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第二章位移检测传感器

位移分为线位移和角位移，常用的测量位移方法有机械法、光测法、电测法。测量位移常用传感器有：电阻式、电容式、涡流式、压电式、感应同步器式、磁栅式、光电式。参量位移传感器工作原理：将被测物理量转化为电参数，即电阻、电容或电感。电阻式位移传感器的电阻值取决于材料的几何尺寸和物理特性，即R=*L/S,电位计和应变片就是根据此原理制成。电位计通常由骨架、电阻元件及电刷组成。电刷相对于电阻元件作直线运动、转动或螺旋运动，将直线位移、转角位移转换为电阻的变化，电位计将位移换成与之有某种函数关系的电阻或电压输出，叫函数电位计或非线性电位计。电位计的电阻元件通常有线绕电阻、薄膜电阻、导电材料，电位计选用条件：机构简单，输出信号大，性能稳定，容易实现任意函数关系。缺点，要求输入能量大、电刷与电阻元件有干摩擦，易磨损，产生噪声干扰。

电位计电阻灵敏度，电压灵敏度概念：电阻元件长度l，总电阻R，电刷位移x，相应电阻Rx，电源电压Ui，输出电压U0，输出电阻Rx=R/l·x=KRx，KR为电位计电阻灵敏度（欧姆/米）。KR=Rx/x=R/l；空载输出电压U0=Ui/lx=KUx，其KU（V/m）为输出电压U0与电刷位移之比，KU=U0/x=Ui/l 电阻应变式位移传感器：将被测位移引起的应变元件产生的应变，经后续电路变换成电信号输出，从而测出被测位移。

电容式传感器工作原理：电容式位移传感器利用电容量的变化测量位移的装置。为两极板间的介电常数，S为面积其中任一个参数变化，都会引起电容量的变化，经变换电路，将电容量变化转换为电信号，从而电容位移传感器分为变极距型、变面积型、变介质型。电容传感器灵敏度是电容输出的变化量与引起变化的输入位移变化量之比，即电感传感器灵敏度是电感输出变化量与引起变化的输入位移变化量之比，即电容计算公式C=Q/U差动式电容位移传感器的特点：差动形式，当中间活动极板移动，一边电容增加，另一边电容减小，总的电容变化为两者之和。这样不仅提高灵敏度，同时在零点附近工作的线性度也得到改善。

容栅式位移传感器的电容量计算：当可动容栅相对固定容栅移动时，每对电容面积发生变化，因而电容值随之变化，可测出线位移或角位移。长容栅最大电容量n为可动容栅极数，ab为栅极的宽度和长度。圆容栅，栅极成辐射状，可动容栅随被测对象一起转动，最大电容量为Rr为栅极外半径和内半径;为每条栅极对应的圆心角。

变极距电容式位移传感器特点及应用：只有极板移动距离远小于极板间距离时，电容位移传感器电容随距离变化才近似成线性关系，所以只能测量小位移。变极板面积型电容位移传感器特点及应用：灵敏度是一个常数，输入输出具有线性关系。可用于线位移和角位移的测量。容栅式电容位传感器特点及用：容栅式在变面积电容位移传感器的基础上发展来的。容栅式电容传感器因多极电容及平均效应，所以分辨力高，精度高，量程大，对刻划精度和安装精度要求有所降低，很有发展前途。变介质电容位移传感器特点及应用：输入输出有线性的也有非线性的。使用较好线性变介质电容位移传感器可用于位移或尺寸测量。测量介质厚度，通过测量介电常数变化影响的某些量。位移与变化量之间的关系：变极距电容位移传感器；位移与电容变化量之间的关系

电感式位移传感器类型工作原理：将被测物理量位移转化为自感L、互感M、变化，并通过测量电感量的变化确定位移量。主要类型有；自感式、互感式、涡流式、压磁式。1）自感式位移传感器工作原理：在线圈中通一交变电流i，产生磁通，形成磁通回路。有N为线圈匝数，L为自感，根据欧姆定律，有，其中Rm为磁阻，综上可得L=N2/Rm。2）互感式位移传感器工作原理：将被测位移量的变化转换成互感系数的变化，基本原理与常用变压器类似，常接成差动式，因此称为差动变压器式位移传感器。常用的有螺管型，它由一个侧线圈N和两个二次侧线圈组成，且线圈结构相同，线圈中插入导磁性极好的柱形铁芯P,N1和N2反极性串联，产生感应电动势E1E2即，

M1,M2分别一次二次侧线圈之间的互感系数，则二次侧线圈总输出电压为E0=E1-E2=(M1-M2)di1/dt.

差动变压器位移传感器测量精度高，分辨力达0.1um，线性范围大，稳定性好，使用方便，广泛应用于线位移、角位移的测量。3）涡流式位移传感器的工作原理;块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中运动时，金属导体内都要产生感应电流，此电流的流线在金属导体内闭合，称为涡流。涡流式位移传感器利用电涡流效应将被测量变化为传感器线圈阻抗Z变化的一种装置。涡流式位移传感