位移傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀.doc

材料工程檢測(cè)技術(shù)課程作業(yè)（二）：位移傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀概述課 程： 任 課 老 師： 學(xué) 院（系）： 專(zhuān) 業(yè)： 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 1 位移傳感器 l 位移是指物體位置對(duì)參考點(diǎn)產(chǎn)生的偏移量，是指物體相對(duì)于某參考坐標(biāo)系一點(diǎn)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(chēng)為線(xiàn)性傳感器，是將位移轉(zhuǎn)換成電量的傳感器。位移傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了兩個(gè)階段，經(jīng)典位移傳感器階段和半導(dǎo)體位移傳感器階段。2 位移傳感器的分類(lèi)2.1 電位器式 電位器位移傳感器分為繞線(xiàn)電位器和非繞線(xiàn)電位器2種：繞線(xiàn)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(dòng)點(diǎn)電阻對(duì)應(yīng)的輸入變化。電刷由待測(cè)量位移部分拖動(dòng)，輸出與位移成正比的電阻或電壓的變化；常見(jiàn)的非線(xiàn)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(dǎo)電塑料和導(dǎo)電玻璃釉電位器等。2.2 電阻應(yīng)變式l 傳感器是由彈性敏感元件和電阻應(yīng)變片構(gòu)成，當(dāng)測(cè)量桿隨試件產(chǎn)生位移時(shí)，彈性敏感元件在感受到測(cè)量桿變化而產(chǎn)生變形，其表面產(chǎn)生的應(yīng)變與測(cè)量桿的位移成線(xiàn)性關(guān)系。這種傳感器具有線(xiàn)性好、分辨率較高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和使用方便等特點(diǎn)，其位移測(cè)量范圍較小，通常在0.1um-0.1mm之間，測(cè)量精度小于2%，線(xiàn)性度為0.1%一0.5%。2.3 電容式l 電容傳感器通過(guò)位移來(lái)改變電容兩個(gè)極板之間的距離，即將位移量轉(zhuǎn)換成電容變化量進(jìn)行測(cè)量的。l 它具有功率小、阻抗高、動(dòng)態(tài)特性好、可進(jìn)行非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)；但是電容傳感器存在寄生電容和分布電容，會(huì)影響測(cè)量精度，且常用的變隙式電容傳感器存在測(cè)量量程小，存在非線(xiàn)性誤差等缺點(diǎn)。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(yīng)將被測(cè)位移轉(zhuǎn)換成線(xiàn)圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)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(cè)出0.01微米的位移變化，傳感器非線(xiàn)性誤差可達(dá)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(yīng)同步器。 2.5.1 磁致伸縮線(xiàn)性位移(液位)傳感器 所謂磁致伸縮效應(yīng)，是指鐵磁體在被外磁場(chǎng)磁化時(shí)，其體積和長(zhǎng)度將發(fā)生變化的現(xiàn)象。磁致伸縮效應(yīng)引起的體積和長(zhǎng)度變化雖是微小的，但其長(zhǎng)度的變化比體積變化大得多，是人們研究應(yīng)用的主要對(duì)象，又稱(chēng)之為線(xiàn)磁致伸縮。l 主要由測(cè)桿、電子倉(cāng)和套在測(cè)桿上的非接觸的磁環(huán)(浮球)組成。測(cè)桿內(nèi)裝有磁致伸縮線(xiàn)(波導(dǎo)絲)。l 工作時(shí)，由電子倉(cāng)內(nèi)的電子電路產(chǎn)生起始脈沖，此起始脈沖在波導(dǎo)絲中傳輸時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生了沿波導(dǎo)絲方向前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)當(dāng)這個(gè)磁場(chǎng)與磁環(huán)(浮球)中的永久磁場(chǎng)相遇時(shí)，產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，使波導(dǎo)絲發(fā)生扭動(dòng)，產(chǎn)生扭動(dòng)脈沖。這一扭動(dòng)脈沖被安裝在電子倉(cāng)內(nèi)的拾能機(jī)構(gòu)所感知并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流脈沖，通過(guò)電子電路計(jì)算出兩脈沖起始和返回之間的時(shí)間差，即可精確測(cè)出被測(cè)的位置或位移。2.5.2 磁柵式位移傳感器 一種測(cè)量位移的數(shù)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(zhǎng)度方向按一定的節(jié)距K錄上磁性刻度線(xiàn)而構(gòu)成的，因此又把磁柵稱(chēng)為磁尺。l 磁柵可分為單面型直線(xiàn)磁柵、同軸型直線(xiàn)磁柵和旋轉(zhuǎn)型磁柵等。磁柵主要用于大型機(jī)床和精密機(jī)床的位置或位移量的檢測(cè)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(cè)量裝置。它是根據(jù)激光三角原理設(shè)計(jì)和制造的，由半導(dǎo)體激光機(jī)發(fā)出一定波長(zhǎng)的激光光束，經(jīng)過(guò)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)后會(huì)聚在被測(cè)物體表面，形成漫反射。該漫反射像經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后成像在CCD上，并被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。當(dāng)被測(cè)面相對(duì)傳感器在Y方向移動(dòng)時(shí)，漫反射像將移動(dòng)，在CCD光敏面上的成像也將跟著移動(dòng)位置，這樣即輸出不同的電信號(hào)后，再將位移量最終轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，與其他設(shè)備進(jìn)行接口。 激光發(fā)射器的軸線(xiàn)、接受透鏡的光軸、CCD線(xiàn)陣位于同一個(gè)平面，光源發(fā)出的一束激光通過(guò)會(huì)聚透鏡照射在測(cè)量物體平面上，經(jīng)過(guò)表面散射最后通過(guò)接受透鏡在光敏元件上成像。當(dāng)測(cè)量物體表面的位移發(fā)生改變時(shí)，表面上的散射光斑相對(duì)成像物鏡的位置發(fā)生改變，相應(yīng)的像點(diǎn)在CCD探測(cè)器上的位置也發(fā)生變化。像點(diǎn)的位移和測(cè)量物體表面位移之間的關(guān)系由傳感器制造時(shí)的幾何光路參數(shù)確定，測(cè)量物體實(shí)際位移由光敏元件對(duì)光斑像點(diǎn)的檢測(cè)和計(jì)算得出。入射光和散射光光路構(gòu)成一個(gè)三角形，通過(guò)三角形的相關(guān)知識(shí)來(lái)確定輸入和輸出之間的關(guān)系，因此這種測(cè)量方法被稱(chēng)作激光三角測(cè)量法。2.6.2 光柵傳感器 光柵傳感器屬于數(shù)字式傳感器，可以將位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出。其原理是利用計(jì)量光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)行位移測(cè)量的，它通常由光源、標(biāo)尺光柵、指示光柵和光電器件組成。發(fā)光二極管經(jīng)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(biāo)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(qiáng)信號(hào)經(jīng)電路處理后可得到兩光柵的相對(duì)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(guò)壓力或應(yīng)變等形式作用在光纖上，使光在光纖內(nèi)部傳輸過(guò)程中，引起相位、振幅、偏振態(tài)等變化，只要能測(cè)得光纖的特性變化，即可測(cè)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(cè)物體，被測(cè)物體反射的光一部分被接收光纖接收，根據(jù)光學(xué)原理可知反射光的強(qiáng)度與被測(cè)物體的距離有關(guān)，通過(guò)測(cè)得反射光的強(qiáng)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(zhì)分界面上的反射特性而制作的。當(dāng)已知從發(fā)射超聲波脈沖開(kāi)始時(shí)間到接收換能器接收到發(fā)射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔，就可以計(jì)算出位移或物位。2.8 各類(lèi)傳感器之間的比較3 傳感器的應(yīng)用l 位移傳感器的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展，幾乎可以用于各個(gè)領(lǐng)域的位移、位置、行程的自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)控制，以及測(cè)量預(yù)先被變成位移的各種物理量，比如:伸縮、膨脹、差壓、振動(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、重量等等。3.1 磁致伸縮位移傳感器應(yīng)用3.1.1 液位測(cè)量l 在化工企業(yè)中用磁致伸縮液位計(jì)精確測(cè)量同一容器內(nèi)兩種介質(zhì)界面。液位計(jì)出廠(chǎng)時(shí)按用戶(hù)提供的上、下介質(zhì)密度確定浮子重量，測(cè)量時(shí)浮子浮在界面上，所受浮力與重力相等，以此計(jì)算出界面位置。l 在一個(gè)非磁性傳感管內(nèi)裝有一根磁致伸縮線(xiàn)，在磁致伸縮線(xiàn)一端裝有壓磁傳感器，該壓磁傳感器每秒發(fā)出10個(gè)電流脈沖信號(hào)給磁致伸縮線(xiàn)，開(kāi)始計(jì)時(shí)，該電流脈沖同磁性浮子的磁場(chǎng)產(chǎn)生相互作用，在磁致伸縮線(xiàn)上產(chǎn)生一個(gè)扭應(yīng)力波，這個(gè)扭應(yīng)力波以已知的速度從浮子的位置沿磁致伸縮線(xiàn)向兩端傳送。直到壓磁傳感器收到這個(gè)扭應(yīng)力信號(hào)為止，壓磁傳感器可測(cè)量出起始脈沖和返回扭應(yīng)力波間的時(shí)間間隔，根據(jù)時(shí)間間隔大小來(lái)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(shí)間間隔大小也就是液面的高低，然后通過(guò)全智能化電子裝置將時(shí)間間隔大小信號(hào)轉(zhuǎn)換與被測(cè)液位成比例的4-20mA信號(hào)(HART)進(jìn)行輸出。磁致伸縮式液位計(jì)出廠(chǎng)是根據(jù)用戶(hù)提供的“上密度”和“下密度”確定浮子的重量。在測(cè)量界面時(shí)，實(shí)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(xiàn)-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(duì)固定的，即含油與含催化劑的百分率是相對(duì)固定的。從上面的公式可以看出l，2相對(duì)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(jì)的高精度測(cè)量。3.1.2 在液壓缸中的應(yīng)用l 磁致伸縮位移傳感器應(yīng)用在需要對(duì)液壓缸進(jìn)行精確控制的場(chǎng)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸位置進(jìn)行測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。圖為磁致伸縮測(cè)量裝置。 電阻值測(cè)量方式原理簡(jiǎn)單，檢測(cè)電路易實(shí)現(xiàn)。圖所示液壓缸工作原理為:活塞桿10鉆有內(nèi)孔8，電阻支架9伸入內(nèi)孔8中，電刷7被頂錐6壓在測(cè)量電阻4上，當(dāng)活塞桿10移動(dòng)時(shí)，電刷7在電阻4上滑動(dòng)，1，2為電極，用于傳遞電信號(hào)。其原理可簡(jiǎn)化為滑動(dòng)變阻器，電刷滑動(dòng)時(shí)改變了接入電阻的大小，根據(jù)測(cè)得的電流量可得到電阻長(zhǎng)度，進(jìn)而知道活塞桿的伸出量。參 考 文 獻(xiàn)1 昌學(xué)年,姚毅,閆玲. 位移傳感器的發(fā)展及研究J. 計(jì)量與測(cè)試技術(shù), 2009 (9): 42-44.2 劉焱,王燁.位移傳感器的技