位移傳感器的分類及原理

位移傳感器是把物體的運(yùn)動(dòng)位移轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電學(xué)量一種裝置。通常用于把不便于定量檢測(cè)和處理的位移、位置、形變、振動(dòng)、尺寸等物理量轉(zhuǎn)換為易于定量檢測(cè)、便于作信息傳輸與處理的電學(xué)量。 ?

位移測(cè)量方式所涉及的范圍是相當(dāng)廣泛的。小位移通常用應(yīng)變式、電感式、差動(dòng)變壓器式（LVDT）、電渦流式、霍爾傳感器來檢測(cè)；大位移常用感應(yīng)同步器、光柵、容柵、磁柵、磁致伸縮式等傳感技術(shù)來測(cè)量。位移傳感器因具有易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、適應(yīng)惡劣環(huán)境、安裝方便、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)床加工、檢測(cè)儀表、汽車制造、航空航天等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。 ?

一、位移傳感器的分類及原理 ?

1、按工作原理分： ?

（1）電位器式位移傳感器 ?

它通過電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。普通直線電位器和圓形電位器都可分別用作直線位移和角位移傳感器。但是，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量位移目的而設(shè)計(jì)的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個(gè)確定關(guān)系。電位器式位移傳感器的可動(dòng)電刷與被測(cè)物體相連。 ?

物體的位移引起電位器移動(dòng)端的電阻變化。阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小則表明了位移的方向。通常在電位器上通以電源電壓，以把電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。 ?

① 線繞式電位器：由于其電刷移動(dòng)時(shí)電阻以匝電阻為階梯而變化，其輸出特性亦呈階梯形。如果這種位移傳感器在伺服系統(tǒng)中用作位移反饋元件，則過大的階躍電壓會(huì)引起系統(tǒng)振蕩。因此在電位器的制作中應(yīng)盡量減小每匝的電阻值。電位器式傳感器的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是易磨損。它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，輸出信號(hào)大，使用方便，價(jià)格低廉。 ?

② 導(dǎo)電塑料位移傳感器：用特殊工藝將DAP（鄰苯二甲酸二稀丙脂）電阻漿料覆在絕緣機(jī)體上，加熱聚合成電阻膜，或?qū)AP電阻粉熱塑壓在絕緣基體的凹槽內(nèi)形成的實(shí)心體作為電阻體。 ?

③ 金屬玻璃鈾位移傳感器：用絲網(wǎng)印刷法按照一定圖形，將金屬玻璃鈾電阻漿料涂覆在陶瓷基體上，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。特點(diǎn)是：阻值范圍寬，耐熱性好，過載能力強(qiáng)，耐潮，耐磨等都很好，是很有前途的電位器品種，缺點(diǎn)是接觸電阻和電流噪聲大。 ?

④ 金屬膜位移傳感器：金屬膜電位器的電阻體可由合金膜、金屬氧化膜、金屬箔等分別組成。特點(diǎn)是分辨力高、耐高溫、溫度系數(shù)小、動(dòng)噪聲小、平滑性好?！??

優(yōu)點(diǎn)：便宜，結(jié)構(gòu)簡單、線性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。 ?

缺點(diǎn)：外界環(huán)境變化較大時(shí)對(duì)傳感器影響大，如溫度等影響較大，分辨率不高。 ?

（2）磁致伸縮位移傳感器 ?

磁致伸縮位移傳感器，通過內(nèi)部非接觸式的測(cè)控技術(shù)精確地檢測(cè)活動(dòng)磁環(huán)的絕對(duì)位置來測(cè)量被檢測(cè)產(chǎn)品的實(shí)際位移值。是利用磁致伸縮原理、通過兩個(gè)不同磁場(chǎng)相交產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào)來準(zhǔn)確地測(cè)量位置的。測(cè)量元件是一根波導(dǎo)管，波導(dǎo)管內(nèi)的敏感元件由特殊的磁致伸縮材料制成的。 ?

測(cè)量過程是由傳感器的電子室內(nèi)產(chǎn)生電流脈沖，該電流脈沖在波導(dǎo)管內(nèi)傳輸，從而在波導(dǎo)管外產(chǎn)生一個(gè)圓周磁場(chǎng)，當(dāng)該磁場(chǎng)和套在波導(dǎo)管上作為位置變化的活動(dòng)磁環(huán)產(chǎn)生的磁場(chǎng)相交時(shí)，由于磁致伸縮的作用，波導(dǎo)管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)，這個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)以固定的聲音速度傳輸，并很快被電子室所檢測(cè)到。 ?

這個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)在波導(dǎo)管內(nèi)的傳輸時(shí)間和活動(dòng)磁環(huán)與電子室之間的距離成正比，通過測(cè)量時(shí)間，就可以高度精確地確定這個(gè)距離。由于輸出信號(hào)是一個(gè)真正的絕對(duì)值,而不是比例的或放大處理的信號(hào),所以不存在信號(hào)漂移或變值的情況,更無需定期重標(biāo)。 ?

磁致伸縮位移傳感器是根據(jù)磁致伸縮原理制造的高精度、長行程絕對(duì)位置測(cè)量的位移傳感器。它采用內(nèi)部非接觸的測(cè)量方式，由于測(cè)量用的活動(dòng)磁環(huán)和傳感器自身并無直接接觸，不至于被摩擦、磨損，因而其使用壽命長、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可靠性高，安全性好，便于系統(tǒng)自動(dòng)化工作，即使在惡劣的工業(yè)環(huán)境下(如容易受油潰、塵?；蚱渌奈廴緢?chǎng)合)，也能正常工作。 ?

傳感器采用了高科技材料和先進(jìn)的電子處理技術(shù)，因而它能應(yīng)用在高溫、高壓和高振蕩的環(huán)境中。傳感器輸出信號(hào)為絕對(duì)位移值，即使電源中斷、重接，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，更無須重新歸零。 ?

由于敏感元件是非接觸的，就算不斷重復(fù)檢測(cè)，也不會(huì)對(duì)傳感器造成任何磨損，可以大大地提高檢測(cè)的可靠性和使用壽命。行程可達(dá)5米或更長，標(biāo)稱精度為0.05% F·S，行程1米以上傳感器精度可達(dá)0.02% F.S，重復(fù)性可達(dá)0.002% F·S，因此它得到廣泛的應(yīng)用。 ?

優(yōu)點(diǎn)：高可靠性、高分辨率、耐油抗污、非接觸的測(cè)量方式，使用壽命長、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，安全性好；即使在惡劣的工業(yè)環(huán)境下，也能正常工作，對(duì)各種運(yùn)動(dòng)部件的位移（位置）、速度進(jìn)行連續(xù)、精確、實(shí)時(shí)的檢測(cè)。此外，它還能承受高溫、高壓和強(qiáng)振動(dòng)。 ?

缺點(diǎn)：容易受到磁場(chǎng)干擾，不能與導(dǎo)磁材料一起使用。 ?

（3）光柵式位移傳感器 ?

光柵式位移傳感器傳感器指采用光柵疊柵條紋原理測(cè)量位移的傳感器。光柵是在一塊長條形的光學(xué)玻璃上密集等間距平行的刻線，刻線密度為 10～100線/毫米。由光柵形成的疊柵條紋具有光學(xué)放大作用和誤差平均效應(yīng)，因而能提高測(cè)量精度。 ?

傳感器由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)四部分組成。標(biāo)尺光柵相對(duì)于指示光柵移動(dòng)時(shí)，便形成大致按正弦規(guī)律分布的明暗相間的疊柵條紋。這些條紋以光柵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度移動(dòng)，并直接照射到光電元件上，在它們的輸出端得到一串電脈沖，通過放大、整形、計(jì)數(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)輸出，直接顯示被測(cè)的位移量。 ?

傳感器光路形式有兩種：一種是透射式光柵，它的柵線刻在透明材料（如工業(yè)用白玻璃、光學(xué)玻璃等）上；另一種是反射式光柵，它的柵線刻在具有強(qiáng)反射的金屬（不銹鋼）或玻璃鍍金屬膜（鋁膜）上。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是量程大和精度高。 ?

光柵式傳感器應(yīng)用在程控、數(shù)控機(jī)床和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)構(gòu)中，可測(cè)量靜、動(dòng)態(tài)的直線位移和整圓角位移。在機(jī)械振動(dòng)測(cè)量、變形測(cè)量等領(lǐng)域也有應(yīng)用。 ?

優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)范圍大，檢測(cè)精度高，響應(yīng)速度快 ?

缺點(diǎn)：接觸式的量，測(cè)量速度一般為1.5m/s以內(nèi)，只能用于靜態(tài)測(cè)量。 ?

（4）LVDT位移傳感器 ?

LVDT位移傳感器是線性差動(dòng)變壓式位移傳感器的簡稱，LVDT位移傳感器工作原理是，在一個(gè)空心的骨架上繞了3組線圈，一組初級(jí)線圈兩組次級(jí)線圈，當(dāng)給初級(jí)線圈通電時(shí)空心的骨架內(nèi)會(huì)形成一個(gè)磁場(chǎng)，在一個(gè)導(dǎo)磁的鐵芯插入中空的骨架里面時(shí)，由于切割磁感應(yīng)線原理兩個(gè)次級(jí)線圈會(huì)形成一個(gè)微弱的交流電壓，當(dāng)鐵芯移動(dòng)到某個(gè)次級(jí)線圈的位置多一點(diǎn)時(shí)這個(gè)次級(jí)線圈輸出的電壓相對(duì)于另一個(gè)線圈的電壓要要大一些，按照搞這個(gè)規(guī)律把兩個(gè)次級(jí)線圈輸出的電壓值經(jīng)過放大，再把兩個(gè)電壓值相減，得出一個(gè)差值，這個(gè)差值與鐵芯在空心骨架里面移動(dòng)位移是成正比例線性關(guān)系的，這個(gè)差值再經(jīng)過處理可以處理成-5V、0-10V、4-20mA等模擬量信號(hào)或者M(jìn)odbus SSI等數(shù)字量信號(hào)，也是我們使用的LVDT正常輸出的信號(hào)。 ?

優(yōu)點(diǎn)：非接觸原理，使用壽命長；響應(yīng)速度快；高線性度；重復(fù)性好；很寬的量程覆蓋范圍；低故障/功耗低/輸入、輸出的多樣性；動(dòng)態(tài)特性好，可用于高速在線檢測(cè)，進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，自動(dòng)控制；可在潮濕，粉塵等惡劣環(huán)境下使用；特殊條件下可工作，如耐高壓，高溫，耐輻射，全密土封在水下工作；能承受沖擊達(dá)150g/11ms ，振動(dòng)頻率2KHZ加速度20g；體積小，價(jià)格低，性能價(jià)格比高。 ?

缺點(diǎn)：對(duì)于超大行程來說(超過1米)，生產(chǎn)難度大，傳感器和拉桿長度將達(dá)2米以上，使用不方便，且線性度也不高。 ?

（5）激光位移傳感器 ?

激光位移傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成的測(cè)量儀表。能夠精確非接觸測(cè)量被測(cè)物體的位置、位移等變化?？梢詼y(cè)量位移、厚度、振動(dòng)、距離、直徑等精密的幾何測(cè)量。 ? 優(yōu)點(diǎn)：激光有線性度好的優(yōu)良特性，激光位移傳感器相對(duì)于超聲波傳感器有更高的精度。 ?

缺點(diǎn)：激光的產(chǎn)生裝置相對(duì)比較復(fù)雜且體積較大，因此會(huì)對(duì)應(yīng)用范圍要求較苛刻。要求測(cè)量空間較大，不太適用于小空間。 ?

（6）電渦流位移傳感器 ?

電渦流傳感器能靜態(tài)和動(dòng)態(tài)非接觸、高線性度、高分辨力地測(cè)量被測(cè)金屬導(dǎo)體距探頭表面距離。它是一種非接觸的線性化計(jì)量工具。電渦流傳感器能準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)體（必須是金屬導(dǎo)體）與探頭端面之間靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的相對(duì)位移變化。在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械和往復(fù)式運(yùn)動(dòng)機(jī)械狀態(tài)分析，振動(dòng)研究、分析測(cè)量中，對(duì)非接觸的高精度振動(dòng)、位移信號(hào)，能連續(xù)準(zhǔn)確地采集到轉(zhuǎn)子振動(dòng)狀態(tài)的多種參數(shù)。如軸的徑向振動(dòng)、振幅以及軸向位置。 ?

優(yōu)點(diǎn)：非接觸測(cè)量、體積更小、可靠性好、測(cè)量范圍寬、靈敏度高、分辨率高；高分辨率和高采樣率；可自行調(diào)整零位、增益和線性；可選擇延長電纜、溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?；可測(cè)鐵磁和非鐵磁所有金屬材料；具有多傳感器同步功能；不受潮濕、灰塵的影響，對(duì)環(huán)境要求低；在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷中得到廣泛應(yīng)用。

缺點(diǎn)：不能測(cè)量非金屬。 ?

（7）電容式位移傳感器 ?

電容位移傳感器是一種非接觸電容式原理的精密測(cè)量儀器。電容式位移傳感器的電容器極板多為金屬材料，極板間襯物多為無機(jī)材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等;因此可以在高溫、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)輻射下長期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測(cè)難題。在國內(nèi)研究所，高等院校、工廠和軍工部門得到廣泛應(yīng)用，成為科研、教學(xué)和生產(chǎn)中一種不可缺少的測(cè)試儀器。 ?

該傳感器還可與控制室中的二次儀表或控制器相連，在線、連續(xù)、實(shí)時(shí)的檢測(cè)各種數(shù)據(jù)然后直接顯示，遠(yuǎn)程控制和報(bào)警。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，傳輸和控制功能。廣泛應(yīng)用于各種注塑機(jī)中。 ?

電容式位移傳感器尤其適合緩慢變化或微小量的測(cè)量，一般來說采用電容式傳感器進(jìn)行檢測(cè)比較適宜。電容式位移傳感器的這些性能必然促使其應(yīng)用范圍越來越廣泛。主要用于解決壓電微位移、振動(dòng)臺(tái)，電子顯微鏡微調(diào)，天文望遠(yuǎn)鏡鏡片微調(diào)，精密微位移測(cè)量等測(cè)量問題。 ?

優(yōu)點(diǎn)：具有一般非接觸式儀器所共有的無磨擦、無損磨和無惰性特點(diǎn)外，還具有信噪比大，靈敏度高，零漂小，頻響寬，非線性小，精度穩(wěn)定性好，抗電磁干擾能力強(qiáng)和使用操作方便等優(yōu)點(diǎn)。 ?

缺點(diǎn)：量程比較小，一般只有幾十個(gè)毫米，容易受外界干擾和分布參數(shù)的影響。 ?

（8）霍爾式位移傳感器 ?

霍爾位移傳感器主要由兩個(gè)半環(huán)形磁鋼組成的梯度磁場(chǎng)和位于磁場(chǎng)中心的鍺材料半導(dǎo)體霍爾片（敏感元件）裝置構(gòu)成。此外，還包括測(cè)量電路（電橋、差動(dòng)放大器等）及顯示部分。 ?

是兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的直流磁路系統(tǒng)共同形成一個(gè)沿x 軸的梯度磁場(chǎng)。為使磁隙中的磁場(chǎng)得到較好的線性分布，在磁極端面裝有特殊形式的極靴。用它制作的位移傳感器靈敏度很高?；魻柶糜趦蓚€(gè)磁場(chǎng)中，細(xì)心調(diào)整它的初始位置，即可使初始狀態(tài)的霍爾電勢(shì)為零。它的位移量較小，適于測(cè)量微位移和機(jī)械振動(dòng)等。 ?

霍爾測(cè)位移有兩種：一種是用線性霍爾測(cè)元件與磁鐵之間的距離，根據(jù)線性霍爾元件的輸出信號(hào)可判斷出與磁鐵的間距，此種方式應(yīng)用有測(cè)試紙張厚度，金屬材料形變等微小位移，也有油門踏板等距離稍大的應(yīng)用；另一種是用開關(guān)型霍爾元件做機(jī)械的角度或者位移定位。比如汽車換擋桿的檔位檢測(cè)，換擋桿到相應(yīng)位置時(shí)下面有個(gè)霍爾傳感器，此時(shí)就能感應(yīng)到檔位。這類應(yīng)用非常多。 ?

特點(diǎn)： ?

( 1)傳感器的控制電流為 1 ～ 5mA,功耗 小、靈敏度高、分辨率高 ; ?( 2)原理簡單、實(shí)現(xiàn)方法容易、可靠性高、重復(fù)性好; ? ( 3)體積小、重量輕、壽命長; ? ( 4)檢測(cè)電路穩(wěn)定可靠 ,測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定到 5位讀數(shù) ,精度高; ? ( 5)硬件的補(bǔ)償可以基本上消除溫度對(duì) 傳感器的影響; ? ( 6)易于推廣到其他非電量如振動(dòng)、流量、壓力、壓差等領(lǐng)域的測(cè)試 ,具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。 ?

優(yōu)點(diǎn)：輸出變化量大、靈敏度高、分辨力高、質(zhì)量輕、 慣性小、反應(yīng)速度快;霍爾元件的頻響范圍寬 ,適合作為動(dòng)態(tài)位移測(cè)試。 ?

（9）超聲波位移傳感器 ?

超聲波位移傳感器是采用超聲波回波測(cè)距原理，運(yùn)用精確的時(shí)差測(cè)量技術(shù)，檢測(cè)傳感器與目標(biāo)物之間的距離的傳感器。 ?

優(yōu)點(diǎn)：非接觸式測(cè)量，比較衛(wèi)生，測(cè)量準(zhǔn)確，無接觸，防水，可以檢測(cè)腐蝕性很高的介質(zhì)?？蓱?yīng)于液位，物位檢測(cè)，特有的液位，料位檢測(cè)方式，可保證在液面有泡沫或大的晃動(dòng)，不易檢測(cè)到回波的情況下有穩(wěn)定的輸出。 ?

缺點(diǎn)：超聲波的發(fā)生接收對(duì)環(huán)境的要求比較高，在環(huán)境比較惡劣的情況下，超聲波傳感器不怎么適用。 ?

2、按運(yùn)動(dòng)方式分 ?

（1）直線位移傳感器 ?

直線位移傳感器的功能在于把直線機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。為了達(dá)到這一效果，通常將可變電阻滑軌定置在傳感器的固定部位，通過滑片在滑軌上的位移來測(cè)量不同的阻值。傳感器滑軌連接穩(wěn)態(tài)直流電壓，允許流過微安培的小電流、電壓，與滑片移動(dòng)的長度成正比。將傳感器用作分壓器可最大限度降低對(duì)滑軌總阻值精確性的要求，因?yàn)橛蓽囟茸兓鸬淖柚底兓粫?huì)影響到測(cè)量結(jié)果。 ?

（2）角度位移傳感器 ?

角度位移傳感器應(yīng)用于障礙處理：使用角度傳感器來控制你的輪子可以間接發(fā)現(xiàn)障礙物。原理非常簡單：如果馬達(dá)角度傳感器構(gòu)造運(yùn)轉(zhuǎn)，而齒輪不轉(zhuǎn)，說明你的機(jī)器已經(jīng)被障礙物給擋住了。 ? 此技術(shù)使用起來非常簡單，而且非常有效；唯一要求就是運(yùn)動(dòng)的輪子不能在地板上打滑（或者說打滑次數(shù)太多），否則你將無法檢測(cè)到障礙物。 ?

二、位移傳感器的選型 ?

位移傳感器的選型，要滿足下列指標(biāo)的要求： ?

1、靈敏度方面的技術(shù)指標(biāo)：對(duì)于一個(gè)儀器來說，一般都是靈敏度越高越好的，因?yàn)樵届`敏，對(duì)周圍環(huán)境發(fā)生的加速度的變化就越容易感受到，加速度變化大，很自然地，輸出的電壓的變化相應(yīng)地也變大，這樣測(cè)量就比較容易方便，而測(cè)量出來的數(shù)據(jù)也會(huì)比較精確的。 ?

2、零點(diǎn)溫度：環(huán)境溫度的變化引起的零點(diǎn)平衡變化。一般以溫度每變化10℃時(shí)，引起的零點(diǎn)平衡變化量對(duì)額定輸出的百分比來表示，即傳感器不受壓時(shí)的輸入由溫度變更引起的漂移。 ?

3、帶寬方面的技術(shù)指標(biāo)：帶寬指的的是傳感器可以測(cè)量的有效的頻帶，比如，一個(gè)傳感器有上百HZ帶寬的就可以測(cè)量振動(dòng)了，一個(gè)具有五十HZ帶寬的傳感器就可以有效測(cè)量傾角了。 ?

4、輸出方式的技術(shù)指標(biāo)：數(shù)字輸出和模擬輸出兩種方式。數(shù)字式傳感器向儀表輸入的是數(shù)字信號(hào)，如數(shù)量、重量等；模擬式傳感器向儀表輸入的是模擬量信號(hào)，如電壓、電流等。 ?

5、量程方面的技術(shù)指標(biāo)：測(cè)量不一樣的事物的運(yùn)動(dòng)所需要的量程都是不一樣的，要根據(jù)實(shí)際情況來衡量。 ?

6、極限過載：傳感器能承受的不使其喪失工作能力的最大負(fù)荷。意思是當(dāng)工作超過此值時(shí)，傳感器將會(huì)受到永久損壞。 ?

7、傳感器增益：傳感器的原始信號(hào)輸出放大倍率。 ??

審核編輯：劉清