《机电一体化系统设计》课程教学资源（讲稿，A）04 机电一体化检测系统.doc_大学文库

第四章机电一体化检测系统第一节概述检测系统是机电一体化产品的一个重要组成部分，是用于检测相关外界环境及产品自身状态，为控制环节提供判断和处理依据的信息反馈环节。机电一体化系统中，检测系统所测试的物理量一般包括：温度、流量、功率、位移、速度、加速度、力等。由于机电一体化系统是以电信号为信息传输和处理的媒体，且控制系统的输入接口往往规定了特定的信号形式（如数字信号直流信号、开关信号)，因此，检测系统通常要用传感器将被测试的物理量变为电量，再经过变换、放大、调制、解调、波等电路处理后才能得到控制系统（或显示、记录等仪器）需要的信号。本章重点介绍各种机电一体化系统中常见物理量检测的方法和测试系统的工作原理以及传感器的信号处理、接口技术等。一、检测系统的组成机电一体化产品中需要检测的物理量分成电量和非电量两种形式，非电量的检测系统系统有两个重要环节： 1、把各种非电量信息转换为电信号。这就是传感器的功能，传感器又称为一次仪表。 2、对转换后的电信号讲行测量，并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理，这叫作电信号处理系统，通常被称为二次仪表。机电一体化系统一般采用计算机控制方式，因此，电信号处理系统通常是以计算机为中心的电信号处理系统。综上所述，非电量检测系统的结构形式如图41所示。光声北声丰电转换成「传输运门数字转镜成位移处理救人驱过文字偿号信号电信号位号电信号被淇物理址传感器以计算机为中心的电信号处理系行设备图41非电量检测系统的结构形式对于电量检测系统，只保留了电信号的处理过程，省略了一次仪表的处理过程。二、传感器的概念及基本特性传感器是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。通常传感器是将非电量转换成电量来输出。传感器的特性（静态特性和动态特性）是其内部参数所表现的外部特征，决定了传感器的性能和精度。 1、传感器的构成传感器一般是由敏感元件、传感元件和转换电路三部分组成，如图4-2所示。 “贸阳钢图4-2传感器组成框图

1 第四章机电一体化检测系统第一节概述检测系统是机电一体化产品的一个重要组成部分，是用于检测相关外界环境及产品自身状态，为控制环节提供判断和处理依据的信息反馈环节。机电一体化系统中，检测系统所测试的物理量一般包括：温度、流量、功率、位移、速度、加速度、力等。由于机电一体化系统是以电信号为信息传输和处理的媒体，且控制系统的输入接口往往规定了特定的信号形式（如数字信号、直流信号、开关信号），因此，检测系统通常要用传感器将被测试的物理量变为电量，再经过变换、放大、调制、解调、滤波等电路处理后才能得到控制系统（或显示、记录等仪器）需要的信号。本章重点介绍各种机电一体化系统中常见物理量检测的方法和测试系统的工作原理以及传感器的信号处理、接口技术等。一、检测系统的组成机电一体化产品中需要检测的物理量分成电量和非电量两种形式，非电量的检测系统系统有两个重要环节： 1、把各种非电量信息转换为电信号。这就是传感器的功能，传感器又称为一次仪表。 2、对转换后的电信号进行测量，并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理，这叫作电信号处理系统，通常被称为二次仪表。机电一体化系统一般采用计算机控制方式，因此，电信号处理系统通常是以计算机为中心的电信号处理系统。综上所述，非电量检测系统的结构形式如图 4-1 所示。图 4-1 非电量检测系统的结构形式对于电量检测系统，只保留了电信号的处理过程，省略了一次仪表的处理过程。二、传感器的概念及基本特性传感器是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。通常传感器是将非电量转换成电量来输出。传感器的特性（静态特性和动态特性）是其内部参数所表现的外部特征，决定了传感器的性能和精度。 1、传感器的构成传感器一般是由敏感元件、传感元件和转换电路三部分组成，如图 4-2 所示。图 4-2 传感器组成框图

(1)敏感元件是一种能够将被测量转换成易于测测量的物理量的预变换装置，而输入、输出间具有确定的数学关系（最好为线性）。如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。 (2)传感元件是将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。例如将温度转换成电阻变化，位移转换为电感或电容等传感元件。 (3)基本转换电路将电信号量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。有些传感器（如热电偶）只有敏感元件，感受被测量时直接输出电动势。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，无需基本转换电路，如压电式加速度传感器。还有些传感器由敏感元件利基本转换电路组成，如电容式位移传感器。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换才能输出电量。大多数传成器是开环系统，但也有个别的是带反馈的闭环系统。 2、传感器的静态特性传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输入/输出关系称为传感器的静态特性。描述传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和零漂。 (1)线性度传感器的静态特性是在静态标准条件下.利用一定等级的标准设各，对传感翠进行往复循环测试，得到输入/输出特性（列表或画曲线）。通常希望这个特性（曲线）为线性这对标定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近线性，对比理论直线有偏差，如图4-3所示。实际曲线与其两个端尖连线（称理论直线）之间的偏差称为传感器的非线性误差。取其中最大值与输出满度值之比作为评价线性度（或非线性误差）的指标 XES 图4-3传成器线性度示意图 1、实际曲线 2、理想曲线 YL=±器×100% (4-1) 式中：L一一线性度（非线性误差）： △max 一最大非线性绝对误差：一输出满度值。 (2)灵敏度传感器在静态标准条件下，输出变化对输入变化的比值称灵敏度，用S0表示，即 (4-2) 对于线性传感器来说，它的灵敏度$0是个常数。 (3)迟滞传感器在正（输入量增大）、反（输入量减小）行程中输出/输入特性曲线的不重合程度称迟滞，迟滞误差一般以满量程输出y的百分数表示 YA=兴×100%或y4=±号兴x100% (4-3) 式中△Hm一—输出值在正、反行程间的最大差值。 2

2 （1）敏感元件是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置，而输入、输出间具有确定的数学关系（最好为线性）。如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。（2）传感元件是将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。例如将温度转换成电阻变化，位移转换为电感或电容等传感元件。（3）基本转换电路将电信号量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。有些传感器（如热电偶）只有敏感元件，感受被测量时直接输出电动势。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，无需基本转换电路，如压电式加速度传感器。还有些传感器由敏感元件和基本转换电路组成，如电容式位移传感器。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换才能输出电量。大多数传感器是开环系统，但也有个别的是带反馈的闭环系统。 2、传感器的静态特性传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输入/输出关系称为传感器的静态特性。描述传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和零漂。（1）线性度传感器的静态特性是在静态标准条件下，利用一定等级的标准设备，对传感器进行往复循环测试，得到输入/输出特性（列表或画曲线）。通常希望这个特性（曲线）为线性，这对标定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近线性，对比理论直线有偏差，如图 4-3 所示。实际曲线与其两个端尖连线（称理论直线）之间的偏差称为传感器的非线性误差。取其中最大值与输出满度值之比作为评价线性度（或非线性误差）的指标。图 4-3 传感器线性度示意图 1、实际曲线 2、理想曲线  L =   y max FS 100% （4-1）式中： L  ——线性度(非线性误差)； max ——最大非线性绝对误差； yFS——输出满度值。（2）灵敏度传感器在静态标准条件下，输出变化对输入变化的比值称灵敏度，用 S0 表示，即 x y S   = = 输入量的变化量输出量的变化量 0 (4-2) 对于线性传感器来说，它的灵敏度 S0 是个常数。（3）迟滞传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程中输出/输入特性曲线的不重合程度称迟滞，迟滞误差一般以满量程输出 yFS的百分数表示 = 100% =  1 2 100%   FS m FS m y H y H H H  或 (4-3) 式中 △Hm——输出值在正、反行程间的最大差值

迟滞特性一般由实验方法确定，如图4-4所示。 (4)重复性传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时所得输出/输入曲线的不一致程度，称重复性如图4-5表示。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即 7R=±8x100% (4-4) 式中△Rm一一输出最大重复性误差：重复特性也用实验方法确定，常用绝对误差表示。如图4-5表示。图44迟滞特性图45重复特性 (5)分辨力传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为闵值。分辨力与满度输入比的百分数表示称为分辨率。 (6)漂移由于传感器内部因素或外界干扰的情况下传感器的输出变化称为漂移。当输入状态为零时的漂移称为零点漂移。在其它因素不变情况下，输出随着时间的变化产生的漂移称为时间源移：随着温度变化产生的漂移称为温度漂移。 (7)精度表示测量结果和被测的“真值”的靠近程度。精度一般是在校验或标定的方法来确定，此时“真值”则靠其它更精确的仪器或工作基准来给出。国家标准中规定了传感器和测试仪表的精度等级，如电工仪表精度分七级，分别是0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5级。精度等级 ($)的确定方法是：首先算出绝对误差与输出满度量程之比的百分数，然后靠近比其低的国家标准等级值即为该仪器的精度等级。 3、传感器的动态特性动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录过程不受时间限制。而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量时间变换的规律。即被测量的波形。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性好的传感器，其输出量随时间的变化规律将再现输入量随时间的变化规律，即它们具有同一个时间函数。但是，除了理想情况外，实际传感器的输出信号与输入信号不会具有相同的时间函数，由此引起动态误差。动态特性参数一般都用阶跃信号输入状态下的输出特性和不同频率信号输入状态下的幅值变化和相位变化表达。三、信号传输与处理电路传感器输出信号一般比较微弱(mV、uV级)，有时夹杂其它信号（干扰或载波），因此在传输过程中，需要依据传感器输出信号的具体特征和后端系统的要求，对传感器输出信号进行各种形式的处理，如阻抗变换，电平转换、屏蔽隔离、放大、滤波、调制、解调、AD和DA

3 迟滞特性一般由实验方法确定，如图 4-4 所示。（4）重复性传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时，所得输出/输入曲线的不一致程度，称重复性如图 4-5 表示。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即 =  100%  FS m y R R  (4-4) 式中 Rm ——输出最大重复性误差；重复特性也用实验方法确定，常用绝对误差表示。如图 4-5 表示。图 4-4 迟滞特性图 4-5 重复特性（5）分辨力传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值。分辨力与满度输入比的百分数表示称为分辨率。（6）漂移由于传感器内部因素或外界干扰的情况下，传感器的输出变化称为漂移。当输入状态为零时的漂移称为零点漂移。在其它因素不变情况下，输出随着时间的变化产生的漂移称为时间漂移；随着温度变化产生的漂移称为温度漂移。（7）精度表示测量结果和被测的“真值”的靠近程度。精度一般是在校验或标定的方法来确定，此时“真值”则靠其它更精确的仪器或工作基准来给出。国家标准中规定了传感器和测试仪表的精度等级，如电工仪表精度分七级，分别是 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5 级。精度等级（S）的确定方法是：首先算出绝对误差与输出满度量程之比的百分数，然后靠近比其低的国家标准等级值即为该仪器的精度等级。 3、传感器的动态特性动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录过程不受时间限制。而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量时间变换的规律，即被测量的波形。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性好的传感器，其输出量随时间的变化规律将再现输入量随时间的变化规律，即它们具有同一个时间函数。但是，除了理想情况外，实际传感器的输出信号与输入信号不会具有相同的时间函数，由此引起动态误差。动态特性参数一般都用阶跃信号输入状态下的输出特性和不同频率信号输入状态下的幅值变化和相位变化表达。三、信号传输与处理电路传感器输出信号一般比较微弱（mV、uV 级），有时夹杂其它信号（干扰或载波），因此，在传输过程中，需要依据传感器输出信号的具体特征和后端系统的要求，对传感器输出信号进行各种形式的处理，如阻抗变换，电平转换、屏蔽隔离、放大、滤波、调制、解调、A/D 和 D/A

等，同时还要考虑在传输过程中可能受到的干扰影响，如噪声、温度、湿度、磁场等，采取一定的措施，传感器信号处理电路的内容要依据被测对象的特点和环境条件来决定。传感器信号处理电路内容的选择所要考虑的问题主要包括 (1)传感器输出信号形式，是模拟信号还是数字信号，电压还是电流。 (2)传感器输出电路形式，是单端输出还是差动输出 (3)传感器电路输出能力，是电压还是功率，输出阻抗大小。 (4)传感器的特性，如线性度、信噪比、分辨率由于电子技术的发展和微加工技术的应用，现在的许多传感器中已经配置了部分处理电路 (或配置有专用处理电路)，大大简化了设计和维修人员的技术难度。如反射式光电开关传感器中集成了逻辑控制电路压力传感器的输出连接专用接口处理电路后可以直接输送给AD:光电编码传感器的输出是5V的脉冲信号，可以直接传送给计算机。第二节位移检测位移测量是线位移测量和角位移测量的总称，位移测量在机电一体化制造系统中应用十分广泛，这不仅因为在各种机械加工中位置确定和加工尺寸的需要，而且还因为速度、加速度等参数的检测都可以借助测量位移的方法。有些参数的测量属于微位移测量，如力、扭矩、变形等。微位移检测传感器包括：应变式传感器、电容式传感器、电感传感器。一般位移传感器主要有：电感传感器、电容传感器、感应同步器、光枥传感器、磁栅传感器、旋转变压器和光电编码盘等。其中，旋转变压器和光电编码盘只能测试角位移，其它几种传感器既有直线型位移传感器又有角度型位移传感器。位移传感器还可以分为模拟式传感器和数字式传感器，模拟式传感器输出是以幅值形式表示输入位移的大小，如电容式传感器、电感式传感器等：数字式传感器的输出是以脉冲数量的多少表示位移的大小，如光栅传感器、磁栅传感器、感应同步器等。光电编码盘的输出是一组不同的编码代表不同的角度位置。下面分别介绍模拟式位移传感器、数字式传感器的原理。一、模拟式位移传感器由于电容式、电感式传感器在原理上有相似之处，以电感式传感器为例来介绍模拟式传感器测量位移的原理。电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测非电量转换为电感量变化的一种结构型传感器。按其转换方式的不同，可分为自感型和互感型两种，自感型电感传感器又分为可变磁阻式和涡流式。互感型又称为差动变压器式。 1、可变磁阻式电感传感器典型的可变磁阻式电感传感器的结构如图46所示，主要由线圈、铁心和活动衔铁所组成在铁心和活动衔铁之间保持一定的空气隙δ，被测位移构件与活动衔铁相连，当被测构件产生位移时，活动衔铁随着移动，空气隙发生变化，引起磁阻变化，从而使线圈的电感值发生变化图4-6可变磁阻式电感传感器 1-线圈：2-铁心：3-活动衔铁：4测杆：5被测件 4

4 等，同时还要考虑在传输过程中可能受到的干扰影响，如噪声、温度、湿度、磁场等，采取一定的措施，传感器信号处理电路的内容要依据被测对象的特点和环境条件来决定。传感器信号处理电路内容的选择所要考虑的问题主要包括：（1）传感器输出信号形式，是模拟信号还是数字信号，电压还是电流。（2）传感器输出电路形式，是单端输出还是差动输出（3）传感器电路输出能力，是电压还是功率，输出阻抗大小。（4）传感器的特性，如线性度、信噪比、分辨率。由于电子技术的发展和微加工技术的应用，现在的许多传感器中已经配置了部分处理电路（或配置有专用处理电路），大大简化了设计和维修人员的技术难度。如反射式光电开关传感器中集成了逻辑控制电路；压力传感器的输出连接专用接口处理电路后可以直接输送给 A/D；光电编码传感器的输出是 5V 的脉冲信号，可以直接传送给计算机。第二节位移检测位移测量是线位移测量和角位移测量的总称，位移测量在机电一体化制造系统中应用十分广泛，这不仅因为在各种机械加工中位置确定和加工尺寸的需要，而且还因为速度、加速度等参数的检测都可以借助测量位移的方法。有些参数的测量属于微位移测量，如力、扭矩、变形等。微位移检测传感器包括：应变式传感器、电容式传感器、电感传感器。一般位移传感器主要有：电感传感器、电容传感器、感应同步器、光栅传感器、磁栅传感器、旋转变压器和光电编码盘等。其中，旋转变压器和光电编码盘只能测试角位移，其它几种传感器既有直线型位移传感器又有角度型位移传感器。位移传感器还可以分为模拟式传感器和数字式传感器，模拟式传感器输出是以幅值形式表示输入位移的大小，如电容式传感器、电感式传感器等；数字式传感器的输出是以脉冲数量的多少表示位移的大小，如光栅传感器、磁栅传感器、感应同步器等。光电编码盘的输出是一组不同的编码代表不同的角度位置。下面分别介绍模拟式位移传感器、数字式传感器的原理。一、模拟式位移传感器由于电容式、电感式传感器在原理上有相似之处，以电感式传感器为例来介绍模拟式传感器测量位移的原理。电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测非电量转换为电感量变化的一种结构型传感器。按其转换方式的不同，可分为自感型和互感型两种，自感型电感传感器又分为可变磁阻式和涡流式。互感型又称为差动变压器式。 1、可变磁阻式电感传感器典型的可变磁阻式电感传感器的结构如图 4-6 所示，主要由线圈、铁心和活动衔铁所组成。在铁心和活动衔铁之间保持一定的空气隙  ，被测位移构件与活动衔铁相连，当被测构件产生位移时，活动衔铁随着移动，空气隙  发生变化，引起磁阻变化，从而使线圈的电感值发生变化。图 4-6 可变磁阻式电感传感器 1-线圈； 2-铁心； 3-活动衔铁； 4-测杆； 5-被测件

5 当线圈通以激磁电流时，其自感 L 与磁路的总磁阻 R m 有关，即 L W Rm / 2 = （4-5）式中 W——线圈匝数； Rm——总磁阻。如果空气隙  较小，而且不考虑磁路的损失，则总磁阻为 0 0 2 A A l Rm   =  + （4-6）式中 L--铁心导磁长度（m）；  --铁心导磁率（H/m）； A--铁心导磁截面积（m2）；  — —空气隙（），＝  ； =  m 0 A a b;  0 --空气磁导率（H／m），  0 = 2 10−7 ； A0--空气隙导磁截面积（m2）。由于铁心的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的，计算时铁心的磁阻可以忽略不计，故 0 0 R 2  A   （4-7）将式(4-7)代入式(4-5)，得   2 0 0 2 W A L = （4-8）式（4-8）表明，自感 L 与空气隙  的大小成反比，与空气隙导磁截面积 A0 成正比。当 A0 固定不变，改变  时，L 与  成非线性关系，此时传感器的灵敏度 2 0 0 2 2   W A d dL S = = − （4-9）由式(4-9)得知，传感器的灵敏度与空气隙  的平方成反比，  愈小，灵敏度愈高。由于 S 不是常数，故会出现非线性误差，同变极距型电容式传感器类似。为了减小非线性误差，通常规定传感器应在较小间隙的变化范围内工作。在实际应用中，可取  / 0  0.1 。这种传感器适用于较小位移的测量，一般为 0.001～1mm。此外，这类传感器还常采用差动式接法。图 4-7 为差动型磁阻式传感器，它由两个相同的线圈、铁心及活动衔铁组成。当活动衔铁接于中间位置（位移为零）时，两线圈的自感 L 相等，输出为零。当衔铁有位移  时，两个线圈的间隙为  0 + 、 0－ ，这表明一个线圈自感增加，而另一个线圈自感减小，将两个线圈接入电桥的相邻臂时，其输出的灵敏度可提高一倍，并改善了线性特性，消除了外界干扰。可变磁阻式传感器还可做成如图 4-8 所示改变空气隙导磁截面积的形式，当固定  ，改变空气隙导磁截面积 A0 时，自感 L 与 A0 呈线性关系

图4-7可变磁阻差动式传感器图48可变磁阻面积型电感传感器 1一线圈：2一铁心，3一活动衔铁：如图49所示，在可变磁阻螺管线圈中插入一个活动衔铁，当活动衔铁在线圈中运动时，磁阻将变化，导致自感L的变化。这种传感器结构简单，制造容易，但是其灵敏度较低，适合于测量比较大的位移量。 2、涡流式传感器涡流式传感器的变换原理，是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应。如图410所示，金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为6。当线圈输入一交变电流0时，便产生交变磁通量Φ。金属板在此交变磁场中会产生感应电流1，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流”。涡流的大小与金属板的电阻率p、磁导率4、厚度h、金属板与线圈的距离6、激励电流角频率)等参数有关。若改变其中某一参数，而固定其他参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。 (1)高频反射式涡流传感器如图4-10所示，高频（心1MH2)激励电流i0产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗乙的变化，其变化与距离ò、金属板的电阻率 P、磁导率4、激励电流i及角频率0等有关，若只改变距离而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量、图49可变磁阻螺管型传感器图410高频反射式涡流传感器 1。纯图与性 (2)低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器的工作原理如图4-1所示，发射线圈 W,和接收线圈W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（音频范围）电压加到线圈W1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G, 使线圈W2产生电感应电动势U2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势山越小。因此，2的大小与G的厚度及材料的性 6

6 图 4-7 可变磁阻差动式传感器图 4-8 可变磁阻面积型电感传感器 1— 线圈；2—铁心；3—活动衔铁； 4—测杆；5—被测杆如图 4-9 所示，在可变磁阻螺管线圈中插入一个活动衔铁，当活动衔铁在线圈中运动时，磁阻将变化，导致自感 L 的变化。这种传感器结构简单，制造容易，但是其灵敏度较低，适合于测量比较大的位移量。 2、涡流式传感器涡流式传感器的变换原理，是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应。如图 4-10 所示，金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为  。当线圈输入一交变电流 i0 时，便产生交变磁通量  。金属板在此交变磁场中会产生感应电流 i，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流”。涡流的大小与金属板的电阻率  、磁导率  、厚度 h、金属板与线圈的距离  、激励电流角频率  等参数有关。若改变其中某一参数，而固定其他参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。（1）高频反射式涡流传感器如图 4-10 所示，高频(>1MHz)激励电流 i0 产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感 L 或阻抗 ZL 的变化，其变化与距离  、金属板的电阻率  、磁导率  、激励电流 i 及角频率  等有关，若只改变距离而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。图 4-9 可变磁阻螺管型传感器图 4-10 高频反射式涡流传感器 1- 线圈 2-铁心（2）低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器的工作原理如图 4-11 所示，发射线圈 W1 和接收线圈 W2 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（音频范围）电压 u1 加到线圈 W1 的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料 G，使线圈 W2 产生电感应电动势 U2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势 u2 减少，当金属板材料 G 越厚时，损耗的能量越大，输出电动势 u2 越小。因此，u2 的大小与 G 的厚度及材料的性

质有关。试验表明，山随材料厚度入的增加按负指数规律减少，如图411(b)所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用的变化即可测量其厚度。 3、互感型差动变压器式电感传感器互感型电感传感器是利用互感M的变化来反映被测量的变化。这种传感器实质是一个输出电压的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有多种，以螺管形应用较为普遍，其结构及工作原理如图4-12()、(b)所示。传感器主要由线圈、铁心和活动衔铁三个部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势©和。由于两个次级线圈极性反接，因此传感器的输出电压为两者之差，即=©1-e2。活动衔铁能改变线圈之间的耦合程度。输出e,的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位置居中时，即e1,心，=0：当活动衔铁向上移时，即1>2，c>0:当活动衔铁向下移时，即©1<，,<0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压y,也随之变化，输出特性如图4-12(c)所示. 图411低频投射式涡流传感器图4-12差动变压器式电感传感器 (a)原理图：(b)曲线图 (a)、(b)工作原理(c)输出特性图4-13查动相敏检波电路的工作原理值得注意的是：首先，差动变压器式传成器输出的电压是交流电压，如用交流电压表指示则输出值只能反应铁心位移的大小，而不能反应移动的极性：其次，交流电压输出存在定的点残余电压，零点残余电压是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成。所以，即使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。鉴于这些原因，差动变压器的后接电路应采用既能反应铁心位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。图413是用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理。当没有信号输入时，铁心处于中间位置，调节电阻R,使零点残余电压减小：当有信号输入时，铁心移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向

7 质有关。试验表明，u2 随材料厚度入的增加按负指数规律减少，如图 4-11（b）所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用 u2 的变化即可测量其厚度。 3、互感型差动变压器式电感传感器互感型电感传感器是利用互感 M 的变化来反映被测量的变化。这种传感器实质是一个输出电压的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有多种，以螺管形应用较为普遍，其结构及工作原理如图 4-12（a）、（b）所示。传感器主要由线圈、铁心和活动衔铁三个部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势 e1 和 e2。由于两个次级线圈极性反接，因此传感器的输出电压为两者之差，即 ey=e1-e2。活动衔铁能改变线圈之间的耦合程度。输出 ey 的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位置居中时，即 e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，即 e1> e2 ，ey>0；当活动衔铁向下移时，即 e1< e2 ，ey<0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压 ey，也随之变化，输出特性如图 4-12（c）所示。图 4-11 低频投射式涡流传感器图 4-12 差动变压器式电感传感器（a）原理图；（b）曲线图（a）、（b）工作原理（c）输出特性图 4-13 查动相敏检波电路的工作原理值得注意的是：首先，差动变压器式传感器输出的电压是交流电压，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁心位移的大小，而不能反应移动的极性；其次，交流电压输出存在一定的零点残余电压，零点残余电压是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成。所以，即使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。鉴于这些原因，差动变压器的后接电路应采用既能反应铁心位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。图 4-13 是用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理。当没有信号输入时，铁心处于中间位置，调节电阻 R，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁心移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向

差动变压器传感器只有精度高（达0.1um量级），线圈变化范用大（可扩大到士00mm,视结构而定)，结构简单，稳定性好等优点，被广泛应用于直线位移及其它压力、振动等参量的测量。图314是电感测微仪所用的差动型位移传感器的结构图。对于电容式传感器是依据电容的大小与组成电容的两极板的面积或介质的介电常数成正比，与极板间的距离成反比的原理设计的。位移别试时，通过一定的结构使位移变化引起面或极板间距离的变化就可以改变电容的大小，反之，检测电容的值也就可以测算出位移的变化。 1、引线二、教字式位移传成器 2固定磁筒数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等 ,它们的 3衔铁共同特点是利用自身的物理特征，制成直线型和圆形结构的位 4线圈移传感器，输出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位 5测力弹基 6、防转销移当量，通过计数脉冲就可以统计位移的尺寸。下面主要以光 7、钢球导轨桶传感器和感应同步器来介绍数字式传感器的工作原理。 8测杆 1、光册位移传感器 9、密封光相是一种新型的位移检测元件，有圆光栅和直线光摄两 10、端它的特点是测量精确高（可达士lum 响应速度快和量程范围大（一般为12m,连接使用可达到10m)等。光栅由标尺光栅和指示光栅组成，两者的光刻密度相同，但体长相差很多，其结构如图4~15所示。图4-14螺旋差动型传感器结构图光栅条纹密度一般为每毫米25,50,100,250条等。把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角度日，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。它们是沿者与光棚条纹几乎成垂直的方向挂列，如图4-16所示。图4-15光栅测量原理图4-16莫尔条纹示意光莫尔条纹的特点是起放大作用，用W表示条纹宽度，P表示栅距，日表示光栅条纹间的夹角，则有 W≈ (4-10) 若P=0.01mm,把莫尔条纹的宽度调成10mm,则放大倍数相当于1000倍，即利用光的干涉现象把光栅间距放大1000倍，因而大大减轻了电子线路的负担。光相可分透射和反射光橱两种。透射光橱的线条刻制在透明的光学玻璃上，反射光栅的线条刻制在具有强反射能力的金属板上，一股用不锈钢。 8

8 差动变压器传感器具有精度高（达 0.1um 量级），线圈变化范围大（可扩大到±l00mm，视结构而定），结构简单，稳定性好等优点，被广泛应用于直线位移及其它压力、振动等参量的测量。图 3-14 是电感测微仪所用的差动型位移传感器的结构图。对于电容式传感器是依据电容的大小与组成电容的两极板的面积或介质的介电常数成正比，与极板间的距离成反比的原理设计的。位移测试时，通过一定的结构使位移变化引起面积或极板间距离的变化就可以改变电容的大小，反之，检测电容的值也就可以测算出位移的变化。二、数字式位移传感器数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共同特点是利用自身的物理特征，制成直线型和圆形结构的位移传感器，输出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲就可以统计位移的尺寸。下面主要以光栅传感器和感应同步器来介绍数字式传感器的工作原理。 1、光栅位移传感器光栅是一种新型的位移检测元件，有圆光栅和直线光栅两种。它的特点是测量精确高（可达±1um）、响应速度快和量程范围大（一般为 1—2m，连接使用可达到 10m）等。光栅由标尺光栅和指示光栅组成，两者的光刻密度相同，但体长相差很多，其结构如图 4～15 所示。光栅条纹密度一般为每毫米 25，50，100，250 条等。把指示光栅平行地放在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角度  ，这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列，如图 4-16 所示。图 4-15 光栅测量原理图 4-16 莫尔条纹示意光栅莫尔条纹的特点是起放大作用，用 W 表示条纹宽度，P 表示栅距，  表示光栅条纹间的夹角，则有  W P  (4-10) 若 P＝0.01mm，把莫尔条纹的宽度调成 l0mm，则放大倍数相当于 1000 倍，即利用光的干涉现象把光栅间距放大 1 000 倍，因而大大减轻了电子线路的负担。光栅可分透射和反射光栅两种。透射光栅的线条刻制在透明的光学玻璃上，反射光栅的线条刻制在具有强反射能力的金属板上，一般用不锈钢。图 4-14 螺旋差动型传感器结构图