【導(dǎo)讀】人們以經(jīng)典電磁學(xué)為理論基礎(chǔ),把不便于定量檢測(cè)和處理的位移、位置、液位、尺寸、流量、速度、振動(dòng)等物理量轉(zhuǎn)換為易于定量檢測(cè)、便于作信息傳輸與處理的電學(xué)量。這就是在生產(chǎn)生活中被廣泛應(yīng)用的位移傳感器。
位移傳感器
位移傳感器又稱(chēng)為線(xiàn)性傳感器，是一種屬于金屬感應(yīng)的線(xiàn)性 器件，傳感器的作用是把各種被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電量。位移是和物體的位置在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中移動(dòng)有關(guān)的量，位移的測(cè)量方式所涉及的范圍是相當(dāng)廣泛的。小位移通常用應(yīng)變式、電感式、差動(dòng)變壓器式、渦流式、霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)，大的位移常用感應(yīng)同步器、光柵、容柵、磁柵等傳感技術(shù)來(lái)測(cè)量。其中光柵傳感器因具有易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、精度高（目前分辨率最高的可達(dá)到納米級(jí)）、抗干擾能力強(qiáng)、沒(méi)有人為讀數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)床加工、檢測(cè)儀表等行業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用。
位移傳感器的分類(lèi)及原理
按工作原理分：
• 電位器式位移傳感器
它通過(guò)電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線(xiàn)性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。普通直線(xiàn)電位器和圓形電位器都可分別用作直線(xiàn)位移和角位移傳感器。但是，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量位移目的而設(shè)計(jì)的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個(gè)確定關(guān)系。電位器式位移傳感器的可動(dòng)電刷與被測(cè)物體相連。
物體的位移引起電位器移動(dòng)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)換為電壓輸出。線(xiàn)繞式電位器由于其電刷移動(dòng)時(shí)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(tǒng)中用作位移反饋元件，則過(guò)大的階躍電壓會(huì)引起系統(tǒng)振蕩。因此在電位器的制作中應(yīng)盡量減小每匝的電阻值。電位器式傳感器的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是易磨損。它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出信號(hào)大，使用方便，價(jià)格低廉。
• 磁致伸縮位移傳感器
磁致伸縮位移傳感器，通過(guò)內(nèi)部非接觸式的測(cè)控技術(shù)精確地檢測(cè)活動(dòng)磁環(huán)的絕對(duì)位置來(lái)測(cè)量被檢測(cè)產(chǎn)品的實(shí)際位移值的。
是利用磁致伸縮原理、通過(guò)兩個(gè)不同磁場(chǎng)相交產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào)來(lái)準(zhǔn)確地測(cè)量位置的。測(cè)量元件是一根波導(dǎo)管，波導(dǎo)管內(nèi)的敏感元件由特殊的磁致伸縮材料制成的。測(cè)量過(guò)程是由傳感器的電子室內(nèi)產(chǎn)生電流脈沖，該電流脈沖在波導(dǎo)管內(nèi)傳輸，從而在波導(dǎo)管外產(chǎn)生一個(gè)圓周磁場(chǎng)，當(dāng)該磁場(chǎng)和套在波導(dǎo)管上作為位置變化的活動(dòng)磁環(huán)產(chǎn)生的磁場(chǎng)相交時(shí)，由于磁致伸縮的作用，波導(dǎo)管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)，這個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)以固定的聲音速度傳輸，并很快被電子室所檢測(cè)到。
這個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)在波導(dǎo)管內(nèi)的傳輸時(shí)間和活動(dòng)磁環(huán)與電子室之間的距離成正比，通過(guò)測(cè)量時(shí)間，就可以高度精確地確定這個(gè)距離。由于輸出信號(hào)是一個(gè)真正的絕對(duì)值,而不是比例的或放大處理的信號(hào),所以不存在信號(hào)漂移或變值的情況,更無(wú)需定期重標(biāo)。
磁致伸縮位移傳感器是根據(jù)磁致伸縮原理制造的高精度、長(zhǎng)行程絕對(duì)位置測(cè)量的位移傳感器。它采用內(nèi)部非接觸的測(cè)量方式，由于測(cè)量用的活動(dòng)磁環(huán)和傳感器自身并無(wú)直接接觸，不至于被摩擦、磨損，因而其使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可靠性高，安全性好，便于系統(tǒng)自動(dòng)化工作，即使在惡劣的工業(yè)環(huán)境下(如容易受油潰、塵埃或其他的污染場(chǎng)合)，也能正常工作。傳感器采用了高科技材料和先進(jìn)的電子處理技術(shù)，因而它能應(yīng)用在高溫、高壓和高振蕩的環(huán)境中。傳感器輸出信號(hào)為絕對(duì)位移值，即使電源中斷、重接，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，更無(wú)須重新歸零。由于敏感元件是非接觸的，就算不斷重復(fù)檢測(cè)，也不會(huì)對(duì)傳感器造成任何磨損，可以大大地提高檢測(cè)的可靠性和使用壽命。行程可達(dá)3米或更長(zhǎng)，標(biāo)稱(chēng)精度為0.05% F·S，行程1米以上傳感器精度可達(dá)0.02% F.S，重復(fù)性可達(dá)0.002% F·S，因此它得到廣泛的應(yīng)用。
按運(yùn)動(dòng)方式分
• 直線(xiàn)位移傳感器
直線(xiàn)位移傳感器的功能在于把直線(xiàn)機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。為了達(dá)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(guò)滑片在滑軌上的位移來(lái)測(cè)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(guò)微安培的小電流，滑片和始端之間的電壓，與滑片移動(dòng)的長(zhǎng)度成正比。將傳感器用作分壓器可最大限度降低對(duì)滑軌總阻值精確性的要求，因?yàn)橛蓽囟茸兓鸬淖柚底兓粫?huì)影響到測(cè)量結(jié)果。
• 角度位移傳感器
角度位移傳感器應(yīng)用于障礙處理：使用角度傳感器來(lái)控制你的輪子可以間接的發(fā)現(xiàn)障礙物。原理非常簡(jiǎn)單：如果馬達(dá)角度傳感器構(gòu)造運(yùn)轉(zhuǎn)，而齒輪不轉(zhuǎn)，說(shuō)明你的機(jī)器已經(jīng)被障礙物給擋住了。此技術(shù)使用起來(lái)非常簡(jiǎn)單，而且非常有效；唯一要求就是運(yùn)動(dòng)的輪子不能在地板上打滑（或者說(shuō)打滑次數(shù)太多），否則你將無(wú)法檢測(cè)到障礙物。一個(gè)空轉(zhuǎn)的齒輪連接到馬達(dá)上就可以避免這個(gè)問(wèn)題，這個(gè)輪子不是由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)而是通過(guò)裝置的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)它：在驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，如果惰輪停止了，說(shuō)明你碰到障礙物了。
按檢測(cè)材質(zhì)分
• 霍耳式位移傳感器
它的測(cè)量原理是保持霍耳元件（見(jiàn)半導(dǎo)體磁敏元件）的激勵(lì)電流不變，并使其在一個(gè)梯度均勻的磁場(chǎng)中移動(dòng)，則所移動(dòng)的位移正比于輸出的霍耳電勢(shì)。磁場(chǎng)梯度越大，靈敏度越高；梯度變化越均勻，霍耳電勢(shì)與位移的關(guān)系越接近于線(xiàn)性。圖2中是三種產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的磁系統(tǒng)：a系統(tǒng)的線(xiàn)性范圍窄，位移Z=0時(shí)，霍耳電勢(shì)≠0；b系統(tǒng)當(dāng)Z<2毫米時(shí)具有良好的線(xiàn)性，Z=0時(shí)，霍耳電勢(shì)=0；c系統(tǒng)的靈敏度高，測(cè)量范圍小于1毫米。圖中N、S分別表示正、負(fù)磁極。霍耳式位移傳感器的慣性小、頻響高、工作可靠、壽命長(zhǎng)，因此常用于將各種非電量轉(zhuǎn)換成位移后再進(jìn)行測(cè)量的場(chǎng)合。
• 光電式位移傳感器
它根據(jù)被測(cè)對(duì)象阻擋光通量的多少來(lái)測(cè)量對(duì)象的位移或幾何尺寸。特點(diǎn)是屬于非接觸式測(cè)量，并可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。光電式位移傳感器常用于連續(xù)測(cè)量線(xiàn)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。
位移傳感器的選型
位移傳感器的選型，要滿(mǎn)足下列指標(biāo)的要求：
1、靈敏度方面的技術(shù)指標(biāo)
對(duì)于一個(gè)儀器來(lái)說(shuō)，一般都是靈敏度越高越好的，因?yàn)樵届`敏，對(duì)周?chē)h(huán)境發(fā)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(yīng)地也變大，這樣測(cè)量就比較容易方便，而測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)也會(huì)比較精確的。
2、零點(diǎn)溫度
環(huán)境溫度的變化引起的零點(diǎn)平衡變化。一般以溫度每變化10℃時(shí)，引起的零點(diǎn)平衡變化量對(duì)額定輸出的百分比來(lái)表示，即傳感器不受壓時(shí)的輸入由溫度變更引起的漂移。
3、帶寬方面的技術(shù)指標(biāo)
帶寬指的的是傳感器可以測(cè)量的有效的頻帶，比如，一個(gè)傳感器有上百HZ帶寬的就可以測(cè)量振動(dòng)了，一個(gè)具有五十HZ帶寬的傳感器就可以有效測(cè)量?jī)A角了。
4、輸出方式的技術(shù)指標(biāo)
數(shù)字輸出和模擬輸出兩種方式。數(shù)字式傳感器向儀表輸入的是數(shù)字信號(hào)，如數(shù)量、重量等；模擬式傳感器向儀表輸入的是模擬量信號(hào)，如電壓、電流等。
5、量程方面的技術(shù)指標(biāo)
測(cè)量不一樣的事物的運(yùn)動(dòng)所需要的量程都是不一樣的，要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)衡量。
6、極限過(guò)載
傳感器能承受的不使其喪失工作能力的最大負(fù)荷。意思是當(dāng)工作超過(guò)此值時(shí)，傳感器將會(huì)受到永久損壞。
7、傳感器增益
就是傳感器的原始信號(hào)輸出放大倍率。
常見(jiàn)故障及排障方法
直線(xiàn)位移傳感器的工作原理是跟滑動(dòng)變阻器一樣的，它作為分壓器使用的，它是以相對(duì)的輸出電壓來(lái)呈現(xiàn)出所測(cè)量位置的實(shí)際上的位置。
1、如果電子尺已經(jīng)使用很長(zhǎng)時(shí)間了，而且密封已經(jīng)老化，同時(shí)夾雜著很多雜質(zhì)，而且水混合物和油會(huì)嚴(yán)重影響電刷的接觸電阻的，這樣會(huì)使顯示的數(shù)字不停地跳動(dòng)。這個(gè)時(shí)候可以說(shuō)直線(xiàn)位移傳感器的電子尺已經(jīng)損壞了，需要更換。
2、若電源的 容量很小，就會(huì)出現(xiàn)很多情況的：熔膠的運(yùn)動(dòng)會(huì)使合模電子尺的顯示變換，有波動(dòng)，或 者合模的運(yùn)動(dòng)會(huì)使射膠電子尺的顯示波動(dòng)，造成測(cè)量結(jié)果誤差很大。如果電磁閥的驅(qū)動(dòng)電源于電子尺供電電源同時(shí)在一起的時(shí)候，更容易出現(xiàn)以上的情況，情況嚴(yán)重 時(shí)用萬(wàn)用表的電壓檔甚至可以測(cè)量到電壓的有關(guān)波動(dòng)。如果情況不是因?yàn)楦哳l干擾、靜電干擾或者是中性不夠好的造成的，那么就有可能是電源的功率太小造成的。
3、調(diào)頻干擾和靜電干擾都有可能讓直線(xiàn)位移傳感器的電子尺的顯示數(shù)字跳動(dòng)的。電子尺的信號(hào)線(xiàn)與設(shè)備的強(qiáng) 電線(xiàn)路要分開(kāi)線(xiàn)槽。電子尺必須要強(qiáng)制性地使用接地支架，而且同時(shí)讓電子尺的外殼跟地面良好地接觸。信號(hào)線(xiàn)需要使用屏蔽線(xiàn)，而且電箱的一段應(yīng)該跟屏蔽線(xiàn)接地 的。如果有高頻干擾的時(shí)候，通常使用萬(wàn)用表的電壓測(cè)量就會(huì)顯示正常，但是顯示數(shù)字就是會(huì)跳動(dòng)不停的；而出現(xiàn)靜電干擾時(shí)，出現(xiàn)的情況也是跟高頻干擾一樣的。
要證明看是否是靜電干擾時(shí)，可以先使用一段電源線(xiàn)把電子尺的封蓋螺絲跟機(jī)器上的某一些的金屬短接起來(lái)就可以了，只要一短接起來(lái)，靜電干擾就會(huì)馬上消除掉 的。但是如果要消除掉高頻干擾就很難用上面的方法了，變頻節(jié)電器和機(jī)器手都經(jīng)常出現(xiàn)高頻干擾的，所以可以試一下用停止高頻節(jié)電器或者機(jī)械手的方法來(lái)驗(yàn)證是 不是高頻干擾的。
4、如果直線(xiàn)位移傳感器的電子尺在工作的過(guò)程當(dāng)中，在某一點(diǎn)的顯示數(shù)據(jù)有規(guī)律地跳動(dòng)，或者是沒(méi)有顯示數(shù)據(jù)的時(shí)候，出現(xiàn)這種情況就需要檢查連接線(xiàn)絕緣是不是出現(xiàn)破損的現(xiàn)象，并且跟機(jī)器的外殼很有規(guī)律地接觸而導(dǎo)致的對(duì)地短路。
5、供電的電壓一定要穩(wěn)定，工業(yè)的電壓需要符合±0.1[%]的穩(wěn)定性，例如，基準(zhǔn)電壓是10V的話(huà)， 就可以允許有±0.01V的波動(dòng)變化，如果不是的話(huà)，就會(huì)引起顯示的圈套波動(dòng)這樣的情況。但是如果這個(gè)時(shí)候的顯示波動(dòng)的幅度沒(méi)有超過(guò)波動(dòng)電壓的波動(dòng)的幅度 的話(huà)，那么電子尺就是正常的了。
6、安裝直線(xiàn)位移傳感器的對(duì)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(huà)，這樣會(huì)出現(xiàn)顯示數(shù)字跳動(dòng)的情況。那么出現(xiàn)這樣的情況的時(shí)候，必須要對(duì)平行度和角度進(jìn)行調(diào)整了。
7、在連接的過(guò)程當(dāng)中，一定要多加注意，電子尺的三條線(xiàn)是不可以接錯(cuò)的，電源線(xiàn)和輸出線(xiàn)是不可以調(diào)換的。如果上面的線(xiàn)接錯(cuò)的話(huà)，就會(huì)出現(xiàn)線(xiàn)性誤差很大的情況，要控制的話(huà)是很難的，控制的精度也會(huì)變得很差，而顯示很容易出現(xiàn)跳動(dòng)的現(xiàn)象等等。
位移傳感器種類(lèi)繁多，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,同時(shí)有越來(lái)越多的創(chuàng)新技術(shù)被運(yùn)用到傳感器中，如基于 OEM 的 LVDT技術(shù)、超聲波技術(shù)、磁致伸縮技術(shù)、光纖技術(shù)、時(shí)柵技術(shù)等，位移傳感器技術(shù)已取得了突破性進(jìn)展。由于技術(shù)的進(jìn)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?cái)U(kuò)展了應(yīng)用范圍，形成了一個(gè)高速增長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)。
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