位移傳感器

簡介

　　位移是和物體的位置在運(yùn)動(dòng)過程中的移動(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。

工作原理

　　電位器式位移傳感器，它通過電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)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(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通過非接觸式的測(cè)控技術(shù)精確地檢測(cè)活動(dòng)磁環(huán)的絕對(duì)位置來測(cè)量被檢測(cè)產(chǎn)品的實(shí)際位移值的；該傳感器的高精度和高可靠性已被廣泛應(yīng)用于成千上萬的實(shí)際案例中。

　　由于作為確定位置的活動(dòng)磁環(huán)和敏感元件并無直接接觸，

　　因此傳感器可應(yīng)用在極惡劣的工業(yè)環(huán)境中，不易受油漬、溶液、塵埃或其它污染的影響，IP防護(hù)等級(jí)在IP67以上。此外，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。

　　磁致伸縮位移傳感器，是利用磁致伸縮原理、通過兩個(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。由于這個(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、長行程絕對(duì)位置測(cè)量的位移傳感器。它采用非接觸的測(cè)量方式，由于測(cè)量用的活動(dòng)磁環(huán)和傳感器自身并無直接接觸，不至于被摩擦、磨損，因而其使用壽命長、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，也能正常工作。此外，它還能承受高溫、高壓和強(qiáng)振動(dòng)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械位移的測(cè)量、控制中。

常見故障

　　直線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)的輸出電壓來呈現(xiàn)出所測(cè)量位置的實(shí)際上的位置。對(duì)這個(gè)裝置的工作有下面幾點(diǎn)要求：

　　1、如果電子尺已經(jīng)使用很長時(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)候可以說直線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，所以，供電電源需要有充分的容量。那么，容量不足，就會(huì)造成如下的情況：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)電源于直線位移傳感器供電電源同時(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)線與設(shè)備的強(qiáng)電線路要分開線槽。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)線需要使用屏蔽線，而且電箱的一段應(yīng)該跟屏蔽線接地的。如果有高頻干擾的時(shí)候，通常使用萬用表的電壓測(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就可以了，只要一短接起來，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)械手的方法來驗(yàn)證是不是高頻干擾的。

　　4、如果直線位移傳感器的電子尺在工作的過程當(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，就可以允許有±0.01V的波動(dòng)變化，如果不是的話，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)的幅度沒有超過波動(dòng)電壓的波動(dòng)的幅度的話，那么電子尺就是正常的了。

　　6、安裝直線位移傳感器的對(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，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、在連接的過程當(dāng)中，一定要多加注意，電子尺的三條線是不可以接錯(cuò)的，電源線和輸出線是不可以調(diào)換的。如果上面的線接錯(cuò)的話，就會(huì)出現(xiàn)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(huì)變得很差，而顯示很容易出現(xiàn)跳動(dòng)的現(xiàn)象等等。

信號(hào)處理

　　辨向原理

　　在實(shí)際應(yīng)用中，位移具有兩個(gè)方向，即選定一個(gè)方向后，位移有正負(fù)之分，因此用一個(gè)光電元件測(cè)定莫爾條紋信號(hào)確定不了位移方向。為了辨向，需要有π/2相位差的兩個(gè)莫爾條紋信號(hào)。在相距1/4條紋間距的位置上安放兩個(gè)光電元件，得到兩個(gè)相位差π/2的電信號(hào)u01和u02，經(jīng)過整形后得到兩個(gè)方波信號(hào)u01’和u02’。光柵正向移動(dòng)時(shí)u01超前u0290度，反向移動(dòng)時(shí)u02超前u0190度，故通過電路辨相可確定光柵運(yùn)動(dòng)方向。

　　細(xì)分技術(shù)

　　隨著對(duì)測(cè)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(dāng)?shù)拇胧?duì)莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分。所謂細(xì)分就是在莫爾條紋信號(hào)變化一個(gè)周期內(nèi)，發(fā)出若干個(gè)脈沖，以減少脈沖當(dāng)量。如一個(gè)周期內(nèi)發(fā)出n個(gè)脈沖，則可使測(cè)量精度提高n備，而每個(gè)脈沖相當(dāng)于原來柵距的1/n。由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖頻率提高了n倍，因此也稱n倍頻。

　　通常用的有兩種細(xì)分方法：其一、直接細(xì)分。在相差1/4莫爾條紋間距的位置上安放兩個(gè)光電元件，可得到兩個(gè)相位差90o的電信號(hào)，用反相器反相后就得到四個(gè)依次相差90o的交流信號(hào)。同樣，在兩莫爾條紋間放置四個(gè)依次相距1/4條紋間距的光電元件，也可獲得四個(gè)相位差90o的交流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)四倍頻細(xì)分。其二、電路細(xì)分。

主要分類

根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式

　　直線位移傳感器：

　　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，通過滑片在滑軌上的位移來測(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：使用角度傳感器來控制你的輪子可以間接的發(fā)現(xiàn)障礙物。原理非常簡單：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)使用起來非常簡單，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（或者說打滑次數(shù)太多），否則你將無法檢測(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)問題，這個(gè)輪子不是由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)而是通過裝置的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)它：在驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)的過程中，如果惰輪停止了，說明你碰到障礙物了。

根據(jù)材質(zhì)

　　電位器式位移傳感器

　　它通過電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)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(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。圖1中的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)簡單，輸出信號(hào)大，使用方便，價(jià)格低廉。

　　霍耳式位移傳感器

　　它的測(cè)量原理是保持霍耳元件（見半導(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，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。

應(yīng)用

　　火車輪緣的幾何狀態(tài)參數(shù)影響著列車運(yùn)行的速度與平穩(wěn)度，對(duì)列車的安全運(yùn)行十分重要。傳統(tǒng)的檢測(cè)手段較為復(fù)雜，通常是用帶有游標(biāo)的專用尺子來進(jìn)行測(cè)量，對(duì)數(shù)據(jù)的人工讀取造成測(cè)量的誤差比較大，同時(shí)不能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)字化管理。隨著我國鐵路事業(yè)的發(fā)展，列車運(yùn)行速度越來越快，火車輪緣狀態(tài)參數(shù)的精確快速檢修和數(shù)字化管理變得十分重要。輪緣檢測(cè)儀采用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、單片機(jī)處理系統(tǒng)和簡潔穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可方便精確的對(duì)幾何狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)快速測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了輪緣高度、輪輞厚度等參數(shù)測(cè)量的數(shù)字化。輪緣高度、寬度、輪輞厚度等方面的檢測(cè)用到很多傳感器，而最為關(guān)注的是位移傳感器，位移傳感器有很多種，用在火車上車輪緣狀檢測(cè)是目前新型傳感器技術(shù)叫做激光位移傳感器，激光位移傳感器可精確非接觸測(cè)量被測(cè)物體的位置、位移等變化，主要應(yīng)用于檢測(cè)物的位移、厚度、振動(dòng)、距離、直徑等幾何量的測(cè)量。目前用在火車輪緣上檢測(cè)是的激光三角測(cè)量法，短距離的測(cè)量精度很高?？梢灾苯影盐灰苽鞲衅靼惭b在軌道上進(jìn)行檢測(cè)，同樣也可以采用激光反射式位移傳感器為測(cè)量器件激光傳感器模沿直線方向掃描輪緣形狀，同時(shí)記錄整個(gè)輪緣數(shù)據(jù)。通過微處理器即可得出整個(gè)輪緣輪廓曲線，進(jìn)而求得輪緣寬度、輪緣高度、70mm磨損量和磨損面積等。并且能把測(cè)量的數(shù)據(jù)上傳計(jì)算機(jī)，生成數(shù)據(jù)庫，利用先進(jìn)的后處理軟件對(duì)火車輪緣進(jìn)行數(shù)字化管理。它不僅可以對(duì)在線運(yùn)行列車測(cè)量輪對(duì)的磨損，還可以在生產(chǎn)線上對(duì)輪對(duì)尺寸是否合格進(jìn)行分選。

　　交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展離不開檢測(cè)技術(shù)，而儀器儀表以及傳感器技術(shù)才是檢測(cè)技術(shù)的核心。高速動(dòng)力發(fā)展的今天，人們不僅僅希望體驗(yàn)到是的舒適和享受，而且跟多的希望得到是安全。傳感器技術(shù)的發(fā)展會(huì)給人們生活交通帶來更多的安全，我國傳感器技術(shù)的發(fā)展也將帶動(dòng)交通運(yùn)輸方面在國際上擁有的一流先進(jìn)技術(shù)發(fā)展。