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=LL=LLL。

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∙Ιℛ.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∆LL1=2∆LL0Ko=∆LL0∆L=2L0两点结论：差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。

差动式变间隙电感传感器的非线性项次数高，线性度得到明显改善。

B．变压器式测量电路C．谐振式测量电路6.差动变压器式传感器——互感式工作原理：差动变压器主要是由一个线框和一个铁芯组成,在线框上绕有一组初级线圈作为输入线圈(或称一次线圈),在同一线框上另绕两组次级线圈作为输出线圈(或称二次线圈),并在线框中央圆柱孔中放入铁芯,当初级线圈加以适当频率的电压激励时,根据变压器作用原理,在两个次级线圈中就会产生感应电势,当铁芯向右或向左移动时,在两个次级线圈内所感应的电势一个增加一个减少。

如果输出接成反向串联，则传感器的输出电压u等于两个次级线圈的电势差，因为两个次级线圈做得一样，因此，当铁芯在中央位置时，传感器的电压u为0，当铁芯移动时，传感器的输出电压u就随铁芯位移x成线性的增加。

如果以适当的方法测量u，就可以得到与x成比例的线性读数。

互感式传感器——把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器差动变压器式传感器——次级绕组用差动形式结构：变隙式、变面积式、螺线管式优点：测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠（1）螺线管式差动变压器基本特性零点残余电压及补偿：零点残余电压主要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等问题引起的。

（基波、高次谐波）（2）差动式变压器测量电路两个目的：（1）辨别移动方向（2）消除零点残余电压两种方法：（1）差动整流电路（2）相敏检波电路（1）差动整流电路（2）相敏检波电路7.电涡流式传感器——电涡流式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。

（1）工作原理电涡流效应——块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时, 导体内将产生呈涡旋状的感应电流。

（2）基本特性（3）电涡流的径向形成范围（1）电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈外径ras的1.8～2.5 倍范围内, 且分布不均匀（2）电涡流密度在短路环半径r=0处为零（3）电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内（4）可以用一个平均半径为ras（ras=（ri+ra）/2）的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）（4）电涡流强度与距离的关系（1）电涡强度与距离x呈非线性关系, 且随着x/ras的增加而迅速减小。

（2）当利用电涡流式传感器测量位移时, 只有在x/ras <<1(一般取 0.05～0.15)的范围才能得到较好的线性和较高的灵敏度（5）低频透射式涡流厚度传感器（6）高频反射式涡流厚度传感器（7）典型应用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。

二．电容式位移传感器1.简介电容位移传感器是一种非接触电容式原理的精密测量仪器，具有一般非接触式仪器所共有的无磨擦、无损磨和无惰性特点外，还具有信噪比大，灵敏度高，零漂小，频响宽，非线性小，精度稳定性好，抗电磁干扰能力强和使用操作方便等优点。