位移感測器

位移感測器又稱為線性感測器，是一種屬於金屬感應的線性器件，感測器的作用是把各種被測物理量轉換為電量。在生產過程中，位移的測量一般分為測量實物尺寸和機械位移兩種。按被測變數變換的形式不同，位移感測器可分為模擬式和數字式兩種。模擬式又可分為物性型和結構型兩種。常用位移感測器以模擬式結構型居多，包括電位器式位移感測器、電感式位移感測器、自整角機、電容式位移感測器、電渦流式位移感測器、霍爾式位移感測器等。數字式位移感測器的一個重要優點是便於將信號直接送入計算機系統。這種感測器發展迅速，套用日益廣泛。

基本介紹

• 中文名：位移感測器
• 別名：線性感測器
• 屬性：金屬感應的線性器件
• 作用：把各種被測物理量轉換為電量

簡介

位移是和物體的位置在運動過程中的移動有關的量，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、霍爾感測器來檢測，大的位移常用感應同步器、光柵、容柵、磁柵等感測技術來測量。其中光柵感測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）、抗干擾能力強、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套用。

位移感測器（圖1）

工作原理

電位器式位移感測器，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式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感測器。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。電位器式位移感測器的可動電刷與被測物體相連。

位移感測器（圖2）

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。如果這種位移感測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盪。因此在電位器的製作中應儘量減小每匝的電阻值。電位器式感測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。

磁致伸縮位移感測器通過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；該感測器的高精度和高可靠性已被廣泛套用於成千上萬的實際案例中。

由於作為確定位置的活動磁環和敏感元件並無直接接觸，因此感測器可套用在極惡劣的工業環境中，不易受油漬、溶液、塵埃或其它污染的影響，IP防護等級在IP67以上。此外，感測器採用了高科技材料和先進的電子處理技術，因而它能套用在高溫、高壓和高振盪的環境中。感測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，也不會對感測器造成任何磨損，可以大大地提高檢測的可靠性和使用壽命。

位移感測器（圖3）

磁致伸縮位移感測器，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。測量過程是由感測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。

由於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。

位移感測器（圖4）

磁致伸縮位移感測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感測器。它採用非接觸的測量方式，由於測量用的活動磁環和感測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，也能正常工作。此外，它還能承受高溫、高壓和強振動，現已被廣泛套用於機械位移的測量、控制中。

常見故障

直線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。對這個裝置的工作有下面幾點要求：

位移感測器（圖5）

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感測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，所以，供電電源需要有充分的容量。那么，容量不足，就會造成如下的情況：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直線位移感測器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、調頻干擾和靜電干擾都有可能讓直線位移感測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。信號線需要使用禁止線，而且電箱的一段應該跟禁止線接地的。

位移感測器（圖6）

如果有高頻干擾的時候，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；而出現靜電干擾時，出現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，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，靜電干擾就會馬上消除掉的。但是如果要消除掉高頻干擾就很難用上面的方法了，變頻節電器和機器手都經常出現高頻干擾的，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干擾的。

4、如果直線位移感測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線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，那么電子尺就是正常的了。

位移感測器（圖7）

6、安裝直線位移感測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。那么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、在連線的過程當中，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。

信號處理

辨向原理

在實際套用中，位移具有兩個方向，即選定一個方向後，位移有正負之分，因此用一個 光電元件測定莫爾條紋信號確定不了位移方向。為了辨向，需要有 π/2相位差的兩個莫爾條紋信號。如圖2，在相距1/4條紋間距的位置上安放兩個光電元件，得到兩個相位差π/2的電信號u01和u02，經過整形後得到兩個方波信號u01’和u02’。光柵正向移動時u01超前u02 90度，反向移動時u02超前u01 90度，故通過電路辨相可確定光柵運動方向。

細分技術

隨著對測量精度要求的提高，以柵距為單位已不能滿足要求，需要採取適當的措施對莫爾條紋進行細分。所謂細分就是在莫爾條紋信號變化一個周期內，發出若干個脈衝，以減少脈衝當量。如一個周期內發出n個脈衝，則可使測量精度提高n備，而每個脈衝相當於原來柵距的1/n。由於細分後計數脈衝頻率提高了 n倍，因此也稱n倍頻。

通常用的有兩種細分方法：其一：直接細分。在相差1/4莫爾條紋間距的位置上安放兩個光電元件，可得到兩個相位差90o的電信號，用反相器反相後就得到四個依次相差90o的交流信號。同樣，在兩莫爾條紋間放置四個依次相距1/4條紋間距的光電元件，也可獲得四個相位差90o的交流信號，實現四倍頻細分。其二：電路細分。

主要分類

根據運動方式

直線位移感測器：

直線位移感測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感測器的固定部位，通過滑片在滑軌上的位移來測量不同的阻值。感測器滑軌連線穩態直流電壓，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。將感測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。

位移感測器（圖8）

角度位移感測器：

角度位移感測器套用於障礙處理：使用角度感測器來控制你的輪子可以間接的發現障礙物。原理非常簡單：如果馬達角度感測器構造運轉，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。一個空轉的齒輪連線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。

根據材質

霍耳式位移感測器：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。霍耳式位移感測器的慣性小、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。

光電式位移感測器：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。光電式位移感測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感測器。

型號特性

導電塑膠位移感測器：

用特殊工藝將DAP（鄰苯二甲酸二稀丙脂）電阻漿料覆在絕緣機體上，加熱聚合成電阻膜，或將DAP電阻粉熱塑壓在絕緣基體的凹槽內形成的實心體作為電阻體。特點是：平滑性好、分辯力優異耐磨性好、壽命長、動噪聲小、可靠性極高、耐化學腐蝕。用於宇宙裝置、飛彈、飛機雷達天線的伺服系統等。

繞線位移感測器：是將康銅絲或鎳鉻合金絲作為電阻體，並把它繞在絕緣骨架上製成。繞線電位器特點是接觸電 阻小，精度高，溫度係數小，其缺點是分辨力差，阻值偏低，高頻特性差。主要用作分壓器、變阻器、儀器中調零和工作點等。

金屬玻璃鈾位移感測器：

用絲網印刷法按照一定圖形，將金屬玻璃鈾電阻漿料塗覆在陶瓷基體上，經高溫燒結而成。特點是：阻值範圍寬，耐熱性好，過載能力強，耐潮，耐磨等都很好，是很有前途的電位器品種，缺點是接觸電阻和電流噪聲大。

金屬膜位移感測器：

金屬膜電位器的電阻體可由合金膜、金屬氧化膜、金屬箔等分別組成。特點是分辨力高、耐高溫、溫度係數小、動噪聲小、平滑性好。

磁敏式位移感測器：

消除了機械接觸，壽命長、可靠性高，缺點：對工作環境要求較高.

光電式位移感測器：

消除了機械接觸，壽命長、可靠性高，缺點：數位訊號輸出，處理煩瑣。

磁致伸縮式位移感測器：

磁致伸縮位移（液位）感測器，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。

數字雷射位移感測器：

雷射位移感測器可精確非接觸測量被測物體的位置、位移等變化，主要套用於檢測物的位移、厚度、振動、距離、直徑等幾何量的測量。

按照測量原理，雷射位移感測器原理分為雷射三角測量法和雷射回波分析法，雷射三角測量法一般適用於高精度、短距離的測量，而雷射回波分析法則用於遠距離測量。

雷射發射器通過鏡頭將可見紅色雷射射向被測物體表面，經物體反射的雷射通過接收器鏡頭，被內部的CCD線性相機接收，根據不同的距離，CCD線性相機可以在不同的角度下“看見”這個光點。根據這個角度及已知的雷射和相機之間的距離，數位訊號處理器就能計算出感測器和被測物體之間的距離。同時，光束在接收元件的位置通過模擬和數字電路處理，並通過微處理器分析，計算出相應的輸出值，並在用戶設定的模擬量視窗內，按比例輸出標準數據信號。如果使用開關量輸出，則在設定的視窗內導通，視窗之外截止。另外，模擬量與開關量輸出可獨立設定檢測視窗。

雷射位移感測器採用回波分析原理來測量距離以達到一定程度的精度。感測器內部是由處理器單元、回波處理單元、雷射發射器、雷射接收器等部分組成。雷射位移感測器通過雷射發射器每秒發射一百萬個雷射脈衝到檢測物並返回至接收器，處理器計算雷射脈衝遇到檢測物並返回至接收器所需的時間，以此計算出距離值，該輸出值是將上千次的測量結果進行的平均輸出。雷射回波分析法適合於長距離檢測，但測量精度相對於雷射三角測量法要低。

特性參數

標稱阻值：電位器上面所標示的阻值。

重複精度：此參數越小越好。

解析度：位移感測器所能反饋的最小位移數值.此參數越小越好.導電塑膠位移感測器解析度為無窮小。

允許誤差：標稱阻值與實際阻值的差值跟標稱阻值之比的百分數稱阻值偏差，它表示電位器的精度。允許誤差一般只要在±20%以內就符合要求，因為一般位移感測器是以分壓的方式來使用，具體電阻的大小對感測器的數據採集沒有影響。

線性精度：直線性誤差.此參數越小越好。

壽命：導電塑膠位移感測器都在200萬次以上。

套用

火車輪緣的幾何狀態參數影響著列車運行的速度與平穩度，對列車的安全運行十分重要。傳統的檢測手段較為複雜，通常是用帶有游標的專用尺子來進行測量，對數據的人工讀取造成測量的誤差比較大，同時不能實現檢測數據的數位化管理。隨著我國鐵路事業的發展，列車運行速度越來越快，火車輪緣狀態參數的精確快速檢修和數位化管理變得十分重要。輪緣檢測儀採用現代感測器技術、單片機處理系統和簡潔穩定的機械結構，可方便精確的對幾何狀態參數進行連續快速測量，實現了輪緣高度、輪輞厚度等參數測量的數位化。

輪緣高度、寬度、輪輞厚度等方面的檢測用到很多感測器，而最為關注的是位移感測器，位移感測器有很多種，用在火車上車輪緣狀檢測是目前新型感測器技術叫做雷射位移感測器。目前用在火車輪緣上檢測是的雷射三角測量法，短距離的測量精度很高。可以直接把位移感測器安裝在軌道上進行檢測，同樣也可以採用雷射反射式位移感測器為測量器件雷射感測器模沿直線方向掃描輪緣形狀，同時記錄整個輪緣數據。通過微處理器即可得出整個輪緣輪廓曲線，進而求得輪緣寬度、輪緣高度、70mm磨損量和磨損面積等。並且能把測量的數據上傳計算機，生成資料庫，利用先進的後處理軟體對火車輪緣進行數位化管理。它不僅可以對線上運行列車測量輪對的磨損，還可以在生產線上對輪對尺寸是否合格進行分選。

交通運輸的發展離不開檢測技術，而儀器儀表以及感測器技術才是檢測技術的核心。高速動力發展的今天，人們不僅僅希望體驗到是的舒適和享受，而且跟多的希望得到是安全。感測器技術的發展會給人們生活交通帶來更多的安全，我國感測器技術的發展也將帶動交通運輸方面在國際上擁有的一流先進技術發展。