位移傳感器原理及分類(lèi)和常見(jiàn)故障排除方法

人們以經(jīng)典電磁學(xué)為理論基礎，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(dòng)等物理量轉換為易于定量檢測、便于作信息傳輸與處理的電學(xué)量。這就是在生產(chǎn)生活中被廣泛應用的位移傳感器。

位移傳感器

位移傳感器又稱(chēng)為線(xiàn)性傳感器，是一種屬于金屬感應的線(xiàn)性 器件，傳感器的作用是把各種被測物理量轉換為電量。位移是和物體的位置在運動(dòng)過(guò)程中移動(dòng)有關(guān)的量，位移的測量方式所涉及的范圍是相當廣泛的。小位移通常用應變式、電感式、差動(dòng)變壓器式、渦流式、霍爾傳感器來(lái)檢測，大的位移常用感應同步器、光柵、容柵、磁柵等傳感技術(shù)來(lái)測量。其中光柵傳感器因具有易實(shí)現數字化、精度高(目前分辨率最高的可達到納米級)、抗干擾能力強、沒(méi)有人為讀數誤差、安裝方便、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)，在機床加工、檢測儀表等行業(yè)中得到日益廣泛的應用。

位移傳感器的分類(lèi)及原理

按工作原理分：

電位器式位移傳感器

它通過(guò)電位器元件將機械位移轉換成與之成線(xiàn)性或任意函數關(guān)系的電阻或電壓輸出。普通直線(xiàn)電位器和圓形電位器都可分別用作直線(xiàn)位移和角位移傳感器。

但是，為實(shí)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(gè)確定關(guān)系。電位器式位移傳感器的可動(dòng)電刷與被測物體相連。

物體的位移引起電位器移動(dòng)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。線(xiàn)繞式電位器由于其電刷移動(dòng)時(shí)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系統中用作位移反饋元件，則過(guò)大的階躍電壓會(huì )引起系統振蕩。因此在電位器的制作中應盡量減小每匝的電阻值。電位器式傳感器的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是易磨損。它的優(yōu)點(diǎn)是：結構簡(jiǎn)單，輸出信號大，使用方便，價(jià)格低廉。

磁致伸縮位移傳感器

磁致伸縮位移傳感器，通過(guò)內部非接觸式的測控技術(shù)精確地檢測活動(dòng)磁環(huán)的絕對位置來(lái)測量被檢測產(chǎn)品的實(shí)際位移值的。

是利用磁致伸縮原理、通過(guò)兩個(gè)不同磁場(chǎng)相交產(chǎn)生一個(gè)應變脈沖信號來(lái)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制成的。測量過(guò)程是由傳感器的電子室內產(chǎn)生電流脈沖，該電流脈沖在波導管內傳輸，從而在波導管外產(chǎn)生一個(gè)圓周磁場(chǎng)，當該磁場(chǎng)和套在波導管上作為位置變化的活動(dòng)磁環(huán)產(chǎn)生的磁場(chǎng)相交時(shí)，由于磁致伸縮的作用，波導管內會(huì )產(chǎn)生一個(gè)應變機械波脈沖信號，這個(gè)應變機械波脈沖信號以固定的聲音速度傳輸，并很快被電子室所檢測到。

這個(gè)應變機械波脈沖信號在波導管內的傳輸時(shí)間和活動(dòng)磁環(huán)與電子室之間的距離成正比，通過(guò)測量時(shí)間，就可以高度精確地確定這個(gè)距離。由于輸出信號是一個(gè)真正的絕對值，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(wú)需定期重標。

磁致伸縮位移傳感器是根據磁致伸縮原理制造的高精度、長(cháng)行程絕對位置測量的位移傳感器。它采用內部非接觸的測量方式，由于測量用的活動(dòng)磁環(huán)和傳感器自身并無(wú)直接接觸，不至于被摩擦、磨損，因而其使用壽命長(cháng)、環(huán)境適應能力強，可靠性高，安全性好，便于系統自動(dòng)化工作，即使在惡劣的工業(yè)環(huán)境下(如容易受油潰、塵?；蚱渌奈廴緢?chǎng)合)，也能正常工作。傳感器采用了高科技材料和先進(jìn)的電子處理技術(shù)，因而它能應用在高溫、高壓和高振蕩的環(huán)境中。傳感器輸出信號為絕對位移值，即使電源中斷、重接，數據也不會(huì )丟失，更無(wú)須重新歸零。由于敏感元件是非接觸的，就算不斷重復檢測，也不會(huì )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3米或更長(cháng)，標稱(chēng)精度為0.05% F·S，行程1米以上傳感器精度可達0.02% F.S，重復性可達0.002% F·S，因此它得到廣泛的應用。

按運動(dòng)方式分

直線(xiàn)位移傳感器

直線(xiàn)位移傳感器的功能在于把直線(xiàn)機械位移量轉換成電信號。為了達到這一效果，通常將可變電阻滑軌定置在傳感器的固定部位，通過(guò)滑片在滑軌上的位移來(lái)測量不同的阻值。傳感器滑軌連接穩態(tài)直流電壓，允許流過(guò)微安培的小電流，滑片和始端之間的電壓，與滑片移動(dòng)的長(cháng)度成正比。將傳感器用作分壓器可最大限度降低對滑軌總阻值精確性的要求，因為由溫度變化引起的阻值變化不會(huì )影響到測量結果。

角度位移傳感器

角度位移傳感器應用于障礙處理：使用角度傳感器來(lái)控制你的輪子可以間接的發(fā)現障礙物。原理非常簡(jiǎn)單：如果馬達角度傳感器構造運轉，而齒輪不轉，說(shuō)明你的機器已經(jīng)被障礙物給擋住了。此技術(shù)使用起來(lái)非常簡(jiǎn)單，而且非常有效;唯一要求就是運動(dòng)的輪子不能在地板上打滑(或者說(shuō)打滑次數太多)，否則你將無(wú)法檢測到障礙物。一個(gè)空轉的齒輪連接到馬達上就可以避免這個(gè)問(wèn)題，這個(gè)輪子不是由馬達驅動(dòng)而是通過(guò)裝置的運動(dòng)帶動(dòng)它：在驅動(dòng)輪旋轉的過(guò)程中，如果惰輪停止了，說(shuō)明你碰到障礙物了。

按檢測材質(zhì)分

霍耳式位移傳感器

它的測量原理是保持霍耳元件(見(jiàn)半導體磁敏元件)的激勵電流不變，并使其在一個(gè)梯度均勻的磁場(chǎng)中移動(dòng)，則所移動(dòng)的位移正比于輸出的霍耳電勢。磁場(chǎng)梯度越大，靈敏度越高;梯度變化越均勻，霍耳電勢與位移的關(guān)系越接近于線(xiàn)性。圖2中是三種產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的磁系統：a系統的線(xiàn)性范圍窄，位移Z=0時(shí)，霍耳電勢≠0;b系統當Z《2毫米時(shí)具有良好的線(xiàn)性，Z=0時(shí)，霍耳電勢=0;c系統的靈敏度高，測量范圍小于1毫米。圖中N、S分別表示正、負磁極?；舳轿灰苽鞲衅鞯膽T性小、頻響高、工作可靠、壽命長(cháng)，因此常用于將各種非電量轉換成位移后再進(jìn)行測量的場(chǎng)合。

光電式位移傳感器

它根據被測對象阻擋光通量的多少來(lái)測量對象的位移或幾何尺寸。特點(diǎn)是屬于非接觸式測量，并可進(jìn)行連續測量。光電式位移傳感器常用于連續測量線(xiàn)材直徑或在帶材邊緣位置控制系統中用作邊緣位置傳感器。

位移傳感器又稱(chēng)為線(xiàn)性傳感器，是一種屬于金屬感應的線(xiàn)性 器件，傳感器的作用是把各種被測物理量轉換為電量。本文詳解位移傳感器的選型及常見(jiàn)故障排除方法。

位移傳感器的選型

位移傳感器的選型，要滿(mǎn)足下列指標的要求：

1、靈敏度方面的技術(shù)指標

對于一個(gè)儀器來(lái)說(shuō)，一般都是靈敏度越高越好的，因為越靈敏，對周?chē)h(huán)境發(fā)生的加速度的變化就越容易感受到，加速度變化大，很自然地，輸出的電壓的變化相應地也變大，這樣測量就比較容易方便，而測量出來(lái)的數據也會(huì )比較精確的。

2、零點(diǎn)溫度

環(huán)境溫度的變化引起的零點(diǎn)平衡變化。一般以溫度每變化10℃時(shí)，引起的零點(diǎn)平衡變化量對額定輸出的百分比來(lái)表示，即傳感器不受壓時(shí)的輸入由溫度變更引起的漂移。

3、帶寬方面的技術(shù)指標

帶寬指的的是傳感器可以測量的有效的頻帶，比如，一個(gè)傳感器有上百HZ帶寬的就可以測量振動(dòng)了，一個(gè)具有五十HZ帶寬的傳感器就可以有效測量?jì)A角了。

4、輸出方式的技術(shù)指標

數字輸出和模擬輸出兩種方式。數字式傳感器向儀表輸入的是數字信號，如數量、重量等;模擬式傳感器向儀表輸入的是模擬量信號，如電壓、電流等。

5、量程方面的技術(shù)指標

測量不一樣的事物的運動(dòng)所需要的量程都是不一樣的，要根據實(shí)際情況來(lái)衡量。

6、極限過(guò)載

傳感器能承受的不使其喪失工作能力的最大負荷。意思是當工作超過(guò)此值時(shí)，傳感器將會(huì )受到永久損壞。

7、傳感器增益

就是傳感器的原始信號輸出放大倍率。

常見(jiàn)故障及排障方法

直線(xiàn)位移傳感器的工作原理是跟滑動(dòng)變阻器一樣的，它作為分壓器使用的，它是以相對的輸出電壓來(lái)呈現出所測量位置的實(shí)際上的位置。

1、如果電子尺已經(jīng)使用很長(cháng)時(shí)間了，而且密封已經(jīng)老化，同時(shí)夾雜著(zhù)很多雜質(zhì)，而且水混合物和油會(huì )嚴重影響電刷的接觸電阻的，這樣會(huì )使顯示的數字不停地跳動(dòng)。這個(gè)時(shí)候可以說(shuō)直線(xiàn)位移傳感器的電子尺已經(jīng)損壞了，需要更換。

2、若電源的 容量很小，就會(huì )出現很多情況的：熔膠的運動(dòng)會(huì )使合模電子尺的顯示變換，有波動(dòng)，或 者合模的運動(dòng)會(huì )使射膠電子尺的顯示波動(dòng)，造成測量結果誤差很大。如果電磁閥的驅動(dòng)電源于電子尺供電電源同時(shí)在一起的時(shí)候，更容易出現以上的情況，情況嚴重 時(shí)用萬(wàn)用表的電壓檔甚至可以測量到電壓的有關(guān)波動(dòng)。如果情況不是因為高頻干擾、靜電干擾或者是中性不夠好的造成的，那么就有可能是電源的功率太小造成的。

3、調頻干擾和靜電干擾都有可能讓直線(xiàn)位移傳感器的電子尺的顯示數字跳動(dòng)的。電子尺的信號線(xiàn)與設備的強 電線(xiàn)路要分開(kāi)線(xiàn)槽。電子尺必須要強制性地使用接地支架，而且同時(shí)讓電子尺的外殼跟地面良好地接觸。信號線(xiàn)需要使用屏蔽線(xiàn)，而且電箱的一段應該跟屏蔽線(xiàn)接地 的。如果有高頻干擾的時(shí)候，通常使用萬(wàn)用表的電壓測量就會(huì )顯示正常，但是顯示數字就是會(huì )跳動(dòng)不停的;而出現靜電干擾時(shí)，出現的情況也是跟高頻干擾一樣的。

要證明看是否是靜電干擾時(shí)，可以先使用一段電源線(xiàn)把電子尺的封蓋螺絲跟機器上的某一些的金屬短接起來(lái)就可以了，只要一短接起來(lái)，靜電干擾就會(huì )馬上消除掉 的。但是如果要消除掉高頻干擾就很難用上面的方法了，變頻節電器和機器手都經(jīng)常出現高頻干擾的，所以可以試一下用停止高頻節電器或者機械手的方法來(lái)驗證是 不是高頻干擾的。

4、如果直線(xiàn)位移傳感器的電子尺在工作的過(guò)程當中，在某一點(diǎn)的顯示數據有規律地跳動(dòng)，或者是沒(méi)有顯示數據的時(shí)候，出現這種情況就需要檢查連接線(xiàn)絕緣是不是出現破損的現象，并且跟機器的外殼很有規律地接觸而導致的對地短路。

5、供電的電壓一定要穩定，工業(yè)的電壓需要符合±0.1[%]的穩定性，例如，基準電壓是10V的話(huà)， 就可以允許有±0.01V的波動(dòng)變化，如果不是的話(huà)，就會(huì )引起顯示的圈套波動(dòng)這樣的情況。但是如果這個(gè)時(shí)候的顯示波動(dòng)的幅度沒(méi)有超過(guò)波動(dòng)電壓的波動(dòng)的幅度 的話(huà)，那么電子尺就是正常的了。

6、安裝直線(xiàn)位移傳感器的對中性需要很好，但是平行度可以允許有±0.5mm的誤差，角度可以允許有±12°的誤差。但是如果平行度誤差和角度誤差都是偏大的話(huà)，這樣會(huì )出現顯示數字跳動(dòng)的情況。那么出現這樣的情況的時(shí)候，必須要對平行度和角度進(jìn)行調整了。

7、在連接的過(guò)程當中，一定要多加注意，電子尺的三條線(xiàn)是不可以接錯的，電源線(xiàn)和輸出線(xiàn)是不可以調換的。如果上面的線(xiàn)接錯的話(huà)，就會(huì )出現線(xiàn)性誤差很大的情況，要控制的話(huà)是很難的，控制的精度也會(huì )變得很差，而顯示很容易出現跳動(dòng)的現象等等。

位移傳感器種類(lèi)繁多，應用領(lǐng)域不斷擴大，同時(shí)有越來(lái)越多的創(chuàng )新技術(shù)被運用到傳感器中，如基于 OEM 的 LVDT技術(shù)、超聲波技術(shù)、磁致伸縮技術(shù)、光纖技術(shù)、時(shí)柵技術(shù)等，位移傳感器技術(shù)已取得了突破性進(jìn)展。由于技術(shù)的進(jìn)步，使得各種傳感器性能大幅度提高，成本大幅度降低，從而極大地擴展了應用范圍，形成了一個(gè)高速增長(cháng)的產(chǎn)業(yè)。