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1、3.2位移测量传感器3.2.1电感式位移传感器3.2.2电容式位移传感器3.2.3光栅位移传感器3.2.1自感型电感式位移传感器1）构成：1线圈、2铁心、3活动衔铁、4测杆、5触头。1.可变磁阻式电感传感器2）结构：变气隙式。3）测量原理：被测位移构件与活动衔铁相连，当被测构件产生位移时，活动衔铁随之移动，空气隙发生变化，引起磁阻发生变化，从而引起电感值发生变化。3.2.1自感型电感式位移传感器4）自感：w：线圈匝数；0：空气导磁率；A0：空气导磁面积；：空气隙6）特点：非线性严重；测量范围小，一般为0.001-1mm；分辨力及灵敏度高，分辨力可达0.1um；制造装配困难5）灵敏度：传感器的灵
2、敏度与空气隙的平方成反比，显然存在非线性误差；空气隙越小，灵敏度越高。3.2.1自感型电感式位移传感器1）结构：1线圈、2铁心、3活动衔铁、4测杆、5触头。2.改变空气隙导磁截面积的传感器2）原理：工作时空气间隙不变，改变的是导磁面积。3）特点：线性度好，示值范围大。灵敏度低，需配有放大电路。3.2.1自感型电感式位移传感器1）结构：两个相同的线圈、铁心和活动衔铁构成。3.可变磁阻差动式传感器2）原理：当活动衔铁处于铁心中央时，两线圈的自感相等，当有位移，两个线圈的间隙为0，0，这时一个线圈的自感增加，另一个线圈的自感减小，当两个输出信号接入桥式电路时，输出灵敏度提高一倍，并改善了线性特性。3
3、.2.1自感型电感式位移传感器4.涡流式传感器1）原理：利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应。2）涡流产生：线圈输入一交变电流，产生交变磁场，下方金属板在交变磁场中会产生感应电流，由于电流在金属体内是闭合的，所以称之为涡电流(涡流)。涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度、金属板与线圈的距离、激励电流角频率等有关。保持其它参数不变，距离发生变化时，涡电流就发生变化。原理：高频激励电流产生高频磁场，作用于金属板的表面，在金属板表面将形成涡电流，同时，涡电流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感或阻抗发生变化。3.2.1自感型电感式位移传感器l高频反射式涡流传感器阻抗变化量与金属板的电阻率、
4、磁导率、金属板与线圈的距离、励磁电流角频率等有关。原理：发射线圈1和接收线圈2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频电压e1加到线圈1的两端后，产生磁力线的一部分透过金属板材料G，使线圈2产生感应电动势e2。由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗能量越大，输出电动势e2越小。3.2.1自感型电感式位移传感器l低频透射式涡流传感器应用：应用于金属材料。3.2.1自感型电感式位移传感器l低频透射式涡流传感器应用于位移、材料厚度、探伤检测。线性范围及工作范围大，可测0-30mm距离。动态非接触测量。灵敏度高、结构简单、不受油污介
5、质影响。3.2.2电容式位移传感器1.原理平行金属板电容器电容量计算公式：0：真空介电常数(8.85410-12F/m)r：极板间介质的相对介电常数A：极板的有效面积：两极板间的距离3.2.2电容式位移传感器2.分类根据电容器参数变化的特性可分为：极距变化型电容式传感器介质变化型电容式传感器面积变化型电容式传感器极距变化型电容式传感器相互覆盖面积和极间介质不变，极距变化改变电容。结论：变极距型电容传感器只有在/0很小时，才有近似的线性输出；灵敏度S与初始极距的平方成反比，故可用减小0的办法来提高灵敏度。传感器的灵敏度为：（1）原理极距变化型电容式传感器（2）优点：灵敏度高适于小位移的精确测量(
6、数百微米以下）。（3）缺点：存在非线性，杂散电容对灵敏度和测量精度影响大、与传感器配合的电子线路复杂，应用受限制。为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件(如电源电压、环境温度等)的变化对测量精度的影响，常常采用差动型电容式传感器。面积变化型电容式传感器（1）分类：角位移型、线位移型。线位移型又分为：平面线位移型、圆柱线位移型。面积变化型电容式传感器l平面线位移型电容式传感器测量原理：当宽度为b的动板沿箭头方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化。平面线位移型电容传感器电容：灵敏度为：面积变化型电容式传感器l圆柱线位移型电容式传感器圆柱线位移型电容器的电容为：灵敏度为：面积变化
7、型电容式传感器l角位移型电容传感器测量原理：当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就变化，因而导致电容量变化。当覆盖面积对应的中心角为a、极板半径为r时，覆盖面积为：面积变化型电容式传感器l角位移型电容传感器电容量为：其灵敏度为：面积变化型电容式传感器（2）特点：输出与输入成线性关系，但与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。3.2.3光栅位移传感器1.基本概念与原理光栅是由很多等节距的透光的缝隙或不透光的刻线均匀、相间排列而成的光电器件。20线-150线/mmw为光栅常数(光栅栅距)3.2.3光栅位移传感器莫尔条纹莫尔条纹的形成如果把两块栅距W相等的光栅面平行安装
8、，且让它们的刻痕之间有较小的夹角时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹。3.2.3光栅位移传感器位移的放大作用当光栅每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角之间的关系为：3.2.3光栅位移传感器位移的放大作用越小，BH越大，这相当于把栅距W放大大了1/倍。例如=0.1，则1/573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍，这相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。3.2.3光栅位移传感器例：某光栅的条纹密度是50条/mm，光栅条纹间的夹角=0.001rad，则莫尔条纹的宽度是多少？解
9、：因为条纹宽度是50条/min，所以栅距：P=1/50mm/条=0.02mm/条故莫尔条纹宽度：W=P/=0.02/0.001=20mm3.2.3光栅位移传感器莫尔条纹测量位移原理l当两光栅相互移动时，莫尔条纹也相应的发生移动，当两光栅相对移动一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹（周期）。l反之当莫尔条纹移动一个条纹（周期），则两光栅相对移动一个栅距，因此对莫尔条纹计数可求得两光栅相互移动的位移量。l位移量为x=Nw，其中N为条纹数，w是栅距。3.2.3光栅位移传感器2.光栅传感器的结构1）构成：光源、光学系统、光栅付和光电接收元件。3.2.3光栅位移传感器2.光栅传感器的结构l光源：供给光栅传感
10、器工作时所需光能；主要包括白炽灯和红外发光二极管两种。l光学系统：将光源发出的光转换成平行光。3.2.3光栅位移传感器2.光栅传感器的结构l光栅付：包括主光栅和指示光栅主光栅又叫标尺光栅，是测量的基准。标尺光栅比指示光栅长，可长达3m，标尺光栅的尺寸常由测量范围确定。指示光栅则为一小块，只要能满足测量所需的莫尔条纹数量即可。整个测量装置的精度主要由主光栅的精度来决定。l光电接收元件将光栅付形成的莫尔条纹的明暗强弱变化转换为电量输出常用的光电接收元件:光电二极管、光电三极管、硅光电池三种。3.2.3光栅位移传感器2）特点2.光栅传感器的结构l信号处理方式简单，使用方便；测量高精度、高分辨力可达0.1微米；量程大。l光栅尺价格较昂贵；对工作环境要求较高；玻璃光栅尺的线胀系数与机床不一致，易造成测量误差。3.2.3光栅位移传感器3）分类2.光栅传感器的结构