位移传感器的应用

利用传感器进行位移的测量

【摘要】：位移传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。主要介绍磁致伸缩位移传感；激光位移传感器；电阻应变片式位移传感器的测量位移的应用。磁致伸缩位移（液位）传感器，是利用磁致伸缩原理，通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的；激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体，当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移；电阻应变式位移传感器测量位移，当被测对象作用产生位移x时，应变片的阻值随之产生变化。然后通过测量电路将应变片电阻值变化转化成电压或电流等易测量输出，根据测得的电压或电流值就可以得出应变片电阻值的变化量，再根据应变片阻值的变化量与悬梁产生的位移之间的对应关系，即可得出悬臂梁位移x的大小。

【关键词】：传感器；位移传感器；磁致伸缩位移传感；激光位移传感器；电阻应变片式位移传感器

Using sensors for displacement measurement 【 abstract 】 displacement sensor is a new technology revolution and the information society's important technology base, sensor technology is to achieve test and automatic control important segment. Mainly introduces magnetostrictive displacement sensing; Laser displacement sensor; Resistance strain chip displacement sensor measuring displacements of applications. Magnetostrictive displacement (level) sensor, which USES a magnetostrictive principle, through two different magnetic field fellowship produce a strain pulse signal to accurately measure the position; Laser emitter red laser will be visible through a lens into object to be tested, when objects move along the direction of laser line, the measured results occur when it will change, so as to realize the displacement with laser measuring objects; Resistance strain type displacement sensor measurement of displacement, when tested object effects from the strain gauge shift, generates resistance of change. Then through the measurement circuit will strain film electrical resistance changes into voltage or current, according to wait for easy measurement output voltage or current measurement of the strain gauge shows the amount of variation resistance strain gauge, again according to the variation of without resistance with the displacement produced the corresponding relationship between displacement, can draw the size of the cantilever beam.

【 key words 】 sensors; Displace ment sensor; Magnetostrictive displacement sensing; Laser displacement sensor; Resistance strain chip displacement sensor

利用传感器进行位移的测量

1．传感器的概述

1.1 传感器的定义

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

最广义地来说，传感器是一种能把物理量、化学量或生物量等信息转变成便于利用的电信号的器件

1.2 传感器的作用

新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

1.3传感器的功能及特性

传感器的特性分为静态特性和动态特性

1、传感器的静态特性

传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

2、传感器的动态特性

所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

2．利用传感器进行位移的测量

传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量，在这种转换过程中有许多物理量(例如压力、流量、加速度等)常常需要先变换为位移，然后再将位移变换成电量。因此位移传感器是一类重要的基本传感器。

测量位移的传感器有很多，如电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器，数字式位移传感器，磁致伸缩位移传感器，激光位移传感器等。我们在这里主要介绍磁致伸缩位移传感器，激光位移传感器等一些位移传感器。

2．1 磁致伸缩位移传感器

1-波导 2-磁铁 3-磁场相互作用引起波导扭曲 4-磁铁磁场参照系 5-由发射脉冲沿整个波导产生的磁场 6-电子机壳 7-传感器元件头部8-传感器元件保护套

图1 磁致伸缩位移传感器工作原理图

磁致伸缩位移传感器——通过非接触式的测控技术精确地检测活动磁环

的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值的；该传感器的高精度和高可靠性

已被广泛应用于成千上万的实际案例中。

2．1．1 磁致伸缩位移（液位）传感器工作原理

磁致伸缩位移（液位）传感器，是利用磁致伸缩原理、通过两个不同磁场

相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。测量元件是一根波导管，波

导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子

室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆

周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交

时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应

变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到。

由于这个应变机械波脉冲信号在波导管内的传输时间和活动磁环与电子

室之间的距离成正比，通过测量时间，就可以高度精确地确定这个距离。由于

输出信号是一个真正的绝对值,而不是比例的或放大处理的信号,所以不存在信

号漂移或变值的情况,更无需定期重标。

2．1．2 磁致伸缩位移（液位）传感器应用位置计算

位置的计算是非常简单,将所测量的时差乘以一个传感器传送速度的系数。

或者用除以一个传送速度倒置常数。传送速度的倒置常数或称倾斜度,惯例倾斜

度印在传感器的标签上。

例如:时差 130. 500μs,传感器的倾斜度 354. 330 ×310μs/ mm 时差(μs)

位置(mm) =时差(μs)/倾斜度(μs/ mm) - 零点的位置(mm)

= 130.500/354.330 ×310- 114.300

注:114.300mm 为零区和死区之和。

由于磁铁距离传感器的电子零件越远,音波所需行走时间越长 ,所以传感

器的更新时间与距离成正比。当然 ,循环电子所需之更新时间也较长。传感器

最长更新时间可用下式作精略计算。

更新时间 = (位置 +零点位置) ×倾斜度，

等价频率响应 =1/更新时间

举例:一根 508mm 长的传感器,其更新时间及等价频率响应分别为：

更新时间 = (508 + 114.300) ×354. 330 ×310-=220.5 ×610-μs

频率响应 =1/220.5 ×610-=4535Hz

传感器的更新频率对电液伺服控制机构的应用非常重要。对一般伺服控制而言500Hz以上便已足够。

磁致伸缩位移传感器是根据磁致伸缩原理制造的高精度、长行程绝对位置测量的位移传感器。它采用非接触的测量方式，由于测量用的活动磁环和传感器自身并无直接接触，不至于被摩擦、磨损，因而其使用寿命长、环境适应能力强，可靠性高，安全性好，便于系统自动化工作，即使在恶劣的工业环境下(如容易受油溃、尘埃或其他的污染场合)，也能正常工作。此外，它还能承受高温、高压和强振动，现已被广泛应用于机械位移的测量、控制中。它的行程可达3米或更长，标称精度为0.05% F?S，行程1米以上传感器精度可达0.02% F?S,重复性可达0.002% F?S，因此它在石油化工，航空航天、电力、水利等行业得到广泛的应用。

2.2 激光位移传感器

激光位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于检测物的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。

按照测量原理,激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法,激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量，而激光回波分析法则用于远距离测量，下面分别介绍激光位移传感器原理的两种测量方式。

2.2.1 激光位移传感器原理

1. 激光三角测量法原理

图2 激光三角法工作原理示意图

激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体反射的激

光通过接收器镜头，被内部的CCD (Charge-coupled Device —电荷耦合元件)

线性相机接收，根据不同的距离，CCD 线性相机可以在不同的角度下“看见”

这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就

能计算出传感器和被测物体之间的距离。当物体沿激光线方向发生移动时，测

量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移。

同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理

器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标

准数据信号。如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。

另外，模拟量与开关量输出可独立设置检测窗口。

2．激光回波分析法

激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离以达到一定程度的精度。

传感器内部是由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接收器等部分

组成。激光位移传感器通过激光发射器每秒发射一百万个激光脉冲到检测物并

返回至接收器，处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回至接收器所需的时间，

以此计算出距离值，该输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出。

2.2.2 激光位移传感器测量位移应用

激光位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，主要应

用于检测物的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。

激光位移传感器利用三角原理测量位移应用

图3为三角测量原理图。激光器发出的光与被测面的法线方向成一定角度

入射到被测面上，同样用接收透镜

接收光点在被测面的散射光或反射

光。此时应满足的Scheimpflug 条

件为

tg(21θθ+)= βtg 3θ

式中， β为横向放大率。此时

一定景深范围内的被测点都能正焦

成像在探测器上，从而保证了精度。 图3 为三角测量原理图

若光点的像在探测器敏感面上移动'

x ，利用相似三角形的比例关系，则

物体表面沿法线方向的移动距离为：

=x )

sin()sin(cos sin 321'2113'θθθθθθθ++-+x b ax 式中，a 为激光束光轴和接收光轴的交点到接收透镜前主面的距离；b 为接收透镜后主面到成像面中心点的距离；1θ为激光束光轴与被测面法线之间的夹角；2θ 为成像透镜光轴与被测面法线之间的夹角；3θ为探测器光轴与成像透镜光轴之间的夹角。

当1θ为 0时，此时为直射式。光点移动'

x 时，被测面沿法线方向移动的距离为：

=x )

sin(sin sin 32'23'θθθθ+-x b ax 当2θ为 0时，此时为斜入射直接收式。光点移动'x 时，被测面沿法线方

向移动的距离为：

=x )

sin(sin cos sin 31'113'θθθθθ+-x b ax 式中各个参数的含义与图2所示相同，它属于斜入射式传感器的一个特例。

三角位移传感器属于非接触测量，因此对被测材料无特殊要求，既可测金属材料，也可测非金属及柔软材料，并且还可测量易污染、易磨损的材料 。在恶劣环境下也可进行测量。大量研究表明，光学三角法更适于加工表面粗糙度的非接触测量 。随着工业生产的发展，激光位移传感器将向着高速度、高精度、多功能、多参数、小尺寸的方向发展。它将在机器视觉、自动加工、工业在线检测、产品质量控制、实物仿形、生物医学等领域具有重要的意义和广阔的应用前景。

2.3 电阻应变式位移传感器

2.3.1电阻应变式位移传感器原理

电阻应变测量范围较小，由于应变量ε通常在5000u 以下，电阻应变片把机械应变信号转换为dR/R 后，所引起的电阻变化dR/R 一般都很微小，即难以精确测量，又不便直接处理，因此，必须采用电桥测量电路，把应变片电阻的变化转换为电压或电流的变化。

根据输出测得电压0U 计算位移变化的应用

电阻应变片位移传感器一般采用电桥测量方法如图4

应变片测量电桥在工作前应使用电桥平衡，以使在工作时电桥输出电压只与应变片感受应变所引起的电阻变化有关。设初始条件为

4321R R R R ===

设只有一个应变片接入电桥，并R1为接入的应变片，测量时的变化为R ?,则输出电压为

U R R R R R U )

2(20?+??=

通常情况下，R R <

R

R U U ??≈40 由电阻—应变效应，则上式可写成

X K U U ε?≈4

0 式中K 为电阻应变片的灵敏系数；

l

dl x =ε—金属丝的轴向应变位移 图4 电桥测量电路 2.3.2电阻应变式位移传感器应用

电阻应变式位移传感器测量悬臂梁的位移结构如图5所示，图中敏感元件即为应变片粘贴在弹性元件也就是悬臂梁上，当悬臂梁自由端受被测对象作用产生位移x 时，应变片的阻值随之产生变

化。然后通过测量电路将应变片电阻值

变化转化成电压或电流等易测量输出，

根据测得的电压或电流值就可以得出

应变片电阻值的变化量，再根据应变片

阻值的变化量与悬梁产生的位移之间

的对应关系，即可得出悬臂梁位移x 的

大小。同理，当悬臂梁自由端受到一定 图5电阻应变片式位移传感器 的扭矩，产生变形即角位移，也可以通 测量悬臂梁的位移原理 过贴在悬臂梁上的应变片阻值的变化， 1—应变片 2—悬臂梁 而得出角位移的大小。电阻式应变位移传感器的位移测量范围较小，一般在

0.1um~~0.1mm之间，其测量精度小于2%，线性度在0.1%~~0.5%之间。

电阻应变式位移传感器通常广泛应用于称重和测力领域。

3．传感器的未来发展趋势

随着科学技术的发展，传感器技术发展的趋势将是开发新材料与传感器智能化发展相结合。

1.新材料开发、应用

半导体材料在敏感技术中占有较大的技术优势，半导体传感器不仅灵敏度高、响应速度快、体积小、质量轻，且便于实际集成化，在今后的一个时期，扔占有主要地位。

以一定化学成分组成、经过成型及烧结的功能陶瓷材料，其最大的特点是耐热性，在敏感技术的发展中具有很大的潜力。

例如：按在汽车上的作用可分为控制发动机、控制底盘以及给驾驶员提供各种信息用传感器，构成这些传感器的材料有精细陶瓷、半导体材料、光导纤维及高分子薄膜等

2.新工艺、新技术的应用

将半导体的精密细微加工技术应用在传感器的制造中，可极大提高传感器的性能指标，并为传感器的集成化、超小型化提供了技术支撑。借助半导体的蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、静电封接技术、全固态封接技术等，也可同样取得类似的功效。例如用传统的硅半导体技术制作的微电子器件由于不能在很高的温度下工作，已不能胜任。为了解决在高温环境下温度测量问题，必须研制一种新的材料来取代传统的半导体材料如第三代宽能带半导体材料Sic。

3.利用新的效应开发新型传感器

随着人们认识自然地深化，会不断发现一些新的物理效应、化学效应、生物效应等。利用这些新的效应可开发出相应的新型传感器，从而为提高传感器性能和扩展传感器的应用范围提供了新的可能。如汽车运用检测气体浓度的传感器。

4.传感器的集成化

利用集成加工技术，将敏感元件、测量电路、放大电路、补偿电路、运算电路等制作在同一芯片上，从而使传感器具有了体积小、质量轻、生产自动化程度高、执照成本低、稳定性和可靠性高、电路设计简单、安装调试时间短等优点。

如在医疗用品、卫生用品、食品、保健品等产品进行辐照消毒灭菌的方面的传感器。

5.传感器的多维化

一般的传感器只限于对某一点物理量的测量，而利用电子扫描方法，把多个传感器单元做在一起，就可以研究一维、二维以至三维空间的擦亮问题，甚至向包含时间系的四维空间发展。X射线的CT就是多维传感器的实例。如在交通公路测速方面的应用。

6.传感器的多功能化

一般的一个传感器只能测量一种参数，多功能化则意味着一个传感器具有多种参数的检测功能，如压力和温度，或温度和湿度等。如新型的SAW传感器可同时测量压力与温度。

7.传感器的智能化

智能化传感器将数据的采集、存储、处理等一体化，显然，它自身必须带有微型计算机，从而还具备自诊断、远距离通信、自动调整零点和量程等功能。如现在人们常用的打印机。

结束语

随着全球传感器市场的不断进化，不断的创新之中。各种位移传感器也以各自一定的优势迅速占有市场，还在不断的变化与创新之中以现有的基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代位移传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。位移传感器发展很快，测量范围越来越大，很多测量仪器都是根据位移传感器原理而设计的。

目前位移传感器以美国与德国所生产走在前列，以寿命长，适用广泛，适于高温、高压和强震荡等一系列极其恶劣的情况下，还能够高精确度测量，各种位移传感器都向着高速度、高精度、多功能、多参数、小尺寸的方向发展，已被各个市场工业所接受，如石油化工、汽车、航空航天、电力、水利等几乎所有行业得到广泛的应用。

参考文献:

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[2] 陈琳．基于激光测距的三坐标测量系统研究[J]．光学仪器，2002，24(2)：

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[3] 郁优文.传感器原理及工程应用[M].西安:电子科技大学出版,2003:128-

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致谢

本文是在陈艳导师的悉心指导下完成。导师严谨求实、刻意创新的治学精神，工作踏实、对事业无私奉献的作风，以及渊博的知识和敏捷的思维，使我受益匪浅。

时光荏苒，转瞬间在三年大学的求学就要结束了。学习时间虽短，但觉受益匪浅，开阔了眼界、增长了见识，这无疑会给我在今后的工作学习中倍添力量和信心。在此我不仅要感谢陈艳导师，而且还要感谢电子信息工程系的全体老师，在这三年里对我的教诲。他们使我更新了知识结构，提高了我的理论水平。

最后要感谢我的父亲、母亲，在我外出求学期间，他们的牵挂和祝福给了我精神动力，使我能够顺利的完成毕业论文。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。我愿在未来的学习和工作过程中，以更加丰厚的成果和对社会的贡献来答谢曾经关心、帮助和支持过我的所有老师、同学、朋友和家人。