2.3 位移传感器

2.3.1 位移测量概述

位移是智能制造中最常见的被控量之一，有角位移和线位移之分，测量位移主要是为了控制被测物的移动距离、速度或加速度，进而控制它的空间位置或姿态，以实现制造过程的自动化、智能化。在航天、航空、电力、水利、石油化工、机械、军工、医疗、纺织、汽车、煤炭、地震监测等需要进行自动控制的行业，都有位移量检测的要求。用于位移量检测的传感器非常多，传统的有电位器式、电感式、电容式等，现代的有光栅式、光电式、光纤式等，不下几十类，上千种。

2.3.2 电位器式位移传感器

1.工作原理

电位器式位移传感器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。如图2-15所示为电位器式位移传感器的结构原理图，输入电压 U _i 不变，由于其中的可动电刷与被测物体相连，当被测物体移动时，输出电压 U _o 就会产生变化。

其工作原理是：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，阻值的增大还是减小则表明了位移的方向。输入与输出可用式（2-13）表示：

式中， U _o 为传感器输出信号电压； x 为被测量位移； L 为传感器敏感电阻长度； U _i 为输入电压，可以是直流，也可以是交流。

电位器式传感器是最基本的电阻式传感器，它主要用于角位移和线位移的检测及电位的调节，在工业控制及家电产品中使用广泛。如火箭发射、飞机机翼、水轮机组、阀门位置、旋转阀位置、油缸、轴径跳动检测，阀位检测与控制，辊缝间隙控制，金属加工检测以及汽缸节气门位置、汽车悬挂梳、纺机、食品加工和机械手等，是一种很常见的传感器。

2.精密导电塑料角位移传感器基本结构

最典型的电位器式角位移传感器是精密导电塑料角位移传感器，它主要由电阻体、转轴及电刷组件和壳体等几部分组成，整体结构如图2-16所示。其中，由导电塑料膜与绝缘基体组成的电阻体的制备是确保传感器精度的基础，电刷组件是保证传感器精度及其机械寿命的关键。

2.3.3 霍尔位移传感器

1.霍尔效应

如图2-17所示，放置在磁场中的静止载流导体，当它的电流方向 I 与磁场方向 B 不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间将会产生一定的电动势，这主要是由于导电粒子受到洛仑兹力的作用发生沿导体横向运动所致，这种物理现象叫霍尔效应。霍尔效应所产生的电压叫霍尔电压，它的形成过程分析如下：磁场 B 的方向垂直于导体正面，此时导体中的自由电子不仅在外加电压作用下运动，而且还受到磁场作用产生定向移动，从而在导体的顶面堆积正电荷，底面堆积负电荷，因此形成了附加的内电场 E _H ，称其为霍尔电场，其电位差为

式中， U _H 为电位差； K _H 为霍尔灵敏度； B 为磁场的磁感应强度； I 为电流。

2.霍尔式角位移传感器结构

霍尔式角位移传感器主要包括信号调理电路9、柱形磁铁2、轴承透盖3、绝缘隔套8、轴承座4、尼龙轴套7、转轴6、开口挡圈5和后盖11等组成，如图2-18所示。

2.3.4 光栅、磁栅及容栅位移传感器

1.光栅测量位移原理

光栅位移传感器利用光栅副产生的莫尔条纹进行位移的测量，它主要由光源系统、光栅副和光电接收元件所组成，如图2-19所示。图中光源1和凸透镜2构成光路系统；主光栅3（又叫标尺光栅）和指示光栅4构成光栅副，一般指示光栅沿主光栅移动产生位移；5为光电接收元件，将光栅副产生的莫尔条纹转变为电信号，其中光栅副是光栅传感器中最主要的部分。

主光栅和指示光栅的具体结构类型有长光栅和圆光栅两类，分别如图2-20和图2-21所示。长光栅用于测量线位移，圆光栅可测量角位移。圆光栅有两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过圆心，另一种是切向光栅，其全部栅线与一个同心小圆相切，此小圆的直径很小，只有零点几毫米或几个毫米。

根据光路不同，光栅又可分透射光栅和反射光栅。透射光栅的栅线刻制在透明材料上，主光栅常用工业白玻璃，指示光栅最好用光学玻璃。反射光栅的栅线刻制在具有强反射能力的金属（如不锈钢）或玻璃的金属膜上。根据栅线的形式不同，光栅又可分为黑白光栅（也称幅值光栅）和闪耀光栅（也称相位光栅）。长光栅中有黑白光栅，也有闪耀光栅，而且两者都有透射和反射型。而圆光栅一般只有黑白光栅，主要是透射光栅。黑白透射光栅是在玻璃上刻制一系列平行等距的透光缝隙和不透光的栅线，栅线放大图如图2-21b所示。黑白反射光栅是在金属镜面上刻制全反射和漫反射间隔相等的栅线。在图2-21b中 a 为栅线宽度， b 为栅线缝隙宽度，相邻两栅线间的距离为 W ＝ a + b ，叫光栅常数（或栅距）。栅线密度 ρ 一般为25～250线/mm。这种栅线常用照相法复制或刻制而成。

闪耀光栅的栅线形状，如图2-22所示，其中 W 为光栅常数，栅线形状有对称型和非对称型。闪耀透射光栅直接在玻璃上刻制而成，而闪耀反射光栅则刻制在玻璃的金属膜上或者进行复制。其栅线密度一般为150～2400线/mm。

2.磁栅位移传感器

磁栅位移传感器的工作原理是：先用录磁设备将磁信号录制到磁栅上，在测量位移时由读磁头读取磁栅上预先录制的信号，再通过信号处理部分处理后就得到磁头与磁栅的相对位移量。

磁栅位移传感器由磁栅（又名磁尺）与磁头组成，是一种比较新型的位移传感器。磁栅一般由基体1和磁性薄膜2构成。磁栅基体1用非导磁材料（如玻璃、磷青铜等）制作，底面镀上一层均匀的磁性材料（即磁粉，如Ni-Co或Co-Fe合金等）构成的薄膜2，并经过录磁后使其磁信号按规律排列。磁栅有长磁栅和圆磁栅两大类，长磁栅用于测量直线位移，圆磁栅用于测量角位移。长磁栅又有尺形、带形和同轴形，如图2-23所示。应用最多的是尺形磁栅（见图2-23a）和带形磁栅（见图2-23b），同轴形磁栅（见图2-23c）结构特别小巧，适用于结构比较紧凑的场合。

3.容栅位移传感器

容栅位移传感器借鉴了光栅的结构形式，将变面积式电容传感器的电极制成栅形，大大提高了测量的精度和范围，实现了大位移的高精度测量。它具有量程大、分辨率高、测量速度快、结构简单、与单片机接口方便、功耗小等许多优点，且为非接触式测量，使用寿命长，但易受使用环境的湿度和电磁干扰影响。

容栅位移传感器主要由定尺和动尺组成，定尺上印有若干组相互绝缘且均匀排列的反射电极和屏蔽电极，动尺上则印有若干组发射电极和一条接收电极，动尺与定尺间的电极构成若干对测量电容，动尺随被测位移移动时，与定尺间构成的电容对数就会产生变化，经过计数和辨向就能实现位移量的测量。直线容栅的结构原理示意图如图2-24所示：主要由动尺和定尺两部分组成，之间保持非常小的间隙。

2.3.5 电感式位移传感器

电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的，是测量微小位移和进行位置控制的主要传感器之一。

电感式传感器根据其工作原理不同，可分为自感式、互感式（也称差动式）和电涡流式三种。

1.自感式传感器工作原理

自感式传感器可分为很多类型，其中变间隙型电感式位移传感器的结构示意图如图2-25所示。

它由线圈、铁心和衔铁等几部分构成，工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的厚度发生变化。由于气隙磁阻的变化引起线圈电感的改变，通过测量电感的变化量就可以测量衔铁的位移量。

线圈的电感可近似地表示为

式中， N 为线圈匝数； A 为截面面积； μ ₀ 为空气磁导率； δ 为空气隙厚度。

如图2-26所示，当衔铁做上下移动时，气隙厚度不变，但铁心与衔铁之间的覆盖面积会产生变化，引起磁路的磁阻产生改变，从而导致线圈的电感发生变化，这种形式称为变面积型电感式位移传感器。

由式（2-15）可以看出：线圈电感 L 与磁通截面面积 A 成正比，线圈电感 L 与空气隙厚度 δ 成反比。自感式传感器的输出特性曲线如图2-27所示。

2.互感式传感器

在实际使用中，常采用两个相同的电感线圈共用一个衔铁，构成互感式（也称差动式）传感器，这样可以提高传感器的灵敏度，减小测量误差。图2-28a～c分别为变间隙型、变面积型及螺线管型这三种类型的互感式传感器的结构原理。互感式传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸也要完全相同。

3.电涡流式位移传感器

电涡流式位移传感器是利用位移变化引起涡流效应变化进行位移测量的位移式传感器。当通过金属导体的磁通变化时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。如图2-29所示，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流 时，线圈周围就产生一个交变磁场 。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流 ，电涡流也将产生一个新磁场 ， 与 方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。由于涡流效应不直接接触，所以电涡流式位移传感器可以实现非接触式位移测量，也可以利用涡流效应进行无损探伤。

2.3.6 超声波位移传感器

超声波传感器是利用超声波的特性，实现自动检测的测量元件。声波是一种机械波，声的发生是由于发声体的机械振动，引起周围弹性介质中质点的振动由近及远的传播，这就是声波。 人耳所能听闻的声波频率范围是20～20000Hz ，频率在此范围以外的声波不能引起声音的感觉。频率超过20000Hz的叫超声波，频率低于20Hz的叫次声波。超声波的频率可以高达10 ¹¹ Hz，而次声波的频率可以低至10 ^-8 Hz。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，它是由与介质接触的振荡源所引起的。设有某种弹性介质及振荡源，如图2-30所示。振荡源在介质中可产生两种形式的振荡，即横向振荡（见图2-30a）和纵向振荡（见图2-30b）。横向振荡只能在固体中产生，而纵向振荡可在固体、液体和气体中产生。为了测量在各种状态下的物理量多数采用纵向振荡。

超声波测液位是利用回声原理进行工作的，如图2-31所示。当超声波探头向液面发射短促的超声脉冲，经过时间 t 后，探头接收到从液面反射回来的回音脉冲。因此，探头到液面的距离 L 可由下式求出

式中， c 为超声波在被测介质中的传播速度； t 为超声波发生器从发出超声波到接收到超声波的时间差。

由此可见，只要知道超声波的速度，通过精确测量时间 t 的方法，就可以测量出距离 L 。

超声波速度 c 在不同的液体中是不同的，即使在同一种液体中，由于温度和压力的不同，其值也会不同。因为液体中有其他成分的存在及温度的不均匀都会使超声波速度发生变化，引起测量的误差，故在精密测量时，要考虑采取补偿措施。利用这种方法也可以测量料位。 Wb5VBcMuJVVGTwCzI+nfFUUFYON8g4azOkG7etjSjI0EtdVEp5MEJ1I+KCIE5XGX