位移检测传感器应用

位移检测传感器的应用

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位移检测传感器应用

一、实验类型

综合性实验。

二、实验目的和要求

1．了解微位移、小位移、大位移的检测方法。

2．运用所学过的相关传感器设计三种位移检测系统。

3．对检测系统进行补偿和标定。

三、实验条件

本实验在没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）

及环境温度一般为室温（20±5℃）、相对湿度不大于85% ，大气压力为101±7kPa的情况下进行。

四、实验方案设计

为了满足实验要求，现使用电涡流，光纤，和差动三种传感器设计位移检测系统，电涡流取0.1mm为单位，光纤取0.5mm为单位，差动取0.2为单位。进行试验后，用MATLAB处理数据，分析结论。

（一）：电涡流传感器测位移

电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。电涡流式传感器由传感器线圈和被测物体（导电体—金属涡流片）组成，如图所示。根据电磁感应原理，当传感器线圈（一个扁平线圈）通以交变电流（频率较高，一般为1MHz～2MHz）I1时，线圈周围空间会产生交变磁场H1，当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出呈旋涡状自行闭合的电流I2，而I2所形成的磁通链又穿过传感器线圈，这样线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感，最终原线圈反馈一等效电感，从而导致传感器线圈的阻抗Z发生变化。我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图中的等效电路。

电涡流传感器原理图电涡流传感器等效电路图

图1

（二）：光纤传感器测位移

实验原理：反射式光纤传感器工作原理如下图所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤合并于一端组成光纤探头，一束作为接受，另一束为光源发射，近红外二极管发出的近红外光经光源光纤照射至被测物，由被测物反射的光信号经接受光纤传输至光电转换器转换为电信号，反射光的强弱与反射物与光纤探头的距离成一定的比例关系，通过对光强的检测就可得知位置量的变化。

图2

（三）：差动电感式传感器测位移

实验原理：差动动螺管式电感传感器由电感线圈的二个次级线圈反相串接而成，工作在自感基础上，由于衔铁在线圈中位置的变化使二个线圈的电感量发生变化，包括两个线圈在内组成的电桥电路的输出电压信号因而发生相应变化。下图为差动式位移检测传感器原理图。

图3

五、实验步骤

（一）：电涡流传感器测位移

1．按下图2将电涡流传感器装好；

图4

2．在测微头端部装上铁质金属圆盘，作为电涡流传感器的被测体。调节测微头，使铁质金属圆盘的平面贴到电涡流传感器的探测端，固定测微头。

图5

3．传感器实验模块按图3连接，将电涡流传感器连接线接到模块上标有“电压

输出”的两端，再将实验模块输出端Uo与数显电压表单元输入端Ui相接。数显电压表量程切换开关选择电压20V档，模块电源用导线从实验台接入+15V电源。

4．打开实验台电源，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。

表一

（二）：光纤传感器测位移

1．安装光纤位移传感器，二束光纤插入实验板上光电变换座孔上。其内部已和发光管Ｄ及光电转换管T相接。

2、将光纤实验模板输出端V01与数显单元相连。

3、实验模板接入±15V电源，合上主控箱电源开关，调R W使数显表显示为零。4．将测微头起始位置调到14cm处，手动使反射面与光纤探头端面紧密接触，

固定测微头。

5．将模块输出“Uo”接到直流电压表（20V档），仔细调节电位器Rw使电压表显示为零。

6．旋动测微器，使反射面与光纤探头端面距离增大，每隔0.01mm读出一次输出电压Ｕ值，填入表二。

图6 光纤传感器安装示意图

图7 光纤传感器位移实验接线图

表二

（三）：差动电感式传感器测位移

1、将差动变压器安装在差动变压器实验模块上，并将传感器引线插入实验模块插座中。

2、连接主机与实验模块电源线，按下图连线组成测试系统，两个次级线圈必须接成差动状态。

3、使差动电感传感器的铁芯偏在一边，使差分放大器有一个较大的输出，调节移相器使输入输出同相或者反相，然后调节电感传感器铁芯到中间位置，直至差分放大器输出波形最小。

4、调节Rw1和Rw2使电压表显示为零，当衔铁在线圈中左、右位移时，L2≠L3，电桥失衡，输出电压的大小与衔铁位移量成比例。

5、以衔铁位置居中为起点，分别向左、向右各位移5mm，记录V、X值并填入表三。

图8应变式传感器安装示意图

图9 全桥性能实验接线图

表三

六、原始数据记录

表一：电涡流传感器实验测量数据

七、数据整理、分析

（一）、电涡流传感器测位移

1、用matlab作出表一的拟合直线和正行程位移----电压曲线，用matlab编程，

其程序如下所示：

x1=5:0.2:11.8;

y1=[1.62 1.68 2.15 2.65 2.94 3.27 3.56 3.70 3.94 4.12 4.25 4.39 4.46 4.57

4.64 4.69 4.78 4.8 4.85 4.91 4.94 4.96 4.95 4.97 4.95 4.96 4.98 4.98

5.05

5.08 5.09 5.08 5.08 5.2 5.21];

x2=12:-0.2:5;

y2=[5.2 5.2 5.2 5.15 5.17 5.16 5.14 5.12 5.10 5.10 5.06 5.06 5.05 5.02 4.98 4.94 4.90 4.89 4.85 4.77 4.68 4.62 4.54 4.42 4.29 4.12 4.02 3.78 3.59

3.31 2.94 2.70 2.22 1.85 1.67];

k=polyfit(x1,y1,1) (％计算拟合直线的斜率b、截距a)

Y=polyval(k,x1) (％计算X数据点的拟合输出值）

hold

plot(x1,y1,'r-',x1,Y,'g-')

grid on

xlabel('正行程位移值（mm)')

ylabel('正行程位电压（V)')

axis([0,12,0,7])

title('电涡流传感器测位移')

运行程序结果如下图所示：

图10：电涡流传感器正行程测位移

设拟合直线的直线方程位p=bx+a （b为拟合直线的斜率，a为截距）则：b=0.4368 a= 0.7301

2、计算其灵敏度和线性度。

传感器的灵敏度定义为在稳态下输出的变化对输入变化的比值，对于线性传感器，它的灵敏度就是静态特性的斜率，即灵敏度S=y／x=K，K为一常数，所以灵敏度为

S=0.4368(1)另一个重要参数是非线性误差，定义为实际静态特性曲线与拟合直线之间的偏差，即为

L

δ=100?±FS

y

L

％

(2)

式中L 最大非线性绝对误差;FS y 一输出满量程。

利用matlab 计算非线性误差，程序如下：

y2=y1-Y

(3)

L=max(y2) (％计算最大非线性绝对误差) (4)

运行程序，得到 L=0.5835，进而由线性度的定义，可得其线性度为：

L

δ=±5.21000.5835=±11.2％

2、迟滞性

传感器在正行程(输入量增大)反行程(输入量减小)期间输出与输入特性曲

线不重合的程度即为迟滞误差。。用matlab 计算传感器的迟滞性的程序如下所示：

x1=5:0.2:11.8;

y1=[1.62 1.68 2.15 2.65 2.94 3.27 3.56 3.70 3.94 4.12 4.25 4.39 4.46 4.57 4.64 4.69 4.78 4.8 4.85 4.91 4.94 4.96 4.95 4.97 4.95 4.96 4.98 4.98 5.05 5.08 5.09 5.08 5.08 5.2 5.21]; x2=12:-0.2:5;

y2=[5.2 5.2 5.2 5.15 5.17 5.16 5.14 5.12 5.10 5.10 5.06 5.06 5.05 5.02 4.98 4.94 4.90 4.89 4.85 4.77 4.68 4.62 4.54 4.42 4.29 4.12 4.02 3.78 3.59 3.31 2.94 2.70 2.22 1.85 1.67];

plot(x1,y1,'r-',x2,y2,'g-'),axis([0,14,0,7]),title(‘迟滞特性图’), xlabel(‘位移值(mm)’),ylabel('输出电压（V ）')

运行程序结果如下图所示：

图七：电涡流正反行程测位移（迟滞性）（红线为正行程，绿线为反行程）

(一)、光纤传感器测位移

1、用matlab作出表二的拟合直线和正行程位移----电压曲线，用matlab编程，其程序如下所示：

x1=3:0.5:15;

y1=[3.83 3.71 3.51 3.26 3.01 2.76 2.53 2.31 2.10 1.91 1.73 1.57 1.43 1.3 1.17 1.07 0.97 0.88 0.79 0.72 0.66 0.60 0.53 0.49 0.48];

k=polyfit(x1,y1,1) (％计算拟合直线的斜率b、截距a)

Y=polyval(k,x1) (％计算X数据点的拟合输出值）

hold

plot(x1,y1,'r-',x1,Y,'g-')

grid on

xlabel('正行程位移值（mm)')

ylabel('正行程位电压（V)')

axis([0,16,0,7])

title('光纤传感器测位移')

运行程序结果如下图所示：

图11

设拟合直线的直线方程位p=bx+a （b 为拟合直线的斜率，a 为截距）则：

b=-0.2794 a= 4.3452 -0.2878 4.3446

2、计算其灵敏度和线性度。

传感器的灵敏度定义为在稳态下输出的变化对输入变化的比值，即灵敏度S=y ／x=K ，K 为一常数，所以灵敏度为 S =-0.2794

(1)

另一个重要参数是非线性误差，定义为实际静态特性曲线与拟合直线之间的偏差，即为

L

δ=100?±FS

y

L

％

(2)

式中L 最大非线性绝对误差;FS y 一输出满量程。

用matlab 计算非线性误差提供了强大的数值计算功能，程序如下： y2=y1-Y

(3)

L=max(y2) (％计算最大非线性绝对误差) (4)

运行程序，得到 L= 0.4868，进而由线性度的定义，可得其线性度为：

L

δ=±3.83000.4868

=±12.7％

2、迟滞性

传感器在正行程(输入量增大)反行程(输入量减小)期间输出与输入特性曲线不重合的程度即为迟滞误差。。用matlab 计算传感器的迟滞性的程序如下所示：

x1=0:0.5:15;

y1=[0 0.9 2.04 2.91 3.51 3.79 3.83 3.71 3.51 3.26 3.01 2.76 2.53 2.31 2.10 1.91 1.73 1.57 1.43 1.3 1.17 1.07 0.97 0.88 0.79 0.72 0.66 0.60 0.53 0.49 0.48]; x2=15:-0.5:0;

y2=[0.48 0.5 0.55 0.61 0.67 0.73 0.81 0.89 0.98 1.08 1.19 1.31 1.45 1.59 1.75 1.92 2.12 2.33 2.55 2.77 3.04 3.29 3.53 3.74 3.87 3.87 3.60 3.00 2.12 0.98 0.03]; plot(x1,y1,'r-',x2,y2,'g-'),axis([0,16,0,7]),title(‘迟滞特性图’), xlabel(‘位移值(mm)’),ylabel('输出电压（V ）');

运行程序结果如下图所示：

图12：光纤正反行程测位移（迟滞性） （红线为正行程，绿线为反行程）

(三) 、差动电感式传感器测位移实验数据的处理：

用matlab 作出表三的拟合直线和正行程位移----电压曲线，用matlab 编程，其程序如下所示： x1=10.2:0.4:19.8

y1= [0.23 0.98 1.89 2.81 3.91 4.64 5.53 6.50 7.33 8.30 9.27 10.21 11.20 12.25 13.23 14.59 15.60 16.69 17.50 18.20 18.70 19.08 19.33 19.50 19.57] k=polyfit(x1,y1,1) (％计算拟合直线的斜率b 、截距a)

Y=polyval(k,x1) (％计算X数据点的拟合输出值）

hold

plot(x1,y1,'r-',x1,Y,'g-')

grid on

xlabel('正行程位移值（mm)')

ylabel('正行程位电压（V)')

axis([10,23,0,25])

title('差动电感式传感器测位移')

运行程序结果如下图所示：

图13：正行程位移

设拟合直线的直线方程位p=bx+a （b为拟合直线的斜率，a为截距）则：b=2.2203 a=-22.2227

3、计算其灵敏度和线性度。

传感器的灵敏度定义为在稳态下输出的变化对输入变化的比值，即灵敏度S=y／x=K，K为一常数，所以灵敏度为

S =2.2203

(1)

另一个重要参数是非线性误差，定义为实际静态特性曲线与拟合直线之间的

偏差，即为

L

δ=100?±FS

y

L

％

(2)

式中L 最大非线性绝对误差;FS y 一输出满量程。

用matlab 计算非线性误差，程序如下：

y1=y-Y (3)

L=max(y1) (％计算最大非线性绝对误差) (4) 运行程序，得到 L= 1.1678，进而由线性度的定义，可得其线性度为：

L

δ=±19.57001.1678 =±5.97％

2、迟滞性

用matlab 计算传感器的迟滞性的程序如下所示：

x1=10.2:0.4:19.8;

y1=[0.23 0.98 1.89 2.81 3.91 4.64 5.53 6.50 7.33 8.30 9.27 10.21 11.20 12.25 13.23 14.59 15.60 16.69 17.50 18.20 18.70 19.08 19.33 19.50 19.57]; x2=19.8:-0.4:10.2; y2=[19.57 19.52 19.39 19.23 18.93 18.54 18.07 17.38 16.38 15.44 14.40 13.31 12.30 11.35 10.34 9.42 8.43 7.5 6.63 5.67 4.80 3.84 2.99 2.15 1.27];

plot(x1,y1,'r-',x2,y2,'g-'),axis([10,30,0,20]),title(‘迟滞特性图’), xlabel(‘位移值(mm)’),ylabel('输出电压（V ）');

运行程序结果如下图所示：

图14：差动正反行程测位移（迟滞性）