第四章 位移传感器.ppt

第四章位移传感器(Displacement Sensors)
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。小位移通常用电容式、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。
常用位移传感器以模拟式结构型居多,本章主要介绍电容式位移传感器、电位器式位移传感器、应变式位移传感器、电感式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。
式中 d ----两极板间的间隙;
A ----两平行极板相互覆盖的有效面积;
εr —介质的相对介电常数;
ε0—真空中介电常数。
因此,电容式传感器可分为:变极距d 型;变面积A 型;变介质ε型。
第一节电容式传感器(capacitive sensors)

特点:结构简单、灵敏度高、动态响应好、可实现非接触测量、具有平均效应,能在高温、辐射等恶劣条件工作。
应用:可用来检测位移、压力等参量。
  一、工作原理
从结构上来分有:平板式、园柱式电容器。以平板式电容器为例:平板电容器的容量
metal plate,insulating material,relative permitivity,
Permitivity of um
(Variable Area Type):
(1)直线位移型:平面位移型电容传感器原理图如左图所示。
线性度好,量程大。宜于测量位移(20~1000μm)。



C=(a-x)b/d = ab/d - bx/d
K=ΔC/Δx= b/d 为线性灵敏度。
(2)角位移型:角位移电容传感器原理图所右图所示。
(3)直线型容栅传感器(长容栅)
容栅传感器是一大类变面积原理的电容传感器,它的电极不止一对,电极排列呈梳状,
故称为容栅传感器。 
图中,1为定尺,2为动尺。
当动尺沿x方向平行于
定尺不断移动时,每对电容
的相对遮盖长度a将周期性
变化,电容量值也随之相应
周期变化,经电路处理后,
则可测得线位移值。
容栅传感器是一种大位移传感器,当安装在不同的设备上时可以构成不同的测长仪器。现已成功地在量具(如电子数显卡尺、千分尺)、量仪(如高度仪、坐标仪)和机床数显装置(如机床行程测量)等方面得到应用。
主要特点:测量精度高,达5mm,量程大,达1m。
(Variable Separation Type):
(1)基本结构:变极距型电容传感器如图所示。


从上式看出,极距d与电容C成反比,因此输入输出呈非线性。
为提高灵敏度,需减小极距。一般初始极距取为10-1mm左右。因此,变极距型电容传感器适合测微位移(~102m) 。
当极板初始距离由do减少⊿d时,则电容量相应增加⊿C,即
电容相对变化量⊿C/Co为                   由于      ,在实际使用时常采用近似线性处理,即
此时产生的相对非线性误差γo为
(2)差动结构:变d型差动电容传感器结构示意图所示,实际应用中,为提高灵敏度,减小非线性,一般采用差动式结构。
它有三个极板,其中两个固定不动,为固定极板,只有中间极板可产生移动。
当中间的移动极板处于平衡位置时,即d1=d2=d0,则C1=C2=C0,
如果活动极板向右移动Δd,
则 d1=d0﹣Δd,d2=d0+Δd
电容总的变化为
(Variable Dielectric Type):
(1)极扳间充满一种介质:可测粮食及土壤等水分、湿度。

水的相对介电常数为εr =81,比其它材料的相对介电常数大得多。介质的含水量越大,εr 越大。
电容式数字显示水份测定仪,采用两根不修钢直接插入法测定粮食的含水量