位移传感器的发展现状

《材料工程检测技术》课程作业（二）：

位移传感器的发展现状概述

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1 位移传感器

位移是指物体位置对参考点产生的偏移量，是指物体相对于某参考坐标系一点的距离的变化量，它是描述物体空间位置变化的物理量。位移传感器又称为线性传感器，是将位移转换成电量的传感器。位移传感器的发展经历了两个阶段，经典位移传感器阶段和半导体位移传感器阶段。

2 位移传感器的分类

2.1 电位器式

电位器位移传感器分为绕线电位器和非绕线电位器2种：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，输出与位移成正比的电阻或电压的变化；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。

2.2 电阻应变式

传感器是由弹性敏感元件和电阻应变片构成，当测量杆随试件产生位移时，弹性敏感元件在感受到测量杆变化而产生变形，其表面产生的应变与测量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，其位移测量围较小，通常在0.1um-0.1mm之间，测量精度小于2%，线性度为0.1%一0.5%。

2.3 电容式

电容传感器通过位移来改变电容两个极板之间的距离，即将位移量转换成电容变化量进行测量的。

它具有功率小、阻抗高、动态特性好、可进行非接触测量等优点；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。

2.4 电感式

电感式传感器利用电磁感应将被测位移转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。

传感器分为自感式、互感式(如LVDT)、电涡流式三种。电感式传感器具有灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化，传感器非线性误差可达0.05%-0.1%。

2.5 磁敏式

磁敏式传感器包含有磁致伸缩式、霍尔式、磁栅式、感应同步器。

2.5.1 磁致伸缩线性位移(液位)传感器

所谓磁致伸缩效应，是指铁磁体在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生变化的现象。磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的，但其长度的变化比体积变化大得多，是人们研究应用的主要对象，又称之为线磁致伸缩。

主要由测杆、电子仓和套在测杆上的非接触的磁环(浮球)组成。测杆装有磁致伸缩线(波导丝)。

工作时，由电子仓的电子电路产生起始脉冲，此起始脉冲在波导丝中传输时，同时产生了沿波导丝方向前进的旋转磁场当这个磁场与磁环(浮球)中的永久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，使波导丝发生扭动，产生扭动脉冲。这一扭动脉冲被安装在电子仓的拾能机构所感知并转换成相应的电流脉冲，通过电子电路计算出两脉冲起始和返回之间的时间差，即可精确测出被测的位置或位移。

2.5.2 磁栅式位移传感器

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K录上磁性刻度线而构成的，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。

2.6 光电式

光电式位移传感器包含有光栅式、光纤式、激光式。

2.6.1 激光传感器

激光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，漫反射像将移动，在CCD光敏面上的成像也将跟着移动位置，这样即输出不同的电信号后，再将位移量最终转换成电信号，与其他设备进行接口。

激光发射器的轴线、接受透镜的光轴、CCD线阵位于同一个平面，光源发出的一束激光通过会聚透镜照射在测量物体平面上，经过表面散射最后通过接受透镜在光敏元件上成像。当测量物体表面的位移发生改变时，表面上的散射光斑相对成像物镜的位置发生改变，相应的像点在CCD探测器上的位置也发生变化。像点的位移和测量物体表面位移之间的关系由传感器制造时的几何光路参数确定，测量物体实际位移由光敏元件对光斑像点的检测和计算得出。入射光和散射光光路构成一个三角形，通过三角形的相关知识来确定输入和输出之间的关系，因此这种测量方法被称作激光三角测量法。

2.6.2 光栅传感器

光栅传感器属于数字式传感器，可以将位移转换为数字量输出。其原理是利用计量光栅的莫尔条纹现象进行位移测量的，它通常由光源、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。

2.6.3 光纤传感器

光纤位移传感器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，使光在光纤部传输过程中，引起相位、振幅、偏振态等变化，只要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，通过测得反射光的强度，可知物体位移变化。

2.7 超声波位移传感器

它是利用超声波在两种介质分界面上的反射特性而制作的。当已知从发射超声波脉冲开始时间到接收换能器接收到发射波为止的这个时间间隔，就可以计算出位移或物位。

2.8 各类传感器之间的比较

3 传感器的应用

位移传感器的应用已经得到了广泛的发展，几乎可以用于各个领域的位移、位置、行程的自动测量和自动控制，以及测量预先被变成位移的各种物理量，比如:伸缩、膨胀、差压、振动、应变、流量、厚度、重量等等。

3.1 磁致伸缩位移传感器应用

3.1.1 液位测量

在化工企业中用磁致伸缩液位计精确测量同一容器两种介质界面。液位计出厂时按用户提供的上、下介质密度确定浮子重量，测量时浮子浮在界面上，所受浮力与重力相等，以此计算出界面位置。

在一个非磁性传感管装有一根磁致伸缩线，在磁致伸缩线一端装有压磁传感器，该压磁传感器每秒发出10个电流脉冲信号给磁致伸缩线，开始计时，该电流脉冲同磁性浮子的磁场产生相互作用，在磁致伸缩线上产生一个扭应力波，这个扭应力波以已知的速度从浮子的位置沿磁致伸缩线向两端传送。直到压磁传感器收到这个扭应力信号为止，压磁传感器可测量出起始脉冲和返回扭应力波间的时间间隔，根据时间间隔大小来判断浮子的位置，由于浮子总是悬浮在液面上，且磁浮子位置随液面的变化而变化，即时间间隔大小也就是液面的高低，然后通过全智能化电子装置将时间间隔大小信号转换与被测液位成比例的4-20mA信号(HART)进行输出。

磁致伸缩式液位计出厂是根据用户提供的“上密度”和“下密度”确定浮子的重量。在测量界面时，实际上是浮子浮在界面上，所受的浮力和重力相等。公式为:

W=F=Vlρl+(V一V1)ρ2

W-浮子重量，F-浮子受到的浮力，V1-浸入下液体的体积，V-浮子体积

由于浮子所处位置的密度是相对固定的，即含油与含催化剂的百分率是相对固定的。从上面的公式可以看出ρl，ρ2相对固定，浮子所受到的浮力是固定的。浮子精确的浮在界而和液面从而保证了磁致伸缩式液位计的高精度测量。

3.1.2 在液压缸中的应用

磁致伸缩位移传感器应用在需要对液压缸进行精确控制的场合，可以实现对液压缸位置进行测量，从而实现远程控制。图为磁致伸缩测量装置。

电阻值测量方式原理简单，检测电路易实现。图所示液压缸工作原理为:活塞杆10钻有孔8，电阻支架9伸入孔8中，电刷7被顶锥6压在测量电阻4上，当活塞杆10移动时，电刷7在电阻4上滑动，1，2为电极，用于传递电信号。其原理可简化为滑动变阻器，电刷滑动时改变了接入电阻的大小，根据测得的电流量可得到电阻长度，进而知道活塞杆的伸出量。

参考文献

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