位移传感器原理及基础知识

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　　位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，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。
　　电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。

　　电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。

　　位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高(目前分辨率最高的可达到纳米级)、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。

　　原理
　　计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移的。“莫尔”原出于法文Moire，意思是水波纹。几百年前法国丝绸工人发现，当两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹状花样;如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹。计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种;按其作用原理又可分为辐射光栅和相位光栅;按其用途可分为直线光栅和圆光栅。下面以透射光栅为例加以讨论。
　　透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线，a为刻线宽，b为两刻线之间缝宽，W=a+b称为光栅栅距。目前国内常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条等线条。光栅的横向莫尔条纹测位移，需要两块光栅。一块光栅称为主光栅，它的大小与测量范围相一致;另一块是很小的一块，称为指示光栅。为了测量位移，必须在主光栅侧加光源，在指示光栅侧加光电接收元件。当主光栅和指示光栅相对移动时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光栅侧的光电元件，将光强变化转换成电信号。由于光源的大小有限及光栅的衍射作用，使得信号为脉动信号。如图 1，此信号是一直流信号和近视正弦的周期信号的叠加，周期信号是位移x的函数。每当x变化一个光栅栅距W，信号就变化一个周期，信号由b点变化到b’点。由于bb’=W，故b’点的状态与b点状态完全一样，只是在相位上增加了2π。

　　信号处理
　　1、辨向原理 在实际应用中，位移具有两个方向，即选定一个方向后，位移有正负之分，因此用一个光电元件测定莫尔条纹信号确定不了位移方向。为了辨向，需要有 π/2相位差的两个莫尔条纹信号。如图2，在相距1/4条纹间距的位置上安放两个光电元件，得到两个相位差π/2的电信号u01和u02，经过整形后得到两个方波信号u01’和u02’。光栅正向移动时u01超前u02 90度，反向移动时u02超前u01 90度，故通过电路辨相可确定光栅运动方向。

　　2、细分技术 随着对测量精度要求的提高，以栅距为单位已不能满足要求，需要采取适当的措施对莫尔条纹进行细分。所谓细分就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减少脉冲当量。如一个周期内发出n个脉冲，则可使测量精度提高n备，而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了 n倍，因此也称n倍频。
　　通常用的有两种细分方法：其一、直接细分。在相差1/4莫尔条纹间距的位置上安放两个光电元件，可得到两个相位差90o的电信号，用反相器反相后就得到四个依次相差90o的交流信号。同样，在两莫尔条纹间放置四个依次相距1/4条纹间距的光电元件，也可获得四个相位差90o的交流信号，实现四倍频细分。其二、电路细分。

　　专用集成电路
　　四倍频专用集成电路QA740210同时具有辨相和四倍频细分的功能，可将两路正交的方波进行四倍频后产生两路加、减计数信号，可送双时钟可逆计数器进行加、减计数，也可直接送微型计算机(包括单片机)进行数据处理。

　　1、特点：
　　⑴、数字化微分电路：4路微分信号脉宽由主频周期决定，因此，是一致的，而且可在很大范围里方便地选择。
　　⑵、临界报警与过速报警两档速度提示：可在光栅运动速度接近极限值时给出临界报警信息，以便操作者及时控制光栅运动快慢。在速度超过极限值时本电路将给出出错信息。
　　⑶、绝对零位控制：绝对零位的设置将给操作者带来许多方便，如故障断电后的重新定位等。本电路有“到绝对零位开始计数”和“到绝对零位停止计数”，以及“与绝对零位无关”三种工作模式。
　　⑷、片选：本电路设有片选端，可以构成多标数显系统。
　　⑸、COMS工艺：输入输出的电压电流与4000系列CMOS及LSTTL电路兼容。

　　位移传感器的原理与应用
　　位移传感器的分类
　　1、根据运动方式分类:
　　直线位移传感器
　　原理：
　　直线位移传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号。为了达到这一效果，通常将可变电阻滑轨定置在传感器的固定部位，通过滑片在滑轨上的位移来测量不同的阻值。传感器滑轨连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流，滑片和始端之间的电压，与滑片移动的长度成正比。将传感器用作分压器可最大限度降低对滑轨总阻值精确性的要求，因为由温度变化引起的阻值变化不会影响到测量结果。

　　LT直线位移传感器：
　　⊙ 广泛应用于注塑、机床及机械加工等行业
　　⊙ 无限分辨率
　　⊙ 行程：50至900mm
　　⊙ 独立线性度：±0.05%
　　⊙ 位移速度达到：5m/s、10 m/s可选
　　⊙ 工作温度：-30至+100℃
　　⊙ 多种电气连接方式
　　⊙ 保护等级：IP60(IP65可选)
　　角度位移传感器

　　2、根据材质分类:
　　金属膜传感器、导电塑料传感器、光电式传感器、磁敏式传感器、金属玻璃铀传感器、绕线传感器
　　电位器式位移传感器 它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。图1中的电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。通常在电位器上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。线绕式电位器由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯而变化，其输出特性亦呈阶梯形。如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件，则过大的阶跃电压会引起系统振荡。因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损。它的优点是：结构简单，输出信号大，使用方便，价格低廉。

　　霍耳式位移传感器 它的测量原理是保持霍耳元件(见半导体磁敏元件)的激励电流不变，并使其在一个梯度均匀的磁场中移动，则所移动的位移正比于输出的霍耳电势。磁场梯度越大，灵敏度越高;梯度变化越均匀,霍耳电势与位移的关系越接近于线性。图2中是三种产生梯度磁场的磁系统：a系统的线性范围窄，位移Z=0时，霍耳电势≠0;b系统当Z<2毫米时具有良好的线性，Z=0时,霍耳电势=0;c系统的灵敏度高,测量范围小于1毫米。图中N、S分别表示正、负磁极。霍耳式位移传感器的惯性小、频响高、工作可靠、寿命长，因此常用于将各种非电量转换成位移后再进行测量的场合。

　　光电式位移传感器 它根据被测对象阻挡光通量的多少来测量对象的位移或几何尺寸。特点是属于非接触式测量，并可进行连续测量。光电式位移传感器常用于连续测量线材直径或在带材边缘位置控制系统中用作边缘位置传感器。

　　主要特性参数：
　　标称阻值：电位器上面所标示的阻值。
　　重复精度:此参数越小越好.
　　分辨率:位移传感器所能反馈的最小位移数值.此参数越小越好.导电塑料位移传感器分辨率为无穷小.
　　允许误差：标称阻值与实际阻值的差值跟标称阻值之比的百分数称阻值偏差，它表示电位器的精度。允许误差一般只要在 ±20%以内就符合要求,因为一般位移传感器是以分压的方式来使用,具体电阻的大小对传感器的数据采集没有影响.
　　线性精度:直线性误差.此参数越小越好.
　　寿命:导电塑料位移传感器都在200万次以上.
　　常用传感器特性：

　　导电塑料位移传感器:
　　用特殊工艺将DAP(邻苯二甲酸二稀丙脂)电阻浆料覆在绝缘机体上，加热聚合成电阻膜，或将DAP电阻粉热塑压在绝缘基体的凹槽内形成的实心体作为电阻体。特点是：平滑性好、分辩力优异耐磨性好、寿命长、动噪声小、可靠性极高、耐化学腐蚀。用于宇宙装置、导弹、飞机雷达天线的伺服系统等。

　　绕线位移传感器:
　　是将康铜丝或镍铬合金丝作为电阻体，并把它绕在绝缘骨架上制成。绕线电位器特点是接触电 阻小，精度高，温度系数小，其缺点是分辨力差，阻值偏低，高频特性差。主要用作分压器、变阻器、仪器中调零和工作点等。

　　金属玻璃铀位移传感器:
　　用丝网印刷法按照一定图形，将金属玻璃铀电阻浆料涂覆在陶瓷基体上，经高温烧结而成。特点是：阻值范围宽，耐热性好，过载能力强，耐潮，耐磨等都很好，是很有前途的电位器品种，缺点是接触电阻和电流噪声大。

　　金属膜位移传感器:
　　金属膜电位器的电阻体可由合金膜、金属氧化膜、金属箔等分别组成。特点是分辨力高、耐高温、温度系数小、动噪声小、平滑性好。

　　磁敏式位移传感器:
　　消除了机械接触，寿命长、可靠性高，缺点：对工作环境要求较高.

　　光电式位移传感器:
　　消除了机械接触，寿命长、可靠性高，缺点：数字信号输出,处理烦琐.


转自：http://www.sensorway.cn/knowledge/107.html