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位移傳感器原理及分類 [2017/1/11]

人們以經典電磁學為理論基礎,把不便于定量檢測和處理的位移、位置、液位、尺寸、流量、速度、振動等物理量轉換為易于定量檢測、便于作信息傳輸與處理的電學量。這就是在生産生活中被廣泛應用的位移傳感器。

 

位移傳感器

位移傳感器又稱為線性傳感器,是一種屬于金屬感應的線性 器件,液位計液位變送器的傳感器的作用是把各種被測物理量轉換為電量。位移是和物體的位置在運動過程中移動有關的量,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、霍爾傳感器來檢測,大的位移常用感應同步器、光栅、容栅、磁栅等傳感技術來測量。其中光栅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)、抗幹擾能力強、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。

位移傳感器的分類及原理

按工作原理分:

 

電位器式位移傳感器

它通過電位器元件将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别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确定關系。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,輸出信号大,使用方便,價格低廉。

 

磁緻伸縮位移傳感器

磁緻伸縮位移傳感器,通過内部非接觸式的測控技術精确地檢測活動磁環的絕對位置來測量被檢測産品的實際位移值的。

是利用磁緻伸縮原理、通過兩個不同磁場相交産生一個應變脈沖信号來準确地測量位置的。測量元件是一根波導管,波導管内的敏感元件由特殊的磁緻伸縮材料制成的。測量過程是由傳感器的電子室内産生電流脈沖,該電流脈沖在波導管内傳輸,從而在波導管外産生一個圓周磁場,當該磁場和套在波導管上作為位置變化的活動磁環産生的磁場相交時,由于磁緻伸縮的作用,波導管内會産生一個應變機械波脈沖信号,這個應變機械波脈沖信号以固定的聲音速度傳輸,并很快被電子室所檢測到。

這個應變機械波脈沖信号在波導管内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,就可以高度精确地确定這個距離。由于輸出信号是一個真正的絕對值,而不是比例的或放大處理的信号,所以不存在信号漂移或變值的情況,更無需定期重标。

磁緻伸縮位移傳感器是根據磁緻伸縮原理制造的高精度、長行程絕對位置測量的位移傳感器。它采用内部非接觸的測量方式,由于測量用的活動磁環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、環境适應能力強,可靠性高,安全性好,便于系統自動化工作,即使在惡劣的工業環境下(如容易受油潰、塵埃或其他的污染場合),也能正常工作。傳感器采用了高科技材料和先進的電子處理技術,因而它能應用在高溫、高壓和高振蕩的環境中。傳感器輸出信号為絕對位移值,即使電源中斷、重接,數據也不會丢失,更無須重新歸零。由于敏感元件是非接觸的,就算不斷重複檢測,也不會對傳感器造成任何磨損,可以大大地提高檢測的可靠性和使用壽命。行程可達3米或更長,标稱精度為0.05% F·S,行程1米以上傳感器精度可達0.02% F.S,重複性可達0.002% F·S,因此它得到廣泛的應用。

 

按運動方式分

 

直線位移傳感器

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号。為了達到這一效果,通常将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。傳感器滑軌連接穩态直流電壓,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。将傳感器用作分壓器可最大限度降低對滑軌總阻值精确性的要求,因為由溫度變化引起的阻值變化不會影響到測量結果。

角度位移傳感器

角度位移傳感器應用于障礙處理:使用角度傳感器來控制伱的輪子可以間接的發現障礙物。原理非常簡單:如果馬達角度傳感器構造運轉,而齒輪不轉,說明伱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闆上打滑(或者說打滑次數太多),否則伱将無法檢測到障礙物。一個空轉的齒輪連接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,說明伱碰到障礙物了。

按檢測材質分

 

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中是三種産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,測量範圍小于1毫米。圖中N、S分别表示正、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,因此常用于将各種非電量轉換成位移後再進行測量的場合。

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。電容式液位計電容式液位變送器物位開關的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。