位移传感器实验

一 、实验目的
了解位移传感器的种类；
掌握电阻式位移传感器的原理及应用；
掌握电阻式位移传感器的测量方法；
掌握电压跟随器在电路中的作用。
二 、实验设备
位移传感器实验板一块，示波器一台，数字万用表一个，螺丝刀一把。
三、 实验原理
（一）基本理论
位移传感器：将位移的变化转换成与之对应的电信号的器件（或位移传感器的敏感元件），可用来测量位移、距离、位置、尺寸等几何量。
大多数位移传感器都是机械式位移传感器，根据传感器的信号输出形式，可分为模拟式和数字式两大类。具体分类如图1-1所示。

                 图1-1 机械式位移传感器分类

电感式位移传感器：
测量原理如图1-2所示，传感器由定铁芯、动铁芯和电感线圈组成，由定铁芯、气隙δ和动铁芯构成封闭磁路，因气隙δ的磁阻远大于铁芯的磁阻，当气隙δ发生变化时，线圈的电感量L将随气隙δ的变化而发生变化，简介利用此原理测量位移量的变化。电感式位移传感器的缺点是难以测量较大的位移，而且电感L与位移δ的关系如图1-2右图所示，为非线性关系，在传感器设计时需作线性化处理。

                  图1-2 电感式位移传感器

自整角机角位移传感器：
自整角机是利用自整步特性将转角转换为交流电压（与电机的原理相反）的感应式微型电机，常用于伺服系统中的角位移的测量。
电容式位移传感器：
电容是由两块导体基板组成，如图1-3所示，当两块基板的距离发生变化时其电容值也会发生变化，通过测量电容的变化测量位移量的变化。一般电容的测量比较困难，但电容在电路中会因为电容值的变化而影响电路中的振荡频率的变化，因此，可通过测量电路的振荡频率的变化而获得位移的变化量（对于电容变化量的测量经常使用这种方法）。

图1-3 电容式位移传感器

电涡流式位移传感器：
电涡流位移传感器的原理如图1-4所示：图上部的铁芯A绕有线圈B，并在线圈A中通有交变的电流I1，在绕有线圈的铁芯A周围产生交变的磁场H1，置于磁场H1范围内的金属C内会产生电流I2（称之为电涡流），I2又会产生磁场H2阻碍磁场H1的变化，当H1发生变化时线圈B的电感L会发生变化，此变化量与铁芯A和金属C之间的距离δ存在关系，通过测量线圈B的电感L的变化即可测量位移量δ的变化。

图1-4 电涡流式位移传感器

霍尔位移传感器：
在很多传感器资料中都可看到“霍尔”传感器，所谓霍尔传感器就是利用电磁感应原理进行测量的传感器。
图1-5所示：有一个沿Z轴方向的磁场，磁感应强度B=B0+kz（B0，k均为常数），导体A（称为霍尔元件）中有一个不变的的电流I．当导体A沿Z轴方向移动时，导体A在Y轴方向上的上、下表面的电势差U也不同,通过测量该电势而获得位置值。

    图1-5 霍尔位移传感器

本实验仅介绍测量原理较简单的电位器式位移传感器。
电位器是常用的电子元件，它作为传感器可以将机械位移的转化为与其有一定函数关系的电阻值的变化，从而导致电路中输出电压的变化。因此，平移电位器也是一个移动传感器，而旋转电位器也可作为一个角度传感器。
当一根导体的材质均匀且截面积不变，其导体的电阻与长度成正比，且理论上成线性关系（这一点在传感器中很重要），利用此原理可制作一个电阻式位移传感器，但因一般导体的电阻太小，随长度变化的电阻值也很小，测量微小变化值时很难保证其精度。因此，有限的位移量能产生较大电阻值变化的材质才可作为位移传感器，而精度较高的滑动电阻是一个较理想的电阻式位移传感器。
滑动电位器如图1-6所示。AB是一个滑动长度为60mm的精密电位器，Rmax=10 KΩ,滑动端与A端的电阻值Rx与滑动量成线性比例关系，通过测量Rx的值即可得到滑动位移量，1—滑动电位器线圈；2—滑动电位器线圈骨架；3—C端为滑动电位器移动触头。

             图1-6 滑动电位器示意图

滑动电位器的滑动位移量为60mm，最大阻值为10KΩ，即位移量为1mm时的电阻变化量为10 KΩ/60mm=166.66Ω/mm，如果测量电阻的精度可到达0.1Ω，测量位移的精度即可达到0.006mm，工程上常常把需要测量的电阻值转化成电压信号，进行A/D采样，位移量与电压值的关系为公式（1）所示。
如图1-7所示：位移x段的阻值反映x段的位移量，当给电阻AB两端一个电压时，x段的电压值Ux反映该段的位移量。但这只是一个通过电阻变化测量位移的理想模型，因测量电阻的电路本身也会有一定的电阻值，图1-7所示。

           图1-7 实际测量时电位器的等效电路

测量电路的电阻为RL,其电压降为Ux，Ux与滑动电位器的电阻值的关系如公式（2）所示，可看出，此时所测量电压值与滑动电位器的位移量不成正比，这是传感器设计中所不希望看到的情况，为使Ux与X成线性关系，则必须使，即信号调理电路的输入电阻趋近无穷大。
表征电位器的技术参数很多，下面介绍电位器特有的一些技术参数：
最大阻值和最小阻值；
电阻值的变化规律（如直线式、对数式、指数式）；
线性电位器的线性度（阻值直线式变化时电位器的非线性误差）；
滑动误差（调节电位器阻值时，滑动接触点打火产生的噪声电压的大小）。
二）实验原理
传感器接口电路对于传感器和检测系统是一个非常重要的联接环节，其性能直接影响到整个系统的测量精度和灵敏度。实际应用中，传感器接口电路的作用是传感器信号检测和信号预处理，并起到联接作用。
从图1-8可以看出，输出电压VB与滑动电位器滑块的位置呈线性关系。在信号的输入端、输出端、电源的接入端设计了起滤波作用电容。

            图1-8 实验箱位移传感器电路

信号调理电路的设计：
由图1-8分析，电阻式位移传感器的输出电压随精密电位器动点的移动而发生变化，A点的电压范围为0—3.3V（因电位器两端电压为3.3V），似乎可以满足实验要求，如果直接将A点接至A/D转换的电压输入端，A/D的内阻将成为输出的负载，使得所测量的电压值产生误差，因此，希望负载的，而电压跟随器完全满足此要求，因此，调理电路中设计了一个电压跟随器。
电压跟随器的理想特性：
由图1-9可以看出，从左边看入等效电路，电压跟随器相当于开路，满足滑动电位器对RL的要求，故在信号调理电路中常常使用电压跟随器。电压跟随器的在调理电路中还可以起到输入/输出隔离的作用，避免相互之间的信号干扰。

             图1-9 理想电压跟随器微变等效图

四、 实验内容

               图1-10 实验箱中位移传感器PCB板图

要求位移传感器的输出信号需经过A/D转换后进入微处理器进行处理并通过无线通信模块进行传输。其中A点为电位器的输出端，B点为电压跟随器后至A/D的连接端。
实验步骤：
1、检查电路板外观完好无埙后，在传感器不通电的情况下使电位器手柄在0~60间移动（可观察参考刻度尺），并使用万用表测量A点对地的阻值（不开电源），此阻值应在0-10 KΩ间随位移量的变化而线性变化。
2、开通电源，移动电位器手柄在0刻度位置，使用万用表测量测A、B两点与接地端的电压值。
3、移动电位器手柄在最大刻度60mm位置，使用万用表测量测A、B两点与接地端的电压值。
4、参考刻度尺移动电位器手柄到以下位置，测量测A两点与接地端的电压值，并填入表1-1中。（表中已测量出A点电压与位移的关系值，A点电阻值与B点电压由学生自行测量，并分析）

5、画出位移与UB的关系曲线，并通过曲线分析位移传感器的特性。

              1-11 位移与UA关系

由图1-11可知，位移传感器具有较好的线性度，在要求不太高的场合可作为测量位移量。

                          1-12 位移与UB关系

由图1-12可知，位移传感器具有较好的线性度，在要求不太高的场合可作为测量位移量。

五 、思考
1、说出两种检测位移的方法；
位移传感器法、回波法
2、一般位移传感器原理的核心是什么？
传感器接口电路
3、如果不用检测电路中电压跟随器，会出现什么后果？
输出阻抗较高，而下一级输入阻抗较小时产生信号损耗
4、跟随器前和跟随器后的电压（即A点电压和B点电压）有什么关系？
5、A点电压与B点电压相等
6、位移传感器在实际工程中有什么意义？查询两种应用场合。
（1）火车轮缘的检测。轮缘检测仪采用现代传感器技术、单片机处理系统和简洁稳定的机械结构，可方便精确的对几何状态参数进行连续快速测量，实现了轮缘高度、轮辋厚度等参数测量的数字化。
（2）液压电梯。通过检测位移（位置）来控制电梯的速度，保证到达你的楼层之后平稳的停下来；万一超出电梯的安全位置，就会拉响警报。