基礎知識之線(xiàn)性位移傳感器

　　線(xiàn)性位移傳感器又稱(chēng)為線(xiàn)性傳感器，把位移轉換為電量的傳感器。線(xiàn)性位移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它分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器。 

電位器式位移傳感器工作原理

　　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。

磁致伸縮位移傳感器原理

　　它主要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。它的缺點(diǎn)是可能會(huì )受到環(huán)境的磁場(chǎng)變化和外界物體的干擾影響，造成信號不穩定。優(yōu)點(diǎn)是作為非接觸式的位移傳感器，它對于液體中使用是非常合適的，特別是液壓缸內部的使用，所以，一般只要液壓缸內部用的位移傳感器都是用的磁致伸縮位移傳感器。

LVDT位移傳感器原理

　　LVDT(Linear.Variable.Differential.Transformer)是線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器縮寫(xiě)。工作原理簡(jiǎn)單地說(shuō)是鐵芯可動(dòng)變壓器。它由一個(gè)初級線(xiàn)圈、兩個(gè)次級線(xiàn)圈、鐵芯、線(xiàn)圈骨架、外殼等部件組成。當鐵芯由中間向兩邊移動(dòng)時(shí)，次級兩個(gè)線(xiàn)圈輸出電壓之差與鐵芯移動(dòng)成線(xiàn)性關(guān)系。

　　當初級線(xiàn)圈P1，P2之間供給一定頻率的交變電壓時(shí)，鐵芯在線(xiàn)圈內移動(dòng)改變了空間的磁場(chǎng)分布，從而改變了初、次級線(xiàn)圈之間的互感量，次級線(xiàn)圈S11，S22之間就產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，隨著(zhù)鐵心的位置不同，互感量也不同，次級產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢也不同，這樣就將鐵芯的位移量變成了電壓信號輸出，由于兩個(gè)次級線(xiàn)圈電壓極性相反,參見(jiàn)圖1,輸出電壓為差動(dòng)電壓

　　當鐵芯往右移動(dòng)時(shí)，次級線(xiàn)圈2感應的電壓大于次級線(xiàn)圈1；當鐵芯往左移動(dòng)時(shí)，次級線(xiàn)圈1感應的電壓大于次級線(xiàn)圈2，兩線(xiàn)圈輸出的電壓差值大小隨鐵芯位移而成線(xiàn)性變化。圖2中的虛線(xiàn)范圍內是傳感器的量程，當鐵芯移動(dòng)行程大于100%時(shí)（虛線(xiàn)之外段），兩次級線(xiàn)圈輸出電壓的差值與鐵芯位移線(xiàn)性關(guān)系變差。零點(diǎn)兩邊的實(shí)線(xiàn)段一般是對稱(chēng)的測量范圍，兩者都是交流信號而相位差180度。實(shí)際的LVDT線(xiàn)圈通常與殼體緊固為一體，鐵芯與測桿緊固為另一體，當兩體間發(fā)生相對位移時(shí)，就產(chǎn)生位移電壓輸出。

3.1、激光位移傳感器的應用

　　激光傳感器常用于長(cháng)度、距離、振動(dòng)、速度、方位等物理量的測量，還可用于探傷和大氣污染物的監測等。

3.2、角度位移傳感器的應用

• 地理：山體滑坡，雪崩。
• 鉆井：精確鉆井傾斜控制。
• 民用：大壩，建筑，橋梁，玩具，報警，運輸。
• 火車(chē)：高速列車(chē)轉向架和客車(chē)車(chē)廂的傾斜測量。
• 海事：縱傾和橫滾控制，油輪控制，天線(xiàn)位置控制。
• 機械：傾斜控制，大型機械對準控制，彎曲控制，起重機。
• 軍用：火炮和雷達調整，初始位置控制，導航系統，軍用著(zhù)陸平臺控制。
• 工業(yè)：吊車(chē)，吊架，收割機，起重機，稱(chēng)重系統的傾斜補償，瀝青機，鋪路機等。

3.3、磁致伸縮位移傳感器的應用

　　注塑機、壓鑄機、吹瓶機、液壓機、鞋機、橡膠機、輪胎硫化機、壓延機、五金機械(監控模具厚度變化和平衡)、鋼廠(chǎng)軋輥調節、盾構機、液壓伺服系統、液位檢測和控制。

　　 位移傳感器在定量灌裝機中的高精度控制　　

　　動(dòng)態(tài)計量關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)是量筒內液位的精確檢測，磁致伸縮位移傳感器以其可靠性、高分辨率、微小的溫漂值和豐富的接口信號完美地契合了精確定量灌裝的技術(shù)要求，成為主流旋轉式自動(dòng)定量灌裝機廠(chǎng)家的產(chǎn)品中標配組件。
　　磁致伸縮傳感器的高精度檢測位移值通過(guò)匹配的信號接口傳送到自動(dòng)化控制系統參與控制，已經(jīng)成熟的解決方案通常會(huì )采用模擬量信號、SSI串行同步信號和CANOpen總線(xiàn)信號三者之一構建系統。

3.4、直線(xiàn)位移傳感器(電子尺)的應用領(lǐng)域

　　注塑機、壓鑄機、吹瓶機、液壓機、鞋機、磚機、砌垛機、陶瓷機械、列車(chē)軌距監測、橡膠機、輪胎硫化機、壓延機、五金機械(監控模具厚度變化和平衡)、皮革機械、比例閥、長(cháng)行程鉆管機、彈簧機械、木工機械、板材設備、印刷機械(刷輥運動(dòng)、裁紙等)、鋼廠(chǎng)軋輥調節、機械手、自動(dòng)門(mén)(列車(chē)及大廳)、裁床(裁鋼管、木板、線(xiàn)材等)、橋梁監測、煤炭設備(掘進(jìn)機、坑道支架、塌方監測等)、地質(zhì)監測(如：塌方、潰堤)。

　　靜磁柵位移傳感器在升降梯控制系統中的應用

　　升降梯是現代建筑內關(guān)系到人民生命財產(chǎn)安全的重要交通工具，是樓層用以固定提升的成套設備， 它由提升曳引系統、引導系統、安全裝置和電控系統組成。如何提高電梯的運行效率、降低電梯能耗以及減少機械磨損、延長(cháng)電梯的使用壽命，都是非常重要的研究課題。

　　靜磁柵位移傳感器在電梯控制系統中的作用是電梯平層控制的調整，電控系統是電梯的“中樞神經(jīng)”， 為了使電梯具有較高的運行效率，加減速度應該有一個(gè)合適的限度，而且變化要平穩，需要有一個(gè)設計合理的電控系統。

　　靜磁柵位移傳感器由“靜磁柵源”和“靜磁柵尺”兩部分結合使用?！办o磁柵源”使用鋁合金壓封無(wú)源釹鐵硼磁柵組成磁柵編碼陣列；“靜磁柵尺”用內藏嵌入式微處理器系統的特制高強度鋁合金管材封裝，使用開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器件組成霍爾編碼陣列，鋁合金管材外部使用防氧化鍍塑處理?！办o磁柵源”沿“靜磁柵尺”軸線(xiàn)作無(wú)接觸（相對間隙寬容度和相對姿態(tài)寬容度達50mm）相對運動(dòng)時(shí)，由“靜磁柵尺”解析出數字化位移信息，直接產(chǎn)生高于毫米數量級的位移量數字信號。充分發(fā)掘嵌入式微處理器的資源，將數據更新速度提高到毫秒數量級，以便能適應5m/S以下運動(dòng)速度的位移響應。

3.5、拉繩/拉線(xiàn)位移傳感器的應用領(lǐng)域

　　舞臺屏幕設備、皮革機械、盾構機、長(cháng)行程鉆管機、彈簧機械、木工機械、板材設備、印刷機械(刷輥運動(dòng)、裁紙等)、機械手、自動(dòng)門(mén)(列車(chē)及大廳)、裁床(裁鋼管、木板、線(xiàn)材等)、橋梁監測、電梯平層、升降機、水閘開(kāi)度、水庫水位、行車(chē)、工程車(chē)、龍門(mén)吊、港口設備、煤炭設備。

　　位移傳感器在盾構機中的應用

　　在隧道施工設備中，不同形式的盾構機，其主機的結構特點(diǎn)和配套設施也不相同。在一些復雜的盾構機上， 盾構機的功能是系統和多樣化的。包括：機械、液壓、測量和控制等多種功能。例如，在一些復合式盾構機上，就包括有開(kāi)挖系統、主驅動(dòng)系統、推進(jìn)系統、注漿系統、液壓系統等多種功能。

　　作為一種線(xiàn)性傳感器，位移傳感器主要用來(lái)測量線(xiàn)性位置上的機械位移， 在盾構機推進(jìn)系統的每組油缸，都配備有位移傳感器，用于測量油缸推進(jìn)時(shí)的位移數據。盾構機推進(jìn)系統油缸的分組通常如下圖所示分區，頂部（A組）、右部（B組）、底部（C組）、左部（D組）。其中每組油缸都單獨安裝有位移傳感器。

　　推進(jìn)時(shí)，推進(jìn)油缸伸出，撐靴作用到管片上提供盾構機前進(jìn)的反力。油缸的壓力可以獨立調節，通過(guò)查看位移傳感器監測到的每組油缸的推進(jìn)數據，施工人員在控制室內可以實(shí)時(shí)監控每組油缸的行程和壓力。通過(guò)調整每組油缸的推進(jìn)壓力和速度，可實(shí)現盾構機的糾偏和調向。

　　LVDT 位移傳感器是一個(gè)只包含幾個(gè)線(xiàn)圈和一個(gè)亞鐵芯線(xiàn)的簡(jiǎn)單器件，可以承受高強度的沖擊和振動(dòng)，即使在極臟時(shí)運行也能符合規格。

　　LVDT 線(xiàn)性位移傳感器可以測量各種大小的移動(dòng)，小到百萬(wàn)分之一英寸，這對將某些閥門(mén)移動(dòng)的測量精確到微小級別至關(guān)重要。例如，由于排放閥是調節閥，因而必須打開(kāi)到特定程度，具體取決于發(fā)電量。通過(guò)確認閥門(mén)已開(kāi)合到適當程度，工廠(chǎng)能夠提高運行效率，從而達到節約燃料的目的。

　　LVDT 線(xiàn)性位移傳感器如今可使用合金和鈦等現代材料包裝，以應對燃氣輪機常有的極端溫度和極不穩定的環(huán)境。鈷和鎳等特殊合金可使 LVDT 具有更高的性能。

　　LVDT 線(xiàn)性位移傳感器性能可靠、可重復使用、準確度高，而且成本較低，無(wú)論是在燃氣輪機運行還是在工廠(chǎng)改造項目中皆能發(fā)揮重要作用，最大限度提高效率。

　　在仿真動(dòng)作的娛樂(lè )動(dòng)感舞臺上，對位移傳感器的需求也非常的多。目前，在很多城市的大型娛樂(lè )場(chǎng)所，從只能容納2至3人的小型機動(dòng)飛船，到幾十甚至上百人的大型動(dòng)感影院，到處可見(jiàn)。尤其是在大型的主題公園如全球的迪士尼世界、大型影城等場(chǎng)所。為達到機械裝置安全性和穩定性的要求，這些系統基本上都是以液壓推動(dòng)。它們就普遍采用一些帶位移傳感器的長(cháng)行程液壓缸，隨著(zhù)編定好的程序作出多種不同類(lèi)型和方向的動(dòng)作，隨著(zhù)觀(guān)眾的身體移動(dòng)，讓他們體會(huì )到身臨其境的真實(shí)感。

　　位移傳感器通常被安裝于在長(cháng)行程的液壓缸上，主要是為了實(shí)現活塞桿的精確位移，這樣才能確保在對活塞的位置測量的基礎上,而實(shí)現遠程控制。

　　這種情況下，對于位移傳感器的要求是能提供一個(gè)長(cháng)行程，長(cháng)達10米或以上的連續不斷的位置測量，輸出既穩定可靠，外殼又能承受戶(hù)外的惡劣條件。需要注意的是，在戶(hù)外安裝使用時(shí)，需要對位移傳感器和電纜加上適當的保護措施，以防范下雨、臺風(fēng)和打雷等。

　　性能較高的一些位移傳感器，比起一些光學(xué)編碼器要好的多，它不用定期重標和維護，也不需要配備冗余的傳感器裝置。同時(shí)，位移傳感器工作壽命長(cháng)，就算不幸發(fā)生故障或受到破壞，現場(chǎng)更換敏感元件也十分方便。

　　激光切割頭在工件形狀發(fā)生變化，以及表面出現凹凸不平的障礙時(shí)，位移傳感器可以自動(dòng)檢測到變化，并根據變化自動(dòng)調節高度，使其始終與工件表面的距離保持一致。這樣可以提高加工速度，而不必持續監督。當今國內外采用的位移傳感器基本上是電容式，其結構和形狀與加工頭相適應，同時(shí)配有檢測信號處理單元。

　　激光頭用位移式電容傳感器與噴嘴體復合，傳感器由內外兩個(gè)不同金屬錐形殼套在一起組成。內外殼層中間為陶瓷絕緣介質(zhì)，外殼層選擇接地且與內層絕緣，傳感器工作時(shí)起屏蔽作用。錐形尖端一側內殼層下部連接一環(huán)形金屬片與外層絕緣，此環(huán)形金屬片于金屬工件即構成一個(gè)電容傳感器的兩個(gè)極板。從內殼層中引出一通道于信號采集系統相連接傳感器工作時(shí)依次通過(guò)此通道，金屬內殼層使發(fā)射極板（環(huán)形金屬片）帶電，整個(gè)探頭上端于激光加工機連接，工作時(shí)激光束通過(guò)內層金屬殼穿出。

　　在激光切割過(guò)程中，帶有位移傳感器的噴嘴控制著(zhù)到工件的距離間隙一直，保證了工件的切割質(zhì)量。

• 灌溉樞紐控制

　　霍爾效應旋轉位置傳感器的一個(gè)廣受歡迎的用途是大型農場(chǎng)使用的噴灌系統。傳感器能夠監測噴頭灌溉時(shí)的角度范圍。灌溉系統是否把水噴灑到了您希望澆灌的土地，或者系統能達到360度噴灌。這些技術(shù)知識能幫助農業(yè)工作者減少水耗，提高農地產(chǎn)出。

• 閥門(mén)位置感應

　　一種常用的工業(yè)應用是工藝閥的控制。油田、核電站、食品加工廠(chǎng)和飲料生產(chǎn)廠(chǎng)商都需要監控閥門(mén)位置?；魻栃D位置傳感器用于監控大型和小型閥門(mén)的位置，有助確保閥門(mén)關(guān)閉，或監控閥門(mén)是怎樣打開(kāi)的。

• HVAC擋板控制

　　供暖、通風(fēng)和空調系統可使用旋轉位置傳感器來(lái)控制擋板。在寒冷的日子里，打開(kāi)的擋板會(huì )使冷空氣進(jìn)入室內， HVAC系統開(kāi)始供暖。對于開(kāi)著(zhù)窗戶(hù)的房間，打開(kāi)的擋板也會(huì )使戶(hù)外空氣進(jìn)入，降低系統效能，增加供暖和制冷的成本。高效利用霍爾效應旋轉位置傳感器和溫度傳感器，能夠幫助物業(yè)經(jīng)理更好地管理HVAC系統，減少運營(yíng)費用。