昆明理工大学课程设计报告

课程设计报告

位移传感器

学院信息工程与自动化学院

学科专业测控121

姓名

学号201

指导教师许晓平

起止周期 2014年12月—2015年1月提交日期

目录

摘要 (2)

一．位移传感器的工作原理及组成结构 (2)

一．电感式位移传感器 (2)

1.分类 (2)

2.电感式传感器特点 (2)

4.产品特性 (3)

5.变磁阻式传感器——自感式 (3)

6.差动变压器式传感器——互感式 (6)

7.电涡流式传感器——电涡流式 (9)

二．电容式位移传感器 (13)

1.简介 (13)

2.应用范围 (13)

3.性能 (13)

4.工作原理 (13)

5.组成结构 (14)

6.主要特点 (14)

三．霍尔式位移传感器 (14)

1. 工作原理 (14)

2.霍尔元件的主要特性及材料 (14)

四.光纤位移传感器 (16)

1. 结构及工作原理 (16)

2.光纤探头的端部,发射光纤与接收光纤分布 (17)

3.光的全反射定义 (17)

4.光纤位移传感器的一个典型范例 (18)

总结与体会 (19)

参考文献 (20)

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。

位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。

关键词:

电感式位移传感器、电容式位移传感器、霍尔式位移传感器、光纤位移传感器

一．位移传感器的工作原理及组成结构

一．电感式位移传感器

电感式传感器（inductance type transducer）是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。

1.分类

（1）变磁阻式传感器——自感式

（2）差动变压器式传感器——互感式

（3）电涡流式传感器——电涡流式

2.电感式传感器特点

（1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。

（2）灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化。传感器的输出信号强，电压

灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。

（3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.05%~0.1%。同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。

电感式传感器种类很多，常见的有自感式，互感式和涡流式三种。

4.产品特性

电感式传感器，是用于近距离定位金属物体的通用方式。因为主要是通过霍尔效应来完成检测，所以也称为霍尔传感器。其内部结构由两部分构成：前端由缠绕着发射、接收线圈的铁芯构成检测部分；后端为电路部分，整体封装在塑料或金属外壳中。工作时，电磁铁芯部分发生交变磁场，对靠近的金属物体表面产生涡流效应，从而削弱LC震荡电路，放大电路部分分析电磁铁芯接收线圈的微弱LC震荡电路变化，并给予相应的输出。

不同外形尺寸，其额定检测距离一般至多到100mm。通常状态下，各厂家对于其标称的检测距离为在实验室条件下测得的额定检测距离。实际应用中，考虑到各方面的环境因素，其可靠检测距离约为额定检测距离的80%，但对于被测物是有一定要求的。由于应用现场的被测物材料的导磁性和尺寸大小，一般情况下达不到标准被测物的要求，那么传感器的检测距离会进一步的衰减，这也就是很多用户感觉电感传感器的检测距离比厂家标称的小很多的原因。在这种非标检测的情况下，各厂家及其不同系列产品的差异较大。另外，更深入的讲，在抗电磁干扰性、环境温度、电压扰动以及安装要求等方面，都存在着差异。

选择合适的传感器，会大幅提升设备运转的稳定性和可靠性，也最大的可能性减少传感器的失效或损毁，减少不必要的维护投入。汽车制造业在生产过程中，大量使用电感式传感器作为定位检测，如何针对此行业选择最适合的产品，显得尤为重要。

5.变磁阻式传感器——自感式

（1）简介

由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。电感式传感器的特点是：①无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、重复性好；⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；⑧不适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误

差。

（2）应用

电感式传感器具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点，特别适合用于酸类，碱类，氯化物，有机溶剂，液态CO2，氨水，PVC粉料，灰料，油水界面等液位测量，目前在冶金、石油、化工、煤炭、水泥、粮食等行业中应用广泛。

（3）变磁阻式传感器工作原理

变磁阻式传感器的结构如图4-1所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为占，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度方发生改变，引起磁路中磁限变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能侧出这种电感苗的变化，就能确定衔铁位移量的大小

和方向。

根据电感定义，线圈中电感址可由下式确定:L=L

L

=LL

L。式中，ψ为线圈总

磁链;I为通过线圈的电流;ω为线圈的哑数;φ为穿过线圈的磁通。

由磁路欧姆定律，得?=ω?Ι

?

.式中，R为磁路总磁阻。对于变隙式传感器，因为气隙

很小，所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为

。

（4）变磁阻式传感器输出特性如图4-2所示：

（5）变磁阻式传感器测量电路A．交流电桥式测量电路

交流电桥式测量电路灵敏度分析：

灵敏度K o为?L

L1

=2?L

L0

Ko=

?L

L0

?L

=2

L0

两点结论：