材料工程檢測技術課程作業（二）：位移傳感器的發展現狀概述課 程： 任 課 老 師： 學 院（系）： 專 業： 學 生 姓 名： 學 號： 1 位移傳感器 l 位移是指物體位置對參考點產生的偏移量，是指物體相對于某參考坐標系一點的距離的變化量，它是描述物體空間位置變化的物理量。位移傳感器又稱為線性傳感器，是將位移轉換成電量的傳感器。位移傳感器的發展經歷了兩個階段，經典位移傳感器階段和半導體位移傳感器階段。2 位移傳感器的分類2.1 電位器式 電位器位移傳感器分為繞線電位器和非繞線電位器2種：繞線電位器一般由電阻絲燒制在絕緣骨架上，由電刷引出與滑動點電阻對應的輸入變化。電刷由待測量位移部分拖動，輸出與位移成正比的電阻或電壓的變化；常見的非線繞式電位器位移傳感器是在絕緣基片上制成各種薄膜元件，如合成膜式、金屬膜式、導電塑料和導電玻璃釉電位器等。2.2 電阻應變式l 傳感器是由彈性敏感元件和電阻應變片構成，當測量桿隨試件產生位移時，彈性敏感元件在感受到測量桿變化而產生變形，其表面產生的應變與測量桿的位移成線性關系。這種傳感器具有線性好、分辨率較高、結構簡單和使用方便等特點，其位移測量范圍較小，通常在0.1um-0.1mm之間，測量精度小于2%，線性度為0.1%一0.5%。2.3 電容式l 電容傳感器通過位移來改變電容兩個極板之間的距離，即將位移量轉換成電容變化量進行測量的。l 它具有功率小、阻抗高、動態特性好、可進行非接觸測量等優點；但是電容傳感器存在寄生電容和分布電容，會影響測量精度，且常用的變隙式電容傳感器存在測量量程小，存在非線性誤差等缺點。一般使用極距變化型電容式位移傳感器和面積變化型電容式位移傳感器。2.4 電感式l 電感式傳感器利用電磁感應將被測位移轉換成線圈的自感系數和互感系數的變化，再由電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，實現非電量到電量的轉換。l 傳感器分為自感式、互感式(如LVDT)、電渦流式三種。電感式傳感器具有靈敏度和分辨力高，能測出0.01微米的位移變化，傳感器非線性誤差可達0.05%-0.1%。2.5 磁敏式 磁敏式傳感器包含有磁致伸縮式、霍爾式、磁柵式、感應同步器。 2.5.1 磁致伸縮線性位移(液位)傳感器 所謂磁致伸縮效應，是指鐵磁體在被外磁場磁化時，其體積和長度將發生變化的現象。磁致伸縮效應引起的體積和長度變化雖是微小的，但其長度的變化比體積變化大得多，是人們研究應用的主要對象，又稱之為線磁致伸縮。l 主要由測桿、電子倉和套在測桿上的非接觸的磁環(浮球)組成。測桿內裝有磁致伸縮線(波導絲)。l 工作時，由電子倉內的電子電路產生起始脈沖，此起始脈沖在波導絲中傳輸時，同時產生了沿波導絲方向前進的旋轉磁場當這個磁場與磁環(浮球)中的永久磁場相遇時，產生磁致伸縮效應，使波導絲發生扭動，產生扭動脈沖。這一扭動脈沖被安裝在電子倉內的拾能機構所感知并轉換成相應的電流脈沖，通過電子電路計算出兩脈沖起始和返回之間的時間差，即可精確測出被測的位置或位移。2.5.2 磁柵式位移傳感器 一種測量位移的數字傳感器，它是在非磁性體的平整面上鍍一層磁性薄膜，并用錄制磁頭沿長度方向按一定的節距K錄上磁性刻度線而構成的，因此又把磁柵稱為磁尺。l 磁柵可分為單面型直線磁柵、同軸型直線磁柵和旋轉型磁柵等。磁柵主要用于大型機床和精密機床的位置或位移量的檢測元件。2.6 光電式 光電式位移傳感器包含有光柵式、光纖式、激光式。2.6.1 激光傳感器激光傳感器是一種非接觸式的精密激光測量裝置。它是根據激光三角原理設計和制造的，由半導體激光機發出一定波長的激光光束，經過發射光學系統后會聚在被測物體表面，形成漫反射。該漫反射像經過光學系統后成像在CCD上，并被轉換成電信號。當被測面相對傳感器在Y方向移動時，漫反射像將移動，在CCD光敏面上的成像也將跟著移動位置，這樣即輸出不同的電信號后，再將位移量最終轉換成電信號，與其他設備進行接口。 激光發射器的軸線、接受透鏡的光軸、CCD線陣位于同一個平面，光源發出的一束激光通過會聚透鏡照射在測量物體平面上，經過表面散射最后通過接受透鏡在光敏元件上成像。當測量物體表面的位移發生改變時，表面上的散射光斑相對成像物鏡的位置發生改變，相應的像點在CCD探測器上的位置也發生變化。像點的位移和測量物體表面位移之間的關系由傳感器制造時的幾何光路參數確定，測量物體實際位移由光敏元件對光斑像點的檢測和計算得出。入射光和散射光光路構成一個三角形，通過三角形的相關知識來確定輸入和輸出之間的關系，因此這種測量方法被稱作激光三角測量法。2.6.2 光柵傳感器 光柵傳感器屬于數字式傳感器，可以將位移轉換為數字量輸出。其原理是利用計量光柵的莫爾條紋現象進行位移測量的，它通常由光源、標尺光柵、指示光柵和光電器件組成。發光二極管經聚光透鏡形成平行光，平行光以一定角度射向裂相指示光柵，由標尺光柵的反射光與指示光柵作用形成莫爾條紋，光電器件接收到的莫爾條紋光強信號經電路處理后可得到兩光柵的相對位移。2.6.3 光纖傳感器 光纖位移傳感器分為元件型和反射型兩種型式。l 元件型位移傳感器通過壓力或應變等形式作用在光纖上，使光在光纖內部傳輸過程中，引起相位、振幅、偏振態等變化，只要能測得光纖的特性變化，即可測得位移，在這里光纖是作為敏感元件使用的。l 反射式光纖位移傳感器工作原理是入射光纖的光射向被測物體，被測物體反射的光一部分被接收光纖接收，根據光學原理可知反射光的強度與被測物體的距離有關，通過測得反射光的強度，可知物體位移變化。2.7 超聲波位移傳感器l 它是利用超聲波在兩種介質分界面上的反射特性而制作的。當已知從發射超聲波脈沖開始時間到接收換能器接收到發射波為止的這個時間間隔，就可以計算出位移或物位。2.8 各類傳感器之間的比較3 傳感器的應用l 位移傳感器的應用已經得到了廣泛的發展，幾乎可以用于各個領域的位移、位置、行程的自動測量和自動控制，以及測量預先被變成位移的各種物理量，比如:伸縮、膨脹、差壓、振動、應變、流量、厚度、重量等等。3.1 磁致伸縮位移傳感器應用3.1.1 液位測量l 在化工企業中用磁致伸縮液位計精確測量同一容器內兩種介質界面。液位計出廠時按用戶提供的上、下介質密度確定浮子重量，測量時浮子浮在界面上，所受浮力與重力相等，以此計算出界面位置。l 在一個非磁性傳感管內裝有一根磁致伸縮線，在磁致伸縮線一端裝有壓磁傳感器，該壓磁傳感器每秒發出10個電流脈沖信號給磁致伸縮線，開始計時，該電流脈沖同磁性浮子的磁場產生相互作用，在磁致伸縮線上產生一個扭應力波，這個扭應力波以已知的速度從浮子的位置沿磁致伸縮線向兩端傳送。直到壓磁傳感器收到這個扭應力信號為止，壓磁傳感器可測量出起始脈沖和返回扭應力波間的時間間隔，根據時間間隔大小來判斷浮子的位置，由于浮子總是懸浮在液面上，且磁浮子位置隨液面的變化而變化，即時間間隔大小也就是液面的高低，然后通過全智能化電子裝置將時間間隔大小信號轉換與被測液位成比例的4-20mA信號(HART)進行輸出。磁致伸縮式液位計出廠是根據用戶提供的“上密度”和“下密度”確定浮子的重量。在測量界面時，實際上是浮子浮在界面上，所受的浮力和重力相等。公式為: W=F=Vll+(V一V1)2l W-浮子重量，F-浮子受到的浮力，V1-浸入下液體的體積，V-浮子體積l 由于浮子所處位置的密度是相對固定的，即含油與含催化劑的百分率是相對固定的。從上面的公式可以看出l，2相對固定，浮子所受到的浮力是固定的。浮子精確的浮在界而和液面從而保證了磁致伸縮式液位計的高精度測量。3.1.2 在液壓缸中的應用l 磁致伸縮位移傳感器應用在需要對液壓缸進行精確控制的場合，可以實現對液壓缸位置進行測量，從而實現遠程控制。圖為磁致伸縮測量裝置。 電阻值測量方式原理簡單，檢測電路易實現。圖所示液壓缸工作原理為:活塞桿10鉆有內孔8，電阻支架9伸入內孔8中，電刷7被頂錐6壓在測量電阻4上，當活塞桿10移動時，電刷7在電阻4上滑動，1，2為電極，用于傳遞電信號。其原理可簡化為滑動變阻器，電刷滑動時改變了接入電阻的大小，根據測得的電流量可得到電阻長度，進而知道活塞桿的伸出量。參 考 文 獻1 昌學年,姚毅,閆玲. 位移傳感器的發展及研究J. 計量與測試技術, 2009 (9): 42-44.2 劉焱,王燁.位移傳感器的技術發展現狀與發展趨勢J.自動化