电阻应变计式线性位移传感器的结构和检测电桥原理如图2-24所示，图中给出了悬臀 粱式线性位移传感器的示意结构。悬臂梁式位移传感器的结构简单，它是月前使用最广泛的 种电阻应变式位移传感器，其中悬曹梁本休是由铝、钛等低弹性模量材料制作的等强度裁 面的弹件元件，其实际的轮廓形状显然并非如图所示的矩形板条。当巷臂梁白由端承受待测 物体的作用力F而产生位移6时，粘贴在悬臂梁上的应变片R,、R2、R,和R,遂产生与此 位移成正比的电阻相对变化（△R/R),通过全桥式检测电路将电阻相对变化转换成电压和 电流输出，即可检测物体的位移量。这种传感器的优点是精度高，不足之处是测量范围窄 主婴性能：测量范围1~50mm;线性度0.1%~0.5%；分辨率1m 野以 网2-24屯田应变计式线性位移传感器的钠构和检测电桥原理 2.4.2电感式线位移传感器 电感式传感器是利用地磁感应把被测物理量如位移、压力、振动等转换成自感系数或4 感系数的变化，再由测量电路转换成电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换 电感式线位移传感器的用途和用量仅次于前述电阻应变计式线位移传感器，它有以下特点。 ①线性度和重复性较好、在一定范围内非线性误差可以做到0.05%一0.1%： ②灵敏度和分辨率高，能测出0.01m的位移变化、H输出信号强，适于远距离传输； ③结构简单，没有活动触点，传感器的工作寿命长； ④电感式传感器的频率响应较低，不宜快速动态测量。 下面主要介绍应用最为广泛的差动电感式和差动变压器式线位移传感器。 (1)差动电感式线位移传感器 差动电感式线性位移传感器的结构原理如图225所示，两个螺旋形线阔与电桥的两臂 相连，并对接在同一圆柱形线图筒上。磁芯能在不锈锅的导向管中自由移动，磁芯和套筒均 由导磁材料构成，二者形成磁回路。当磁芯受待测物体位移产生的力作用时，由于磁芯在导 向管中移动使电桥失去平衡，从而使电桥式枪测电路输出跟待测物体位移成正比的电压或 电流。 这种传感器有测量范围宽和线性度好的优点，缺点是有残余电压。其主要性能：测量范 围1-200mm:线性度0.1%~1%；分辨率小于0.0lrm: (2)差动变压器式线位移传感器 差动变压器式线位移传感器是将被测量转化为线圈的互感变化，其结构原埋如图226 所示，初级线图(L）由交流电源励磁，交流电的频率即为励磁频率。两个次级线阔(L2, L,)接成差动式，如图227所示。它们反向串接，输出电压△e是两次级线图的感应电压 e1和e2的差值，即△e=e1-:2,故称差动变压器。当磁芯处于整个线圈中心位置时，两个 3>
线 线 线 图225差动电感式线性位移传惑器结构原理 次级线周的磁阻相等，当磁芯移动时，将产生与位移成线性关系的感应电乐△。 这种传感器有分辨率高和线性度好的优点，缺点是有残余电压。主要性能：测量范围 1一1000nm；线性度0.1%0.5%：分辨率小于0.01m 输出) 激形】 阁2-26差动变压器式线性位移传悠器结构原理 图227差动变压卷式线性位移传感器电路 2,4.3电容式线位移传感器 电容式传感器是一个可变参数的电容器，具有结构简单、体积小、分辨率高、可非接触 式测量等优点，常使用变极距式电容传感器和变面积式电容传感器进行线位移测量。对于平 板电容器，其电容C决定于极板的工作面积S、极板间介质的介电常数ε和极板间的距离 6。C与这些参数之间有如下关系 C■C/含 (2-13)】 显然，位移使电容器的S、,6三个参数中的任意一个发生变化，均会引起电容量C的变 化。通过检测电路将电容量的变化转换为电信号输出，即可确定位移的大小和方向。图2 28所示为一差动变面积式电容线位移传感器的原理示意。其初始电容量C。和测量时电容 改变量△C分别为 (2-14 △C=2C4 (2-15) 在式(2-14)和式(215)中，1=l1=l3。 28
拉杆4 光电元件 外商1 灯柱2 聚光镜 图228荣动变面积式电 图2-29光栅式线位移 容线位移传感器原理 传感器的结构原理 2.4.4光栅式线位移传感器 光栅式线位移传感器的结构原理如图2-29所示。 主光栅上面均他氨刻上许多线致，形成明暗错的线条两块光提平行安装，并估应 的刻线互相倾斜一个很小的角度8，从而在指示光栅上出现n条较粗的明暗条纹，称莫尔条 纹，如图2-30所示。若主光栅沿与刻线垂直的方向移动，莫尔条纹就会沿夹角日的平分线 方向移动。主光橱移动方向改变，莫尔条纹也相应改变移动方向。 设光栅的栅距为W,由图230可知，相邻两莫尔条纹的间距B为： B-2g贸 (2-16) 实际光橱的W很小，例如每毫米有S0条线的光相。其线宽和缝宽都只有0.01mm,则 W只有0.02mm。当取夹角0=0.1，即0.0017453rd时，克尔条纹间距B=11.459mm 用战大倍数的概念来看，就是 ≈573 若用计数器记录下指示光棚上移动过的莫尔条纹 数，即可知道主光栅移动的距离。 通过以上分析可知，光栅具有放大位移的作用， I 莫尔条纹是明暗交誓的，当尺左右移动时，明暗条 纹上下移动，很容易用光敏元件检褪出来。并且只需 t 分辨明相暗相两个值，这就使测量结果二值化，便于 t4111111141 数字化。明暗条纹的移动方向和滑尺位移方向有确切 411661614441 的对应关系。所以辨向十分容易。最后还要指出，光 4444444i41 梱刻线若有局部玷污不至于妨碍宏观产生横向条纹， 因为它是多条刻线的平均效应： t坊 通常的透射光橱，每毫米有25条，50条，100条 图2-30英尔条纹 线，其W分别为0.04mm,0.02mm,0.01mm。为 了测量比栅距W更小的位移，在电路上还有很多细分办法，甚至能细分到上千倍，但电路 较复杂。 光栅式线位移传感器的主要性能：测量范恂30~1000m:分辨举0.1一10um。 2.4.5蛋尔效应式线位移传感器 窑尔效应线位移感器是利用蛋尔效应实现磁电转换的一种线位移传感器。蛋尔传感器具 29
有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特点，应用于非电量测量、自动转 制、计算机装置和现代军事技术等各个领域。霍尔效应线位移传感器有接触式、差动式、非 接触式和大位移式等类型 霍尔效应线位移传感器工作原理如图231所示。用两块磁铁1和2分别使其N、S极处 于相反方向置于两边，并用电工纯铁制成磁路（即图中3和4），使在气敢中形成左右两半 方向相反的强磁场。在气隙中间置入长方片形半导体霍尔元件。霍尔元件在其四个边上有电 极，分为两对电极，即每一对边上的两个电极构成一对电极，其中一对电极上通以直流电 流，另一对电极为输出端。被测位移作用在歪尔片上，若起始位置时雷尔片处于气隙的几何 中心，则左右两半边的磁场方向相反而作用面积相等，输出端的电动势为零。有位移之后 输出电动势E与位移∫之间将有阁232所示曲线关系。由图可见，在距起始位置左右约 2mm的范围内有很好的直线特性，因此可以测出位移. E/mv 20l 900 2 x/mm 60 07 图2.31霍尔效应线位移传感器工作氟程 图232需尔效应线位移传感器输出特性 霍尔效应式线位移传感器有结构简单、体积小等优点。缺点是其性能受温度影响大。主 要性能：测量范围5mm；分辨率1m;线性度小于2%。 2.5线速度传感器 2.5,1电磁式线速度传感器 电磁速度传感器的结构原理如图2-33所示，它出永久磁铁和线周等构成水久磁铁和运 动物体相连，线羯处于固定状态。根据电磁感应定 律，当永久磁侠从线圈旁边经过时，线圈便会产生 一个感应电势，如果磁铁经过的路径不变，那么以 个感应脉冲的电压峰值与磁铁运动的速度成正比 因此就可以通过这个脉冲电压的峰值来确定永久磁 铁的运动速度。把水久磁铁周定在被测物体上，就 可测得物体的运动速度。 图2-33电磁式线速度传感器结构原理 2.5.2多普勒雷达测速 根据多普勒效应，多普勒测速首达向运动物发射的波频∫发与接收到的由运动物反射 回来的波频f反射之间存在差别，二者频率之差称为多普勒频率F。,即 Fa=f反制-f发射=2u/0(81) (2-17) 30
式中y一运动物与多普测速雷达之间的相对速度，m: a。一一发射波的波长，mo 多普勒雷达由发射机、接收机、混频器、检波器、放大器及处理电路等组成。当发射信 号相接收到的回波信号经混频器混频后，两者产生差额现象，差额的频率正好为多普勒频 率Fo 利用多普雷达可以对被测物体的线速度和转速进行测量。图2-34是检测线速度的] 作原理图。多普勒雷达产生的多普勒颜率为 Fa=2vcos0/Ap (s-) (2-18) 式中日一多普勒测速爵达电磁波发射方向与运动物速度方向之间的夹角。 用多普勒雷达测运动物体线速度的方法已广泛用于检测车辆的行驶速度。 发射波和反时泼 雷法 图234多普韵雷达柠测线速度工作原理 2,6加速度传惑器 2,6.1压电式加速度传感器 压电传感器的基本原理是压电材料的压电效应。因此可以用它来测量力和与力有关的参 数，如压力、位移、加速度等。出于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电荷只有在无泄 漏的情况下才会长期保存。因此需要测量甩路具有无限大的输人阻抗，而实际上这是不可 的，所以压电传感器不宜作静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，因此 压电传感器只适宜作动态测址。 制作压电传感器时，可采用两片或两片以上舆有相同性能的压电片粘贴在一起使用。由 于压电片有电荷极性。因此接法有并联和串联两种，如图235所示 间并联 图235两块压电片的连接方式 和其他类型的传感器相比较，用压电传感器测量加速度具有一系列优点：如体积小，重 量轻，坚实牢固，振动频率高（领率范围约0.3~10kHz)和如速度的测量范围大，能检测 出微小的加速度(10~g一104g,g为重力加速度)，以及工作温度范用宽等。 2.6.2压电式振动加速度传感器 利用PMS等压电陶瓷的压电效应可构成不同使用要求的振动加速度传感器。图236示 31