位移傳感器的原理

1、位移傳感器位移傳感器 又稱為線性傳感器，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的線性器件，接通電源后，在開關(guān)的感應面將 產(chǎn)生一個交變磁場，當金屬物體接近此感應面時，金屬中則產(chǎn)生渦流而吸取了振蕩器的能 量，使振蕩器輸岀幅度線性衰減，然后根據(jù)衰減量的變化來完成無接觸檢測物體的目的。電感式位移傳感器具有無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功 耗，長壽命，可使用在各種惡劣條件下。位移傳感器主要應用在自動化裝備生產(chǎn)線對模擬 量的智能控制。位移是和物體的位置在運動過程中的移動有關(guān)的量，位移的測量

2、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、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、磁柵等傳感技術(shù)來測量。其中光柵傳感器因具有 易實現(xiàn)數(shù)字化、精度高（目前分辨率最高的可達到納米級）、抗干擾能力強、沒有人為讀 數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠等優(yōu)點，在機床加工、檢測儀表等行業(yè)中得到日益廣泛的應 用。原理計量光柵是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象來測量位移的。莫爾”原岀于法文 Moire，意思是水波紋。幾百年前法國絲綢工人發(fā)現(xiàn)，當兩層薄絲綢疊在一起時，將產(chǎn)生水波紋狀花樣；如果薄綢子相對運動，則花樣也跟著移動，這種奇怪的花紋就是莫爾條紋。一般來說，只 要是有一定

3、周期的曲線簇重疊起來，便會產(chǎn)生莫爾條紋。計量光柵在實際應用上有透射光 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即柵線，a為刻線寬，b為兩刻線之間縫寬，W=a+b稱為光柵柵距。目前國內(nèi)常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條等線條。光柵的橫向莫爾條紋測位移，需要兩塊光柵。 一塊光柵稱為主光柵，它的大小與測量范圍相一致；另一塊是很小的一塊，稱為指示光柵。為了測量位移，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。當主光柵和指示 光柵相對移動時，由于光柵的遮光作用而使莫

4、爾條紋移動，固定在指示光柵側(cè)的光電元件，將光強變化轉(zhuǎn)換成電信號。由于光源的大小有限及光柵的衍射作用，使得信號為脈動信號。如圖1，此信號是一直流信號和近視正弦的周期信號的疊加，周期信號是位移x的函數(shù)。每當x變化一個光柵柵距W，信號就變化一個周期，信號由b點變化到 b'點。由于bb' =W，故b'點的狀態(tài)與 b點狀態(tài)完全一樣，只是在相位上增加了2n。信號處理1、辨向原理 在實際應用中，位移具有兩個方向，即選定一個方向后，位移有正負之 分，因此用一個光電元件測定莫爾條紋信號確定不了位移方向。為了辨向，需要有n /2相位差的兩個莫爾條紋信號。如圖2,在相距1/4條紋間距的位置上

5、安放兩個光電元件，得到兩個相位差n /2的電信號 U01和U02，經(jīng)過整形后得到兩個方波信號U01'和U02'。光柵正向移動時U01超前U02 90度，反向移動時U02超前U01 90度，故通過電路辨相可確定光柵運動方向。2、細分技術(shù) 隨著對測量精度要求的提高，以柵距為單位已不能滿足要求，需要采取適當?shù)拇胧δ獱枟l紋進行細分。所謂細分就是在莫爾條紋信號變化一個周期內(nèi)，發(fā)岀若干個脈沖，以減少脈沖當量。如一個周期內(nèi)發(fā)岀n個脈沖，則可使測量精度提高n備，而每個脈沖相當于原來柵距的1/n。由于細分后計數(shù)脈沖頻率提高了n倍，因此也稱 n倍頻。通常用的有兩種細分方法：其一、直接細分。在相差

6、1/4莫爾條紋間距的位置上安放兩個光電元件，可得到兩個相位差90o的電信號，用反相器反相后就得到四個依次相差90o的交流信號。同樣，在兩莫爾條紋間放置四個依次相距1/4條紋間距的光電元件，也可獲得四個相位差900的交流信號，實現(xiàn)四倍頻細分。其二、電路細分。專用集成電路四倍頻專用集成電路QA740210 同時具有辨相和四倍頻細分的功能，可將兩路正交的方波進行四倍頻后產(chǎn)生兩路加、減計數(shù)信號，可送雙時鐘可逆計數(shù)器進行加、減計數(shù)，也 可直接送微型計算機（包括單片機）進行數(shù)據(jù)處理。1、特點：、數(shù)字化微分電路：4路微分信號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。、臨界報警與過速報

7、警兩檔速度提示：可在光柵運動速度接近極限值時給岀臨界報警信息，以便操作者及時控制光柵運動快慢。在速度超過極限值時本電路將給出出錯信息。、絕對零位控制：絕對零位的設(shè)置將給操作者帶來許多方便，如故障斷電后的重新 定位等。本電路有到絕對零位開始計數(shù)”和到絕對零位停止計數(shù)”，以及與絕對零位無關(guān) ”三種工作模式。、片選：本電路設(shè)有片選端，可以構(gòu)成多標數(shù)顯系統(tǒng)。、COMS工藝：輸入輸岀的電壓電流與4000系列CMOS及LSTTL電路兼容。位移傳感器的原理與應用位移傳感器的分類1、根據(jù)運動方式分類：直線位移傳感器1、根據(jù)運動方式分類：直線位移傳感器原理：直線位移傳感器的功能在于把直線機械位移量轉(zhuǎn)換成電信號。

8、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(wěn)態(tài)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(jié)果。LT直線位移傳感器：O廣泛應用于注塑、機床及機械加工等行業(yè)O無限分辨率O行程：50至900mmO獨立線性度：±0.05%O位移速度達到：5m/s、10 m/s可選O 工作溫度：-30至+100 °C0多種電氣連接方式O 保護等級：IP60 （ IP65可選）角度位移傳感器2、

9、根據(jù)材質(zhì)分類：金屬膜傳感器、導電塑料傳感器、光電式傳感器、磁敏式傳感器、金屬玻璃鈾傳感器、繞線傳感器電位器式位移傳感器它通過電位器元件將機械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸岀。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(xiàn)測量位移目的而設(shè)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(guān)系。圖 1中的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(zhuǎn)換為電壓輸岀。線繞式電位 器由于其電刷移動時電阻以匝電阻

10、為階梯而變化，其輸岀特性亦呈階梯形。如果這種位移 傳感器在伺服系統(tǒng)中用作位移反饋元件，則過大的階躍電壓會引起系統(tǒng)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(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，輸岀信號大，使用方便，價格低廉。霍耳式位移傳感器它的測量原理是保持霍耳元件（見半導體磁敏元件）的激勵電流不變，并使其在一個梯度均勻的磁場中移動，則所移動的位移正比于輸出的霍耳電勢。磁 場梯度越大，靈敏度越高；梯度變化越均勻，霍耳電勢與位移的關(guān)系越接近于線性。圖2中是三種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)：a系統(tǒng)的線性范圍窄，位移Z=0時，霍耳電勢 工0; b系統(tǒng)當Z<2毫米時具

11、有良好的線性，Z=0時，霍耳電勢=0 ; c系統(tǒng)的靈敏度高，測量范圍小于1毫米。圖中 N、S分別表示正、負磁極?；舳轿灰苽鞲衅鞯膽T性小、頻響高、工作可 靠、壽命長，因此常用于將各種非電量轉(zhuǎn)換成位移后再進行測量的場合。光電式位移傳感器它根據(jù)被測對象阻擋光通量的多少來測量對象的位移或幾何尺寸。特點是屬于非接觸式測量，并可進行連續(xù)測量。光電式位移傳感器常用于連續(xù)測量線 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)：標稱阻值：電位器上面所標示的阻值。重復精度：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 .導電塑料位移傳感器分辨率為無窮小.允許誤差：標

12、稱阻值與實際阻值的差值跟標稱阻值之比的百分數(shù)稱阻值偏差，它表示 電位器的精度。允許誤差一般只要在戈0%以內(nèi)就符合要求，因為一般位移傳感器是以分壓的方式來使用，具體電阻的大小對傳感器的數(shù)據(jù)采集沒有影響線性精度：直線性誤差此參數(shù)越小越好 .壽命：導電塑料位移傳感器都在200萬次以上.常用傳感器特性：導電塑料位移傳感器：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?qū)?DAP電阻粉熱塑壓在絕緣基體的凹槽內(nèi)形成的實心體作為電阻體。特點是： 平滑性好、分辯力優(yōu)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、導彈、飛機雷達天線的伺服系統(tǒng)等。

13、繞線位移傳感器 ：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。繞線電位器特點是接觸電 阻小，精度高，溫度系數(shù)小，其缺點是分辨力差，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)高溫燒結(jié)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。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(shù)小、動噪聲小、平滑性好。磁敏式位移傳感器：消除了機械接觸

14、，壽命長、可靠性高，缺點：對工作環(huán)境要求較高光電式位移傳感器：消除了機械接觸，壽命長、可靠性高，缺點：數(shù)字信號輸出，處理煩瑣.編輯本段傳感器市場發(fā)展前景咨詢公司INTECHNOCONSULTING的傳感器市場報告顯示，2008年全球傳感器市場容量為 506億美元，預計 2010年全球傳感器市場可達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增長最快的地區(qū)，而美國、德國、日本依舊是傳感器 市場分布最大的地區(qū)。就世界范圍而言，傳感器市場上增長最快的依舊是汽車市場，占第 二位的是過程控制市場，看好通訊市場前景。一些傳感器市場比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現(xiàn)出

15、成熟市場的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場規(guī)模最大，分別占到整個傳 感器市場的 21%、19%和14%。傳感器市場的主要增長來自于無線傳感器、MEMS（Micro-Electro-Mecha ni calSystems，微機電系統(tǒng) ）傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中，無線傳感器在2007-2010 年復合年增長率預計會超過25%。目前，全球的傳感器市場在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。有關(guān)專家指出，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，各國將競相加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，競爭也將日益激烈。新技術(shù)的發(fā)展將重新定義未來的傳感器市場，比如無線傳感器、光纖傳

16、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)與市場份 額的擴大。數(shù)字激光位移傳感器激光位移傳感器可精確非接觸測量被測物體的位置、位移等變化，主要應用于檢測物的位移、厚度、振動、距離、直徑等幾何量的測量。按照測量原理 ,激光位移傳感器原理分為激光三角測量法和激光回波分析法, 激光三角測量法一般適用于高精度、短距離的測量，而激光回波分析法則用于遠距離測量。1、 激光三角測量法原理： 激光發(fā)射器通過鏡頭將可見紅色激光射向被測物體表面， 經(jīng)物體反射的激光通過接收 器鏡頭，被內(nèi)部的 CCD 線性相機接收，根據(jù)不同的距離， CCD 線性相機可以在不同的角 度下 “看見 ”這個光點。根據(jù)這個角度及已知的激光和相機之間的距離，數(shù)字信號處理器就 能計算出傳感器和被測物體之間的距離。同時，光束在接收元件的位置通過模擬和數(shù)字電 路處理，并通過微處理器分析，計算出相應的輸出值，并在用戶設(shè)定的模擬量窗口內(nèi)，按 比例輸出標準數(shù)據(jù)信號。如果使用開關(guān)量輸出，則在設(shè)定的窗口內(nèi)導通，窗口之外截止。 另外，模擬量與開關(guān)量輸出可獨立設(shè)置檢測窗口。 <br> 貝特威擁有業(yè)界最為齊全的高精度 激光三角測量傳