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位移傳感器原理及基礎知識　　

    位移傳感器又稱為線性傳感器，它分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器。

　　電感式位移傳感器是一種屬于金屬感應的線性器件，接通電源后，在開關的感應面將產生一個交變磁場，當金屬物體接近此感應面時，金屬中則產生渦流而吸取了振蕩器的能量，使振蕩器輸出幅度線性衰減，然后根據衰減量的變化來完成無接觸檢測物體的目的。

　　電感式位移傳感器具有無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長壽命，可使用在各種惡劣條件下。位移傳感器主要應用在自動化裝備生產線對模擬量的智能控制。

　　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范圍是相當廣泛的。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字化、精度高（目前分辨率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，在機床加工、檢測儀表等行業中得到日益廣泛的應用。

　　原理

　　計量光柵是利用光柵的莫爾條紋現象來測量位移的。“莫爾”原出于法文Moire，意思是水波紋。幾百年前法國絲綢工人發現，當兩層薄絲綢疊在一起時，將產生水波紋狀花樣；如果薄綢子相對運動，則花樣也跟著移動，這種奇怪的花紋就是莫爾條紋。一般來說，只要是有一定周期的曲線簇重疊起來，便會產生莫爾條紋。計量光柵在實際應用上有透射光柵和反射光柵兩種；按其作用原理又可分為輻射光柵和相位光柵；按其用途可分為直線光柵和圓光柵。下面以透射光柵為例加以討論。　透射光柵尺上均勻地刻有平行的刻線即柵線，a為刻線寬，b為兩刻線之間縫寬，W=a+b稱為光柵柵距。目前國內常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條等線條。光柵的橫向莫爾條紋測位移，需要兩塊光柵。一塊光柵稱為主光柵，它的大小與測量范圍相一致；另一塊是很小的一塊，稱為指示光柵。為了測量位移，必須在主光柵側加光源，在指示光柵側加光電接收元件。當主光柵和指示光柵相對移動時，由于光柵的遮光作用而使莫爾條紋移動，固定在指示光柵側的光電元件，將光強變化轉換成電信號。由于光源的大小有限及光柵的衍射作用，使得信號為脈動信號。如圖 1，此信號是一直流信號和近視正弦的周期信號的疊加，周期信號是位移x的函數。每當x變化一個光柵柵距W，信號就變化一個周期，信號由b點變化到b’點。由于bb’=W，故b’點的狀態與b點狀態完全一樣，只是在相位上增加了2π。

　　信號處理

　　1、辨向原理 在實際應用中，位移具有兩個方向，即選定一個方向后，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，經過整形后得到兩個方波信號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。

　　2、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，需要采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，發出若干個脈沖，以減少脈沖當量。如一個周期內發出n個脈沖，則可使測量精度提高n備，而每個脈沖相當于原來柵距的1/n。由于細分后計數脈沖頻率提高了 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，用反相器反相后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。

　　專用集成電路

　　四倍頻專用集成電路QA740210同時具有辨相和四倍頻細分的功能，可將兩路正交的方波進行四倍頻后產生兩路加、減計數信號，可送雙時鐘可逆計數器進行加、減計數，也可直接送微型計算機（包括單片機）進行數據處理。

　　1、特點：

　　⑴、數字化微分電路：4路微分信號脈寬由主頻周期決定，因此，是一致的，而且可在很大范圍里方便地選擇。

　　⑵、臨界報警與過速報警兩檔速度提示：可在光柵運動速度接近極限值時給出臨界報警信息，以便操作者及時控制光柵運動快慢。在速度超過極限值時本電路將給出出錯信息。

　　⑶、絕對零位控制：絕對零位的設置將給操作者帶來許多方便，如故障斷電后的重新定位等。本電路有“到絕對零位開始計數”和“到絕對零位停止計數”，以及“與絕對零位無關”三種工作模式。

　　⑷、片選：本電路設有片選端，可以構成多標數顯系統。

　　⑸、COMS工藝：輸入輸出的電壓電流與4000系列CMOS及LSTTL電路兼容。

　　位移傳感器的原理與應用

　　位移傳感器的分類

　　1、根據運動方式分類:
　　
 直線位移傳感器

　　原理：

　　直線位移傳感器的功能在于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。

　　LT直線位移傳感器：

　　⊙ 廣泛應用于注塑、機床及機械加工等行業
　　⊙ 無限分辨率
　　⊙ 行程：50至900mm
　　⊙ 獨立線性度：±0.05%
　　⊙ 位移速度達到：5m/s、10 m/s可選
　　⊙ 工作溫度：-30至+100℃
　　⊙ 多種電氣連接方式
　　⊙ 保護等級：IP60（IP65可選）

　　角度位移傳感器

　　2、根據材質分類:

　　金屬膜傳感器、導電塑料傳感器、光電式傳感器、磁敏式傳感器、金屬玻璃鈾傳感器、繞線傳感器

　　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系的電阻或電壓輸出。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系。圖1中的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。線繞式電位器由于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。因此在電位器的制作中應盡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。

　　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，并使其在一個梯度均勻的磁場中移動，則所移動的位移正比于輸出的霍耳電勢。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系越接近于線性。圖2中是三種產生梯度磁場的磁系統：a系統的線性范圍窄，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,測量范圍小于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，因此常用于將各種非電量轉換成位移后再進行測量的場合。

　　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。特點是屬于非接觸式測量，并可進行連續測量。光電式位移傳感器常用于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。

　　主要特性參數：

　　標稱阻值：電位器上面所標示的阻值。

　　重復精度:此參數越小越好.

　　分辨率:位移傳感器所能反饋的最小位移數值.此參數越小越好.導電塑料位移傳感器分辨率為無窮小.

　　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,因為一般位移傳感器是以分壓的方式來使用,具體電阻的大小對傳感器的數據采集沒有影響.
　　線性精度:直線性誤差.此參數越小越好.

　　壽命:導電塑料位移傳感器都在200萬次以上.

　　常用傳感器特性：

　　導電塑料位移傳感器:

　　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。用于宇宙裝置、導彈、飛機雷達天線的伺服系統等。

　　繞線位移傳感器:是將康銅絲或鎳鉻合金絲作為電阻體，并把它繞在絕緣骨架上制成。繞線電位器特點是接觸電 阻小，精度高，溫度系數小，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。

　　金屬玻璃鈾位移傳感器:

　　用絲網印刷法按照一定圖形，將金屬玻璃鈾電阻漿料涂覆在陶瓷基體上，經高溫燒結而成。特點是：阻值范圍寬，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。

　　金屬膜位移傳感器:

　　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、溫度系數小、動噪聲小、平滑性好。

　　磁敏式位移傳感器:

　　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.

　　光電式位移傳感器:

　　消除了機械接觸，壽命長、可靠性高，缺點：數字信號輸出,處理煩瑣.