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分分鍾掌握位移傳感器

發布時間:2020-08-03 點擊量:138

位移傳感器是把物體的運動位移轉換成可測量的電學量一種裝置。通常用於把不便於定量檢測和處理的位移、位置、形變、振動、尺寸等物理量轉換為易於定量檢測、便於作信息傳輸與處理的電學量。

 

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(LVDT)、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、磁致伸縮式等傳感技術來測量。其中磁致伸縮位移傳感器因具有易實現數字化、精度高、抗幹擾能力強、適應惡劣環境、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廣泛的應用。

 

一、位移傳感器的分類及原理

 

1、按工作原理分:

 

(1)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係。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。

① 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。如果這種位移傳感器在伺服係統中用作位移反饋元件,則過大的階躍電壓會引起係統振蕩。因此在電位器的製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。

 

② 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。用於宇宙裝置、、飛機雷達天線的伺服係統等。

 

③ 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。

 

④ 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、溫度係數小、動噪聲小、平滑性好。 

 

優點:便宜,結構簡單、輸出精度較高、線性和穩定性好等特點。滯後、蠕變小,

缺點:外界環境變化較大時對傳感器影響大,如溫度等影響較大,分辨率不高。

 

(2)磁致伸縮位移傳感器

 

磁致伸縮位移傳感器,通過內部非接觸式的測控技術地檢測活動磁環的位置來測量被檢測產品的實際位移值的。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。

 

測量過程是由傳感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。

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,就可以高度地確定這個距離。由於輸出信號是一個真正的值,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。

 

磁致伸縮位移傳感器是根據磁致伸縮原理製造的高精度、長行程位置測量的位移傳感器。它采用內部非接觸的測量方式,由於測量用的活動磁環和傳感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,便於係統自動化工作,即使在惡劣的工業環境下(如容易受油潰、塵埃或其他的汙染場合),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。傳感器輸出信號為位移值,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5米或更長,標稱精度為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。

 

優點:高可靠性、高分辨率、耐油抗汙、非接觸的測量方式,使用壽命長、環境適應能力強,安全性好;即使在惡劣的工業環境下,也能正常工作,對各種運動部件的位移(位置)、速度進行連續、、實時的檢測。此外,它還能承受高溫、高壓和強振動。

 

缺點:容易搜磁場幹擾,不能與導磁材料一起使用

 

(3)光柵式位移傳感器

 

光柵式位移傳感器傳感器指采用光柵疊柵條紋原理測量位移的傳感器。光柵是在一塊長條形的光學玻璃上密集等間距平行的刻線,刻線密度為 10~100線/毫米。由光柵形成的疊柵條紋具有光學放大作用和誤差平均效應,因而能提高測量精度。

 

傳感器由標尺光柵、指示光柵、光路係統和測量係統四部分組成。標尺光柵相對於指示光柵移動時,便形成大致按正弦規律分布的明暗相間的疊柵條紋。這些條紋以光柵的相對運動速度移動,並直接照射到光電元件上,在它們的輸出端得到一串電脈衝,通過放大、整形、辨向和計數係統產生數字信號輸出,直接顯示被測的位移量。

 

傳感器的光路形式有兩種:一種是透射式光柵,它的柵線刻在透明材料(如工業用白玻璃、光學玻璃等)上;另一種是反射式光柵,它的柵線刻在具有強反射的金屬(不鏽鋼)或玻璃鍍金屬膜(鋁膜)上。這種傳感器的優點是量程大和精度高。 

光柵式傳感器應用在程控、數控機床和三坐標測量機構中,可測量靜、動態的直線位移和整圓角位移。在機械振動測量、變形測量等領域也有應用。

 

優點:檢測範圍大,檢測精度高,響應速度快

缺點:接觸式的量,測量速度一般為1.5m/s以內,隻能用於靜態測量。

 

(4)LVDT位移傳感器

 

LVDT位移傳感器是線性差動變壓式位移傳感器的簡稱,LVDT位移傳感器工作原理是,在一個空心的骨架上饒了3組線圈,一組初級線圈兩組次級線圈,當給初級線圈通電時空心的骨架內會形成一個磁場,在一個導磁的鐵芯插入中空的骨架裏麵時,由於切割磁感應線原理兩個次級線圈會形成一個微弱的交流電壓,當鐵芯移動到某個次級線圈的位置多一點時這個次級線圈輸出的電壓相對於另一個線圈的電壓要要大一些,按照搞這個規律把兩個次級線圈輸出的電壓值經過放大,再把兩個電壓值相減,得出一個差值,這個差值與鐵芯在空心骨架裏麵移動位移是成正比例線性關係的,這個差值再經過處理可以處理成-5V、0-10V、4-20mA等模擬量信號或者Modbus SSI等數字量信號,也是向日葵视频下使用的LVDT正常輸出的信號。

優點:非接觸原理,使用壽命長;響應速度快;高線性度;重複性好;很寬的量程覆蓋範圍;低故障/功耗低/輸入、輸出的多樣性;動態特性好,可用於高速在線檢測,進行自動測量,自動控製;可在潮濕,粉塵等惡劣環境下使用;特殊條件下可工作,如耐高壓,高溫,耐輻射,全密土封在水下工作;能承受衝擊達150g/11ms ,振動頻率2KHZ加速度20g;體積小,價格低,性能價格比高。

缺點:對於超大行程來說(超過1米),生產難度大,傳感器和拉杆之和長度將達2米以上,使用不方便,且線性度也不高。

(5)激光位移傳感器

 

激光位移傳感器是利用激光技術進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成的測量儀表。能夠確非接觸測量被測物體的位置、位移等變化。可以測量位移、厚度、振動、距離、直徑等精密的幾何測量。

優點:激光有線性度度好的優良特性,同樣激光位移傳感器相對於向日葵视频下载已知的超聲波傳感器有更高的精度。

 

缺點:激光的產生裝置相對比較複雜且體積較大,因此會對應用範圍要求較苛刻。要求測量空間較大,不太適用於小空間。

 

(6)電渦流式位移傳感器

 

電渦流傳感器能靜態和動態地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導體距探頭表麵距離。它是一種非接觸的線性化計量工具。電渦流傳感器能準確測量被測體(必須是金屬導體)與探頭端麵之間靜態和動態的相對位移變化。在高速旋轉機械和往複式運動機械狀態分析,振動研究、分析測量中,對非接觸的高精度振動、位移信號,能連續準確地采集到轉子振動狀態的多種參數。如軸的徑向振動、振幅以及軸向位置。

 

優點:體積更小、可靠性好、測量範圍寬、靈敏度高、分辨率高;高分辨率和高采樣率;可自行調整零位、增益和線性;可選擇延長電纜、溫度補償等功能;可測鐵磁和非鐵磁所有金屬材料;具有多傳感器同步功能;不受潮濕、灰塵的影響,對環境要求低;在大型旋轉機械狀態的在線監測與故障診斷中得到廣泛應用。"

 

(7)電容式位移傳感器

 

電容位移傳感器是一種非接觸電容式原理的精密測量儀器。電容式位移傳感器的電容器極板多為金屬材料,極板間襯物多為無機材料,如空氣、玻璃、陶瓷、石英等;因此可以在高溫、低溫強磁場、強輻射下長期工作,尤其是解決高溫高壓環境下的檢測難題。 在國內研究所,高等院校、工廠和軍工部門得到廣泛應用,成為科研、教學和生產中一種不可缺少的測試儀器。

 

該傳感器還可與控製室中的二次儀表或控製器相連,在線、連續、實時的檢測各種數據然後直接顯示,遠程控製和報警。實現數據存儲,積算、傳輸和控製功能。廣泛應用於各種注塑機中。

電容式位移傳感器尤其適合緩慢變化或微小量的測量,一般來說采用電容式傳感器進行檢測比較適宜。電容式位移傳感器的這些性能必然促使其應用範圍越來越廣泛。主要用於解決壓電微位移、振動台,電子顯微鏡微調,天文望遠鏡鏡片微調,精密微位移測量等測量問題。

 

優點:具有一般非接觸式儀器所共有的無磨擦、無損磨和無惰性特點外,還具有信噪比大,靈敏度高,零漂小,頻響寬,非線性小,精度穩定性好,抗電磁幹擾能力強和使用操作方便等優點。

 

缺點:量程比較小,一般隻有幾十個毫米,容易受外界幹擾和分布參數的影響。

 

(8)霍爾式位移傳感器

 

霍爾位移傳感器主要由兩個半環形磁鋼組成的梯度磁場和位於磁場中心的鍺材料半導體霍爾片(敏感元件)裝置構成。此外,還包括測量電路(電橋、差動放大器等)及顯示部分。

是兩個結構相同的直流磁路係統共同形成一個沿x 軸的梯度磁場。為使磁隙中的磁場得到較好的線性分布,在磁麵裝有特殊形式的極靴。用它製作的位移傳感器靈敏度很高。霍爾片置於兩個磁場中,細心調整它的初始位置,即可使初始狀態的霍爾電勢為零。它的位移量較小,適於測量微位移和機械振動等。

 

霍爾測位移有兩種:一種是用線性霍爾測元件與磁鐵之間的距離,根據線性霍爾元件的輸出信號可判斷出與磁鐵的間距,此種方式應用有測試紙張厚度,金屬材料形變等微小位移,也有油門踏板等距離稍大的應用;另一種是用開關型霍爾元件做機械的角度或者位移定位。比如汽車換擋杆的檔位檢測,換擋杆到相應位置時下麵有個霍爾傳感器,此時就能感應到檔位。這類應用非常多。

特點:

( 1)傳感器的控製電流為 1 ~ 5mA,功耗 小、靈敏度高、分辨率高 ;

 ( 2)原理簡單、實現方法容易、可靠性高、重複性好;

 ( 3)體積小、重量輕、壽命長; 

( 4)檢測電路穩定可靠 ,測試結果穩定到 5位讀數 ,精度高; 

( 5)硬件的補償可以基本上消除溫度對 傳感器的影響; 

( 6)易於推廣到其他非電量如振動、流量、壓力、壓差等領域的測試 ,具有一定的推廣應用價值。

 

優點:輸出變化量大、靈敏度高、分辨力高、質量輕、 慣性小、反應速度快;霍爾元件的頻響範圍寬 ,適合作動態位移測試

 

(9)超聲波位移傳感器

 

超聲波位移傳感器是采用超聲波回波測距原理,運用的時差測量技術,檢測傳感器與目標物之間的距離的傳感器。

 

優點:非接觸式測量,比較衛生,測量準確,無接觸,防水,可以檢測腐蝕性很高的介質。可應於液位,物位檢測,特有的液位,料位檢測方式,可保證在液麵有泡沫或大的晃動,不易檢測到回波的情況下有穩定的輸出。

 

缺點:超聲波的發生接收對環境的要求比較高,在環境比較惡劣的情況下,超聲波傳感器不怎麽適用。

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