1、H量与测试技术2009年第36卷第9期位移传感器的发展及研究The Development and In vestigation of Displacement Sensor昌学年 姚毅 闫 玲(四川理工学院，四川自贡643000)摘要：位移传感器又称为线性传感器，它可以把位移量转换为电量，从而实现对位移量的检测。在实际工程应用中，位移传感器有着非常重要的作用。对各种常见的位移传感器进行了介绍，阐述并比较了它们的工作原理、应用场合和优缺点。可以为从事相关领域工作的技术人员提供参考，以便更好地利用和发展这些技术。关键词：位移；传感器；霍尔效应；磁致伸缩；光纤；光栅1位移传感器的发展位移传感器的发
2、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。二十世纪八十年代以前，人们以经典电磁学为理论基础，把不便于定量检测和处理的位移、速度等物理量转换为易于定量检测、便于作信息传输与处理的电学量，经典的位移传感器，如电阻式、电感式、电容式位移传感器等，都以电磁学原理和物理定律为工作原理。2位移传感器的介绍位移检测技术经过多年发展已经相当成熟，各种位移传感器也出现在人们的视野里。目前人们常用的传感器有电位器式、电感式、磁敏式、光电式等。21电位器式位移传感器(1)线绕电位器式位移传感器：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，
3、输出与位移成正比的电阻或电压的变化。线绕电位器的突出优点是结构简单，使用方便；缺点是存在摩擦和磨损、有阶梯误差、分辨率低、寿命短等。(2)非线绕式电位器位移传感器：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。其优点是分辨率高、耐磨、寿命长和易校准；缺点是易受温度、湿度影响，难以实现高精度。22电阻应变式位移传感器电阻应变式位移传感器是以弹簧和悬臂梁串联作为弹性元件，在矩形界面悬臂梁根部正反两面贴四片应变片，并组成全桥电路，拉伸弹簧一端与测量杆连接，当测量杆随试件产生位移时，带动弹簧使悬臂梁根部产生弯曲，弯曲所产生的应变与测量
4、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，但是位移测量范围较小，在01脚01mm之间，其测量精度小于2，线性度为0105。23电容式位移传感器电容式位移传感器是以理想的平板电容为基础，两个平行极板由传感器测头和被测物体表面构成，基于运算放大器测量电路原理，当恒定频率的正弦激励电流通过传感器电容时，传感器上产生的电压幅值与电容极板间隙成比例关系。电容式位移传感器具有功率小、阻抗高、动态特性好、可进行非接触测量等优点，因此获得广泛的应用。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。一般我们
5、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。24电感式位移传感器(1)自感式位移传感器：自感式位移传感器是利用电磁感应原理进行工作的，把被测位移量转换为线圈的自感变化，输出的电感变化量需经电桥及放大测量电路得到电压、电流或频率变化的电信号，从而实现位移测量。该传感器的优点是结构简单可靠、没有摩擦、灵敏度高、输出功率大、测量精度高、测量范围宽、有利于信号的传输。其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器本身频率响应低，不宜于高频动态测量；对传感器线圈供电电源的频率和振幅稳定度要求较高。在实际应用中，差动电感式位移传感器应用比较广泛。这种传感器是将两个相通的电感线圈按差动
6、方式联结起来，利用线圈的互感作用将机械位移转换为感应电动势的变化。(2)电涡流式位移传感器：电涡流位移传感器是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器的敏感元件是线圈，其工作原理是通过一个高频信号源产生高频电压，将这个高频电压施加在电涡流传感器探头内的电感线圈上，这样电感线圈就会产生高频磁场，如果在这个交变的高频磁场范围内有被测导体存在，当被测金属体靠近这万方数据昌学丰等：位移传感器的发展及研究一磁场，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、
7、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。如果使上述参量中的某一个变动，其余皆不变，就可制成各种用途的传感器，能对表面为金属导体的物体进行多种物理量的非接触测量。这种传感器的优点是结构简单、长期工作可靠性好、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、响应速度快、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响、体积小等。电涡流式传感器是一种很有发展前途的传感器，目前已经在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到了广泛应用。25磁敏式位移传感器(1)磁致伸缩扭转波位移传感器：磁致伸缩扭转波位移传感器是利用磁致伸缩扭转波效应进行的。磁致伸缩是指，当铁磁材料置于磁场中时，它的几何
8、尺寸会发生变化的现象。相反，极化了的铁磁棒发生形变肘，会在棒内引起磁场强度的变化，这种效应就是磁致伸缩逆效应。通常利用磁致伸缩效应引发磁致伸缩材料的机械振动，向周围介质发射超声波，利用逆效应通过接收线圈就可接收该超声信号。这种位移传感器安装很简单、方便，能承受高温、高压和高振荡的环境。最重要的一点是它具有其他位移传感器所不能达到的测量大位移、高精度的特点，在国外被广泛应用于各个部门，特别是易燃、易爆、易挥发、有腐蚀的场合。(2)霍尔式位移传感器：霍尔位移传感器主要由两个半环形磁钢组成的梯度磁场和位于磁场中心的锗材料半导体霍尔片(敏感元件)装置构成。此外，还包括测量电路(电桥、差动放大器等)及显
9、示部分。霍尔片置于两个磁场中，调整它的初始位置。即可使初始状态的霍尔电势为零。当霍尔元件通过恒定电流时，在其垂直于磁场和电流的方向上就有霍尔电势输出。霍尔元件在梯度磁场中上、下移动时，输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量X。测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。磁场梯度越大，灵敏度越高；梯度变化越均匀，霍尔电势与位移的关系越接近于线性。霍尔位移传感器的惯性小、频响高、工作可靠、寿命长，常用于将各种非电量转换成位移后再进行测量的场合。(3)磁栅式位移传感器：磁掇也是一种测量位移的数字传感器，它是在非磁性体的平整面上镀一层磁性薄膜，并用录制磁头沿长度方向按一定的节距入录上磁性刻度线而构成
10、的，因此又把磁栅称为磁尺。磁栅可分为单面型直线磁栅、同轴型直线磁栅和旋转型磁栅等。磁栅主要用于大型机床和精密机床的位置或位移量的检测元件。磁栅位移传感器具有结构简单、使用方便、测量范围大(1m20m)和磁信号可以重新录制等有点。其缺点是需要屏蔽和防尘。(4)感应同步器系统：感应同步器是利用电磁感应原理把位移量转换成数字量的传感器。它有两个平面绕组，类似于变压器的初级绕组和次级绕组，位移运动引起两个绕组问的互感变化，由此可进行位移测量。按测量位移对象的不同感应同步器可分为直线型感应同步器和圆盘型感应同步器两大类，前者用于直线位移的测量，后者用于角位移的测量。感应同步器具有测量精度高、抗干扰能力强
11、、非接触性测量、可根据需要任意接长等优点。直线型感应同步器已广泛应用在各种机械设备上，圆盘型感应同步器应用于导弹制导、雷达天线定位等领域。26光电式位移传感器、 (1)激光位移传感器：激光位移传感器是一种非接触式的精密激光测量装置。它是根据激光光三角原理设计和制造的，由半导体激光机发出一定波长的激光光束，经过发射光学系统后会聚在被测物体表面，形成漫反射。该漫反射像经过光学系统后成像在CCD上，并被转换成电信号。当被测面相对传感器在Y方向移动时，漫反射像也将移动，在C(、D光敏面上的成像也必将跟着移动位置，这样即输出不同的电信号。这样将位移量最终转换成电信号，从而与其他设备进行接口。激光位移传感
12、器具有适应性强、速度快、精度高等特点，适用于检测各种回转体、箱体零件的尺寸和形位误差。该传感器可与快速的反馈跟踪系统配合使用，能够准确快速地测出表面的形状和轮廓，但存在成本比较高的问题。目前主要应用在对灵敏度和精度要求比较高位移、角度、同轴度的非接触测量与校准领域，不过我国对激光传感器的研究还处于实验阶段。(2)光栅式位移传感器：光栅式位移传感器可以把位移转换为数字量输出，属于数字式传感器。基本工作原理是利用计量光栅的莫尔条纹现象进行位移测量的，它般由光源、标尺光栅、指示光栅和光电器件组成。发光二极管经聚光透镜形成平行光，平行光以一定角度射向裂相指示光栅，由标尺光栅的反射光与指示光栅作用形成莫
13、尔条纹，光电器件接收到的莫尔条纹光强信号经电路处理后可得到两光栅的相对位移。光栅式位移传感器具有测量精度高、大量程测量兼有高分辨率、可实现动态测量，易于实现测量及数据处理、易于实现数字化、安装调整方便，使用稳定可靠、有较强抗干扰能力的优点。但是其价格极为昂贵、工艺复杂且抗冲击和振动能力不强，对工作环境敏感，易受油污和尘埃的影响。因此主要适万方数据计量与铡试技术粒009年第36拳第9期用于在实验室和环境较好的车间使用。(3)光纤位移传感器：光纤位移传感器可以分为元件型和反射型两种型式。元件型位移传感器通过压力或应变等形式作用在光纤上，使光在光纤内部传输过程中，引起相位、振幅、偏振态等变化，只要我
14、们能测得光纤的特性变化，即可测得位移，在这里光纤是作为敏感元件使用的。反射式光纤位移传感器工作原理是入射光纤的光射向被测物体，被测物体反射的光一部分被接收光纤接收，根据光学原理可知反射光的强度与被测物体的距离有关，因此，只要测得反射光的强度，便可知物体位移的变化，这里主要是利用光纤传输光信号的功能。光纤传感器属于非接触式测量，消除了机械接触对测量造成的影响，具有寿命长、可靠性高、测量精度高等优点，其主要缺点是数据处理复杂，光源的波动、光电器件和电路的漂移、光纤自身的弯曲损耗、被测物体表面的折射率改变和环境变化等都会影响测量的灵敏度和精度。27超声波位移传感器超声波位移传感器是利用超声波在两种介
15、质分界面上的反射特性而制作的。如果从发射超声波脉冲开始，到接收换能器接收到发射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，从而对物位进行测量。根据发射和接收换能器的不同功能，传感器又分为单换能器和双换能器。一般在空气中超声波的传播速度V主要与温度T有关，即V=3315+0607T，所以当温度已知时，超声波的速度是确定的，只需记录从发射到接收超声波的时间即可求出被测距离。该传感器操作简单，价格低廉，在恶劣环境下也能保持较高的精度，安装和维护方便，但易受温度的影响。3各种传感器性能比较表1为各类传感器工作性能比较表。由表中我们可以看到，每种位移传感器在结构、分辨率、精度、灵敏度、测量范围、
16、抗干扰能力等方面都有其特点。因此，在实际工程设计中，在综合考虑各方面因素后再选择最合适的传感器是非常必要的。4结束语位移检测系统的好坏往往影响着整个系统的性能，虽然位移检测在不同工况下检测要求侧重点有所不同，但其基本要求相似，都希望快速、准确、可靠而又经济地实现位移测量。但是面对众多的位移检测传感器，人们通常难以决定选用哪种，这就要求我们能够掌握各种位移传感器的原理、应用及其优缺点，这样以便面对不同的情况时选择最佳的位移传感器。人类已经进入信息时代，信息的获取至关重要，而传感器又是获取信息很重要的工具，因此开发并研制出性能更优越、适用场合更多的传感器显得尤为重要。另外，传感器技术今后发展的重点
17、将是传感器的网络化，加快这一方面的研究也十分必要。表1各类传感器工作性能比较表类型 浏量范围 精确度 线性度 特点电位燃t一叭+ot冀篡辫戟器式菲线绕式t啪tooo啪os +os瓮黛嚣声丸线性好、分辨率高。电阻应变式01tan01mm小于201O5但对温度敏感、测量范围小撇蟠阻n-+50啪肿 篙纛融腩。电涡流式 O珊m100mm l3 3 灵敏度高、响应快激光式 2m分辨率O29m册式os眦硎0傩圳篙谳涮蝴一吣s螂篓翥嚣黻粼应 +5m o-5 1龄份辨光栅 O001mm-lOra 3mm 分辨率高磁栅 Im20m 5删mm 工作速度快黼黼。001s肿肺 蓑燃骱系参考文献1韩艳军嵌入式光纤位移传
18、感器及其信号处理电路的研究与实现：学位论文武汉：华中科技大学，20052Stephen JProsserThe evolution of proximity,displacement，and position sens抽gJ，Senrs magazine，April 19983刘培基等机械工程测试技术M北京：机械工业出版杜，20034黄卉，宵定国，理华等磁致伸缩式扭转超声波位移传感器的研究与设计J仪表技术与传感器，2002(6)5刘亮等先进传感器及其应用M北京：化学工业出版社，20056王世峰，赵馨，佟首峰等激光位移传感器数据采集技术J传感器与仪器仪表，10080570(2008)021013
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