位移传感器的分类及原理

位移传感器是把物体的运动位移转换成可测量的电学量一种装置。通常用于把不便于定量检测和处理的位移、位置、形变、振动、尺寸等物理量转换为易于定量检测、便于作信息传输与处理的电学量。  

位移测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式（LVDT）、电涡流式、霍尔传感器来检测；大位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅、磁致伸缩式等传感技术来测量。位移传感器因具有易实现数字化、精度高、抗干扰能力强、适应恶劣环境、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表、汽车制造、航空航天等行业中得到广泛的应用。  

一、位移传感器的分类及原理  

1、按工作原理分：  

（1）电位器式位移传感器  

它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。  

物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。通常在电位器上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。  

① 线绕式电位器：由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯而变化，其输出特性亦呈阶梯形。如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件，则过大的阶跃电压会引起系统振荡。因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损。它的优点是：结构简单，输出信号大，使用方便，价格低廉。  

② 导电塑料位移传感器：用特殊工艺将DAP（邻苯二甲酸二稀丙脂）电阻浆料覆在绝缘机体上，加热聚合成电阻膜，或将DAP电阻粉热塑压在绝缘基体的凹槽内形成的实心体作为电阻体。  

③ 金属玻璃铀位移传感器：用丝网印刷法按照一定图形，将金属玻璃铀电阻浆料涂覆在陶瓷基体上，经高温烧结而成。特点是：阻值范围宽，耐热性好，过载能力强，耐潮，耐磨等都很好，是很有前途的电位器品种，缺点是接触电阻和电流噪声大。  

④ 金属膜位移传感器：金属膜电位器的电阻体可由合金膜、金属氧化膜、金属箔等分别组成。特点是分辨力高、耐高温、温度系数小、动噪声小、平滑性好。　  

优点：便宜，结构简单、线性和稳定性好等特点。  

缺点：外界环境变化较大时对传感器影响大，如温度等影响较大，分辨率不高。  

（2）磁致伸缩位移传感器  

磁致伸缩位移传感器，通过内部非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值。是利用磁致伸缩原理、通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。  

测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到。  

这个应变机械波脉冲信号在波导管内的传输时间和活动磁环与电子室之间的距离成正比，通过测量时间，就可以高度精确地确定这个距离。由于输出信号是一个真正的绝对值,而不是比例的或放大处理的信号,所以不存在信号漂移或变值的情况,更无需定期重标。  

磁致伸缩位移传感器是根据磁致伸缩原理制造的高精度、长行程绝对位置测量的位移传感器。它采用内部非接触的测量方式，由于测量用的活动磁环和传感器自身并无直接接触，不至于被摩擦、磨损，因而其使用寿命长、环境适应能力强，可靠性高，安全性好，便于系统自动化工作，即使在恶劣的工业环境下(如容易受油溃、尘埃或其他的污染场合)，也能正常工作。  

传感器采用了高科技材料和先进的电子处理技术，因而它能应用在高温、高压和高振荡的环境中。传感器输出信号为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零。  

由于敏感元件是非接触的，就算不断重复检测，也不会对传感器造成任何磨损，可以大大地提高检测的可靠性和使用寿命。行程可达5米或更长，标称精度为0.05% F·S，行程1米以上传感器精度可达0.02% F.S，重复性可达0.002% F·S，因此它得到广泛的应用。  

优点：高可靠性、高分辨率、耐油抗污、非接触的测量方式，使用寿命长、环境适应能力强，安全性好；即使在恶劣的工业环境下，也能正常工作，对各种运动部件的位移（位置）、速度进行连续、精确、实时的检测。此外，它还能承受高温、高压和强振动。  

缺点：容易受到磁场干扰，不能与导磁材料一起使用。  

（3）光栅式位移传感器  

光栅式位移传感器传感器指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线密度为 10～100线/毫米。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。  

传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成。标尺光栅相对于指示光栅移动时，便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、整形、计数系统产生数字信号输出，直接显示被测的位移量。  

传感器光路形式有两种：一种是透射式光栅，它的栅线刻在透明材料（如工业用白玻璃、光学玻璃等）上；另一种是反射式光栅，它的栅线刻在具有强反射的金属（不锈钢）或玻璃镀金属膜（铝膜）上。这种传感器的优点是量程大和精度高。  

光栅式传感器应用在程控、数控机床和三坐标测量机构中，可测量静、动态的直线位移和整圆角位移。在机械振动测量、变形测量等领域也有应用。  

优点：检测范围大，检测精度高，响应速度快  

缺点：接触式的量，测量速度一般为1.5m/s以内，只能用于静态测量。  

（4）LVDT位移传感器  

LVDT位移传感器是线性差动变压式位移传感器的简称，LVDT位移传感器工作原理是，在一个空心的骨架上绕了3组线圈，一组初级线圈两组次级线圈，当给初级线圈通电时空心的骨架内会形成一个磁场，在一个导磁的铁芯插入中空的骨架里面时，由于切割磁感应线原理两个次级线圈会形成一个微弱的交流电压，当铁芯移动到某个次级线圈的位置多一点时这个次级线圈输出的电压相对于另一个线圈的电压要要大一些，按照搞这个规律把两个次级线圈输出的电压值经过放大，再把两个电压值相减，得出一个差值，这个差值与铁芯在空心骨架里面移动位移是成正比例线性关系的，这个差值再经过处理可以处理成-5V、0-10V、4-20mA等模拟量信号或者Modbus SSI等数字量信号，也是我们使用的LVDT正常输出的信号。  

优点：非接触原理，使用寿命长；响应速度快；高线性度；重复性好；很宽的量程覆盖范围；低故障/功耗低/输入、输出的多样性；动态特性好，可用于高速在线检测，进行自动测量，自动控制；可在潮湿，粉尘等恶劣环境下使用；特殊条件下可工作，如耐高压，高温，耐辐射，全密土封在水下工作；能承受冲击达150g/11ms ，振动频率2KHZ加速度20g；体积小，价格低，性能价格比高。  

缺点：对于超大行程来说(超过1米)，生产难度大，传感器和拉杆长度将达2米以上，使用不方便，且线性度也不高。  

（5）激光位移传感器  

激光位移传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成的测量仪表。能够精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化。可以测量位移、厚度、振动、距离、直径等精密的几何测量。   优点：激光有线性度好的优良特性，激光位移传感器相对于超声波传感器有更高的精度。  

缺点：激光的产生装置相对比较复杂且体积较大，因此会对应用范围要求较苛刻。要求测量空间较大，不太适用于小空间。  

（6）电涡流位移传感器  

电涡流传感器能静态和动态非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。  

优点：非接触测量、体积更小、可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高；高分辨率和高采样率；可自行调整零位、增益和线性；可选择延长电缆、温度补偿等功能；可测铁磁和非铁磁所有金属材料；具有多传感器同步功能；不受潮湿、灰尘的影响，对环境要求低；在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。

缺点：不能测量非金属。  

（7）电容式位移传感器  

电容位移传感器是一种非接触电容式原理的精密测量仪器。电容式位移传感器的电容器极板多为金属材料，极板间衬物多为无机材料，如空气、玻璃、陶瓷、石英等;因此可以在高温、低温强磁场、强辐射下长期工作，尤其是解决高温高压环境下的检测难题。在国内研究所，高等院校、工厂和军工部门得到广泛应用，成为科研、教学和生产中一种不可缺少的测试仪器。  

该传感器还可与控制室中的二次仪表或控制器相连，在线、连续、实时的检测各种数据然后直接显示，远程控制和报警。实现数据存储，传输和控制功能。广泛应用于各种注塑机中。  

电容式位移传感器尤其适合缓慢变化或微小量的测量，一般来说采用电容式传感器进行检测比较适宜。电容式位移传感器的这些性能必然促使其应用范围越来越广泛。主要用于解决压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望远镜镜片微调，精密微位移测量等测量问题。  

优点：具有一般非接触式仪器所共有的无磨擦、无损磨和无惰性特点外，还具有信噪比大，灵敏度高，零漂小，频响宽，非线性小，精度稳定性好，抗电磁干扰能力强和使用操作方便等优点。  

缺点：量程比较小，一般只有几十个毫米，容易受外界干扰和分布参数的影响。  

（8）霍尔式位移传感器  

霍尔位移传感器主要由两个半环形磁钢组成的梯度磁场和位于磁场中心的锗材料半导体霍尔片（敏感元件）装置构成。此外，还包括测量电路（电桥、差动放大器等）及显示部分。  

是两个结构相同的直流磁路系统共同形成一个沿x 轴的梯度磁场。为使磁隙中的磁场得到较好的线性分布，在磁极端面装有特殊形式的极靴。用它制作的位移传感器灵敏度很高。霍尔片置于两个磁场中，细心调整它的初始位置，即可使初始状态的霍尔电势为零。它的位移量较小，适于测量微位移和机械振动等。  

霍尔测位移有两种：一种是用线性霍尔测元件与磁铁之间的距离，根据线性霍尔元件的输出信号可判断出与磁铁的间距，此种方式应用有测试纸张厚度，金属材料形变等微小位移，也有油门踏板等距离稍大的应用；另一种是用开关型霍尔元件做机械的角度或者位移定位。比如汽车换挡杆的档位检测，换挡杆到相应位置时下面有个霍尔传感器，此时就能感应到档位。这类应用非常多。  

特点：  

( 1)传感器的控制电流为 1 ～ 5mA,功耗 小、灵敏度高、分辨率高 ;  ( 2)原理简单、实现方法容易、可靠性高、重复性好;   ( 3)体积小、重量轻、寿命长;   ( 4)检测电路稳定可靠 ,测试结果稳定到 5位读数 ,精度高;   ( 5)硬件的补偿可以基本上消除温度对 传感器的影响;   ( 6)易于推广到其他非电量如振动、流量、压力、压差等领域的测试 ,具有一定的推广应用价值。  

优点：输出变化量大、灵敏度高、分辨力高、质量轻、 惯性小、反应速度快;霍尔元件的频响范围宽 ,适合作为动态位移测试。  

（9）超声波位移传感器  

超声波位移传感器是采用超声波回波测距原理，运用精确的时差测量技术，检测传感器与目标物之间的距离的传感器。  

优点：非接触式测量，比较卫生，测量准确，无接触，防水，可以检测腐蚀性很高的介质。可应于液位，物位检测，特有的液位，料位检测方式，可保证在液面有泡沫或大的晃动，不易检测到回波的情况下有稳定的输出。  

缺点：超声波的发生接收对环境的要求比较高，在环境比较恶劣的情况下，超声波传感器不怎么适用。  

2、按运动方式分  

（1）直线位移传感器  

直线位移传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号。为了达到这一效果，通常将可变电阻滑轨定置在传感器的固定部位，通过滑片在滑轨上的位移来测量不同的阻值。传感器滑轨连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流、电压，与滑片移动的长度成正比。将传感器用作分压器可最大限度降低对滑轨总阻值精确性的要求，因为由温度变化引起的阻值变化不会影响到测量结果。  

（2）角度位移传感器  

角度位移传感器应用于障碍处理：使用角度传感器来控制你的轮子可以间接发现障碍物。原理非常简单：如果马达角度传感器构造运转，而齿轮不转，说明你的机器已经被障碍物给挡住了。   此技术使用起来非常简单，而且非常有效；唯一要求就是运动的轮子不能在地板上打滑（或者说打滑次数太多），否则你将无法检测到障碍物。  

二、位移传感器的选型  

位移传感器的选型，要满足下列指标的要求：  

1、灵敏度方面的技术指标：对于一个仪器来说，一般都是灵敏度越高越好的，因为越灵敏，对周围环境发生的加速度的变化就越容易感受到，加速度变化大，很自然地，输出的电压的变化相应地也变大，这样测量就比较容易方便，而测量出来的数据也会比较精确的。  

2、零点温度：环境温度的变化引起的零点平衡变化。一般以温度每变化10℃时，引起的零点平衡变化量对额定输出的百分比来表示，即传感器不受压时的输入由温度变更引起的漂移。  

3、带宽方面的技术指标：带宽指的的是传感器可以测量的有效的频带，比如，一个传感器有上百HZ带宽的就可以测量振动了，一个具有五十HZ带宽的传感器就可以有效测量倾角了。  

4、输出方式的技术指标：数字输出和模拟输出两种方式。数字式传感器向仪表输入的是数字信号，如数量、重量等；模拟式传感器向仪表输入的是模拟量信号，如电压、电流等。  

5、量程方面的技术指标：测量不一样的事物的运动所需要的量程都是不一样的，要根据实际情况来衡量。  

6、极限过载：传感器能承受的不使其丧失工作能力的最大负荷。意思是当工作超过此值时，传感器将会受到永久损坏。  

7、传感器增益：传感器的原始信号输出放大倍率。   

审核编辑：刘清