位移傳感器原理及基礎(chǔ)知識(shí)
位移傳感器又稱(chēng)為線(xiàn)性傳感器，它分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器。
電感式位移傳感器是一種屬于金屬感應(yīng)的線(xiàn)性器件，接通電源后，在開(kāi)關(guān)的感應(yīng)面將產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時(shí)，金屬中則產(chǎn)生渦流而吸取了振蕩器的能量，使振蕩器輸出幅度線(xiàn)性衰減，然后根據(jù)衰減量的變化來(lái)完成無(wú)接觸檢測(cè)物體的目的。
電感式位移傳感器具有無(wú)滑動(dòng)觸點(diǎn)，工作時(shí)不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長(zhǎng)壽命，可使用在各種惡劣條件下。位移傳感器主要應(yīng)用在自動(dòng)化裝備生產(chǎn)線(xiàn)對(duì)模擬量的智能控制。
位移是和物體的位置在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的移動(dòng)有關(guān)的量，位移的測(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、渦流式、霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)，大的位移常用感應(yīng)同步器、光柵、容柵、磁柵等傳感技術(shù)來(lái)測(cè)量。其中光柵傳感器因具有易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、精度高（目前分辨率最高的可達(dá)到納米級(jí)）、抗干擾能力強(qiáng)、沒(méi)有人為讀數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)床加工、檢測(cè)儀表等行業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用。
原理
計(jì)量光柵是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象來(lái)測(cè)量位移的?！澳獱枴痹鲇诜ㄎ腗oire，意思是水波紋。幾百年前法國(guó)絲綢工人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩層薄絲綢疊在一起時(shí)，將產(chǎn)生水波紋狀花樣；如果薄綢子相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則花樣也跟著移動(dòng)，這種奇怪的花紋就是莫爾條紋。一般來(lái)說(shuō)，只要是有一定周期的曲線(xiàn)簇重疊起來(lái)，便會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋。計(jì)量光柵在實(shí)際應(yīng)用上有透射光柵和反射光柵兩種；按其作用原理又可分為輻射光柵和相位光柵；按其用途可分為直線(xiàn)光柵和圓光柵。下面以透射光柵為例加以討論。 透射光柵尺上均勻地刻有平行的刻線(xiàn)即柵線(xiàn)，a為刻線(xiàn)寬，b為兩刻線(xiàn)之間縫寬，W=a+b稱(chēng)為光柵柵距。目前國(guó)內(nèi)常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條等線(xiàn)條。光柵的橫向莫爾條紋測(cè)位移，需要兩塊光柵。一塊光柵稱(chēng)為主光柵，它的大小與測(cè)量范圍相一致；另一塊是很小的一塊，稱(chēng)為指示光柵。為了測(cè)量位移，必須在主光柵側(cè)加光源，在指示光柵側(cè)加光電接收元件。當(dāng)主光柵和指示光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)，由于光柵的遮光作用而使莫爾條紋移動(dòng)，固定在指示光柵側(cè)的光電元件，將光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于光源的大小有限及光柵的衍射作用，使得信號(hào)為脈動(dòng)信號(hào)。如圖 1，此信號(hào)是一直流信號(hào)和近視正弦的周期信號(hào)的疊加，周期信號(hào)是位移x的函數(shù)。每當(dāng)x變化一個(gè)光柵柵距W，信號(hào)就變化一個(gè)周期，信號(hào)由b點(diǎn)變化到b’點(diǎn)。由于bb’=W，故b’點(diǎn)的狀態(tài)與b點(diǎn)狀態(tài)完全一樣，只是在相位上增加了2π。
信號(hào)處理
1、辨向原理 在實(shí)際應(yīng)用中，位移具有兩個(gè)方向，即選定一個(gè)方向后，位移有正負(fù)之分，因此用一個(gè)光電元件測(cè)定莫爾條紋信號(hào)確定不了位移方向。為了辨向，需要有 π/2相位差的兩個(gè)莫爾條紋信號(hào)。如圖2，在相距1/4條紋間距的位置上安放兩個(gè)光電元件，得到兩個(gè)相位差π/2的電信號(hào)u01和u02，經(jīng)過(guò)整形后得到兩個(gè)方波信號(hào)u01’和u02’。光柵正向移動(dòng)時(shí)u01超前u02 90度，反向移動(dòng)時(shí)u02超前u01 90度，故通過(guò)電路辨相可確定光柵運(yùn)動(dòng)方向。
2、細(xì)分技術(shù) 隨著對(duì)測(cè)量精度要求的提高，以柵距為單位已不能滿(mǎn)足要求，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧?duì)莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分。所謂細(xì)分就是在莫爾條紋信號(hào)變化一個(gè)周期內(nèi)，發(fā)出若干個(gè)脈沖，以減少脈沖當(dāng)量。如一個(gè)周期內(nèi)發(fā)出n個(gè)脈沖，則可使測(cè)量精度提高n備，而每個(gè)脈沖相當(dāng)于原來(lái)柵距的1/n。由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖頻率提高了 n倍，因此也稱(chēng)n倍頻。
通常用的有兩種細(xì)分方法：其一、直接細(xì)分。在相差1/4莫爾條紋間距的位置上安放兩個(gè)光電元件，可得到兩個(gè)相位差90o的電信號(hào)，用反相器反相后就得到四個(gè)依次相差90o的交流信號(hào)。同樣，在兩莫爾條紋間放置四個(gè)依次相距1/4條紋間距的光電元件，也可獲得四個(gè)相位差90o的交流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)四倍頻細(xì)分。其二、電路細(xì)分。
專(zhuān)用集成電路
四倍頻專(zhuān)用集成電路Q(chēng)A740210同時(shí)具有辨相和四倍頻細(xì)分的功能，可將兩路正交的方波進(jìn)行四倍頻后產(chǎn)生兩路加、減計(jì)數(shù)信號(hào)，可送雙時(shí)鐘可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加、減計(jì)數(shù)，也可直接送微型計(jì)算機(jī)（包括單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
1、特點(diǎn)：
⑴、數(shù)字化微分電路：4路微分信號(hào)脈寬由主頻周期決定，因此，是一致的，而且可在很大范圍里方便地選擇。
⑵、臨界報(bào)警與過(guò)速報(bào)警兩檔速度提示：可在光柵運(yùn)動(dòng)速度接近極限值時(shí)給出臨界報(bào)警信息，以便操作者及時(shí)控制光柵運(yùn)動(dòng)快慢。在速度超過(guò)極限值時(shí)本電路將給出出錯(cuò)信息。
?、?、絕對(duì)零位控制：絕對(duì)零位的設(shè)置將給操作者帶來(lái)許多方便，如故障斷電后的重新定位等。本電路有“到絕對(duì)零位開(kāi)始計(jì)數(shù)”和“到絕對(duì)零位停止計(jì)數(shù)”，以及“與絕對(duì)零位無(wú)關(guān)”三種工作模式。
?、取⑵x：本電路設(shè)有片選端，可以構(gòu)成多標(biāo)數(shù)顯系統(tǒng)。
⑸、COMS工藝：輸入輸出的電壓電流與4000系列CMOS及LSTTL電路兼容。
位移傳感器的原理與應(yīng)用
位移傳感器的分類(lèi)
1、根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式分類(lèi):
直線(xiàn)位移傳感器
1、根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式分類(lèi):
直線(xiàn)位移傳感器
原理：
直線(xiàn)位移傳感器的功能在于把直線(xiàn)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(guò)滑片在滑軌上的位移來(lái)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(guò)微安培的小電流，滑片和始端之間的電壓，與滑片移動(dòng)的長(zhǎng)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。
LT直線(xiàn)位移傳感器：
⊙ 廣泛應(yīng)用于注塑、機(jī)床及機(jī)械加工等行業(yè)
⊙ 無(wú)限分辨率
⊙ 行程：50至900mm
⊙ 獨(dú)立線(xiàn)性度：±0.05%
⊙ 位移速度達(dá)到：5m/s、10 m/s可選
⊙ 工作溫度：-30至+100℃
⊙ 多種電氣連接方式
⊙ 保護(hù)等級(jí)：IP60（IP65可選）
角度位移傳感器
2、根據(jù)材質(zhì)分類(lèi):
金屬膜傳感器、導(dǎo)電塑料傳感器、光電式傳感器、磁敏式傳感器、金屬玻璃鈾傳感器、繞線(xiàn)傳感器
電位器式位移傳感器 它通過(guò)電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線(xiàn)性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。普通直線(xiàn)電位器和圓形電位器都可分別用作直線(xiàn)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。圖1中的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。線(xiàn)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(guò)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(jiǎn)單，輸出信號(hào)大，使用方便，價(jià)格低廉。
霍耳式位移傳感器 它的測(cè)量原理是保持霍耳元件（見(jiàn)半導(dǎo)體磁敏元件）的激勵(lì)電流不變，并使其在一個(gè)梯度均勻的磁場(chǎng)中移動(dòng)，則所移動(dòng)的位移正比于輸出的霍耳電勢(shì)。磁場(chǎng)梯度越大，靈敏度越高；梯度變化越均勻,霍耳電勢(shì)與位移的關(guān)系越接近于線(xiàn)性。圖2中是三種產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的磁系統(tǒng)：a系統(tǒng)的線(xiàn)性范圍窄，位移Z=0時(shí)，霍耳電勢(shì)≠0；b系統(tǒng)當(dāng)Z<2毫米時(shí)具有良好的線(xiàn)性，Z=0時(shí),霍耳電勢(shì)=0；c系統(tǒng)的靈敏度高,測(cè)量范圍小于1毫米。圖中N、S分別表示正、負(fù)磁極?；舳轿灰苽鞲衅鞯膽T性小、頻響高、工作可靠、壽命長(zhǎng)，因此常用于將各種非電量轉(zhuǎn)換成位移后再進(jìn)行測(cè)量的場(chǎng)合。
光電式位移傳感器 它根據(jù)被測(cè)對(duì)象阻擋光通量的多少來(lái)測(cè)量對(duì)象的位移或幾何尺寸。特點(diǎn)是屬于非接觸式測(cè)量，并可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。光電式位移傳感器常用于連續(xù)測(cè)量線(xiàn)材直徑或在帶材邊緣位置控制系統(tǒng)中用作邊緣位置傳感器。
主要特性參數(shù)：
標(biāo)稱(chēng)阻值：電位器上面所標(biāo)示的阻值。
重復(fù)精度:此參數(shù)越小越好.
分辨率:位移傳感器所能反饋的最小位移數(shù)值.此參數(shù)越小越好.導(dǎo)電塑料位移傳感器分辨率為無(wú)窮小.
允許誤差：標(biāo)稱(chēng)阻值與實(shí)際阻值的差值跟標(biāo)稱(chēng)阻值之比的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)阻值偏差，它表示電位器的精度。允許誤差一般只要在
±20%以?xún)?nèi)就符合要求,因?yàn)橐话阄灰苽鞲衅魇且苑謮旱姆绞絹?lái)使用,具體電阻的大小對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)采集沒(méi)有影響.
線(xiàn)性精度:直線(xiàn)性誤差.此參數(shù)越小越好.
壽命:導(dǎo)電塑料位移傳感器都在200萬(wàn)次以上.
常用傳感器特性：
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。特點(diǎn)是：平滑性好、分辯力優(yōu)異耐磨性好、壽命長(zhǎng)、動(dòng)噪聲小、可靠性極高、耐化學(xué)腐蝕。用于宇宙裝置、導(dǎo)彈、飛機(jī)雷達(dá)天線(xiàn)的伺服系統(tǒng)等。
繞線(xiàn)位移傳感器:是將康銅絲或鎳鉻合金絲作為電阻體，并把它繞在絕緣骨架上制成。繞線(xiàn)電位器特點(diǎn)是接觸電 阻小，精度高，溫度系數(shù)小，其缺點(diǎn)是分辨力差，阻值偏低，高頻特性差。主要用作分壓器、變阻器、儀器中調(diào)零和工作點(diǎn)等。
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(guò)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。
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。
磁敏式位移傳感器:
消除了機(jī)械接觸，壽命長(zhǎng)、可靠性高，缺點(diǎn)：對(duì)工作環(huán)境要求較高.
光電式位移傳感器:
消除了機(jī)械接觸，壽命長(zhǎng)、可靠性高，缺點(diǎn)：數(shù)字信號(hào)輸出,處理煩瑣.
[編輯本段]傳感器市場(chǎng)發(fā)展前景
咨詢(xún)公司INTECHNOCONSULTING的傳感器市場(chǎng)報(bào)告顯示，2008年全球傳感器市場(chǎng)容量為506億美元，預(yù)計(jì)2010年全球傳感器市場(chǎng)可達(dá)600億美元以上。調(diào)查顯示，東歐、亞太區(qū)和加拿大成為傳感器市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的地區(qū)，而美國(guó)、德國(guó)、日本依舊是傳感器市場(chǎng)分布最大的地區(qū)。就世界范圍而言，傳感器市場(chǎng)上增長(zhǎng)最快的依舊是汽車(chē)市場(chǎng)，占第二位的是過(guò)程控制市場(chǎng)，看好通訊市場(chǎng)前景。
一些傳感器市場(chǎng)比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現(xiàn)出成熟市場(chǎng)的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場(chǎng)規(guī)模最大，分別占到整個(gè)傳感器市場(chǎng)的21%、19%和14%。傳感器市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)來(lái)自于無(wú)線(xiàn)傳感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微機(jī)電系統(tǒng))傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中，無(wú)線(xiàn)傳感器在2007-2010年復(fù)合年增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)會(huì)超過(guò)25%。
目前，全球的傳感器市場(chǎng)在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。有關(guān)專(zhuān)家指出，傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高，各國(guó)將競(jìng)相加速新一代傳感器的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，競(jìng)爭(zhēng)也將日益激烈。新技術(shù)的發(fā)展將重新定義未來(lái)的傳感器市場(chǎng)，比如無(wú)線(xiàn)傳感器、光纖傳感器、智能傳感器和金屬氧化傳感器等新型傳感器的出現(xiàn)與市場(chǎng)份額的擴(kuò)大。