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位移傳感器的分類與原理
位移傳感器是把物體的運動位移轉換成可測量的電學量一種裝置。通常用于把不便于定量檢測和處理的位移、位置、形變、振動、尺寸等物理量轉換為易于定量檢測、便于作信息傳輸與處理的電學量。
位移傳感器的介紹和特點：
位移是和物體的位置在運動過程中的移動有關的量，位移的測量方式所涉及的范圍是相當廣泛的。小位移通常用應變式、電感式、差動變壓器式（LVDT）、渦流式、霍爾傳感器來檢測，大的位移常用感應同步器、光柵、容柵、磁柵、磁致伸縮式等傳感技術來測量。其中磁致伸縮位移傳感器因具有易實現數字化、精度高、抗干擾能力強、適應惡劣環境、安裝方便、使用可靠等優點，在機床加工、檢測儀表等行業中得到廣泛的應用。
位移傳感器又稱為線性傳感器，是一種屬于金屬感應的線性器件，傳感器的作用是把各種被測物理量轉換為電量。在生產過程中，位移的測量一般分為測量實物尺寸和機械位移兩種。按被測變量變換的形式不同，位移傳感器可分為模擬式和數字式兩種。模擬式又可分為物性型和結構型兩種。常用位移傳感器以模擬式結構型居多，包括電位器式位移傳感器、電感式位移傳感器、自整角機、電容式位移傳感器、電渦流式位移傳感器、霍爾式位移傳感器等。數字式位移傳感器的一個重要優點是便于將信號直接送入計算機系統。這種傳感器發展迅速，應用日益廣泛。位移傳感器的工作原理，它通過電位器元件將機械位移轉換成與之成線性或任意函數關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，為實現測量位移目的而設計的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個確定關系。電位器式位移傳感器的可動電刷與被測物體相連。物體的位移引起電位器移動端的電阻變化。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，以把電阻變化轉換為電壓輸出。線繞式電位器由于其電刷移動時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中用作位移反饋元件，則過大的階躍電壓會引起系統振蕩。因此在電位器的制作中應盡量減小每匝的電阻值。電位器式傳感器的另一個主要缺點是易磨損。它的優點是：結構簡單，輸出信號大，使用方便，價格低廉。
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械位移轉換成與之成線性或任意函數關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，為實現測量位移目的而設計的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個確定關系。電位器式位移傳感器的可動電刷與被測物體相連。
物體的位移引起電位器移動端的電阻變化。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，以把電阻變化轉換為電壓輸出。
①線繞式電位器：由于其電刷移動時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中用作位移反饋元件，則過大的階躍電壓會引起系統振蕩。因此在電位器的制作中應盡量減小每匝的電阻值。電位器式傳感器的另一個主要缺點是易磨損。它的優點是：結構簡單，輸出信號大，使用方便，價格低廉。
②dao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體上，加熱聚合成電阻膜，或將DAP電阻粉熱塑壓在絕緣基體的凹槽內形成的實心體作為電阻體。特點是：平滑性好、分辯力優異耐磨性好、壽命長、動噪聲小、可靠性極高、耐化學腐蝕。用于宇宙裝置、ｄａｏｄａｏ、飛機雷達天線的伺服系統等。
③金屬玻璃鈾位移傳感器：用絲網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，經高溫燒結而成。特點是：阻值范圍寬，耐熱性好，過載能力強，耐潮，耐磨等都很好，是很有前途的電位器品種，缺點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。特點是分辨力高、耐高溫、溫度系數小、動噪聲小、平滑性好。
優點：便宜，結構簡單、輸出精度較高、線性和穩定性好等特點。滯后、蠕變小，
缺點：外界環境變化較大時對傳感器影響大，如溫度等影響較大，分辨率不高。
（2）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量位移的傳感器。光柵是在一塊長條形的光學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放大作用和誤差平均效應，因而能提高測量精度。
傳感器由標尺光柵、指示光柵、光路系統和測量系統四部分組成。標尺光柵相對于指示光柵移動時，便形成大致按正弦規律分布的明暗相間的疊柵條紋。這些條紋以光柵的相對運動速度移動，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、辨向和計數系統產生數字信號輸出，直接顯示被測的位移量。
傳感器的光路形式有兩種：一種是透射式光柵，它的柵線刻在透明材料（如工業用白玻璃、光學玻璃等）上；另一種是反射式光柵，它的柵線刻在具有強反射的金屬（不銹鋼）或玻璃鍍金屬膜（鋁膜）上。這種傳感器的優點是量程大和精度高。
光柵式傳感器應用在程控、數控機床和三坐標測量機構中，可測量靜、動態的直線位移和整圓角位移。在機械振動測量、變形測量等領域也有應用。
優點：檢測范圍大，檢測精度高，響應速度快
缺點：接觸式的量，測量速度一般為1.5m/s以內，只能用于靜態測量。
（3）磁致伸縮位移傳感器
磁致伸縮位移傳感器，通過內部非接觸式的測控技術精確地檢測活動磁環的絕對位置來測量被檢測產品的實際位移值的。是利用磁致伸縮原理、通過兩個不同磁場相交產生一個應變脈沖信號來準確地測量位置的。測量元件是一根波ｄａｏ管，波ｄａｏ管內的敏感元件由特殊的磁致伸縮材料制成的。
測量過程是由傳感器的電子室內產生電流脈沖，該電流脈沖在波ｄａｏ管內傳輸，從而在波ｄａｏ管外產生一個圓周磁場，當該磁場和套在波ｄａｏ管上作為位置變化的活動磁環產生的磁場相交時，由于磁致伸縮的作用，波ｄａｏ管內會產生一個應變機械波脈沖信號，這個應變機械波脈沖信號以固定的聲音速度傳輸，并很快被電子室所檢測到。
這個應變機械波脈沖信號在波ｄａｏ管內的傳輸時間和活動磁環與電子室之間的距離成正比，通過測量時間，就可以高度精確地確定這個距離。由于輸出信號是一個真正的絕對值,而不是比例的或放大處理的信號,所以不存在信號漂移或變值的情況,更無需定期重標。
磁致伸縮位移傳感器是根據磁致伸縮原理制造的高精度、長行程絕對位置測量的位移傳感器。它采用內部非接觸的測量方式，由于測量用的活動磁環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、環境適應能力強，可靠性高，安全性好，便于系統自動化工作，即使在惡劣的工業環境下(如容易受油潰、塵埃或其他的污染場合)，也能正常工作。
傳感器采用了高科技材料和先進的電子處理技術，因而它能應用在高溫、高壓和高振蕩的環境中。傳感器輸出信號為絕對位移值，即使電源中斷、重接，數據也不會丟失，更無須重新歸零。
由于敏感元件是非接觸的，就算不斷重復檢測，也不會對傳感器造成任何磨損，可以大大地提高檢測的可靠性和使用壽命。行程可達5米或更長，標稱精度為0.05%F·S，行程1米以上傳感器精度可達0.02%F.S，重復性可達0.002%F·S，因此它得到廣泛的應用。
優點：高可靠性、高分辨率、耐油抗污、非接觸的測量方式，使用壽命長、環境適應能力強，安全性好；即使在惡劣的工業環境下，也能正常工作，對各種運動部件的位移（位置）、速度進行連續、精確、實時的檢測。此外，它還能承受高溫、高壓和強振動。
缺點：容易搜磁場干擾，不能與ｄａｏ磁材料一起使用
（4）LVDT位移傳感器
LVDT位移傳感器是線性差動變壓式位移傳感器的簡稱，LVDT位移傳感器工作原理是，在一個空心的骨架上饒了3組線圈，一組初級線圈兩組次級線圈，當給初級線圈通電時空心的骨架內會形成一個磁場，在一個ｄａｏ磁的鐵芯插入中空的骨架里面時，由于切割磁感應線原理兩個次級線圈會形成一個微弱的交流電壓，當鐵芯移動到某個次級線圈的位置多一點時這個次級線圈輸出的電壓相對于另一個線圈的電壓要要大一些，按照搞這個規律把兩個次級線圈輸出的電壓值經過放大，再把兩個電壓值相減，得出一個差值，這個差值與鐵芯在空心骨架里面移動位移是成正比例線性關系的，這個差值再經過處理可以處理成-5V、0-10V、4-20mA等模擬量信號或者ModbusSSI等數字量信號，也是我們使用的LVDT正常輸出的信號。
優點：非接觸原理，使用壽命長；響應速度快；高線性度；重復性好；很寬的量程覆蓋范圍；低故障/功耗低/輸入、輸出的多樣性；動態特性好，可用于高速在線檢測，進行自動測量，自動控制；可在潮濕，粉塵等惡劣環境下使用；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150g/11ms，振動頻率2KHZ加速度20g；體積小，價格低，性能價格比高。
缺點：對于超大行程來說(超過1米)，生產難度大，傳感器和拉桿之和長度將達2米以上，使用不方便，且線性度也不高。
（5）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材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等;因此可以在高溫、低溫強磁場、強輻射下長期工作，尤其是解決高溫高壓環境下的檢測難題。在國內研究所，高等院校、工廠和軍工部門得到廣泛應用，成為科研、教學和生產中一種不可缺少的測試儀器。
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、實時的檢測各種數據然后直接顯示，遠程控制和報警。實現數據存儲，積算、傳輸和控制功能。廣泛應用于各種注塑機中。
電容式位移傳感器尤其適合緩慢變化或微小量的測量，一般來說采用電容式傳感器進行檢測比較適宜。電容式位移傳感器的這些性能必然促使其應用范圍越來越廣泛。主要用于解決壓電微位移、振動臺，電子顯微鏡微調，天文望遠鏡鏡片微調，精密微位移測量等測量問題。
優點：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，精度穩定性好，抗電磁干擾能力強和使用操作方便等優點。
缺點：量程比較小，一般只有幾十個毫米，容易受外界干擾和分布參數的影響。
（6）霍爾式位移傳感器
霍爾位移傳感器主要由兩個半環形磁鋼組成的梯度磁場和位于磁場中心的鍺材料半ｄａｏ體霍爾片（敏感元件）裝置構成。此外，還包括測量電路（電橋、差動放大器等）及顯示部分。
是兩個結構相同的直流磁路系統共同形成一個沿x軸的梯度磁場。為使磁隙中的磁場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。霍爾片置于兩個磁場中，細心調整它的初始位置，即可使初始狀態的霍爾電勢為零。它的位移量較小，適于測量微位移和機械振動等。
霍爾測位移有兩種：一種是用線性霍爾測元件與磁鐵之間的距離，根據線性霍爾元件的輸出信號可判斷出與磁鐵的間距，此種方式應用有測試紙張厚度，金屬材料形變等微小位移，也有油門踏板等距離稍大的應用；另一種是用開關型霍爾元件做機械的角度或者位移定位。比如汽車換擋桿的檔位檢測，換擋桿到相應位置時下面有個霍爾傳感器，此時就能感應到檔位。這類應用非常多。
特點：
(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、實現方法容易、可靠性高、重復性好;
(3)體積小、重量輕、壽命長;
(4)檢測電路穩定可靠,測試結果穩定到5位讀數,精度高;
(5)硬件的補償可以基本上消除溫度對傳感器的影響;
(6)易于推廣到其他非電量如振動、流量、壓力、壓差等領域的測試,具有一定的推廣應用價值。
優點：輸出變化量大、靈敏度高、分辨力高、質量輕、慣性小、反應速度快;霍爾元件的頻響范圍寬,適合作動態位移測試
（7）電渦流式位移傳感器
電渦流傳感器能靜態和動態地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬ｄａｏ體距探頭表面距離。它是一種非接觸的線性化計量工具。電渦流傳感器能準確測量被測體（必須是金屬ｄａｏ體）與探頭端面之間靜態和動態的相對位移變化。在高速旋轉機械和往復式運動機械狀態分析，振動研究、分析測量中，對非接觸的高精度振動、位移信號，能連續準確地采集到轉子振動狀態的多種參數。如軸的徑向振動、振幅以及軸向位置。
（8）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材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等;因此可以在高溫、低溫強磁場、強輻射下長期工作，尤其是解決高溫高壓環境下的檢測難題。在國內研究所，高等院校、工廠和軍工部門得到廣泛應用，成為科研、教學和生產中一種不可缺少的測試儀器。
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、實時的檢測各種數據然后直接顯示，遠程控制和報警。實現數據存儲，積算、傳輸和控制功能。廣泛應用于各種注塑機中。
電容式位移傳感器尤其適合緩慢變化或微小量的測量，一般來說采用電容式傳感器進行檢測比較適宜。電容式位移傳感器的這些性能必然促使其應用范圍越來越廣泛。主要用于解決壓電微位移、振動臺，電子顯微鏡微調，天文望遠鏡鏡片微調，精密微位移測量等測量問題。
優點：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，精度穩定性好，抗電磁干擾能力強和使用操作方便等優點。
缺點：量程比較小，一般只有幾十個毫米，容易受外界干擾和分布參數的影響。
（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距原理，運用精確的時差測量技術，檢測傳感器與目標物之間的距離的傳感器。
優點：非接觸式測量，比較衛生，測量準確，無接觸，防水，可以檢測腐蝕性很高的介質。可應于液位，物位檢測，特有的液位，料位檢測方式，可保證在液面有泡沫或大的晃動，不易檢測到回波的情況下有穩定的輸出。
缺點：超聲波的發生接收對環境的要求比較高，在環境比較惡劣的情況下，超聲波傳感器不怎么適用。
2、按運動方式分
（1）直線位移傳感器
直線位移傳感器的功能在于把直線機械位移量轉換成電信號。為了達到這一效果，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量不同的阻值。傳感器滑軌連接穩態直流電壓，允許流過微安培的小電流，滑片和始端之間的電壓，與滑片移動的長度成正比。將傳感器用作分壓器可最大限度降低對滑軌總阻值精確性的要求，因為由溫度變化引起的阻值變化不會影響到測量結果。
（2）角度位移傳感器
角度位移傳感器應用于障礙處理：使用角度傳感器來控制你的輪子可以間接的發現障礙物。原理非常簡單：如果馬達角度傳感器構造運轉，而齒輪不轉，說明你的機器已經被障礙物給擋住了。
此技術使用起來非常簡單，而且非常有效；唯一要求就是運動的輪子不能在地板上打滑（或者說打滑次數太多），否則你將無法檢測到障礙物。一個空轉的齒輪連接到馬達上就可以避免這個問題，這個輪子不是由馬達驅動而是通過裝置的運動帶動它：在驅動輪旋轉的過程中，如果惰輪停止了，說明你碰到障礙物了。
位移傳感器的分類與原理
二、位移傳感器的選型
位移傳感器的選型，要滿足下列指標的要求：
1、靈敏度方面的技術指標
對于一個儀器來說，一般都是靈敏度越高越好的，因為越靈敏，對周圍環境發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地也變大，這樣測量就比較容易方便，而測量出來的數據也會比較精確的。
2、零點溫度
環境溫度的變化引起的零點平衡變化。一般以溫度每變化10℃時，引起的零點平衡變化量對額定輸出的百分比來表示，即傳感器不受壓時的輸入由溫度變更引起的漂移。
3、帶寬方面的技術指標
帶寬指的的是傳感器可以測量的有效的頻帶，比如，一個傳感器有上百HZ帶寬的就可以測量振動了，一個具有五十HZ帶寬的傳感器就可以有效測量傾角了。
4、輸出方式的技術指標
數字輸出和模擬輸出兩種方式。數字式傳感器向儀表輸入的是數字信號，如數量、重量等；模擬式傳感器向儀表輸入的是模擬量信號，如電壓、電流等。
5、量程方面的技術指標
測量不一樣的事物的運動所需要的量程都是不一樣的，要根據實際情況來衡量。
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荷。意思是當工作超過此值時，傳感器將會受到永久損壞。
7、傳感器增益
就是傳感器的原始信號輸出放大倍率。
三、常見故障及排障方法
直線位移傳感器的工作原理是跟滑動變阻器一樣的，它作為分壓器使用的，它是以相對的輸出電壓來呈現出所測量位置的實際上的位置。
1、如果電子尺已經使用很長時間了，而且密封已經老化，同時夾雜著很多雜質，而且水混合物和油會嚴重影響電刷的接觸電阻的，這樣會使顯示的數字不停地跳動。這個時候可以說直線位移傳感器的電子尺已經損壞了，需要更換。
2、若電源的容量很小，就會出現很多情況的：熔膠的運動會使合模電子尺的顯示變換，有波動，或者合模的運動會使射膠電子尺的顯示波動，造成測量結果誤差很大。如果電磁閥的驅動電源于電子尺供電電源同時在一起的時候，更容易出現以上的情況，情況嚴重時用萬用表的電壓檔甚至可以測量到電壓的有關波動。如果情況不是因為高頻干擾、靜電干擾或者是中性不夠好的造成的，那么就有可能是電源的功率太小造成的。
3、調頻干擾和靜電干擾都有可能讓直線位移傳感器的電子尺的顯示數字跳動的。電子尺的信號線與設備的強電線路要分開線槽。電子尺必須要強制性地使用接地支架，而且同時讓電子尺的外殼跟地面良好地接觸。信號線需要使用屏蔽線，而且電箱的一段應該跟屏蔽線接地的。如果有高頻干擾的時候，通常使用萬用表的電壓測量就會顯示正常，但是顯示數字就是會跳動不停的；而出現靜電干擾時，出現的情況也是跟高頻干擾一樣的。
要證明看是否是靜電干擾時，可以先使用一段電源線把電子尺的封蓋螺絲跟機器上的某一些的金屬短接起來就可以了，只要一短接起來，靜電干擾就會馬上消除掉的。但是如果要消除掉高頻干擾就很難用上面的方法了，變頻節電器和機器手都經常出現高頻干擾的，所以可以試一下用停止高頻節電器或者機械手的方法來驗證是不是高頻干擾的。
4、如果直線位移傳感器的電子尺在工作的過程當中，在某一點的顯示數據有規律地跳動，或者是沒有顯示數據的時候，出現這種情況就需要檢查連接線絕緣是不是出現破損的現象，并且跟機器的外殼很有規律地接觸而ｄａｏ致的對地短路。
5、供電的電壓一定要穩定，工業的電壓需要符合±0.1[%]的穩定性，例如，基準電壓是10V的話，就可以允許有±0.01V的波動變化，如果不是的話，就會引起顯示的圈套波動這樣的情況。但是如果這個時候的顯示波動的幅度沒有超過波動電壓的波動的幅度的話，那么電子尺就是正常的了。
6、安裝直線位移傳感器的對中性需要很好，但是平行度可以允許有±0.5mm的誤差，角度可以允許有±12°的誤差。但是如果平行度誤差和角度誤差都是偏大的話，這樣會出現顯示數字跳動的情況。那么出現這樣的情況的時候，必須要對平行度和角度進行調整了。
7、在連接的過程當中，一定要多加注意，電子尺的三條線是不可以接錯的，電源線和輸出線是不可以調換的。如果上面的線接錯的話，就會出現線性誤差很大的情況，要控制的話是很難的，控制的精度也會變得很差，而顯示很容易出現跳動的現象等等。
位移傳感器種類繁多，應用領域不斷擴大,同時有越來越多的創新技術被運用到傳感器中，如基于OEM的LVDT技術、超聲波技術、磁致伸縮技術、光纖技術、時柵技術等，位移傳感器技術已取得了突破性進展。由于技術的進步，使得各種傳感器性能大幅度提高，成本大幅度降低，從而極大地擴展了應用范圍，形成了一個高速增長的產業。
位移傳感器的分類與原理