磁致伸缩位移传感器的设计原理
磁致伸缩位移传感器的测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到。由于这个应变机械波脉冲信号在波导管内的传输时间和活动磁环与电子室之间的距离成正比，通过测量时间，就可以高度精确地确定这个距离。由于输出信号是一个真正的绝对值,而不是比例的或放大处理的信号,所以不存在信号漂移或变值的情况,更无需定期重标。
磁致伸缩位移传感器是根据磁致伸缩原理制造的高精度、长行程绝对位置测量的位移传感器。它采用非接触的测量方式，由于测量用的活动磁环和传感器自身并无直接接触，不至于被摩擦、磨损，因而其使用寿命长、环境适应能力强，可靠性高，安全性好，便于系统自动化工作，即使在恶劣的工业环境下，也能正常工作。此外，它还能承受高温、高压和强振动，现已被广泛应用于机械位移的测量、控制中。
位移传感器原理与分类 传感器之家中将位移传感器分为线位移跟物位移两类，这是按照位移的特征分的。位移传感器就是测量空间中距离的大小，线位移就是在一条线上移动的长度，角位移就是转动的角度。下面就线位移做下介绍，线位移按原理分主要有电阻式、电容式、电感式、变压器式、电涡流式、激光式等等。前面三种主要用来测量小位移，中位移一般则用变压器式，大的位移则用电位器式的比较多，对于精密的场合，则需要选择激光式。 电容式位移传感器是把位移的变化换作电容的变化进行制作的。对于振动频率很高的环境条件下，最适合选用这种类型的传感器。它具有灵敏度高、能实现非接触量的测量，而且可以在恶劣场合下工作。它也有一些缺点，比如对连接线缆有很高的要求，它要有屏蔽性能；而且最好选用高频电源用来供电。现在做的最好的电容式位移传感器可以测量0.001微米的位移，误差非常小。 电感式位移传感器是将测量量换作互感的变化的传感器，它既可以测量角位移也可以测量线位移。目前常用到的电感式位移传感器有气隙式，面积式，螺管式三种。变气隙型中电感的变化与传感器中活动衔铁的位移相对应。变面积型是用铁芯与衔铁之间重合面积的变化来反映位移。螺管型是衔铁插入长度的变化导致电感变化的原理。
变压器式位移传感器是用途最广的一种位移传感器，线圈中感应电动势随着位移的变化而变化。这种传感器它的灵敏度都很高，有时都不用放大器。缺点在于质量一般比较大，不应用于高频场合。 电涡流式位移传感器是基于电涡流效应，它的感应参数是阻抗的变化，尽量使阻抗是位移的函数，它还与被测物体的形状跟尺寸有关。该传感器的量程一般在0到80毫米。 电阻式位移传感器是通过测量变化的电阻值来计算位移的变化，它通常分为电位器式跟应变式。前面一种适合测量位移大、精度要求不高的场合；后面一种是利用电阻应变效应，它具有线性度跟分辨率都比较高，失真小的优点。
超磁致伸缩执行器 .1 超磁致伸缩材料的介绍 1.1 微机械的发展现状 随着科学技术研究向微小领域的深入，诞生了微W纳米科学与技术（Micro/Nano Science and Technology），以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和改造自然的一种高新技术。微机械是基于广泛的现代科学技术，并作为整个微/纳米科学技术的重要组成部分的一项崭新研究课题。其必须具备的基本要求是： ⑴体积小，精度高，重量轻； ⑵性能稳定，可靠性高； ⑶能耗低，灵敏度和工作效率高； ⑷多功能和智能化； ⑸适于大批量生产，制造成本低廉。 微机械发展很快，近几年，已成功开发出微驱动器、微传感器、微控制器等，并由这些不同的微机械器件集成许多具有精巧功能的集成机构IM（Integrated Mechansim）。相对完备的微电子机械系统MEMS逐渐形成，整个系统的尺寸可以缩小到几毫米甚至几百微米。如美国贝尔实验室开发出直径为400μm的齿轮，加州大学伯克利分校试制出直径为60μm的静电电机，直径为50μm的旋转关节，以及齿轮驱动的滑块和灵敏弹簧，美国斯坦福大学研制出直径20μm，长度150μm 的铰链连杆机构，210μm×100μm的滑块机构，转子直径200μm的静电电机和流量为20ml/min的液体泵，日本东京大学工业研究院研制成1cm3大小的爬坡微型机械装置。 我国许多高校和研究所也取得不少进展。如上海冶金研究所研制出直径为400μm的多晶硅齿轮、气动涡轮和微静电电机等。这些微型机械不少已有具体的应用。MEMS的研究和开发正得到世界各发达国家的广泛重视，尤其是集微机械、微电子等综合技术为一体的微机器人，由于其在工业、生物医学、军事和科研等领域的广泛应用前景而倍受青睐，随着智能
电位器式位移传感器，位移传感器它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。 下面笔者来跟大家讲一下位移传感器的工作原理都有哪些 由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，位移传感器因此传感器可应用在极恶劣的工业环境中，不易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的影响，IP防护等级在IP67以上。此外，传感器采用了高科技材料和先进的电子处理技术，因而它能应用在高温、高压和高振荡的环境中。传感器输出信号为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零。由于敏感元件是非接触的，就算不断重复检测，也不会对传感器造成任何磨损，可以大大地提高检测的可靠性和使用寿命。 磁致伸缩位移传感器，是利用磁致伸缩原理、通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作
用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到。 磁致伸缩位移传感器是根据磁致伸缩原理制造的高精度、长行程绝对位置测量的位移传感器。它采用非接触的测量方式，由于测量用的活动磁环和传感器自身并无直接接触，不至于被摩擦、磨损，因而其使用寿命长、环境适应能力强，可靠性高，安全性好，便于系统自动化工作，即使在恶劣的工业环境下，也能正常工作。此外，它还能承受高温、高压和强振动，现已被广泛应用于机械位移的测量、控制中。 杭州奥仕通自动化系统有限公司成立于2011年，是一家专业提供塑料机械行业自动化系统解决方案的高科技技术企业。公司为意大利杰佛伦（GEFRAN）和法国赛德（CELDUC）在中国大陆地区的核心代理商，主要产品有塑料机械控制器（PLC）、伺服驱动器、位移传感器、压力传感器、注射力和合模力传感器、高温熔体压力传感器、固态继电器（SSR）、温控表等。
电涡流位移传感器的工作原理： 电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。 在高速旋转机械和往复式运动机 械状态分析，振动研究、分析测 量中，对非接触的高精度振动、 位移信号，能连续准确地采集到 转子振动状态的多种参数。如轴 的径向振动、振幅以及轴向位置。 电涡流传感器以其长期工作可靠 性好、测量围宽、灵敏度高、分辨率高等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。 从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心—转轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。 根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。
前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈， 在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变(线圈的有效阻抗)，这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(τ, ξ, б, D, I, ω)函数来表示。通常我们能做到控制τ, ξ, б, I, ω这几个参数在一定围不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而
LVDT式位移传感器的原理 欧阳光明（2021.03.07） Linearity Variable Differential Transducers 简称 LVDT，中文译名为差动变压器式位移传感器，在世界范围内盛销数十年而不衰，足以看出它的各项性能在当前工业过程检测与试验领域中的适应性。随着系统对检测元件提出越来越高的要求同时，它的技术性能在不断的完善与发展，应用领域也在不断地更新与扩大。 差动变压器(LVDT)的原理比较简单。它就是在一个线圈骨架(1)上均匀绕制一个一次线圈(2)作励磁。再在两侧绕制两个二次线圈(3与4)，与线圈同轴放置一个铁芯(5)，通过测杆(6)与可移动的物体连接。线圈外侧还有一个磁罩(7)作屏蔽，如图1－1示。 在未引入铁芯以前，一次线圈通入交流电流后产生一个左右对称的沿轴向分布的交变磁场。交变磁场在两个对称放置的二次线圈上产生的感应电动势当然相等，引入铁芯后，铁芯在一次交变磁场的激励下，产生沿铁芯中心轴（当然也是线圈的中心轴）分布并与铁芯对称的交变磁场。这样，线圈中心轴上的磁感应强度就成为铁芯位置的轴向分布函数，于是两个二次线圈的感应电动势Es1与Es2也成了铁芯位置的函数。如果设计得当，两者可成为线性函数关系。将两个二次线圈差接后，即可获得与铁芯位移成线性关系的二次输出:Es=Es1Es2。这就是LVDT的简单工作原理（如图12示）。 LVDT式位移传感器的原理二 差动变压器式位移传感器（LVDT）为电磁感应原理，其结构示意见图一。
（图一：LVDT工作原理图） 采用环氧树脂，不锈钢等材料作为线圈骨架，用不同线径的漆包线在骨架上绕制线圈。与传统的电力变压器不同。LVDT是一种开磁路弱磁耦合的测量元件。在骨架上绕制一组初级线圈，两组次级线圈，其工作方式依赖于在线圈骨架内磁芯的移动，当初级线圈供给一定频率的交变电压（激励电压）时，铁芯在线圈内移动就改变了空间磁场分布从而改变了初，次级线圈之间的互感量，次级线圈就产生感应电动势，随着铁芯位置的不同，互感量也不同， 刺激产生的感应电动势也不同，这样就将铁芯的位移量（实际的铁芯是通过测杆与被测物保持相接触，也就是被测物体的位移量）变成电压信号输出，由于两个次级线圈电压极性相反，所以传感器的输出是两个次级线圈电压之差，其电压差值与位移量成线性关系 （图二LVDT电原理图） 当铁芯处在线圈正中间位置时两次级线圈感应电压相等但相位相反，其电压差值为零，当铁芯往右移动时，右边的次级线圈感应的电压大于左边。两线圈输出的电压差值大小随铁芯位移而成线性变化（第一象限的实线段部分），这是LVDT 有效的测量范围（一半）。当铁芯继续往右移动时两级线圈输出电压的差值不与铁芯位移成线性关系，此为缓冲，非测量区（虚线段）。反之，当铁芯自线圈中间位置向左边移动亦然。零点两边的实线段一般是对称的测量范围，只不过两者都是交流信号而相位差180″。
磁致伸缩位移传感器 一、概述磁致伸缩位移（液位）传感器，通过内部非接触式的测控技术精 确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值的；该传感器的高精度和高可靠性已被广泛应用于成千上万的实际案例中。 由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，因此传感器可应用在极恶劣的工业环境中，不易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的影响。此外，传感器采用了高科技材料和先进的电子处理技术，因而它能应用在高温、高压和高振荡的环境中。传感器输出信号为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零。由于敏感元件是非接触的，就算不断重复检测，也不会对传感器造成任何磨损， 可以大大地提高检测的可靠性和使用寿命。 二、工作原理 磁致伸缩位移（液位）传感器，是利用磁致伸缩原理、通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到。 由于这个应变机械波脉冲信号在波导管内的传输时间和活动磁环与电子室之间的距离成正比，通过测量时间，就可以高度精确地确定这个距离。由于输出信号是一个真正的绝对值，而不是比例的或放大处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况更无需定期重标。 三、产品特点及应用领域 产品特点 *内部非接触式测量 *性能价格比高 *多种输出方式可供选择 *防浪涌、防射频干扰
位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器. 该位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。 该位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。 磁致伸缩线性位移传感器的工作原理 磁致伸缩线性位移传感器的工作原理：当工作时，由电子仓内电子电路产生一起始脉冲，此起始脉冲在波导丝中传输时，同时产生了一沿波导丝方向前进的旋转磁场，当这个磁场与磁环或浮球中的永久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，使波导丝发生扭动，这一扭动被安装在电子仓内的拾能机构所感知并转换成相应的电流脉冲，通过电子电路计算出两个脉冲之间的时间差，即可精确测出被测的位移和液位。该产品主要应用于要求测量精度高、使用环境较恶劣的位移和液位测量系统中。具有精度高、重复性好、稳定可靠、非接触式测量、寿命长、安装方便、环境适应性强等特点。它的输出信号是一个真正的绝对位置输出，而不是比例的或需要再放大处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况，因此不必像其它液位传感器一样需要定期重标和维护；正是因为它的输出信号为绝对值，所以即使电源中断重新接通也不会对数据接收构成问题，更无须重新归回零位。与其它液位变送器或液位计相比有明显的优势，它可广泛应用于石油、化工、制药、食品、饮料等行业，对各种液罐的液位进行计量和控制。作为位移传感器，它不但可以测量运动物体的直线位移，而且还可同时给出运动物体的速度模拟信号。 电涡流传感器是由DJ型前置放大器和电涡流探头组合构成，它是一种趋近式传感系统。由于其长期工作可靠性好，灵敏度高，抗干扰能力强，采用非接触测量，响应速度快，耐高温，能在油、汽、水等恶劣环境下长期连续工作,检测不受油污、蒸汽等介质的影响，已广泛应用于电力、石化、冶金、钢铁、航空航天等大中型企业，对各种旋转机械的轴位移、振动、转速、胀差、偏心、油膜厚度等进行在线监测和安全保护，为精密诊断系统提供了全息动态特性，有效地对设备进行保护。电涡流位移传感器系统主要包括探头、延伸电缆（可选）、前置器和附件。线性范围宽、动态响应好、抗干扰能力强。 电涡流传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式位移传感器。前置器内产生的高频电流从振荡器流入探头线圈中，线圈就产生了一个高频电磁场。当被测金属的表面靠近该线圈时，由于高频电磁场的作用，在金属表面产生感应电流，即电涡流。该电流产生一个交变磁场，方向与线圈磁场相反，这二个磁场相互迭加就改变了原线圈的阻抗。所以探头与被测金属表面距离的变化可通过探头线圈阻抗的变化来测量。前置器根据探头线圈阻抗的变化输出一个与距离成正比的直流电压。 此下为电阻式位移传感器：
ZLDS10河定制激光位移传感器 量程：2?1000m（可定制） 精度：最高0.1% （玻璃0.2%） 分辨率：最高0.03% 频率响应:2K.5K.8K.10K 基本原理是光学三角法： 半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集，投射到CCD 阵列4上；信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。 激光传感器原理与应用 激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。 激光和激光器一一激光是20世纪60年代出现的最重大的科学技术成就之一。它发展迅速，已广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面。激光与普通光不同，需要用激光器产生。激光器的工作物质，在正常状态下，多数原子处于稳定的低能级E1,在适当频率的外界光线的作用下，处于低能级的原子吸收光子能量受激发而跃迁到高能级E2。光子能量E=E2-E1=hv,式中h为普朗克常数，v为光子频率。反之，在频率为v的光的诱发下，处于能级E2的原子会跃迁到低能级释放能量而发光，称为受激辐射。激光器首先使工作物质的原子反常地多数处于高能级（即粒子数反转分布），就能使受激辐射过程占优势，从而使频率为v 的诱发光得到增强，并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用而产生强大的受激辐射光，简称激光。激光具有3个重要特性： （1）高方向性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米； （2）高单色性，激光的频率宽度比普通光小10倍以上； （3）高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。
题目：位移传感器的设计设计人员： 学号： 班级： 指导老师：许晓平、高宏才、陈焰日期：
位移传感器—光栅的原理和应用 一、概述 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。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用（1）。 二、原理 计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移的。“莫尔”原出于法文Moire，意思是水波纹。几百年前法国丝绸工人发现，当两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹状花样；如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹。计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；按其作用原理又可分为幅射光栅和相位光栅；按其用途可分为直线光栅和圆光栅。下面以透射光栅为例加以讨论。透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线，a为刻线宽，b 为两刻线之间缝宽，W=a+b称为光栅栅距。目前国内常用的光栅每毫米刻成10、25、 50、100、250条等线条。光栅的横向莫尔条纹测位移，需要两块光栅。一块光栅称为主光栅，它的大小与测量范围相一致；另一块是很小的一块，称为指示光栅。为了测量位移，必须在主光栅侧加光源，在指示光栅侧加光电接收元件。当主光栅和指示光栅相对移动时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光栅侧的光电元件，将光强变化转换成电信号。由于光源的大小有限及光栅的衍射作用，使得信号为脉动信号。如图1，此信号是一直流信号和近视正弦的周期信号的叠加，周期信号是位移x的函数。每当x变化一个光栅栅距W，信号就变化一个周期，信号由b点变化到b’点。由于bb’=W，故b’点的状态与b点状态完全一样，只是在相位上增加了2π（2）。由图1可得光电信号为 u0=U平均+Umsin(π/2+2πX/W) 式中u0—光电元件输出的电压信号；
超声换能器的用途 超声波常用的换能器由振动激励方式区分分为磁致伸缩换能器和电致伸缩换能器 . 20世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917年，法国物理学家朗之万用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并用来探查海底的潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型换能器等多种超声换能器。 二、超声换能器 超声诊断仪是依靠超声换能器产生入射超声波（发射波）和接收反射的超声波（回波）的．所以在医用超声诊断仪中超声换能器又称为探头． 超声换能器的机械振荡是由高频电能激励产生的．反射回来的超声能量又通达超声换能器转换为电脉冲．探头能将电能转换为声能，又能将声能转换成电能，故有换能器之称． （一）压电效应 1、正压电效应 在晶体或陶瓷的一定方向上，加上杌械压力，使其变形，晶体或陶瓷的两个受力面上， 产生符号相反的电荷；变形方向相反，两面的电荷极性随之变换．电荷密度同施加的机械力成正比．这种因机械力作用而激起表面的电荷效应，称为正压电效应． ２．逆压电效应 在晶体或陶瓷表面沿轴方向施加电压，在电场作用下引起几何应变，电压方向改变，机械应变方向亦随之改变，形变与电场成比例．这种因电场作用而引起的形变效应，称为逆压电效应．超声诊断仪探头在发射超声波时是逆压电效应．接收超声回波时产生压电效应． （二）压电材料和压电振子 具有压电效应的材料很多，如石英、酒石酸钾钠等晶体，有钛酸钡、钛酸铅、铌酸锂、铌酸钡、钛酸锂、锆钛酸铅等陶瓷都是具有压电效应的材料；压电材料有压电效应就有逆压电效应．自锆钛酸铅问世以来，医用超声换能器所用的压电材料就由锆钛酸铅代替了． 在压电体的正反表面上进行极化，覆盖上一层激励电极后，就成为压电振子，就具有正压电效应和逆压电效应． 换能器的压电振子相当于一个电容（具有容抗作用），在超声发射电路中与线圈形成并联谐振，得到高频激励电压，产生机械振动和超声波．压电换能器上施加的交变电压的频率与换能器的压电振子的固有频率相等时，才能获得最大的机械振动． （三）诊断用超声换能器的基本结构形式 １．基本单元换能器 根据临床诊断的要求，换能器有许多种不同结构形式，而单元换能器是基本的结构．单元换能器它由主体和壳体两部分组成． （１）主体：包括：①压电振子，它是产生压电效应的元件．
L V D T式位移传感器的原 理 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020
LVDT式位移传感器的原理 Linearity Variable Differential Transducers简称 LVDT，中文译名为差动变压器式位移传感器，在世界范围内盛销数十年而不衰，足以看出它的各项性能在当前工业过程检测与试验领域中的适应性。随着系统对检测元件提出越来越高的要求同时，它的技术性能在不断的完善与发展，应用领域也在不断地更新与扩大。 差动变压器(LVDT)的原理比较简单。它就是在一个线圈骨架(1)上均匀绕制一个一次线圈(2)作励磁。再在两侧绕制两个二次线圈(3与4)，与线圈同轴放置一个铁芯(5)，通过测杆(6)与可移动的物体连接。线圈外侧还有一个磁罩(7)作屏蔽，如图1－1示。 在未引入铁芯以前，一次线圈通入交流电流后产生一个左右对称的沿轴向分布的交变磁场。交变磁场在两个对称放置的二次线圈上产生的感应电动势当然相等，引入铁芯后，铁芯在一次交变磁场的激励下，产生沿铁芯中心轴（当然也是线圈的中心轴）分布并与铁芯对称的交变磁场。这样，线圈中心轴上的磁感应强度就成为铁芯位置的轴向分布函数，于是两个二次线圈的感应电动势Es1与Es2也成了铁芯位置的函数。如果设计得当，两者可成为线性函数关系。将两个二次线圈差接后，即可获得与铁芯位移成线性关系的二次输出:Es=Es1-Es2。这就是LVDT的简单工作原理（如图1-2示）。
LVDT式位移传感器的原理二 差动变压器式位移传感器（LVDT）为电磁感应原理，其结构示意见图一。
磁致伸缩位移传感器研究报告 概述 磁致伸缩位移（液位）传感器，通过内部非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值的；该传感器的高精度和高可靠性已被广泛应用于成千上万的实际案例中。 由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，因此传感器可应用在极恶劣的工业环境中，不易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的影响。此外，传感器采用了高科技材料和先进的电子处理技术，因而它能应用在高温、高压和高振荡的环境中。传感器输出信号为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零。由于敏感元件是非接触的，就算不断重复检测，也不会对传感器造成任何磨损，可以大大地提高检测的可靠性和使用寿命。 工作原理 磁致伸缩位移（液位）传感器，是利用磁致伸缩原理、通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到。 由于这个应变机械波脉冲信号在波导管内的传输时间和活动磁环与电子室之间的距离成正比，通过测量时间，就可以高度精确地确定这个距离。由于输出信号是一个真正的绝对值,而不是比例的或放大处理的信号,所以不存在信号漂移或变值的情况,更无需定期重标。 技术参数 测量对象:位置、速度（绝对速度），可测量1～2个位置 测量范围:50 mm～8000mm 零点可调范围:100%F.S 输出方式:
激光位移传感器的工 作原理
ZLDS10X可定制激光位移传感器 量程: 2～1000mm（可定制） 精度: 最高0.1%（玻璃0.2%） 分辨率: 最高0.03% 频率响应: 2K.5K.8K.10K 基本原理是光学三角法： 半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集，投射到CCD 阵列4上；信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。 激光传感器原理与应用 激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。 激光和激光器——激光是20世纪60年代出现的最重大的科学技术成就之一。它发展迅速，已广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面。激光与普通光不同，需要用激光器产生。激光器的工作物质，在正常状态下，多数原子处于稳定的低能级E1,在适当频率的外界光线的作用下，处于低能级的原子吸
收光子能量受激发而跃迁到高能级E2。光子能量E=E2-E1=hv,式中h为普朗克常数，v为光子频率。反之，在频率为v的光的诱发下，处于能级 E2的原子会跃迁到低能级释放能量而发光，称为受激辐射。激光器首先使工作物质的原子反常地多数处于高能级（即粒子数反转分布），就能使受激辐射过程占优势，从而使频率为v的诱发光得到增强,并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用而产生强大的受激辐射光，简称激光。激光具有3个重要特性： （1）高方向性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米； （2）高单色性，激光的频率宽度比普通光小10倍以上； （3）高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。 激光器按工作物质可分为4种： （1）固体激光器：它的工作物质是固体。常用的有红宝石激光器、掺钕的钇铝石榴石激光器 (即YAG激光器)和钕玻璃激光器等。它们的结构大致相同，特点是小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，已达到数十兆瓦。 （2）气体激光器：它的工作物质为气体。现已有各种气体原子、离子、金属蒸气、气体分子激光器。常用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器，其形状如普通放电管，特点是输出稳定，单色性好,寿命长,但功率较小，转换效率较低。 （3）液体激光器:它又可分为螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中最重要的是有机染料激光器，它的最大特点是波长连续可调。 （4）半导体激光器：它是较年轻的一种激光器，其中较成熟的是砷化镓激光器。特点是效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜于在飞机、军舰、坦克上以及步兵随身携带。可制成测距仪和瞄准器。但输出功率较小、定向性较差、受环境温度影响较大。 应用——利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测等。 激光测长—— 精密测量长度是精密机械制造工业和光学加工工业的关键技术之一。现代长度
《材料工程检测技术》课程作业（二）： 位移传感器的发展现状概述 课程： 任课老师： 学院（系）： 专业： 学生姓名： 学号：
1 位移传感器 位移是指物体位置对参考点产生的偏移量,是指物体相对于某参考坐标系一点的距离的变化量,它是描述物体空间位置变化的物理量。位移传感器又称为线性传感器,是将位移转换成电量的传感器。位移传感器的发展经历了两个阶段,经典位移传感器阶段和半导体位移传感器阶段。 2 位移传感器的分类 2.1 电位器式 电位器位移传感器分为绕线电位器和非绕线电位器2种：绕线电位器一般由电阻丝烧制在绝缘骨架上,由电刷引出与滑动点电阻对应的输入变化。电刷由待测量位移部分拖动,输出与位移成正比的电阻或电压的变化；常见的非线绕式电位器位移传感器是在绝缘基片上制成各种薄膜元件,如合成膜式、金属膜式、导电塑料和导电玻璃釉电位器等。 2.2 电阻应变式 传感器是由弹性敏感元件和电阻应变片构成,当测量杆随试件产生位移时,弹性敏感元件在感受到测量杆变化而产生变形,其表面产生的应变与测量杆的位移成线性关系。这种传感器具有线性好、分辨率较高、结构简单和使用方便等特点,其位移测量范围较小,通常在0.1um-0.1mm之间,测量精度小于2% ,线性度为0.1%一0.5%。 2.3 电容式 电容传感器通过位移来改变电容两个极板之间的距离,即将位移量转换成电容变化量进行测量的。 它具有功率小、阻抗高、动态特性好、可进行非接触测量等优点；但是电容传感器存在寄生电容和分布电容,会影响测量精度,且常用的变隙式电容传感器存在测量量程小,存在非线性误差等缺点。一般使用极距变化型电容式位移传感器和面积变化型电容式位移传感器。 2.4 电感式 电感式传感器利用电磁感应将被测位移转换成线圈的自感系数和互感系数的变化,再由电路转换为电压或电流的变化量输出,实现非电量到电量的转换。
角度传感器工作原理及应用简介 角度位移传感器是利用角度变化来定位物体位置的电子元件。适用于汽车，工程机械，宇宙装置、导弹、飞机雷达天线的伺服系统以及注塑机，木工机械，印刷机，电子尺，机器人，工程监测，电脑控制运动器械等需要精确测量位移的场合。本文介绍角度位移传感器原理及其应用实例。角度位移传感器原理 角度传感器用来检测角度的。它的身体中有一个孔，可以配合乐高的轴。当连结到RCX 上时，轴每转过1/16圈，角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传感器时，它的计数值被设置为0，如果需要，你可以用编程把它重新复位。 角度位移传感器实例 如果把角度传感器连接到马达和轮子之间的任何一根传动轴上，必须将正确的传动比算入所读的数据。举一个有关计算的例子。在你的机器人身上，马达以3:1的传动比与主轮连接。角度传感器直接连接在马达上。所以它与主动轮的传动比也是3:1。也就是说，角度传感器转三周，主动轮转一周。角度传感器每旋转一周计16个单位，所以16*3=48个增量相当于主动轮旋转一周。现在，我们需要知道齿轮的圆周来计算行进距离。幸运地是，每一个LEGO齿轮的轮胎上面都会标有自身的直径。我们选择了体积最大的有轴的轮子，直径是81.6CM（乐高使用的是公制单位），因此它的周长是81.6=81.63.14256.22CM。现在已知量都有了：齿轮的运行距离由48除角度所记录的增量然后再乘以256。我们总结一下。称R 为角度传感器的分辨率（每旋转一周计数值），G是角度传感器和齿轮之间的传动比率。我们定义I为轮子旋转一周角度传感器的增量。即： I=GR 在例子中，G为3，对于乐高角度传感器来说，R一直为16.因此，我们可以得到： I=316=48 每旋转一次，齿轮所经过的距离正是它的周长C，应用这个方程式，利用其直径，你可以得出这个结论。
. 超声波换能器的基本原理 压电式换能器：压电式换能器利用了某些单晶材料的压电效应和某些多晶材料的电致伸缩效应。 超声波压电效应 某些单晶材料的结构具有非对称特性，当这些材料受到外加应力作用而产生应变时，其内部晶格结构的变化（形变）会破坏原来宏观表现为电中性的状态，产生极化电场（电极化），所产生的电场（电极化强度）与应变的大小成正比。这种现象称为正压电效应，它是由居里兄弟于1880年发现的。随后，在1881年又进一步发现这类单晶材料还具有逆压电效应，即具有正压电效应的材料在受到外加电场作用时，会有应力和应变产生，其应变与外电场的大小成正比。压电效应是晶体结构的一个特性，它与晶体结构的非对称性有关，而压电效应的大小及性质则与施加的应力或电场对晶体结晶轴的相对方向有关。具有压电效应的单晶材料种类很多，最常用的如天然石英（SiO2）晶体，以及人工单晶材料如硫酸锂（Li2SO4）、铌酸锂（LiNbO3）等等。 2电致伸缩效应 某些多晶材料中存在有自发形成的分子集团，即所谓“电畴”，它具有一定的极化，并且沿极化方向的长度往往与其他方向的长度不同。当有外加电场作用时，电畴会发生转动，使其极化方向与外加电场方向趋于一致，从而使该材料沿外加电场方向的长度将发生变化，表现为弹性应变。这种现象称为电致伸缩效应。 3.磁致伸缩式换能器 磁致伸缩式换能器利用了磁致伸缩效应，这时特定合金材料结晶结构的物理特性，即某些铁磁体及其合金，以及某些铁氧体中的磁畴，在其自发磁化方向上的长度可能与其它方向上的不同。当有外加磁场作用时，由于这种磁畴将发生转动，使其磁化方向尽量与外磁场方向趋于一致，从而使该材料沿外磁场方向的长度将发生变化，表现为弹性应变（当然，这种变形引起的应变是很小的，约在10-5~10-6之间）。这种现象即是磁致伸缩效应。相反，具有磁致伸缩效应的材料在经受外加应力或应变时，其磁化强度也会发生改变，此即为逆磁致伸缩效应。这样，在对磁致伸缩材料施以交变磁场时，该材料将沿磁力线方向发生磁致形变，从而可以在与它表面紧密接触的介质中激发出机械振动波-[1]。同样，利用逆磁致伸缩效应则可达到接收超声波的目的：施加到磁致伸缩材料上的应变（弹性应力-超声波作用力）将使处在外加磁场中的该材料其磁场的磁通密度发生变化（此即所谓磁弹性效应），从而使位于该材料表面上的检测线圈中将因磁通密度变化而产生感应电势，可以用作磁弹性效应的信号，达到接收超声波的效果（注意磁场方向应和应力方向-超声波产生的质点振动方向一致）。根据磁致伸缩的变化状态，可以分为： [1]线型磁致伸缩：在发生应变时，材料的体积不变，但在长度方向上伸缩变化的程度大，这是磁致伸缩式换能器主要应用的类型。但是，它只能在居里温度以下的情况发生，若温度超过居里点后将只能存在体积型磁致伸缩。 [2]体积型磁致伸缩：在发生应变时，材料的体积也会发生变化。磁致伸缩式换能器主要用于低频大功率的场合，这与其频率受限制和受磁性材料特性参数限制的因素有关，它特别是在功率超声应用领域中有着广泛应用，其特点主要是机械强度高，性能稳定，水密要求低（不会水解）。但是，它的涡流和磁滞损耗较大，电声转换效率不如压电式换能器，而且通常需要有较大的激励电能以用于大功率场合。需要注意的是，在施以交变磁场时，由于趋肤效应
磁致伸缩位移传感器位移测量研究与实现 李庆山 潘日敏 戴曙光 杨永才 (上海理工大学光学与电子信息工程学院 上海 200093) 摘要 基于磁致伸缩位移传感器的位移测量原理,讨论了位移测量的方法与实现:通过测量发射脉冲与回波脉冲的时间差计算活动磁铁的位置。基于F PG A器件设计了数字移相脉冲计数方式对时间进行精确测量,该方法对于提高测量位移精度,降低测量系统对高频的要求,对提高系统稳定性和抗干扰能力有重要意义。 关键词 磁致伸缩 数字移相 时间测量 F PG A Research and Realization of the Displacement Measurement for Magnetostric-tive Displacement Sensor Li Qing shan Pan Rimin Dai Shuguang Yang Yong cai (College of Op tical and Electr onics I nf or mation Eng ineer ing, Univ er sity of Shanghai f or S cience and T echnology,Shanghai200093,China) Abstract Basing on t he measurement principle of magnetostritive displacement sensor,the method and realiza-tion of displacement measurment are int roduced.M easurement on the interval betw een t rigger impulse and re-turn impulse corresponds t o the position of t he moving magnet.T he precise time int erval measurement with digi-tal phase shift count ing is designed by using FPG A device.T his method can enhance t he systemat ic precision, reduce the syst emat ic demand on high frequency.It has great significance in promot ing syst em st ability and anti-jamming. Key words M agnet ostrict ive Digital phase shif t T ime measurement FPGA 1 引 言 磁致伸缩位移传感器是一种以磁致扭转波为传播媒介的传感器,这种传感器安装简单、方便,能承受高温、高压和高振荡的环境。广泛应用于易爆、易燃、易挥发、有腐蚀的场合,但在国内设计和应用的都比较少。文中基于磁致伸缩位移传感器的原理,阐述了一种可以提高磁致伸缩位移传感器精度的位移测量方法。 2 磁致伸缩位移传感器的原理 磁致伸缩位移传感器(M agnet ostrict ive Posit ion Sensor)如图1所示,主要由波导钢丝1,位置磁铁4,波检测器3和电子系统5组成。位置磁铁通常装在一个运动部件A上,而传感器主体则装在一个固定的部件B上。传感器工作时,电子信号和处理系统5以时间间隔为T1发给磁致波导钢丝1的激励脉冲电流i e 。该脉冲电流将产生一个围绕波导钢丝1的旋转磁场。位置磁铁4也产生一个固定的磁场。在这两个磁场的正交作用下,波导钢丝产生磁致弹性伸缩,形成一个磁致旋转波2。该旋转波沿着波导钢丝以2800m/s的速度向两边传播。当它传到波导钢丝一端的波检测器3时被转换成电信号u a。通过测量磁致旋转波从位置磁铁4传到波检测器3的时间T0就能确定位置磁铁和波检测器之间的距离。这样,当部件A和B产生相对运动,通过磁致旋转波位移传感器就可以确定部件A的位置和速度。 3 位移测量原理和常规方法分析 磁致伸缩位移传感器的位移计算非常简单,将所 第26卷第8期增刊 仪 器 仪 表 学 报 2005年8月
位移传感器工作原理 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！ 更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 位移传感器 它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。 物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。通常在电位器上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。线绕式电位器由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯而变化，其输出特性亦呈阶梯形。如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件，则过大的阶跃电压会引起系统振荡。因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损。它的优点是：结构简单，输出信号大，使用方便，价格低廉。 磁致伸缩位移传感器通过非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值的；该传感器的高精度和高可靠性已被广泛应用于成千上万的实际案例中。 由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，因此传感器可应用在极恶劣的工业环境中，不易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的影响，IP防护等级在IP67以上。此外，传感器采用了高科技材料和先进的电子处理技术，因而它能应用在高温、高压和高振荡的环境中。传感
磁致伸缩材料在超声波发生器中的应用
关键词：智能材料超磁致伸缩材料超声波发生器 智能材料（Intelligent material），是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。 磁致伸缩材料（magnetostrictive material），具有显著磁致伸缩效应的、可将电能转换为机械能或将机械能转换为电能的金属、合金以及铁氧体等的一种智能材料。 磁致伸缩现象早在19世纪中叶就被发现，利用镍、坡莫合金、铁氧体等磁性材料的磁致伸缩效应制作的音响变换振子(超声波发生器)等器件，也早有实际应用，但由于其磁致伸缩量小，从而被以PZT (代表性的压电材料由Pb(Zr，Ti)O3 构成的陶瓷材料)为代表的压电材料占据主导地位。开发具有更大磁致伸缩效应的材料，提高磁致伸缩材料应用范围一直是人们追求的目标。20世纪7O年代在重金属Tb，Dy等单晶体中发现了很高的磁致伸缩现象。随后开发出室温下磁致伸缩系数高达(1～2)×10的三次方的TbFe 金属间化合物，这种巨大的磁致伸缩现象称为超磁致伸缩效应。 在现有的超声传感器中，主要有基于压电效应的压电传感器和基于磁致伸缩效应的磁致伸缩传感器。机电耦合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜材料的出现，使得压电传感器在工业上的应用最为广泛，压电式超声传感器效率高但对温度比较敏感，热的、机械的及化学的性能也不稳定，限制了在某些领域的应用；磁致伸缩式超声传感器和压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体等相比，超磁致伸缩材料具有下列优点：磁致
伸缩应变λ 比纯Ni大50倍，比PZT材料大5～25倍，比纯Ni和N 卜Co合金高400 ～800倍，比PZT材料高14～30倍；磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约为10 mm 的Tb-Dy-Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200 kg的推力：能量转换效率(用机电耦合系数K。。表示)高达70 ，而Ni基合金仅有162／5，PZT材料仅有40～60 ；其弹性模量随磁场而变化，可调控；响应时间(由施加磁场到产生相应的应变λ 所需的时间称为响应时间)仅为百万分之一秒，比人的思维还快；频率特性好，可在低频率(几十至1 000 Hz)下工作，工作频带宽；稳定性好、可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化；无疲劳、无过热失效问题。 原理：磁致伸缩式超声传感器是利用材料的磁致伸缩效应及其逆效应进行工作的。当铁磁材料置于磁场中时，它的几何尺寸会发生变化，这种现象称为磁致伸缩效应。在超声技术中最常用的铁磁材料有镍或它的合金。根据铁磁材料在磁场中的几何尺寸变化的形式不同，磁致伸缩效应可分为纵向效应、横向效应、扭转效应和体积效应等。 如果在圆柱形磁致伸缩材料中，既有沿长度方向即圆柱轴向的磁场B1，同时又有绕轴的周向磁场B2，那么合成的磁场将是螺旋形的，当其中任何一个磁场变化时，将产生沿螺旋方向的伸缩并激发出扭转波，这就是维德曼(Wiedeman)效应；若在圆柱形磁致伸缩材料中，有一恒定的轴向磁场B2，当施加变化的轴向磁场B 时，将沿轴向激发出纵波，也就是焦尔效应。当扭转波或纵波在磁致伸缩材料中传播，将在磁致伸缩材料中激发出磁场，这就是磁致伸缩逆效应，分别称为