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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
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（inductancetypetransducer）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:
。
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
.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Ko为
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。
在国内研究所，高等院校、工厂和军工部门得到广泛应用，成为科研、教学和生产中一种不可缺少的测试仪器。
2.应用范围
主要用于解决下述各种测量问题：
压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望远镜镜片微调，精密微位移测量等。
3.性能
电容式位移传感器的电容器极板多为金属材料，极板间衬物多为无机材料，如空气、玻璃、陶瓷、石英等;因此可以在高温、低温强磁场、强辐射下长期工作，尤其是解决高温高压环境下的检测难题。
该传感器还可与控制室中的二次仪表或控制器相连，在线、连续、实时的检测各种数据然后直接显示，远程控制和报警。
实现数据存储，积算、传输和控制功能。
广泛应用于各种注塑机中。
电容式位移传感器尤其适合缓慢变化或微小量的测量，一般来说采用电容式传感器进行检测比较适宜。
电容式位移传感器的这些性能必然促使其应用范围越来越广泛。
4.工作原理
以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。
电容传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感器和变面式电容传感器进行位移测量。
原理图为：
5.组成结构
电容式位移传感器的基本结构型式。
按照超声波流量计将机械位移转变为电容变化的基本原理，电容式位移传感器可分为面积变化型、极距变化型和介质变化型三类。
这三种类型又可按位移的形式分为线位移和角位移两种。
每一种又依据传感器的形状分成平板形和圆筒形。
圆筒形传感器不能用作改变极距的位移传感器。
6.主要特点
量程：
20～1250μm；
分辨率：
<0.1nm；零磁滞；
线性最高0.02%；
频带可调：
50～5000Hz；
灵敏度可调：
5～125μm/V；
真空兼容选项；非接触式测量方法；
三．霍尔式位移传感器
1.工作原理
保持霍耳元件的激励电流不变，并使其在一个梯度均匀的磁场中移动，则所移动的位移正比于输出的霍耳电势。
磁场梯度越大，灵敏度越高；梯度变化越均匀，霍耳电势与位移的关系越接近于线性。
霍耳式位移传感器的惯性小、频响高、工作可靠、寿命长，因此常用于将各种非电量转换成位移后再进行测量的场合。
霍尔元件是指利用霍尔效应产生输出电压的元件．根据霍尔效应原理，如果垂直作用于元件平面的磁感应强度为B，通过元件的电流为I，无负荷时产生的霍尔电压用下式表示
ＶＨ—ｆＨKHＩＢ。
式中，I为通过元件电流,ＫH为元件的灵敏度,Ｂ为磁感应强度；fH为形状系数，由元件的形状和霍尔角所决定，一般小于１。
2.霍尔元件的主要特性及材料
（1）霍尔元件的主要特性参数
灵敏度KH：
表示元件在单位的磁感应强度和单位控制电流所得到的开路霍尔电动势霍尔输入电阻：
霍尔控制及间的电阻值
霍尔最大允许激励电流：
以霍尔元件允许的最大温度为限所对应的激励电流
不等位电势：
当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。
（不等位电势是由霍尔电极2和之间的电阻决定的，r 0称不等位电阻）
寄生直流电势（霍尔元件零位误差的一部分）：
当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一个直流电势控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效应。
两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生温差电势
霍尔电势温度系数：
在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化1霍尔电势变化的百分率。
（2）霍尔元件的材料
目前最常用的霍尔元件材料是锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）和不同比例亚砷酸铟和磷酸铟组成的In（AsyP1-y）型固熔体（其中y表示百分比）等半导体材料。
其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。
N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗，但其电子迁移率比较低，带负载能力较差，通常不用作单个霍尔元件。
锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。
砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。
In（AsyP1-y）型固熔体的热稳定性最好。
（3）霍尔传感器的优点及应用
1）优点：
结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长
2）应用：
电磁测量：
测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数；自动检测系统：
多用于位移、压力的测量。
（4）微位移和压力的测量
测量原理：
霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。
应用：
位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度
测量原理：
霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则霍尔电势的
大小就可以用来反映霍尔元件的位置。
应用：
位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度
四.光纤位移传感器
1.结构及工作原理
当光纤探头端部紧贴被测件时,发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去,接收光纤中无光信号;当被测表面逐渐远离光纤探头时,发射光纤照亮被测表面的面积越来越大,于是相应的发射光锥和接收光锥重合面积B1越来越大,因而接收光纤端面上被照亮的B2区也越来越大,有一个线性增长的输出信号;当整个接收光纤被全部照亮时,输出信号就达到了位移-输出信号曲线上的“光峰点”,光峰点以前的这段曲线叫前坡区;当被测表面继续远离时,被反射光照亮的B2面积大于C,部分反射光没有反射进接收光纤,接收到的光强逐渐减小,光敏输出器的输出信号逐渐减弱,进入曲线的后坡区。
2.光纤探头的端部,发射光纤与接收光纤分布
随机分布;半球形对开分布;共轴内发射分布;
3.光的全反射定义
入射光全部被反射回原介质的现象称为光的全反射。
对应于
折射角的入射角
称为临界角。
光发生全反射必须具备的条件是：
a.光从光密介质射向光疏介质；
b.入射角大于临界角。
临界角的计算
由折射定律可以计算临界角：
若光从某介质n射向真空（或空气），则
=l
根据上式，只要知道某种介质的折射率n，就可以求出它对真空（或空气）的临界角
。
全反射在生产技术中有着广泛的应用。
用全反射棱镜可以制造潜望镜；利用光在光导纤维中的全反射传光、传像等更是当今世界上最先进的通信方式。
4.光纤位移传感器的一个典型范例
发射、接收各300根光纤组成一根0.762mm的光缆。
光纤内芯是折射率为1.62的火石玻璃,包层是折射率为1.52的玻璃。
光缆的后部被分成两支,一支用于发射光,一支用于接收光。
光源是2.5V的白炽灯泡,而接收光信号的敏感元件是光电池。
光敏检测器输出与接收到的光强成正比的电信号。
对于每0.25μm位移产生1V的电压输出,分辨率是0.025μm。
总结与体会
课程设计结束了，回想起走过的历程还真是颇有感触。
应该说有过彷徨也有过迷惘吧，但此刻收获的却是看见自己辛勤劳动出成果后的喜悦，突然间，觉得一切都值了。
在这段时间内，我去过图书馆翻阅书籍，也重新研读了教材上的理论知识。
古语云：
“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。
”真的感触颇深，学习时，总感觉听懂了，也就满足了，进而就顺其自然地掩卷不思了，哪里想到学的东西如何运用到生产实践中。
可通过课程设计，我才恍然大悟，原来真没那么简单，任何东西只要与生产生活相挂钩，那就一定有东西可以挖掘，也就一定有很多知识解决不了现实问题。
如此，我才慢慢开始溯本求源，开始从细微之处肯透知识点，本次课程设计何不是如此呢？
通过霍尔元件的电流应该多大才合适，应<=5mA,（大于5mA后有些霍尔元件的霍尔电压不会随着物体位移的变化而变化，而是为一个定值）这要是在生活中谁会去在意呢但是到了设计中，我们就不得不考虑其四两拨千斤般的作用了，我想也正是通过这些细微末节处，才让我们真切认识到知识是多么神圣与重要，我们要有所成就就必须认真细心，多学多思，多把理论知识与实践生活联系起来。
此外，通过这次课设，我进一步体会到了工具的重要性，这包括软件操作工具书等方面。
因为我们不可能学富五车，因而就有必要翻阅文献资料，如设计用到的相关书籍，标准手册等等。
同时，具备较好的计算机水平也会给我们带来巨大的益处，比如数学公式的编辑，图形的绘制等等。
但反过来说，通过这样的课程设计，也会加深我们对工具的了解和形成对其客观的认识，我想这对我们以后在工作和生活中有比较好的视野和思维是有巨大帮扶作用的。
总之，本次课程设计不仅加强了我对位移传感器的认识，更重要的是，它让我掌握了做设计应有的环节与步骤，也使我懂得了如何去结合理论知识分析解决现实问题，同时也让我学到了很多以前没有接触到的知识和相关计算机方面的操作。
参考文献
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【6】李科杰等•新编传感器技术手册•国防工业出版社•2002年
【7】吴桂秀•传感器应用制作入门•浙江科学技术出版社•2004年
【8】杨宝清•孙宝元•传感器及其应用手册•2004年
【9】单成祥•传感器的理论与设计基础及其应用•国防工业出版社•1999年
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【11】《电感式位移传感器线性补偿技术》邵向东郭华
【12】《电感式位移传感器动态测试系统模型分析》合肥理工大学仪器仪表学院于连栋费业泰
【13】《智能型电容位移传感器的研制及应用》国电自动化研究学院刘果
【14】《一种开关驱动的电涡流式位移传感器的原理与实验研究》西安交通大学电气工程学院钟建鹏李黎川
【15】《新型耐高压电涡流位移传感器的研究》浙江大学李其朋丁凡
【16】《光纤位移传感器的研究进展及其应用》南昌大学机电工程学院周顺斌刘莹
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