碳材料膨胀系数测试仪的高精度位移传感器选型与信号调理

一、高精度位移传感器选型​

（一）传感器类型及特点​

1. 电感式位移传感器 ：基于电磁感应原理，具有结构简单、抗干扰能力强、测量范围较大（通常可达数毫米至数十毫米）的特点，适合测量中等精度要求的位移变化。其线性度较好，能在一定程度上保证测量准确性，但对环境温度变化较为敏感，在高温环境下可能出现零点漂移。​
2. 电容式位移传感器 ：利用电容极板间距变化影响电容值的原理工作，分辨率极高，可实现亚微米甚至纳米级的测量精度，适用于对精度要求极高的碳材料膨胀系数测试。不过，该传感器易受周围环境介质和寄生电容的影响，对安装和使用环境要求较为苛刻。​
3. 光学式位移传感器 ：如激光干涉仪、光栅尺等，光学式位移传感器以光作为测量媒介，具有测量精度高（可达纳米级甚至更高）、非接触测量、响应速度快等优点，尤其适合测量微小位移变化。激光干涉仪可用于高精度的绝对位移测量，但其价格较高、系统复杂；光栅尺测量范围较大，常用于工业测量场景，但在安装时需保证光栅尺与读数头的平行度和间距，否则会影响测量精度。​
4. 应变式位移传感器 ：通过应变片将机械位移转换为电信号，具有灵敏度高、测量范围较广的特点。其线性度和稳定性较好，但长期使用后应变片可能出现疲劳现象，影响测量精度，且对温度变化较为敏感，需要进行温度补偿。​

（二）选型依据​

1. 测量精度要求 ：碳材料在温度变化下的膨胀位移通常较小，若需要达到纳米级的测量精度，优先选择电容式位移传感器或光学式位移传感器中的激光干涉仪；若对精度要求在微米级，电感式位移传感器、应变式位移传感器以及部分高精度光栅尺也能满足需求。​
2. 测量范围 ：根据碳材料的特性和测试温度范围，预估其可能产生的最大膨胀位移。如果测量范围在数毫米以内，多种传感器均可适用；若测量范围较大，光栅尺等具有较大测量量程的传感器更为合适。​
3. 环境适应性 ：考虑测试过程中的环境因素，如温度、湿度、电磁干扰等。在高温环境下，电感式和应变式位移传感器可能受温度影响较大，需谨慎选择；电容式位移传感器易受湿度影响；而光学式位移传感器对电磁干扰不敏感，适合在复杂电磁环境下使用。​
4. 成本因素 ：不同类型的传感器价格差异较大，激光干涉仪等高精度光学传感器成本高昂，电感式和应变式位移传感器成本相对较低。在满足测量精度和功能要求的前提下，可综合考虑成本因素选择合适的传感器。​
5. 响应速度 ：若需要快速捕捉碳材料在温度变化瞬间的位移变化，应选择响应速度快的传感器，如光学式位移传感器和电容式位移传感器。​

二、信号调理​

（一）信号放大​

传感器输出的电信号通常较为微弱，需要进行放大处理以便后续的采集和处理。对于电感式和应变式位移传感器，一般采用运算放大器构成的放大电路，如仪表放大器，它具有高共模抑制比、低噪声的特点，能有效放大微弱信号并抑制噪声干扰。对于电容式位移传感器，由于其输出电容变化量较小，常采用电荷放大器进行信号转换和放大，将电容变化转换为电压信号并进行放大。光学式位移传感器输出的信号类型多样，如激光干涉仪输出的干涉条纹信号，需要通过专门的信号处理电路将其转换为电信号并进行适当放大。​

（二）滤波处理​

在信号传输过程中，会受到各种噪声的干扰，如工频干扰、高频电磁干扰等。为了提高信号质量，需要进行滤波处理。对于低频噪声，可采用低通滤波器，滤除高频干扰信号；对于高频噪声，采用高通滤波器；若存在特定频率的干扰，可使用带阻滤波器。例如，在抑制 50Hz 工频干扰时，可设计一个 50Hz 陷波滤波器，有效去除该频率的干扰信号，使传感器输出的位移信号更加纯净。​

（三）线性化处理​

部分传感器的输出信号与位移之间并非严格的线性关系，如电容式位移传感器在极板间距变化较大时，其电容 - 位移特性会出现非线性。为了提高测量准确性，需要进行线性化处理。常用的方法有硬件线性化电路，如采用分段线性化电路，通过多个线性区间拟合非线性特性；也可采用软件算法进行线性化补偿，在数据采集后，利用微处理器或计算机通过数学模型对测量数据进行修正，使其符合线性关系。​

（四）温度补偿​

许多传感器的性能会受温度影响，产生零点漂移和灵敏度变化。对于受温度影响较大的传感器，如电感式、应变式位移传感器，需要进行温度补偿。可采用硬件补偿电路，如在传感器电路中加入温度敏感元件（如热敏电阻），根据温度变化调整电路参数，补偿温度对传感器输出的影响；也可采用软件补偿方法，建立温度 - 输出信号的数学模型，通过实时测量环境温度，对传感器输出信号进行修正。

审核编辑 黄宇