位移传感器原理及应用

机械位移传感器是用来测量位移、距离、位置、尺寸、角度、角位移等几何量的一种传感器。根据传感器的信号输出形式，可以分为模拟和数字式两大类，参见图1所示。机械位移传感器根据被测物体的运动形式可细分为线性位移传感器和角度位移传感器。





    机械位移传感器是应用最多的传感器之一，它在机械制造工业和其它工业的自动检测技术中占有很重要的地位，在很多领域也得到了广泛的应用。


    第一节 电位器式传感器


    电位器是人们常用到的一种电子元件，它作为传感器可以将机械位移或其他能转换为位移的非电量转换为其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。所以它是一个机电传感元件。电位器的种类繁多，本节就工业传感器用的电位器予以介绍。

    (1).线绕电位器式传感器
    线绕电位器的电阻体由电阻丝缠绕在绝缘物上构成，电阻丝的种类很多，电阻丝的材料是根据电位器的结构、容纳电阻丝的空间、电阻值和温度系数来选择的。电阻丝越细，在给定空间内越获得较大的电阻值和分辨率。但电阻丝太细，在使用过程中容易断开，影响传感器的寿命。

    (2).非线绕电位器式传感器
    为了克服线绕电位器存在的缺点，人们在电阻的材料及制造工艺上下了很多工夫，发展了各种非线绕电位器。

    [1] 合成膜电位器
    合成膜电位器的电阻体是用具有某一电阻值的悬浮液喷涂在绝缘骨架上形成电阻膜而成的，这种电位器的优点是分辨率较高、阻范围很宽（100—4.7MΩ），耐磨性较好、工艺简单、成本低、输入—输出信号的线性度较好等，其主要缺点是接触电阻大、功率不够大、容易吸潮、噪声较大等。

    [2] 金属膜电位器
    金属膜电位器由合金、金属或金属氧化物等材料通过真空溅射或电镀方法，沉积在瓷基体上一层薄膜制成。

    金属膜电位器具有无限的分辨率，接触电阻很小，耐热性好，它的满负荷温度可达70℃。与线绕电位器相比，它的分布电容和分布电感很小，所以特别适合在高频条件下使用。它的噪声信号仅高于线绕电位器。金属膜电位器的缺点是耐磨性较差，阻值范围窄，一般在10—100kΩ之间。由于这些缺点限制了它的使用。

    [3] 导电塑料电位器
    导电塑料电位器又称为有机实心电位器，这种电位器的电阻体是由塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成。导电塑料电位器的耐磨性好，使用寿命长，允许电刷接触压力很大，因此它在振动、冲击等恶劣的环境下仍能可靠地工作。此外，它的分辨率教高，线性度较好，阻值范围大，能承受较大的功率。导电塑料电位器的缺点是阻值易受温度和湿度的影响，故精度不易做得很高。

    [4] 导电玻璃釉电位器
    导电玻璃釉电位器又称为金属陶瓷电位器，它是以合金、金属化合物或难溶化合物等为导电材料，以玻璃釉为粘合剂，经混合烧结在玻璃基体上制成的。导电玻璃釉电位器的耐高温性好，耐磨性好，有较宽的阻值范围，电阻温度系数小且抗湿性强。导电玻璃釉电位器的缺点是接触电阻变化大，噪声大，不易保证测量的高精度。

    (3).光电电位器式传感器
    光电电位器是一种非接触式电位器，它用光束代替电刷，图1是这种电位器的结构图。光电电位器主要是由电阻体、光电导层和导电电极组成。光电电位器的制作过程是先在基体上沉积一层硫化镉或硒化镉的光电导层，然后在光电导层上再沉积一条电阻体和一条导电电极。在电阻体和导电电极之间留有一个窄的间隙。平时无光照时，电阻体和导电电极之间由于光电导层电阻很大而呈现绝缘状态。当光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时，由于光电导层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照射部位和导电电极导通，于是光电电位器的输出端就有电压输出，输出电压的大小与光束位移照射到的位置有关，从而实现了将光束位移转换为电压信号输出。

    光电电位器最大的优点是非接触型，不存在磨损问题，它不会对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩，从而提高了传感器的精度、寿命、可靠性及分辨率。光电电位器的缺点是接触电阻大，线性度差。由于它的输出阻抗较高，需要配接高输入阻抗的放大器。尽管光电电位器有着不少的缺点，但由于它的优点是其它电位器所无法比拟的，因此在许多重要场合仍得到应用。

电容式位移传感器
以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。电容传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感器和变面式电容传感器进行位移测量。

    (1).变极距式电容传感器
    图2是空气介质变极距式电容传感器的工作原理图。图中一个电极板固定不变，称为固定极板，另一极板间距离d响应变化，从而引起电容量的变化。因此，只要测出电容量的变化量⊿C，便可测得极板间距变化量，即动极板的位移量⊿d。


    变极距电容传感器的初始电容Co可由下式表达，即

     



    式中：ε——真空介电常数（8.85×10-12F/m）
          A——极板面积（m2）
          do——极板间距初始距离（m）
    传感器的这种变化关系呈非线性，如图3所示。
    当极板初始距离由do减少⊿d时，则电容量相应增加⊿C，即

     



    电容相对变化量⊿C/Co为

     



    由于

，在实际使用时常采用近似线性处理，即


         



    此时产生的相对非线性误差γo为
         


    这种处理的结果，使得传感器的相对非线性误差增大，如图4所式。

   
    为改善这种情况，可采用差动变极距式电容传感器，这种传感器的结构，如图5所示。它有三个极板，其中两个固定不动，只有中间极板可产生移动。当中间活动极板处于平衡位置时，即d1=d2=do，则C1=C2=Co，如果活动极板向右移动⊿d,则d1=do-⊿d,d2=do+⊿d,采用上述相同的近似线性处理方法，可得传感器电容总的相对变化，为
         


    传感器的相对非线性误差γo为
         

    不难看出，变极距式电容传感器改成差动之后，不但非线性误差大大减小，而且灵敏度也提高了一倍。


        (2).变面积式电容传感器
    图6是变面积式电容传感器结构示意图，它由两个电极构成，其中一个为固定极板，另一个为可动极板，两极板均成半圆形。假定极板间的介质不变（即电介质常数不变），当两极板完全重叠时，其电容量为

        Co=⊿A/d

当动极板绕轴转动一个α角时，两极板的对应面积要减小⊿A，则传感器的电容量就要减小⊿C。如果我们把这种电容量的变化通过谐振电路或其它回路方法检测出来，就实现了角位移转换为电量的电测变换。

    电容式位移传感器的位移测量范围在1um—10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%。变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可达0.3um。

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