全面解析位移傳感器的分類及原理

全面解析位移傳感器的分類及原理

胡薇 發表於 2018-08-02 09:50:02

人們以經典電磁學為理論基礎,把不便於定量檢測和處理的位移、位置、液位、尺寸、流量、速度、振動等物理量轉換為易於定量檢測、便於作信息傳輸與處理的電學量。這就是在生產生活中被廣泛應用的位移傳感器。

位移傳感器

位移傳感器又稱為線性傳感器，是一種屬於金屬感應的線性 器件，傳感器的作用是把各種被測物理量轉換為電量。位移是和物體的位置在運動過程中移動有關的量，位移的測量方式所涉及的範圍是相當廣泛的。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、磁柵等傳感技術來測量。其中光柵傳感器因具有易實現數位化、精度高（目前解析度最高的可達到納米級）、抗幹擾能力強、沒有人為讀數誤差、安裝方便、使用可靠等優點，在工具機加工、檢測儀表等行業中得到日益廣泛的應用。

位移傳感器的分類及原理

按工作原理分：

電位器式位移傳感器

它通過電位器元件將機械位移轉換成與之成線性或任意函數關係的電阻或電壓輸出。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，為實現測量位移目的而設計的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個確定關係。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，以把電阻變化轉換為電壓輸出。線繞式電位器由於其電刷移動時電阻以匝電阻為階梯而變化，其輸出特性亦呈階梯形。如果這種位移傳感器在伺服系統中用作位移反饋元件，則過大的階躍電壓會引起系統振蕩。因此在電位器的製作中應儘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。它的優點是：結構簡單，輸出信號大，使用方便，價格低廉。

磁致伸縮位移傳感器

磁致伸縮位移傳感器，通過內部非接觸式的測控技術精確地檢測活動磁環的絕對位置來測量被檢測產品的實際位移值的。

是利用磁致伸縮原理、通過兩個不同磁場相交產生一個應變脈衝信號來準確地測量位置的。測量元件是一根波導管，波導管內的敏感元件由特殊的磁致伸縮材料製成的。測量過程是由傳感器的電子室內產生電流脈衝，該電流脈衝在波導管內傳輸，從而在波導管外產生一個圓周磁場，當該磁場和套在波導管上作為位置變化的活動磁環產生的磁場相交時，由於磁致伸縮的作用，波導管內會產生一個應變機械波脈衝信號，這個應變機械波脈衝信號以固定的聲音速度傳輸，並很快被電子室所檢測到。

這個應變機械波脈衝信號在波導管內的傳輸時間和活動磁環與電子室之間的距離成正比，通過測量時間，就可以高度精確地確定這個距離。由於輸出信號是一個真正的絕對值,而不是比例的或放大處理的信號,所以不存在信號漂移或變值的情況,更無需定期重標。

磁致伸縮位移傳感器是根據磁致伸縮原理製造的高精度、長行程絕對位置測量的位移傳感器。它採用內部非接觸的測量方式，由於測量用的活動磁環和傳感器自身並無直接接觸，不至於被摩擦、磨損，因而其使用壽命長、環境適應能力強，可靠性高，安全性好，便於系統自動化工作，即使在惡劣的工業環境下(如容易受油潰、塵埃或其他的汙染場合)，也能正常工作。傳感器採用了高科技材料和先進的電子處理技術，因而它能應用在高溫、高壓和高振蕩的環境中。傳感器輸出信號為絕對位移值，即使電源中斷、重接，數據也不會丟失，更無須重新歸零。由於敏感元件是非接觸的，就算不斷重複檢測，也不會對傳感器造成任何磨損，可以大大地提高檢測的可靠性和使用壽命。行程可達3米或更長，標稱精度為0.05% F·S，行程1米以上傳感器精度可達0.02% F.S，重複性可達0.002% F·S，因此它得到廣泛的應用。

按運動方式分

直線位移傳感器

直線位移傳感器的功能在於把直線機械位移量轉換成電信號。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。傳感器滑軌連接穩態直流電壓，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果。

角度位移傳感器

角度位移傳感器應用於障礙處理：使用角度傳感器來控制你的輪子可以間接的發現障礙物。原理非常簡單：如果馬達角度傳感器構造運轉，而齒輪不轉，說明你的機器已經被障礙物給擋住了。此技術使用起來非常簡單，而且非常有效；唯一要求就是運動的輪子不能在地板上打滑（或者說打滑次數太多），否則你將無法檢測到障礙物。一個空轉的齒輪連接到馬達上就可以避免這個問題，這個輪子不是由馬達驅動而是通過裝置的運動帶動它：在驅動輪旋轉的過程中，如果惰輪停止了，說明你碰到障礙物了。

按檢測材質分

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，並使其在一個梯度均勻的磁場中移動，則所移動的位移正比於輸出的霍耳電勢。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係越接近於線性。圖2中是三種產生梯度磁場的磁系統：a系統的線性範圍窄，位移Z=0時，霍耳電勢≠0；b系統當Z<2毫米時具有良好的線性，Z=0時，霍耳電勢=0；c系統的靈敏度高，測量範圍小於1毫米。圖中N、S分別表示正、負磁極。霍耳式位移傳感器的慣性小、頻響高、工作可靠、壽命長，因此常用於將各種非電量轉換成位移後再進行測量的場合。

光電式位移傳感器

它根據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。特點是屬於非接觸式測量，並可進行連續測量。光電式位移傳感器常用於連續測量線材直徑或在帶材邊緣位置控制系統中用作邊緣位置傳感器。

位移傳感器的選型

位移傳感器的選型，要滿足下列指標的要求：

1、靈敏度方面的技術指標

對於一個儀器來說，一般都是靈敏度越高越好的，因為越靈敏，對周圍環境發生的加速度的變化就越容易感受到，加速度變化大，很自然地，輸出的電壓的變化相應地也變大，這樣測量就比較容易方便，而測量出來的數據也會比較精確的。

2、零點溫度

環境溫度的變化引起的零點平衡變化。一般以溫度每變化10℃時，引起的零點平衡變化量對額定輸出的百分比來表示，即傳感器不受壓時的輸入由溫度變更引起的漂移。

3、帶寬方面的技術指標

帶寬指的的是傳感器可以測量的有效的頻帶，比如，一個傳感器有上百HZ帶寬的就可以測量振動了，一個具有五十HZ帶寬的傳感器就可以有效測量傾角了。

4、輸出方式的技術指標

數字輸出和模擬輸出兩種方式。數字式傳感器向儀表輸入的是數位訊號，如數量、重量等；模擬式傳感器向儀表輸入的是模擬量信號，如電壓、電流等。

5、量程方面的技術指標

測量不一樣的事物的運動所需要的量程都是不一樣的，要根據實際情況來衡量。

6、極限過載

傳感器能承受的不使其喪失工作能力的最大負荷。意思是當工作超過此值時，傳感器將會受到永久損壞。

7、傳感器增益

就是傳感器的原始信號輸出放大倍率。

常見故障及排障方法

直線位移傳感器的工作原理是跟滑動變阻器一樣的，它作為分壓器使用的，它是以相對的輸出電壓來呈現出所測量位置的實際上的位置。 

1、如果電子尺已經使用很長時間了，而且密封已經老化，同時夾雜著很多雜質，而且水混合物和油會嚴重影響電刷的接觸電阻的，這樣會使顯示的數字不停地跳動。這個時候可以說直線位移傳感器的電子尺已經損壞了，需要更換。

2、若電源的 容量很小，就會出現很多情況的：熔膠的運動會使合模電子尺的顯示變換，有波動，或 者合模的運動會使射膠電子尺的顯示波動，造成測量結果誤差很大。如果電磁閥的驅動電源於電子尺供電電源同時在一起的時候，更容易出現以上的情況，情況嚴重 時用萬用表的電壓檔甚至可以測量到電壓的有關波動。如果情況不是因為高頻幹擾、靜電幹擾或者是中性不夠好的造成的，那麼就有可能是電源的功率太小造成的。

3、調頻幹擾和靜電幹擾都有可能讓直線位移傳感器的電子尺的顯示數字跳動的。電子尺的信號線與設備的強 電線路要分開線槽。電子尺必須要強制性地使用接地支架，而且同時讓電子尺的外殼跟地面良好地接觸。信號線需要使用屏蔽線，而且電箱的一段應該跟屏蔽線接地 的。如果有高頻幹擾的時候，通常使用萬用表的電壓測量就會顯示正常，但是顯示數字就是會跳動不停的；而出現靜電幹擾時，出現的情況也是跟高頻幹擾一樣的。

要證明看是否是靜電幹擾時，可以先使用一段電源線把電子尺的封蓋螺絲跟機器上的某一些的金屬短接起來就可以了，只要一短接起來，靜電幹擾就會馬上消除掉 的。但是如果要消除掉高頻幹擾就很難用上面的方法了，變頻節電器和機器手都經常出現高頻幹擾的，所以可以試一下用停止高頻節電器或者機械手的方法來驗證是 不是高頻幹擾的。

4、如果直線位移傳感器的電子尺在工作的過程當中，在某一點的顯示數據有規律地跳動，或者是沒有顯示數據的時候，出現這種情況就需要檢查連接線絕緣是不是出現破損的現象，並且跟機器的外殼很有規律地接觸而導致的對地短路。

5、供電的電壓一定要穩定，工業的電壓需要符合±0.1[%]的穩定性，例如，基準電壓是10V的話， 就可以允許有±0.01V的波動變化，如果不是的話，就會引起顯示的圈套波動這樣的情況。但是如果這個時候的顯示波動的幅度沒有超過波動電壓的波動的幅度 的話，那麼電子尺就是正常的了。

6、安裝直線位移傳感器的對中性需要很好，但是平行度可以允許有±0.5mm的誤差，角度可以允許有±12°的誤差。但是如果平行度誤差和角度誤差都是偏大的話，這樣會出現顯示數字跳動的情況。那麼出現這樣的情況的時候，必須要對平行度和角度進行調整了。

7、在連接的過程當中，一定要多加注意，電子尺的三條線是不可以接錯的，電源線和輸出線是不可以調換的。如果上面的線接錯的話，就會出現線性誤差很大的情況，要控制的話是很難的，控制的精度也會變得很差，而顯示很容易出現跳動的現象等等。

位移傳感器種類繁多，應用領域不斷擴大,同時有越來越多的創新技術被運用到傳感器中，如基於 OEM 的 LVDT技術、超聲波技術、磁致伸縮技術、光纖技術、時柵技術等，位移傳感器技術已取得了突破性進展。由於技術的進步，使得各種傳感器性能大幅度提高，成本大幅度降低，從而極大地擴展了應用範圍，形成了一個高速增長的產業。

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