2 1 1從而導致線圈的電感、阻抗和品質因數發生變化。這些參數變化與導體的幾何形

狀、電導率、磁導率、線圈的幾何參數、電流的頻率以及線圈到被測導體間的距離有關，如果控制上述參數中一個參數改變就能構成測量該參數的傳感器。圖5等效電路為分析方便，將被測導體上形成的電渦流等效為一個短路環中的電流。這樣，線圈與被測導體便等效為相互耦合的兩個線圈，如圖5所示。設線圈的電阻為R,電感為L,阻抗為Z=R+j3L；短路環的電阻為R，電感為L；線圈與短路1 1 1 1 1 2 2環之間的互感系數為M。M隨它們之間的距離x減小而增大。加在線圈兩端的激?勵電壓為氣，可求得線圈受金屬導體渦流影響后的等效阻抗為:Z=RZ=R1+R2①2M2 +j①R2+(①L)2L1-L2①2M2R2+(①L)22 2(3-39)線圈的等效電感為:①2M2-L 2R22+(叫)2(3-40)由式(3-39)可見，由于渦流的影響，線圈阻抗的實數部分增大，虛數部分減小，因此線圈的品質因數Q下降。阻抗由2】變為Z，常稱其變化部分為“反射阻抗”。由式(3-39)可得：L—2LiR①L—2Li— R Z2 I1 2 /(3-41)式中(3-41)式中Qo=°Li/Ri無渦流影響時線圈的Q值;Z2*；+°2L2——短路環的阻抗。Q值的下降是由于渦流損耗所引起，并與金屬材料的導電性和距離x直接有關。當金屬導體是磁性材料時，影響Q值的還有磁滯損耗與磁性材料對等效電感的作用。在這種情況下，線圈與磁性材料所構成磁路的等效磁導率七的變化將影響L。當距離x減小時，由于七增大而使式(3-40)中之L1變大。測量電路電渦流傳感器常用的測量電路有電橋電路和諧振電路，阻抗Z的測量一般用電橋，電感L的測量電路一般用諧振電路。振藩罪A —1，—i—|2昏汛圖6電橋電路原理電橋法是將傳感器線圈的等效阻抗變化轉換為電壓或電流的變化。上圖為電橋法的原理圖。圖中A,B兩線圈作為傳感器線圈。傳感器線圈與兩電容的并聯阻抗作為電橋的橋臂，起始狀態，使電橋平衡。在進行測量時，由于傳感器線圈的等效阻抗發生變化，使電橋失去平衡，將電橋不平衡造成的輸出信號進行放大并檢波，就可得到與被測量成正比輸出。電橋法主要用于兩個電渦流線圈組成的差動式傳感器。諧振法是將傳感器線圈的等效電感的變化轉換為電壓或電流的變化，傳感器線圈與電容并聯組成LC并聯諧振回路u，其謝振頻率為，諧振時回路的等效阻抗最大，Z=L/RC，其中R為諧振回路等效電阻。當線圈電感L發生變化時，賄賂的等效阻抗和謝振頻率都將隨L的變化而變化，因此可以利用測量回路阻抗的方法或測量回路謝振頻率的方法間接測出傳感器的被測值。由式(3-39)?(3-41)可知，線圈-金屬導體系統的阻抗、電感和品質因數都是該系統互感系數平方的函數。而互感系數又是距離x的非線性函數，因此當構成電渦流式位移傳感器時,Z=fQLL'fQ)、Q=f/x)都是非線性函數。但在一

定范圍內，可以將這些函數近似地用一線性函數來表示，于是在該范圍內通過測量Z、L或Q的變化就可以線性地獲得位移的變化。4）輸出特性圖7輸出特性曲線三.霍爾式傳感器測位移1）霍爾效應定義：金屬或半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將會產生電動勢，這種現象圖8霍爾效應2）霍爾元件原理：由于運動電荷受磁場中洛侖茲力作用的結果，設在N型半導體薄片上通以

電流I,則半導體中的載流子（電子）沿著與電流方向相反運動（速度V）,由于在垂直于半導體薄片平面的方向上施加磁場B,所以電子受洛侖茲力的作用，向一邊偏轉（虛線所示），并使該邊形成電子積累，而另一邊則為正電荷積累，于是形成電場，該電場阻止運動電子的繼續偏轉。當電場作用在運動電子上的力與洛侖茲力相等時，電子的積累便達到動態平衡，在薄片兩橫斷面之間建立電場，相應的電勢稱為霍爾電勢。V=RIBHHdRh—霍爾系數（嵯）其中:I—控制電流（￡?；）其中:B-磁感應強度0）d-元件厚度（m）IBneb其中:5其中:5:厚度n:電子濃度e:電荷量另 Kh=1（ne5）貝VEh=KhIBR=PRp—載流體電阻率R-載流子遷移率（N型半導體的較大，很高。所以，RH大。）另Kh=RHd （Km2AWb）霍爾元件靈敏度。3）連接電路圖:圖9測量電路

圖9測量電路4)輸出特性線:圖104)輸出特性線:圖10輸出特性霍爾靈敏系數Kh在單位控制電流和單位磁感應強度作用下，霍爾器件輸出端的開路電壓，稱為霍爾靈敏系數Kh,霍爾靈敏系數Kh的單位為V/(AT)。四.差動式位移傳感器差動變壓器原理：差動變壓器式傳感器，簡稱差動變壓器(LinerVariableDifferentialTransformer簡稱LVDT),它是一個有可動鐵芯和兩個次級線圈的變壓器。傳感器的可動鐵芯和待測物相連，兩個次級線圈接成差動形式，可動鐵芯的位移利用線圈的互感作用轉換成感應電動勢的變化，從而得到待測位移。由差動變壓器的靈敏度表達式KUU』K=sc=^s^.2A8 SN0 1可知，傳感器的靈敏度將隨電源電壓Usr和變壓比N2/N1的增大而提高，隨起始間隙增大而降低。一般情況下取N2/N1=1~2,太大時，次級線圈的輸出阻

抗過高，易受外部干擾的影響。必須注意，位移量要限制在一定范圍內，50一般在0.5mm左右。50過大，靈敏度要降低，而且邊緣磁通將增大到不能忽略的程度，從而使非線性增大。在實際輸出特性中，當50=0時，還存在著零位電壓U0。2）連接電路:(b)(b)3）測量電路差動變壓器的輸出電壓是調幅波，為了辨別銜鐵的移動方向，需要進行解調。下圖為解調電路：差動相敏檢波電路。解調電路可以消減零位電壓，減少測量誤差。圖12差動相敏檢波電路容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。圖中調制電壓er和e同頻，經過移相器使er和e保持同相或反相，且滿足er>>e。調節電位器R可調平衡，圖中電

阻R1=R2=R0，電容C1=C2=C0,輸出電壓為UCD。當鐵芯在中間時,e=0,只有er起作用，輸出電壓UCD=0。若鐵芯上移，e尹0,設e和er同相位，由于er>>e,故er正半周時D1、D2仍導通，但D1回路內總電勢為er+1/2e，而D2回路內總電勢為er—1/2e，故回路電流i1>i2輸出電壓UCD=R0(i1-i2)>0。當er負半周時，由于e和er同相位，故而i4>i3,UCD=R0(i4-i3)>0，因此鐵芯上移時輸出電壓UCD>0。當鐵芯下移時，e和er相位相反。同理可得UCD<0。由此可見，該電路能判別鐵芯移動的方向。輸出特性圖13等效電路被測體帶動移動:仇d圖14圖13等效電路被測體帶動移動:仇d圖14變隙式差動變壓器輸出特性1理想特性；2實際特性靈敏度差動變壓器的靈敏度隨電源電壓U和變壓比W2/W1的增大而提高，隨初始氣隙增大而降低。增加次級匝數W2與增大激勵電壓U將提高靈敏度。圖15 激勵頻率與靈敏度的關系圖16激勵電壓與靈敏度的關系五.比較幾種傳感器的優缺點及改善傳感器名稱優點缺點改善方法電位器式位移傳感器結構簡單，靈敏度高適用范圍廣。抗干擾力強高穩定度的直流電源易于獲得傳感器至測量儀表的連線導線的分布參數影響小對被測量物體的物理特性要求高測量位移的線性范圍受到傳感器線圈直徑的限制適用范圍窄后續要采用直流放大器，容易產生零點漂移，線路也比較復雜使用電阻范圍廣，且阻值變化小的電位器

電渦流式位移傳感器測量范圍寬，可靠性好，靈敏度高結構簡單，反應速度快可實現非接觸測量抗干擾能力強壽命長，可在各種惡劣條件下使用不能在強電，磁場中測量