位移传感器及工程应用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,7,章 位移传感器及工程应用,第,7,章 位移传感器及工程应用,7,.1,电位器式位移传感器,7.2,电感式位移传感器,7.3,电容式位移传感器,7.4,霍尔式位移传感器,7.5,位移传感器工程应用案例,返回主目录,7,.1,电位器式位移传感器,把位移变化转换成电阻值变化的敏感元件称作电位器式位移传感器，简称为电位器。,电位器种类繁多，若按其结构形式分类,，,可分为绕线式、薄膜式、分段式和液体触点式等多种。,若,按其输入,/输出特性分类，可分为线性电位器和非线性电位器两种,。,7.1.1,线性电位器,1.线性电位器的结构,如果电位器的输出电阻与被测位移量呈线性关系，则称该电位器为线性电位器。常见线性电位器的结构如图7-1所示。,图,7-1,常见线性电位器的基本结构,2.工作原理,当电位器的滑动触点受到外界作用力而产生位移时，就改变了电位器的电阻值，这个电阻值的变化与位移变化成线性关系，这就是线性电位器的工作原理。,根据使用场合的不同，电位器既可以作为变阻器使用，也可以作为分压器使用。由于电位器的输出功率较大，在一般场合下，可用指示仪表直接接收电位器送来的信号，这就大大地简化了测量电路。,7.1.2,非线性电位器,如果电位器的输出电阻与被测位移量呈非线性关系，则称它为非线性电位器,。非线性电位器又称作函数电位器。,1.非线性电位器的结构,下面以图7-2(a)中所示的函数关系为例介绍非线性电位器的结构。首先对,R=f,(,x,),曲线进行分析，确定实现方案。一般来说，实现函数电位器的方案有三种。,第一种方法骨架结构示意图如图7-2(b)所示。该方法采用的是曲线骨架结构，通过精心设计骨架形状来逼近函数较精确，但曲线骨架制造困难。,图,7-2(b),采用曲线骨架结构示意图,图,7-2(a),非线性电位器的特性曲线,第二种方法是在允许误差的范围内进行折线逼近，即用 四条线段 组成的折线代替原来的曲线来近似逼近曲线,R=,f,(,x,),，,采用阶梯骨架结构示意图如图7-2(c)所示。,图,7-2(c),采用阶梯骨架结构示意图,图,7-2(a),非线性电位器的特性曲线,对于阶梯骨架结构，在骨架宽度,b,一定的情况下，骨架高度,h,i,可按下式计算,(,7,-1,),式中：,D,为电阻丝直径；,k,为电阻丝绕制节距；,为电阻率；,R,i,为,A,i,点所对应的电阻值；,x,i,为,A,i,点所对应的位移；,b,为骨架宽度；,R,0,=0,；,x,0,=0,。,图,7-2(d),等截面骨架结构示意图,第三种方法是采用等截面骨架和电阻并联的结构来实现的，它的结构示意图如图7-2(d)所示,。,图,7-2(a),非线性电位器的特性曲线,对于等截面骨架结构，各段并联的电阻值,r,i,，一般可按下列公式计算,(,7,-,2,),式中，,R,i,为等截面支架上,x,i,-1,点和,x,i,点之间,并联的电阻；,R,(,i-,1),i,为等截面支架上,x,i,-1,点和,x,i,点之间,电阻丝的电阻；,R,i,为,i,点所对应的电阻。,由上可见，这种等截面骨架函数电位器最易实现，但它只保证了在,x,1,、,x,2,、,x,3,、,x,4,点处的电阻值符合曲线；当电刷处在各段中间位置时，由于分流作用将引起一定的误差。故多用于要求精度不高的场合。,2.工作原理,非线性电位器的滑动触点一般位于直线面上，当滑动触点受到外界作用力而产生位移时，就改变了电位器的电阻值，这个电阻值的变化与位移变化成非线性关系，这就是非线性电位器的工作原理。,7.1.3,绕线式电位器的材料,1.电阻丝,电阻丝的优点是电阻率大、电阻温度系数小，耐磨损，耐腐蚀、焊接方便等。常用电阻丝材料有以下几种：,1,）铜锰合金类,它的,电阻温度系数为,0.001,0.003,/,，比铜的热电势小，约为,12V/,，其缺点是工作温度低，一般为,-5060,。,2,）铜镍合金类,它,电阻温度系数最小，约,0.002,/,，电阻率为,0.45m,，机械强度高。,但比,铜的热电势大，康铜是这类合金的代表。,3,）铂铱合金类,它具有,硬度高，机械强度大、抗腐蚀、耐氧化、耐磨等优点，电阻率为,0.23m,，可制成很细的,丝,做高阻值电位器。,此外，还有镍铬丝、卡玛丝及银钯丝等。,2.电刷,电刷结构往往反映出电位器的噪音电平。只有当电刷与电阻丝材料配合恰当，触点有良好的抗氧化能力，接触电势小，并有一定的接触压力时，才能使噪音降低。常用电位器的接触力在,0.005,0.05N,之间。,3.骨架,对骨架材料要求形状稳定，其热膨胀系数和电阻丝相近，表面绝缘电阻高，并且希望有较好的散热能力。,4.噪音,电位器传感器的噪声一般分为两类：一类是噪声来自电位器上自由电子的随机运动，这种噪声电子流叠加在电阻的工作电流上；另一类是电刷沿电位器移动时因接触电阻变化引起的接触噪声。,此外，还有摩擦电噪声，振动噪声和高速噪声。,7.1.4,电位器传感器的应用,绕线式角位移电位器传感器的工作原理如图,7-3,所示。绕线式角位移电位器传感器一般性能如下：,动态范围：,10,165,线性度：,0.5,3,电位器全电阻：,10,2,10,3,工作温度：,-50,150,工作寿命：,10,4,次,图,7-3,角位移电位器的工作原理,7,.2,电感式位移传感器,7.2.1,自感式位移传感器,把被测位移变化转变为线圈自感系数变化的传感器称作自感式位移传感器。因为自感系数常称作电感系数，所以自感式位移传感器也常称作电感式位移传感器。,由,本书,4.6.1,节知，一个匝数为,N,的线圈，其自感系数,L,为,式中，,R,m,为线圈磁路总磁阻。,式,(73),表明，当匝数,N,确定后，自感系数,L,仅是磁阻,R,m,的函数。而自感式位移传感器就是通过改变磁路的磁阻来实现自感系数变化的，故又把它称作变磁阻式位移传感器。,(,7,-,3,),根据被测位移改变磁阻的方式，,它,又分为变气隙型、变面积型和螺线管型三种。图,74,是单自感式位移传感器的基本结构示意图。在这三种类型中最常用的是变气隙型和螺线管型两种，现分别介绍如下。,图,74,单自感式位移传感器的基本结构示意图,1.变气隙型自感式位移传感器,变气隙型单自感式位移传感器的基本结构如,图74(a),所示。按本书,4.6.1,节的分析可得，该传感器的自感系数,L,为,(,7-4,),图,7-4(a),变气隙型,式中，,N,为线圈的匝数；,为气隙磁路的长度；,A,0,为中间气隙磁路的横截面积；,0,为空气的磁导率（,0,=410,-7,H/m,）,。,假设该传感器的初始气隙为,0,，则初始电感量,L,0,为,当被测运动部件与衔铁刚性相连时，若被测运动部件使衔铁向上移动了,x,，即,=,0,x,，将它代入式,(74),整理得电感系数,L,为,当,x/,0,r,s,时，可认为螺线管内为匀强磁场，忽略边沿效应，,则,螺线管电感,L,的计算公式,为,式中，,V,为螺线管内空间的体积；,n,为线圈单位长度上的匝数；,为螺线管内空间介质的磁导率,。,(78),根据式,(7-8),可推导出图,74(c),中螺线管线圈的电感系数,L,为,式中，,0,为空气的磁导率；,r,为活动衔铁的相对磁导率；,N,为螺线管线圈的匝数。,若活动衔铁插入线圈的初始深度为,l,0,，当衔铁在螺线管线圈中向上移动了,x,，即,l=l,0,+,x,时，将它代入式,(79),得,由式,(710),可知，当螺线管的结构参数确定后，自感,L,与位移,x,呈线性关系。但,由于,实际螺线管内磁场,不完全,均匀,及,存在边沿效应,等因素,，所以,实际的,自感,L,与位移,x,呈近似线性关系。,(710),(79),图,7-6,螺线管型差动自感式位移传感器结构,为了减少非线性误差，实际,制作,时通常取,l,0,=,l,s,/2,。,这种传感器的优点是量程大、结构简单、便于制作；缺点是灵敏度比较低，且有一定的非线性。一般用于测量精度要求不是很高，且检测量程比较大的线位移情况。,为了提高灵敏度，减少非线性误差，,通,常把它做成差动形式，图,76,是螺线管型差动自感式位移传感器的结构图,。,它由两个完全相同的螺线管组合而成,。,显然，,当衔铁处于两个螺线管相连的中心位置时，两边的螺线管电感量相等。当衔铁偏离中心位置时，左右两个线圈的电感量，一个增加一个减少，形成差动形式。同样可以证明，螺线管型差动自感式位移传感器与螺线管型单自感式位移传感器相比，灵敏度提高了一倍，并且非线性误差也大大减少。,3,.自感式位移传感器测量电路,由于位移是向量，它既有大小，又有方向。为了方便测量位移的大小和方向，常采用差动式电感传感器。差动自感式位移传感器测量电路相对比较复杂，常用的是相敏检波电路。相敏检波电路有多种，下面介绍两种。,1,）,电阻式差动交流电桥相敏检波电路,电阻式差动交流电桥相敏检波电路如图,77,所示。图中差动自感传感器的两个线圈,Z,x,1,、,Z,x,2,和两个平衡电阻（,R,1,=,R,2,=,R,）组成一个电阻式差动交流电桥，二极管,VD,1,VD,4,接成相敏检波电路。,图,77,电阻式差动交流电桥相敏检波电路,假设,u,o,的参考极性为上正下负，流过电阻,R,1,、,R,2,的电流分别为,i,1,、,i,2,。下面分三种情况来分析它的检波原理。,当衔铁处于中间位置时，由于差动传感器两线圈的,Z,x,1,=,Z,x,2,，且,R,1,=,R,2,，电桥平衡。于是输出电压,u,o,=0,。,当衔铁偏离中间位置上移使,Z,x,1,的阻抗增大，,Z,x,2,的阻抗减小时，在,u,的正半周内，由于,A,点电位高于,B,点，二极管,VD,2,、,VD,4,导通，,VD,1,、,VD,3,截止。则电流,i,1,流经,Z,x,2,、,VD,4,后自上而下地流过,R,1,，而电流,i,2,流经,Z,x,1,、,VD,2,后自下而上地流过,R,2,，且,i,1,i,2,。根据,u,o,的标定方向可知,u,o,0,，,在,u,的负半周内，由于,A,点电位低于,B,点。二极管,VD,1,、,VD,3,导通，,VD,2,、,VD,4,截止。根据此时电流,i,1,、,i,2,的流向和,i,1,0,。由此可知，在这种情况下,，,不管,u,是正半周还是负半周，输出电压,u,o,总是大于零。,当衔铁偏离中间位置下移使线圈,Z,x,1,的阻抗减小，,Z,x,2,的阻抗增大时，同理可知，不管交流电源,u,是正半周还是负半周，输出电压,u,o,总是小于零,。,2,）,变压器式差动交流电桥相敏检波电路,变压器式差动交流电桥相敏检波电路如,图78,所示。图中,VD,1,VD,4,是四个性能完全相同的二极管，组成一个相敏检波电路。,R,起限流作用。因,u,s,与,u,2,同频，经过移相电路可使,u,s,与,u,2,保持同相或反相。输出电压信号,u,o,从,CD,两端输出。为了有效地控制四个二极管的导通，要求,u,s,的幅值要远大于,u,2,的幅值，且,R,1,=,R,2,=,R,0,。下面也分三种情况来分析。,图,78,变压器式差动交流电桥相敏检波电路,当衔铁处于中间位置时，由于,Z,x,1,=,Z,x,2,=,Z,0,，则,u,2,=0,，只有,u,s,起作用。,假设,u,s,为正半周时,A,为,“+”,，,B,为,“”,，,VD,1,和,VD,3,导通，,VD,2,和,VD,4,截止；因,VD,1,和,VD,3,两支路对称，故输出电压,u,o,=0,。同理可知，当,u,s,为负半周时，输出电压,u,o,也为零。,当衔铁偏离中心位置向上移动时，设,u,s,与,u,2,同相，因,u,s,的幅值远大于,u,2,，则在,u,s,和,u,2,的正半周,(,即,A,为,“+”,，,B,为,“”),内，,VD,1,和,VD,3,导通，,VD,2,和,VD,4,截止；故,VD,1,回路的总电势为,u,s,+,u,2,，,VD,3,回路总电势为,u,s,-,u,2,。设流过,VD,1,和,VD,3,的电流分别为,i,1,和,i,3,，则,i,1,i,3,，输出电压,u,o,0,。在,u,s,和,u,2,的负半周,(,即,B,为,“+”,，,A,为,“”),内，,VD,2,和,VD,4,导通，,VD,1,和,VD,3,截止；则,VD,2,回路总电势大小为,u,s,+,u,2,，,VD,4,回路总电势大小为,u,s,-,u,2,，设流过,VD,2,和,VD,4,的电流分别为,i,2,和,i,4,，则,i,2,i,4,，输出电压,u,o,0,。该分析说明，只要衔铁偏离中心位置向上移动，无论,u,s,和,u,2,处于正半周还是负半周，输出电压,u,o,始终大于零。,当衔铁偏离中心位置向下移动时，因,u,s,与,u,2,此时反相。同理可得，无论,u,s,和,u,2,如何变化，,输出电压,u,o,始终小于零。,3,）,差动交流电桥相敏检波电路的特点,综上分析，得出差动交流电桥相敏检波电路具有以下特点：,尽管该测量电路的外加电压是交流电，但输出电压,u,o,确是脉动的直流电。,当衔铁处于中间位置时，,u,o,=0,。,当衔铁偏离中间位置上移使线圈,Z,x,1,的阻抗增大，,Z,x,2,的阻抗减小时，就有,u,o,0,。,当衔铁偏离中间位置下移使线圈,Z,x,1,的阻抗减小，,Z,x,2,的阻抗增大时，就有,u,o,I,2,，则,I,0,；而当衔铁偏离中心位置往下移动时，有,I,2,I,1,，则,I,0,。由此可知，总电流,I,既能表示衔铁位移的大小，又能表示衔铁位移的方向。,(718),7,.,2.,3,涡流式位移传感器,1,电涡流效应,当把成块的金属导体置于变化的磁场中或者在固定的磁场中做切割磁力线的运动时，则在金属导体内部就会产生漩涡状的感应电流（即电涡流），而这个电涡流又会在其周围产生磁场，该磁场反过来又对原来的磁场起相抵的作用，从而导致原来的磁场减弱，这种现象就称作电涡流效应。,图,7-14(a),为电涡流效应原理图。线圈受涡流影响时的等效阻抗,Z,可以写成,式中，,r,为线圈与被测导体的尺寸因子。,(,7,-,19,),图,7-14,电涡流效应原理图及等效电路,金属板内的电涡流对传感器线圈的反射作用，可用图,7-14(b),所示的等效电路来说明。根据基尔霍夫（,Kirchhoff,）定律，可列出方程如下：,(,7,-,20,),解此方程组得线圈受电涡流影响后的等效阻抗,Z,为,(,7,-,21,),令,则,(,7-24),式中，,R,eq,为线圈受电涡流影响后的等效电阻，,L,eq,为线圈受电涡流影响后的等效电感。,线圈受电涡流影响后的品质因数,Q,综上分析可知，由于电涡流的反射作用。线圈阻抗由,Z,1,=R,1,+jL,1,变成了,Z=R,eq,+jL,eq,。品质因数也由,Q,1,=,L,1,/,R,1,变成了,Q,=,L,eq,/,R,eq,，显然，电涡流反射影响的结果使线圈阻抗的实部增大了，虚部减少了。品质因数也减少了。这就是电涡流效应的理论依据。,(,7-25),2.,涡流式位移传感器的工作原理及结构,涡流式位移传感器的工作原理是基于电涡流效应。为了得到较强的电涡流效应，又节约导线，通常涡流传感器的线圈都做成扁平状的。它的常用结构如图,7-15,所示。,图,7-15,涡流式传感器的结构,3.,涡流式位移传感器的分类,1,）,高频反射型涡流传感器,若在涡流传感器的线圈上加一高频（兆赫以上）交流电压,u,，就构成高频反射型涡流传感器，其测量原理如图,714(a),所示。当把角频率为,的高频振荡电流,i,1,加到涡流线圈上时，就在线圈周围产生一同频交变磁场,H,1,，如果在,其,下方没有金属板，则线圈的阻抗为,Z,1,=R,1,+jL,1,。如果在线圈的下方放置一块金属板，由于高频趋肤效应,的作用,，使线圈一侧的金属板表面薄层内形成较强的电涡流,i,2,。而这个较强的电涡流,i,2,产生的较强磁场,H,2,又对线圈产生的磁场,H,1,产生较强的相抵作用，从而使线圈的阻抗,Z=R,eq,+jL,eq,变化较大。,由式,(721),可知，线圈阻抗变化的大小与金属板的材料和距离有关。,图,716,为低频透射型涡流传感器原理图。其中发射线圈,L,1,和接收线圈,L,2,分别位于被测金属板的上、下两侧。把低频,(,音频,),电压,u,加到,L,1,的两端。则在线圈,L,1,周围产生一个同频率的交变磁场。,图,716,低频透射型涡流传感器原理图,2,）,低频透射型涡流传感器,如果两线圈间,无,金属板，那么,L,1,的磁场就能直接耦合到线圈,L,2,，,使,L,2,的两端感生电势,e,较大,。,放置金属板后将导致金属板中产生电涡流,i,损耗了部分能量。使,L,2,两端的感应电势,e,减少。并且被测金属板越厚，涡流损耗就越大，,e,也就,越小。,4.,涡流式位移传感器测量电路,1,）,定频调幅式位移测量电路,定频调幅式位移测量电路如图,717(a),所示。图中涡流传感器线圈,L,与电容,C,并联构成基本测量元件。高频振荡器输出一个稳定的高频正弦波激励信号，经电阻,R,加到涡流传感器上。,图,717,定频调幅式位移测量电路原理及输出特性,设涡流传感器线圈的原始自感系数为,L,0,，则线圈和电容组成的并联谐振回路的谐振频率为,将高频振荡器的输出频率设在,f,0,上。当无金属板靠近时，,LC,并联回路出现谐振，阻抗最大，因而输出电压,u,的,幅值,U,m,也最大。当有金属板靠近时，由于涡流反射作用。使,L,降低，,LC,并联回路失谐，从而使,LC,并联回路的阻抗变小，输出电压,u,的,幅值,U,m,也变小，但输出电压频率不变，故称作定频调幅测量电路。由于,L,的数值随位移,x,的减小而减小,，,从而使输出电压幅值,U,m,也随位移,x,的减小而减小。,但,其输出电压幅值,U,m,与,x,的关系曲线是非线性的,(,见,图,717(b),。,2,）,调频式位移测量电路,图,718,是调频式位移测量电路原理图。它与调幅式位移测量电路不同的是高频振荡器的输出频率就是传感器线圈,L,与电容,C,并联回路的谐振频率。,图,718,调频式位移测量电路原理图,当传感器线圈到被测金属板的位移,x,变化时，由于电涡流作用，使传感器线圈的电感系数,L,发生变化，从而导致高频振荡器的振荡频率发生变化。显然，这个振荡频率,f,是位移,x,的函数。因此，只要通过鉴频器把频率的变化转变成电压的变化，就可用指示仪表显示出位移,x,的大小。,7.2.4,电感传感器的应用,1,.电感测微仪,图7-1,9,为差动自感测微仪方框图，,它的主要部件是螺线管型差动自感式位移传感器、电阻式差动交流电桥测量电路、交流放大器，相敏检波器、振荡器、稳压电源及显示器等,。,图,7-19,差动自感测微仪方框图,2,.电感式纸页厚度测量仪,自感式纸张厚度测量仪结构如图,720,所示。图中,E,形铁芯和线圈构成电感测量头，衔铁实际上是一块铁质或钢质的平板，在工作过程中板状衔铁是固定不动的，被测纸张位于,E,形铁芯与板状衔铁之间，磁力线从上部的,E,形铁芯通过纸张而到达下部的衔铁。,。,图,720,自感式纸张厚度测量仪结构图,可以证明，该交流毫安表的读数与铁芯与衔铁之间的气隙大小成正比关系，亦即与纸张的厚度成正比关系。,3.,低频透射型涡流传感器测厚仪,图,7-21,是低频透射式涡流传感器测厚系统原理图,图中,S,1,为涡流传感器发射线圈，,S,2,为涡流传感器接收线圈，它们对称的安装在金属板带材的上下两侧。,图,7-21,低频透射型涡流传感器测厚系统原理图,当给,S,1,加上低频电压,u,1,时，在,S,2,上就感应出输出电压,u,2,，并且,u,2,的大小与被测金属板厚度,有关。将,S,2,的输出电压,u,2,进行放大、整流、滤波后，即可由显示器指示出金属板的厚度,。,7,.,3,电容式位移传感器,7.3.1,单电容传感,器的结构及工作原理,单电容式传感器实际上是一个参数可变的电容器，其最简单的形式就是如图,7-22,所示的平行板电容器。当忽略边缘效应时，平行板电容器的电容量为,(,7-27),式中，,C,为电容器的电容量,(F),；,A,为两极板相互遮盖面积,(m,2,),；,d,为两极板间极距,(m),；,0,为真空介电常数，,0,=8.85,10,-12,F/m,；,r,为两极板间介质的相对介电常数。,电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型,3,种类型。,1.变极距型电容位移传感器,变,极距型,电容线位移传感器结构如图7-2,2,所示。,设两极板间的初始极距为,d,0,，两极板间的初始有效覆盖面积为,A,0,，两极板间的初始介质相对介电常数为,r,，则该电容的初始电容量为,(,7-28),图,7-22,变,极距型,电容位移传感器,当动极板向上移动,x,，而其他参数不变时，则电容值,C,x,为,(,7-30),(,7-29),由上式知，电容,C,x,与,x,不是线性关系。当,x,d,0,（即位移,x,远小于极板初始距离,d,0,）时，则,1,(,x/d,0,),2,1,，这时,(7-,29,),可写成,式,(730),说明,C,x,与,x,近似为线性关系。,即,变极距型电容传感器只有在,xd,0,时，才有近似的线性关系。但电容器的容抗,X,C,=1/(,C,x,),却与,x,呈线性关系。因此，当用变极距电容传感器的输出容抗来测量位移,x,时，就不必要求满足,x,d,0,这一条件。,2.变面积型电容位移传感器,变面积型电容位移传感器的典型结构如图,7-23,所示。,图,7-23,变面积型电容位移传感器,图,7-24,(a),是变面积式电容线位移传感器的结构。设该电容器的初始电容量为,C,0,，初始有效工作面积,S,0,=ab,，当动极板向左移动线位移,x,，而其他参数不变时，电容量,C,x,为,(,7-32),(,7-31),图,7-24,(b),是变面积式电容角位移传感器的结构。设该电容器的初始电容量为,C,0,，初始有效工作面积为,A,0,，当可动极板向右旋出角位移,0,时，电容量,C,为,由式,(731),和,(732),可知，变面积型电容传感器，无论是线位移的，还是角位移的，它们的电容量与位移都呈线性关系。,3.变介质型电容位移传感器,变介质型电容位移传感器的典型结构如图,7-2,4,所示。,图,7-24,变介质型电容位移传感器,设它的有效工作面积为,A,0,，极距为,d,0,，原始介质的相对介电常数为,r,1,，现将相对介电常数为,r2,的介质以,x,的深度插入电容器中，从而改变了电容器中的电介质,。,也就改变了电容的大小。,若,原始电介质的相对,介电常数,r,1,=1，设,x,=0时的初始电容量,C,0,=,0,r,1,A,0,/,d,0,，则相对介电常数为,r,2,的介质插入极板间,x,深度后，引起电容的相对变化量为,由此可见，电容的变化量与相对介电常数为,r,2,的介质移动量,x,也呈线性关系。,(,7-34),根据电容的计算公式可知，该电容器的电容量,C,x,为,式中，,l,0,为电容传感器矩形极板的长度。,(,7-33),7.3.2,差动电容传感器的结构及工作原理,在实际应用中，为了提高电容位移传感器的灵敏度，常常采用差动形式的电容位移传感器，它是典型结构如图,7-25,所示。,图,7-25,差动电容式位移传感器,其中两边的两片为定极板，中间的为可动极板,(,或可动介质,),，它们组成差动电容器。开始时可动极板（或可动介质）位于中间位置，,C,1,=,C,2,=,C,0,。当可动极板,(,或可动介质,),移动位移,x,后，一个电容器的电容量增加，而另一个电容器的电容量减少，而且两者变化的数值相等。,可以证明，差动电容式位移传感器比单电容式位移传感器的灵敏度提高一倍，而且非线性（如果有的话）也大大降低。同时，差动电容式传感器还能减少静电引力给测量带来的影响，有效地改善由于温度等环境变化所造成的测量误差。,7.3.3,电容式位移传感器测量电路,1.,运算放大器式测量电路,运算放大器式测量电路如,图726,所示。如果运算放大器为理想运放，则输入,/,输出关系为,图,726,运算放大器式测量电路,(735),若,C,x,为变极距电容位移传感器，则,C,x,=,A/d,。假设该传感器的初始极距为,d,0,，初始电容量为,C,0,=,A/d,0,，则,C,x,=C,0,d,0,/d,，将其代入式,(735),得,(736),式,(736),表明，输出电压,U,o,与极距,d,呈线性关系。这种测量电路较好的解决了变极距电容传感器的非线性问题。由此可知，只要能测量出输出电压,U,o,就能计算出极距,d,，进而计算出位移的大小和方向。,2.,变压器式单臂电桥测量电路,图,727,变压器式单臂电桥测量电路,图727,为变压器式单臂电桥测量电路，其中固定电容,C,和电容位移传感器,C,x,构成电桥的两臂，而变压器的两个次级线圈作为电桥的另外两臂。,令,Z,1,=,1/(,jC,x,),，,Z,2,=,1/(,jC,),，当负载阻抗为无穷大时，桥路的输出电压为,假设该传感器的初始电容量为,C,0,，被测位移使,C,x,=C,0,+,C,，且满足,C/C,0,1,，取固定电容,C=C,0,则式,(737),变成,式,(738),说明输出电压大小与电容的变化量近似呈线性关系。,(737),(738),若,C,x,为变极距电容位移传感器，则,。假设该传感器的初始极距为,d,0,，初始电容量为,，当位移,x,使极距,d=d,0,-x,时，将它们代入式,(737),得,当,x/d,0,C,x,2,),时，则充电时间常数,1,=,RC,x,1,2,=,RC,x,2,，电路中各点电压波形如,图729(b),所示，输出电压,u,AB,的平均值不再为零。经低通滤波器后即可得到一个直流输出电压,U,o,为,式中，,T,1,为电容,C,x,1,充电至,U,r,时所需时间；,T,2,为电容,C,x,2,充电至,U,r,时所需时间；,U,1,为触发器的输出高电平。,显然，,(742),(743),(741),将,T,1,和,T,2,的表达式,代入,(741),得,式,(744),表明，直流输出电压,U,o,正比于电容,C,x,1,与,C,x,2,的差值，其极性可正可负。,若该差动电容是变极距的，设它的初始极距为,d,0,，当位移,x,使,C,x,1,的极距变为,d,1,=,d,0,-x,，,C,x,2,的极距变为,d,2,=,d,0,+x,时，则有,式,(745),说明，,它的,输出电压,U,o,与变极距差动电容的位移,x,呈线性关系。若该差动电容位移传感器是变面积的或是变介质的，同理可以证明，它的输出电压仍然与位移呈线性关系。,(745),(744),1.电容式电缆偏心测量传感器,图7-,30,给出了电容式电缆偏心测量传感器原理图。在实际应用中，是采用两对互相垂直的极板,(,图中只画出一对,)。,当电缆芯不偏心时，有,C,1,=,C,2,=,C,0,。,7.3.4,常见,电容式位移传感器及其应用,图,7-30,电容式电缆偏心测量传感器原理,当电缆芯偏心时，,C,1,C,2,。利用差动电容测量电路就可将电容的变化量测量出来，这个变化量与,x,方向的偏移量,x,1,有关。,2.,差动电容测厚传感器,差动电容测厚传感器,的结构及工作原理如图,7-31,所示。,它是在被测带材的上下两边各放置一块面积相同，且与金属带材距离相等的极板，这样两块极板与带材就形成了差动电容,C,1,和,C,2,（带材也作为一个极板）。,图,7-31,差动电容测厚传感器工作原理,若把两块极板用导线连结起来，就成为一个极板，而带材则是电容器的另一极板，其总电容,C,x,为,金属带材在轧制过程中不断向前推进，如果带材厚度发生变化，它将引起上、下两个极板间距变化，即引起两个电容,C,x,1,和,C,x,2,的变化。从而引起总电容,C,x,的变化。用测量电路把这个变化测量出来就可知道厚度变化情况。由于这种测厚传感器是采用了差动电容器，因此带材的振动不会影响厚度的测量结果。,7,.,4,霍尔式位移传感器,7.5.1,霍尔效应,置于磁场中的静止载流导体或半导体薄片，当通过它的电流方向与磁场方向不一致时，那么在该薄片垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象就称作霍尔效应。,图,7-32,霍尔效应原理图,这个电动势就称作霍尔电势。,该薄片就称作霍尔片。,霍尔电势的产生原因可用图,7-32,来说明。,经理论推导可知，霍尔电势,U,H,的大小为,(,7-48),令,K,H,=R,H,/d,，则,K,H,称作霍尔片的灵敏度。这时式,(7-51,)可写成,(,7-49),基于霍尔效应工作的器件称作霍尔器件。霍尔器件主要有两大类，一类是霍尔元件；另一类是霍尔集成电路。,7.4.2,霍尔元件,图,7-33,霍尔元件结构及电路符号,1.霍尔元件的结构,霍尔元件的结构很简单，它是由一块霍尔片（即一块矩形半导体单晶薄片），引出四根引线经外壳封装而成。它的结构和电路符号如图,733,所示。,2.,霍尔元件的电磁特性,霍尔元件的电磁特性主要有两个，一个是,U,H,I,特性,，见图,7-34(a),；另一个是,U,H,B,特性,，,见图7-3,4,(b),。,图,7-34 HZ,型霍尔元件的电磁特性,当控制电流,I,一定时，虽然理论上推导霍尔电势输出,U,H,与磁感应强度,B,呈线性关系；但实验证明，霍尔电势输出随磁场的增加并不完全呈线性关系，只有工作在,0.5Wb/m,2,以下时，线性度才比较好。,图7-3,4,(b)就说明了这一点。,3,.霍尔元件的主要参数,1),额定激励电流和最大允许激励电流,当自身温升,10,时所流过的电流称作额定激励电流，以元件允许最大温升为限制所对应的电流称作最大激励电流。,2),输入电阻和输出电阻,两激励电极之间的电阻值称作输入电阻，两霍尔电极之间的电阻称作输出电阻。,3),不等位电势和不等位电阻,当霍尔元件的激励电流为,I,时，若元件所处位置的磁感应强度,B,为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际测量不为零,这时测得的霍尔电势称作不等位电势。见图,7-35,所示。,图,7-35,霍尔元件不等位电势示意图,不等位电势也可用不等位电阻,R,o,来表示，即,式中，,U,0,为不等位电势；,I,为激励电流。,(7-50),4,）,寄生直流电势,当外加磁场为零时，给霍尔元件通一交流控制电流，则在霍尔电极输出端，除了交流不等位电势外，还有一直流电势，这个直流电势就称作寄生直流电势。,由式,(7-50),可知，不等位电势就是激励电流经不等位电阻时所产生的电压。它产生的原因主要是两个霍尔电势极在制作过程中安装不对称所致。,5,）霍尔电势温度系数,在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化,1,时，霍尔电势变化的百分率称作霍尔电势温度系数，它同时也是霍尔系数的温度系数。,4,.霍尔元件的补偿方法,1,）霍尔元件不等位电势的补偿方法,为了消除不等位电势对测量结果的影响，通常采取补偿的方法加以解决。,霍尔元件不等位电势的等效电路如图7-3,6,所示。,图,7-35,霍尔元件不等位电势示意图,图,7-36,霍尔元件的等效电路,消除不等位电势的方法是根据,c,、,d,两点电位的高低，确定应在哪一个桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，实现对不等位电势的补偿。,图,7-3,7,给出了几种不等位电势的补偿方法。其中图,(a),、,(b),、,(c),是常见的补偿电路，图,(d),是交流供电的补偿电路。,图,7-37,不等位电势的几种补偿方法,2),霍尔元件的温度补偿方法,由于霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它,的参数通常都与,温度,变化有关,。一般来说，霍尔元件的灵敏系数,K,H,和输入电阻,R,i,与温度的关系可写成,式中，,K,H0,表示温度为,t,0,时的,K,H,值；,t,为温度变化量；,为霍尔电势温度系数；,R,i0,表示温度为,t,0,时的,R,i,值；,为输入电阻,R,i,的温度系数。,(751),(752),图,7-38,恒流源温度补偿电路,适当选择分流电阻,R,p,的阻值和温度系数，当霍尔元件的,灵敏系数,K,H,随温度变化而增大时，,R,p,会自动地增大分流；从而迫使电流,I,H,减少，使,K,H,与,I,H,乘积保持基本不变，达到了温度自动补偿的目的。,由于霍尔元件的温度系数,是正值。若,能,在温度升高的同时让激励电流,I,H,相应的减少，并能保持,K,H,和,I,H,的乘积不变，就能消除温度变化对霍尔电势的影响。,目前最好的方法是采用恒流源温度补偿电路法，其补偿电路结构如图,7-3,8,所示。,假设初始温度为,t,0,时，霍尔元件的输入电阻为,R,i0,，灵敏系数为,K,H0,，分流电阻为,R,p0,，霍尔激励电流为,I,H0,，则,当温度变化,t,时，假设分流电阻,R,p,变为,式中，,为分流电阻,R,p,的温度系数。,则霍尔激励电流,I,H,变为,(753),(754),(755),令,U,H,=,U,H0,得,K,H,I,H,=,K,H0,I,H0,，即,经整理后得,当霍尔元件选定后，它的输入电阻,R,i,、温度系数,及霍尔电势温度系数,都是已知的，选定一个温度变化范围,t,，,根据式,(757),就可以确定出分流电阻,R,p0,及所需的温度系数,。,由此可知，通过合理选择分流电阻,R,p0,和温度系数,，可使霍尔元件在温度变化,t,的范围内，保证输出的霍尔电势基本不变，,从而,达到温度自动补偿的目的。,(756),(757),7.4.3,霍尔集成电路,图,7-39,霍尔集成电路,霍尔集成电路是指将霍尔元件、测量电路、稳压电源和输出电路集成在一块芯片上的集成器件，又称作霍尔传感器。它有三引脚单端输出和八引脚双列直插式双端输出两种结构。其中三引脚单端输出的霍尔传感器结构外形如图,7-39,所示。,霍尔传感器可分为线性和开关两种。,1.霍尔线性传感器,霍尔线性传感器,是把,霍尔元件、线性放大器和射极,输出,器,集成在一起的器件。,它,的输出电压与加到它上面的磁感应强度,B,在一定范围内成线性比例关系（见图,7-,40,）。,常见的霍尔线性集成传感器型号有,UGN3501,SS95A,和,MLX90215,等。,图,7-40,霍尔线性传感器的特性,2.霍尔开关传感器,霍尔开关传感器是把霍尔元件、稳压器、差分放大器，斯密特触发器和,OC,门输出电路集成在一起的器件。开关型霍尔传感器有一定的滞回特性（见图,7-41,）。,图,7-41,霍尔开关传感器的特性及应用电路,7.4.4,霍尔式位移传感器的结构和工作原理,图,7-42,给出了一些常见霍尔式位移传感器的结构原理图。,图,7-42,常见霍尔式位移传感器的结构和工作原理,图,742(a),是把两块永久磁铁同极性的相对放置，,显然，,两块磁铁的中,间,磁感应强度,B,=0,，所以输出电势,U,H,也等于零。当霍尔元件向左或向右移动,x,时，其,U,H,的大小就反映位移,x,的大小，,U,H,的的正负就反映位移,x,的方向。,图742(b),是由一块永久磁铁和一块霍尔元件组成的霍尔式位移传感器。适当选择霍尔元件的初始位置，使霍尔电势,U,H,处于中间值。当霍尔元件向左或向右移动,x,时，则霍尔元件感受到的磁感应强度就发生变化，这时,U,H,也发生变化。通过测量,U,H,的变化，就可以知道位移,x,的大小和方向。,图,742(c),是由两个结构完全相同的磁路和一块霍尔元件组成的霍尔式位移传感器。它可在,x,轴方向形成一定梯度的磁场,(,见图,743),。为了获得较好的线性分布，在磁极端面装有极靴。显然，适当调整霍尔元件的初始位置，可使穿过霍尔元件的磁通为零，即霍尔电势,U,H,=0,。当霍尔元件向左或向右移动,x,时，霍尔元件的输出电势,U,H,不再为零。通过测量,U,H,的数值，就可知道位移,x,的大小和方向。,即,