1  引言
傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù),是測量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、精密機械、仿生學(xué)、材料科學(xué)等眾多學(xué)科相互交叉的綜合性高新技術(shù),是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一。位移是指物體位置對參考點產(chǎn)生的偏移量,是指物體相對于某參考坐標系一點的距離的變化量,它是描述物體空間位置變化的物理量[1]。位移傳感器又稱為線性傳感器,是將位移轉(zhuǎn)換成電量的傳感器。
位移傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了兩個階段,經(jīng)典位移傳感器階段和半導(dǎo)體位移傳感器階段。20世紀80年代以前,人們以經(jīng)典電磁學(xué)為理論基礎(chǔ),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(zhuǎn)換為易于定量檢測、便于作信息傳輸與處理的電學(xué)量[2]。近20年來,位移傳感器種類繁多,應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大,同時有越來越多的創(chuàng)新技術(shù)被運用到傳感器中,如基于OEM的LVDT(Liner Variable Differential Tranformer)[3,4]技術(shù)、超聲波技術(shù)、磁致伸縮技術(shù)、光纖技術(shù)、時柵技術(shù)[5]等,位移傳感器技術(shù)已取得了突破性進展。由于技術(shù)的進步,使得各種傳感器性能大幅度提高,成本大幅度降低,從而*地擴展了應(yīng)用范圍,形成了一個高速增長的產(chǎn)業(yè)。
2  位移傳感器的分類與發(fā)展現(xiàn)狀
2.1  位移傳感器原理分類
由于位移傳感器的工作原理、安裝測量方式和所測量的被測量不同,其分類也各不相同,本文將按測量原理介紹位移傳感器的分類。
(1)  電位器式
電位器位移傳感器分為繞線電位器和非繞線電位器2種:繞線電位器一般由電阻絲燒制在絕緣骨架上,由電刷引出與滑動點電阻對應(yīng)的輸入變化。電刷由待測量位移部分拖動,輸出與位移成正比的電阻或電壓的變化;常見的非線繞式電位器位移傳感器是在絕緣基片上制成各種薄膜元件,如合成膜式、金屬膜式、導(dǎo)電塑料和導(dǎo)電玻璃釉電位器等。
(2)  電阻應(yīng)變式
傳感器是由彈性敏感元件和電阻應(yīng)變片構(gòu)成,當(dāng)測量桿隨試件產(chǎn)生位移時,彈性敏感元件在感受到測量桿變化而產(chǎn)生變形,其表面產(chǎn)生的應(yīng)變與測量桿的位移成線性關(guān)系。這種傳感器具有線性好、分辨率較高、結(jié)構(gòu)簡單和使用方便等特點,其位移測量范圍較小,通常在0.1μm-0.1mm之間,測量精度小于2%,線性度為0.1%-0.5%。
(3)  電容式
電容傳感器通過位移來改變電容兩個極板之間的距離,即將位移量轉(zhuǎn)換成電容變化量進行測量的。它具有功率小、阻抗高、動態(tài)特性好、可進行非接觸測量等優(yōu)點;但是電容傳感器存在寄生電容和分布電容,會影響測量精度,且常用的變隙式電容傳感器存在測量量程小,存在非線性誤差等缺點。一般使用極距變化型電容式位移傳感器和面積變化型電容式位移傳感器。
(4)  電感式[7,8,9]
電感式傳感器利用電磁感應(yīng)將被測位移轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化,再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出,實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。傳感器分為自感式、互感式(如LVDT)、電渦流式三種。電感式傳感器具有靈敏度和分辨力高,能測出0.01微米的位移變化,傳感器非線性誤差可達0.05%-0.1%。
(5)  磁敏式
磁敏式傳感器包含有磁致伸縮式、霍爾式、磁柵式、感應(yīng)同步器。
a． 磁致伸縮線性位移(液位)傳感器主要由測桿、電子倉和套在測桿上的非接觸的磁環(huán)(浮球)組成。測桿內(nèi)裝有磁致伸縮線(波導(dǎo)絲)。工作時,由電子倉內(nèi)的電子電路產(chǎn)生一起始脈沖,此起始脈沖在波導(dǎo)絲中傳輸時,同時產(chǎn)生了一沿波導(dǎo)絲方向前進的旋轉(zhuǎn)磁場。當(dāng)這個磁場與磁環(huán)(浮球)中的永久磁場相遇時,產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng),使波導(dǎo)絲發(fā)生扭動,產(chǎn)生扭動脈沖。這一扭動脈沖被安裝在電子倉內(nèi)的拾能機構(gòu)所感知并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流脈沖,通過電子電路計算出兩脈沖起始和返回之間的時間差,即可精確測出被測的位置或位移。
b. 磁柵式位移傳感器是一種測量位移的數(shù)字傳感器,它是在非磁性體的平整面上鍍一層磁性薄膜,并用錄制磁頭沿長度方向按一定的節(jié)距K錄上磁性刻度線而構(gòu)成的,因此又把磁柵稱為磁尺。磁柵可分為單面型直線磁柵、同軸型直線磁柵和旋轉(zhuǎn)型磁柵等。磁柵主要用于大型機床和精密機床的位置或位移量的檢測元件。
(6)  光電式
光電式位移傳感器包含有光柵式、光纖式、激光式[10]:
a. 激光傳感器是一種非接觸式的精密激光測量裝置。它是根據(jù)激光光三角原理設(shè)計和制造的,由半導(dǎo)體激光機發(fā)出一定波長的激光光束,經(jīng)過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)后會聚在被測物體表面,形成漫反射。該漫反射像經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后成像在CCD上,并被轉(zhuǎn)換成電信號。當(dāng)被測面相對傳感器在Y方向移動時,漫反射像將移動,在CCD光敏面上的成像也將跟著移動位置,這樣即輸出不同的電信號后,再將位移量*終轉(zhuǎn)換成電信號,與其他設(shè)備進行接口。
b. 光柵傳感器屬于數(shù)字式傳感器,可以將位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出。其原理是利用計量光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進行位移測量的,它通常由光源、標尺光柵、指示光柵和光電器件組成。發(fā)光二極管經(jīng)聚光透鏡形成平行光,平行光以一定角度射向裂相指示光柵,由標尺光柵的反射光與指示光柵作用形成莫爾條紋,光電器件接收到的莫爾條紋光強信號經(jīng)電路處理后可得到兩光柵的相對位移。
c. 光纖位移傳感器分為元件型和反射型兩種型式。元件型位移傳感器通過壓力或應(yīng)變等形式作用在光纖上,使光在光纖內(nèi)部傳輸過程中,引起相位、振幅、偏振態(tài)等變化,只要能測得光纖的特性變化,即可測得位移,在這里光纖是作為敏感元件使用的。反射式光纖位移傳感器工作原理是入射光纖的光射向被測物體,被測物體反射的光一部分被接收光纖接收,根據(jù)光學(xué)原理可知反射光的強度與被測物體的距離有關(guān),通過測得反射光的強度,可知物體位移的變化。
(7)  超聲波位移傳感器[11]
它是利用超聲波在兩種介質(zhì)分界面上的反射特性而制作的。當(dāng)已知從發(fā)射超聲波脈沖開始時間到接收換能器接收到發(fā)射波為止的這個時間間隔,就可以計算出位移或物位。
2.2  位移傳感器發(fā)展現(xiàn)狀
伴隨著各國航空航天、船舶等軍事領(lǐng)域,及工業(yè)控制和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展,對位移傳感器的需求量也不斷上升,同時要求位移傳感器不斷地進行技術(shù)革新,不斷地有新技術(shù)、新材料的運用,以滿足不同場合、不同環(huán)境條件的需求。具有代表性的新技術(shù)有:
(1)  自從導(dǎo)電塑料這種特殊的材料偶然發(fā)現(xiàn)以來,隨著研究的不斷深入,其應(yīng)用也越來越廣泛。21世紀初,德國、日本和美國就開始將其用在精密角度傳感器中作為敏感材料,將其制成電阻膜,使老式的傳感器式角度傳感器的結(jié)構(gòu)大為精簡,克服了傳統(tǒng)的繞線式電位器位移傳感器的分辨力差、摩擦阻力大和碳膜式電位器位移傳感器的電噪聲大、耐磨性差、使用壽命短的不足。輸出精度大大提高,且具備極強的抗噪聲能力和超長的機械壽命,被廣泛應(yīng)用于雷達、導(dǎo)彈、火炮等軍事設(shè)備中,并已經(jīng)拓展到民用領(lǐng)域。德國VOLFA位移傳感器的測量長度為50～1000mm,重復(fù)性為±0.013mm,線性為±0.05％,壽命長為5000萬次(*高),噪聲低,無斷解像度。
(2)  LVDT式位移傳感器由于其結(jié)構(gòu)簡單、抗惡劣環(huán)境好、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點,而一直受到位移傳感器使用者們的青睞。隨著近30年OEM技術(shù)在傳感器研制上的應(yīng)用和LVDT信號處理電路如AD698等的不斷開發(fā),使得傳感器正在逐漸向集成化、小型化和智能化發(fā)展。德國的米銥Micro-Epsilon、美國的Schaevitz、英國Micro-Epsilon等國際公司在LVDT傳感器行業(yè)走在了前列,其*高精度可達0.05％,絕對誤差1um,重復(fù)性0.1um;中國也有阜新祥銳傳感器有限責(zé)任公司、上海鑫杰傳感測控科技有限公司、北京匯金祥科技有限公司、合肥碩鋒電子科技有限公司等多家單位生產(chǎn)LVDT傳感器,且技術(shù)成熟,并已不斷開發(fā)出一體化、小型化的該類傳感器。
(3)  近幾年,采用了高科技材料和先進電子處理技術(shù)的磁致伸縮式位移傳感器,由于其測量范圍大(80～5000 m)、敏感元件無直接接觸、可在高溫高壓和高振蕩等極惡劣的工業(yè)環(huán)境中工作,不易受油漬、溶液、塵�；蚱渌�污染的影響等優(yōu)勢,而被越來越多地用到工業(yè)自動控制的液位、位置、位移測量。在國外,美國MTS磁致伸縮位移傳感器等公司生產(chǎn)的磁致伸縮位移傳感器走在前列,其非線性為0.05％FS,重復(fù)性為0.002%FS,遲滯*大為0.001in;美國RENYWELL公司又*新開發(fā)了基于該原理的非接觸絕對位移傳感器,采用DUALWAVEPULSE專利技術(shù),將電磁感應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)、差動補償原理、誤差平均效應(yīng)和模塊化設(shè)計有機結(jié)合,顯著提高信噪比,降低工藝要求,實現(xiàn)大批量快速生產(chǎn)。在國內(nèi),北京航天金泰星測技術(shù)有限公司自1996年開始此時伸縮技術(shù)研究,生產(chǎn)的傳感器已達到該類產(chǎn)品國際水平。
(4)  三角測量法是一種位移測量方法,其*大優(yōu)點是非接觸性測量。隨著激光器的誕生及新的光電掃描技術(shù)與陣列型光電探測器的發(fā)展,計算機控制與數(shù)據(jù)處理使這種傳統(tǒng)的方法有了很多新的進展。在國外,有代表性的該類產(chǎn)品有德國Micro-Epsilon公司的opto NCDT系列,其線性度達0.03%～0.1%,分辨率為0.005%～0.01%,美國MTI公司的Micro TRAK系列等多種型號直射式位移傳感器,其線性度達0.05%;日本Keyence公司的LD系列斜射式激光位移傳感器。
(5)  由于低損耗光導(dǎo)纖維問世和檢測用特殊光纖的開發(fā),在光纖應(yīng)用領(lǐng)域繼光纖通信技術(shù)之后,又出現(xiàn)了一門嶄新的光纖傳感器過程技術(shù)。自20世紀80年代以來,光纖傳感技術(shù)受到世界各國的*重視,美國、日本和西歐等國家投入巨資開展光纖傳感器的研究和開發(fā)。20多年來,光纖傳感器一直被設(shè)想為主導(dǎo)傳感技術(shù),但至今尚未實現(xiàn)。從目前國際上來看,美國和日本在光纖傳感器方面的開發(fā)和應(yīng)用處于領(lǐng)先地位。目前,國內(nèi)外很多專家學(xué)者在努力改變這種現(xiàn)狀,改進敏感元件的制作工藝和結(jié)構(gòu),探索新的敏感機理,充分發(fā)揮微處理器技術(shù)和計算機軟件功能以改善和補償光纖傳感器的性能,發(fā)展數(shù)字化、集成化、自動化和工程化的新型光纖位移傳感器,研制出適合于網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的光纖位移傳感器陣列和特殊測量要求的新型光纖位移傳感器是今后發(fā)展的趨勢。
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