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常见位移传感器原理简介

霍尔效应

是一种磁电效应,是德国物理学家霍尔1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。


根据霍尔效应,人们用半导体材料制成霍尔元件,它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、 输出电压变化大和使用寿命长等优点,因此,在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。当电流垂直于外磁场方向通过导体时,在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应,该电势差称为霍尔电势差(霍尔电压)。 好比一条路, 本来大家是均匀的分布在路面上, 往前移动. 当有磁场时, 大家可能会被推到靠路的右边行走. 故路 (导体) 的两侧, 就会产生电压差. 这个就叫“霍尔效应”。 根据霍尔效应做成的霍尔器件,就是以磁场为工作媒体,将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出,使之具备传感和开关的功能。 讫今为止,已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有:在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关,等等。 例如:汽车点火系统,设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器,用作点火脉冲发生器。这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压,控制电控单元(ECU)的初级电流。相对于机械断电器而言,霍尔式点火脉冲发生器无磨损免维护,能够适应恶劣的工作环境,还能精确地控制点火正时,能够较大幅度提高发动机的性能,具有明显的优势。霍尔器件通过检测磁场变化,转变为电信号输出,可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等,并可将这些变量进行二次变换;可测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元接口,可实现自动检测。目前的霍尔器件都可承受一定的振动,可在零下40摄氏度到零上150摄氏度范围内工作,全部密封不受水油污染,完全能够适应汽车的恶劣工作环境。

磁致伸缩传感器原理

 

传感器的核心包括一条铁磁材料的测量感应元件,一般被称为 "波导管",一个可以移动的永磁铁,磁铁与波导管会产生一个纵向向的磁场。
每当电流脉冲(即 "询问信号")由传感器电子头送出并通过波导管时,第二个磁场便由波导管的径向方面制造出来(见图)。
当这两个磁场在波导管相交的瞬间,波导管产生 "磁致伸缩" 现像,一个应变脉冲即时产生。这个被称为 "返回信号" 的脉冲以超声的速度从产生点(即位置测量点)运行回传感器电子头并被检测器检出来。准确的磁铁位置测量是由传感器电路的一个高速计时器对询问信号发出到返回信号到达的时间周期探测而计算出来,这个过程极为快速与精确无误。
利用计算脉冲的运行时间来测量永磁铁的位置为我们提供了一个绝对值的位置读数,而且永远不需要定期重标或担心断电后归零的问题。非接触式的测量消除了机械磨损的问题,保证了蕞佳的重复性和持久性。

 

 

差动变压传感器(LVDT

 


线性差动变压器,简称LVDT。结构如图所示,它是由一个可以移动的导磁材料铁芯与三个线圈所组成,一个初级线圈与两个次级线圈均绕在同一中空的绝缘体上,而铁芯可在其中自由移动。

 当初级线圈通上交流电源激励时,则产生了耦合磁场,使得两个次级线圈感应电压,而两个次级线圈使串联且极性相反(相位相差1800),使得输出为两次级电压之差。

 当铁芯在中央位置时,两个次级线圈感应的磁场强度相同,因此感应电压一样,使得输出电压为零,如图a。当铁芯往上移动时,次级线圈1的感应磁场比次级线圈2强,因此次级线圈1所感应的电压比次级线圈2大,便知Vout不为零,且随铁芯愈,往左移,Vout愈大,如图b,且相位与Vi同相。若铁芯往下移动时,则次级线圈2的输出电压大于次级线圈1,使Vout的电压相位与Vi相位差1800,电压的大小随往下移动距离成正比,如图c。因此可右Vout大小得知铁芯相对于中点的位移量,而Vout的相位可代表移动的方向。

 

导电塑料电位器

导电塑料电位器又称为,这种电位器的电阻体是由塑料粉(用于电阻基板)及导电材料的粉料经高温塑压而成。导电塑料电位器的耐磨性好,使用寿命长,允许电刷接触压力很大,因此它在振动、冲击等恶劣的环境下仍能可靠地工作。此外,它的分辨率较高,线性度较好,阻值范围大,能承受较大的功率。导电塑料电位器的缺点是阻值易受温度影响,温漂较大,影响测量精度。

一、电位器式位移传感器的分类


1、根据运动方式分类:

 

直线位移传感器

 

角度位移传感器

2、根据电阻材质分类:

 

金属玻璃铀传感器,绕线传感器,金属膜传感器,导电塑料传感器,光电式传感器、磁敏式传感器

 

二、主要特性参数

 

标称阻值:电位器上面所标示的阻值。

允许误差:标称阻值与实际阻值的差值跟标称阻值之比的百分数称阻值偏差,它表示电位器的精度。允许误差一般只要在 ±20%以内就符合要求,因为一般位移传感器是以分压的方式来使用,具体电阻的大小对传感器的数据采集没有影响.

 

线性精度:直线性误差.此参数越小越好.

寿命:导电塑料位移传感器都在200万次以上.

重复精度:此参数越小越好.

分辨率:位移传感器所能反馈的蕞小位移数值.此参数越小越好.

 

三、常用电位器传感器特性

 

导电塑料位移传感器:

用特殊工艺将DAP(邻苯二甲酸二稀丙脂)电阻浆料覆在绝缘机体上,加热聚合成电阻膜,或将DAP电阻粉热塑压在绝缘基体的凹槽内形成的实心体作为电阻体。特点是:平滑性好、分辩力优异耐磨性好、寿命长、动噪声小、可靠性极高、耐化学腐蚀。用于宇宙装置、导弹、飞机雷达天线的伺服系统等。

 

绕线位移传感器:是将康铜丝或镍铬合金丝作为电阻体,并把它绕在绝缘骨架上制成。绕线电位器特点是接触电阻小,精度高,温度系数小,其缺点是分辨力差,阻值偏低,高频特性差。主要用作分压器、变阻器、仪器中调零和工作点等。

 

金属玻璃铀位移传感器:

用丝网印刷法按照一定图形,将金属玻璃铀电阻浆料涂覆在陶瓷基体上,经高温烧结而成。特点是:阻值范围宽,耐热性好,过载能力强,耐潮,耐磨等都很好, 是很有前途的电位器品种,缺点是接触电阻和电流噪声大。

 

磁敏式位移传感器:

消除了机械接触,寿命长、可靠性高,缺点:对工作环境要求较高.

 

金属膜位移传感器:

金属膜电位器的电阻体可由合金膜、金属氧化膜、金属箔等分别组成。特点是分辨力高、耐高温、温度系数小、动噪声小、平滑性好。

 

四、电位器式位移传感器使用方式,原理

 

电位器式位移传感器使用方式:

一般采用给位移传感器加上一个电压,利用其优良的平滑性,来检测输出电压(输出电阻改变输出电压)分压比。

位移传感器原理:

可变电阻(电位器)式位移传感器。

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