基礎(chǔ)知識之線性位移傳感器

　　線性位移傳感器又稱為線性傳感器，把位移轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。線性位移傳感器是一種屬于金屬感應(yīng)的線性器件，傳感器的作用是把各種被測物理量轉(zhuǎn)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，它通過電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。普通直線電位器和圓形電位器都可分別用作直線位移和角位移傳感器。但是，為實(shí)現(xiàn)測量位移目的而設(shè)計的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個確定關(guān)系。電位器式位移傳感器的可動電刷與被測物體相連。物體的位移引起電位器移動端的電阻變化。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、通過兩個不同磁場相交產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖信號來準(zhǔn)確地測量位置的。它的缺點(diǎn)是可能會受到環(huán)境的磁場變化和外界物體的干擾影響，造成信號不穩(wěn)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(nèi)部的使用，所以，一般只要液壓缸內(nèi)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)是線性可變差動變壓器縮寫。工作原理簡單地說是鐵芯可動變壓器。它由一個初級線圈、兩個次級線圈、鐵芯、線圈骨架、外殼等部件組成。當(dāng)鐵芯由中間向兩邊移動時，次級兩個線圈輸出電壓之差與鐵芯移動成線性關(guān)系。

　　當(dāng)初級線圈P1，P2之間供給一定頻率的交變電壓時，鐵芯在線圈內(nèi)移動改變了空間的磁場分布，從而改變了初、次級線圈之間的互感量，次級線圈S11，S22之間就產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，隨著鐵心的位置不同，互感量也不同，次級產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也不同，這樣就將鐵芯的位移量變成了電壓信號輸出，由于兩個次級線圈電壓極性相反,參見圖1,輸出電壓為差動電壓

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

3.1、激光位移傳感器的應(yīng)用

　　激光傳感器常用于長度、距離、振動、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(jiān)測等。

3.2、角度位移傳感器的應(yīng)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(yùn)輸。
• 火車：高速列車轉(zhuǎn)向架和客車車廂的傾斜測量。
• 海事：縱傾和橫滾控制，油輪控制，天線位置控制。
• 機(jī)械：傾斜控制，大型機(jī)械對準(zhǔn)控制，彎曲控制，起重機(jī)。
• 軍用：火炮和雷達(dá)調(diào)整，初始位置控制，導(dǎo)航系統(tǒng)，軍用著陸平臺控制。
• 工業(yè)：吊車，吊架，收割機(jī)，起重機(jī)，稱重系統(tǒng)的傾斜補(bǔ)償，瀝青機(jī)，鋪路機(jī)等。

3.3、磁致伸縮位移傳感器的應(yīng)用

　　注塑機(jī)、壓鑄機(jī)、吹瓶機(jī)、液壓機(jī)、鞋機(jī)、橡膠機(jī)、輪胎硫化機(jī)、壓延機(jī)、五金機(jī)械(監(jiān)控模具厚度變化和平衡)、鋼廠軋輥調(diào)節(jié)、盾構(gòu)機(jī)、液壓伺服系統(tǒng)、液位檢測和控制。

　　 位移傳感器在定量灌裝機(jī)中的高精度控制　　

　　動態(tài)計量關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)是量筒內(nèi)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(zhuǎn)式自動定量灌裝機(jī)廠家的產(chǎn)品中標(biāo)配組件。
　　磁致伸縮傳感器的高精度檢測位移值通過匹配的信號接口傳送到自動化控制系統(tǒng)參與控制，已經(jīng)成熟的解決方案通常會采用模擬量信號、SSI串行同步信號和CANOpen總線信號三者之一構(gòu)建系統(tǒng)。

3.4、直線位移傳感器(電子尺)的應(yīng)用領(lǐng)域

　　注塑機(jī)、壓鑄機(jī)、吹瓶機(jī)、液壓機(jī)、鞋機(jī)、磚機(jī)、砌垛機(jī)、陶瓷機(jī)械、列車軌距監(jiān)測、橡膠機(jī)、輪胎硫化機(jī)、壓延機(jī)、五金機(jī)械(監(jiān)控模具厚度變化和平衡)、皮革機(jī)械、比例閥、長行程鉆管機(jī)、彈簧機(jī)械、木工機(jī)械、板材設(shè)備、印刷機(jī)械(刷輥運(yùn)動、裁紙等)、鋼廠軋輥調(diào)節(jié)、機(jī)械手、自動門(列車及大廳)、裁床(裁鋼管、木板、線材等)、橋梁監(jiān)測、煤炭設(shè)備(掘進(jìn)機(jī)、坑道支架、塌方監(jiān)測等)、地質(zhì)監(jiān)測(如：塌方、潰堤)。

　　靜磁柵位移傳感器在升降梯控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　升降梯是現(xiàn)代建筑內(nèi)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(shè)備， 它由提升曳引系統(tǒng)、引導(dǎo)系統(tǒng)、安全裝置和電控系統(tǒng)組成。如何提高電梯的運(yùn)行效率、降低電梯能耗以及減少機(jī)械磨損、延長電梯的使用壽命，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(tǒng)中的作用是電梯平層控制的調(diào)整，電控系統(tǒng)是電梯的“中樞神經(jīng)”， 為了使電梯具有較高的運(yùn)行效率，加減速度應(yīng)該有一個合適的限度，而且變化要平穩(wěn)，需要有一個設(shè)計合理的電控系統(tǒng)。

　　靜磁柵位移傳感器由“靜磁柵源”和“靜磁柵尺”兩部分結(jié)合使用?！办o磁柵源”使用鋁合金壓封無源釹鐵硼磁柵組成磁柵編碼陣列；“靜磁柵尺”用內(nèi)藏嵌入式微處理器系統(tǒng)的特制高強(qiáng)度鋁合金管材封裝，使用開關(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。“靜磁柵源”沿“靜磁柵尺”軸線作無接觸（相對間隙寬容度和相對姿態(tài)寬容度達(dá)50mm）相對運(yùn)動時，由“靜磁柵尺”解析出數(shù)字化位移信息，直接產(chǎn)生高于毫米數(shù)量級的位移量數(shù)字信號。充分發(fā)掘嵌入式微處理器的資源，將數(shù)據(jù)更新速度提高到毫秒數(shù)量級，以便能適應(yīng)5m/S以下運(yùn)動速度的位移響應(yīng)。

3.5、拉繩/拉線位移傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

　　舞臺屏幕設(shè)備、皮革機(jī)械、盾構(gòu)機(jī)、長行程鉆管機(jī)、彈簧機(jī)械、木工機(jī)械、板材設(shè)備、印刷機(jī)械(刷輥運(yùn)動、裁紙等)、機(jī)械手、自動門(列車及大廳)、裁床(裁鋼管、木板、線材等)、橋梁監(jiān)測、電梯平層、升降機(jī)、水閘開度、水庫水位、行車、工程車、龍門吊、港口設(shè)備、煤炭設(shè)備。

　　位移傳感器在盾構(gòu)機(jī)中的應(yīng)用

　　在隧道施工設(shè)備中，不同形式的盾構(gòu)機(jī)，其主機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和配套設(shè)施也不相同。在一些復(fù)雜的盾構(gòu)機(jī)上， 盾構(gòu)機(jī)的功能是系統(tǒng)和多樣化的。包括：機(jī)械、液壓、測量和控制等多種功能。例如，在一些復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)上，就包括有開挖系統(tǒng)、主驅(qū)動系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等多種功能。

　　作為一種線性傳感器，位移傳感器主要用來測量線性位置上的機(jī)械位移， 在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的每組油缸，都配備有位移傳感器，用于測量油缸推進(jìn)時的位移數(shù)據(jù)。盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)油缸的分組通常如下圖所示分區(qū)，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(dú)安裝有位移傳感器。

　　推進(jìn)時，推進(jìn)油缸伸出，撐靴作用到管片上提供盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)的反力。油缸的壓力可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，通過查看位移傳感器監(jiān)測到的每組油缸的推進(jìn)數(shù)據(jù)，施工人員在控制室內(nèi)可以實(shí)時監(jiān)控每組油缸的行程和壓力。通過調(diào)整每組油缸的推進(jìn)壓力和速度，可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的糾偏和調(diào)向。

　　LVDT 位移傳感器是一個只包含幾個線圈和一個亞鐵芯線的簡單器件，可以承受高強(qiáng)度的沖擊和振動，即使在極臟時運(yùn)行也能符合規(guī)格。

　　LVDT 線性位移傳感器可以測量各種大小的移動，小到百萬分之一英寸，這對將某些閥門移動的測量精確到微小級別至關(guān)重要。例如，由于排放閥是調(diào)節(jié)閥，因而必須打開到特定程度，具體取決于發(fā)電量。通過確認(rèn)閥門已開合到適當(dāng)程度，工廠能夠提高運(yùn)行效率，從而達(dá)到節(jié)約燃料的目的。

　　LVDT 線性位移傳感器如今可使用合金和鈦等現(xiàn)代材料包裝，以應(yīng)對燃?xì)廨啓C(jī)常有的極端溫度和極不穩(wěn)定的環(huán)境。鈷和鎳等特殊合金可使 LVDT 具有更高的性能。

　　LVDT 線性位移傳感器性能可靠、可重復(fù)使用、準(zhǔn)確度高，而且成本較低，無論是在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行還是在工廠改造項目中皆能發(fā)揮重要作用，最大限度提高效率。

　　在仿真動作的娛樂動感舞臺上，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場所，從只能容納2至3人的小型機(jī)動飛船，到幾十甚至上百人的大型動感影院，到處可見。尤其是在大型的主題公園如全球的迪士尼世界、大型影城等場所。為達(dá)到機(jī)械裝置安全性和穩(wěn)定性的要求，這些系統(tǒng)基本上都是以液壓推動。它們就普遍采用一些帶位移傳感器的長行程液壓缸，隨著編定好的程序作出多種不同類型和方向的動作，隨著觀眾的身體移動，讓他們體會到身臨其境的真實(shí)感。

　　位移傳感器通常被安裝于在長行程的液壓缸上，主要是為了實(shí)現(xiàn)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(chǔ)上,而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

　　這種情況下，對于位移傳感器的要求是能提供一個長行程，長達(dá)10米或以上的連續(xù)不斷的位置測量，輸出既穩(wěn)定可靠，外殼又能承受戶外的惡劣條件。需要注意的是，在戶外安裝使用時，需要對位移傳感器和電纜加上適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)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(biāo)和維護(hù)，也不需要配備冗余的傳感器裝置。同時，位移傳感器工作壽命長，就算不幸發(fā)生故障或受到破壞，現(xiàn)場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(xiàn)凹凸不平的障礙時，位移傳感器可以自動檢測到變化，并根據(jù)變化自動調(diào)節(jié)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(xù)監(jiān)督。當(dāng)今國內(nèi)外采用的位移傳感器基本上是電容式，其結(jié)構(gòu)和形狀與加工頭相適應(yīng)，同時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(fù)合，傳感器由內(nèi)外兩個不同金屬錐形殼套在一起組成。內(nèi)外殼層中間為陶瓷絕緣介質(zhì)，外殼層選擇接地且與內(nèi)層絕緣，傳感器工作時起屏蔽作用。錐形尖端一側(cè)內(nèi)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(gòu)成一個電容傳感器的兩個極板。從內(nèi)殼層中引出一通道于信號采集系統(tǒng)相連接傳感器工作時依次通過此通道，金屬內(nèi)殼層使發(fā)射極板（環(huán)形金屬片）帶電，整個探頭上端于激光加工機(jī)連接，工作時激光束通過內(nèi)層金屬殼穿出。

　　在激光切割過程中，帶有位移傳感器的噴嘴控制著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(yīng)旋轉(zhuǎn)位置傳感器的一個廣受歡迎的用途是大型農(nóng)場使用的噴灌系統(tǒng)。傳感器能夠監(jiān)測噴頭灌溉時的角度范圍。灌溉系統(tǒng)是否把水噴灑到了您希望澆灌的土地，或者系統(tǒng)能達(dá)到360度噴灌。這些技術(shù)知識能幫助農(nóng)業(yè)工作者減少水耗，提高農(nóng)地產(chǎn)出。

• 閥門位置感應(yīng)

　　一種常用的工業(yè)應(yīng)用是工藝閥的控制。油田、核電站、食品加工廠和飲料生產(chǎn)廠商都需要監(jiān)控閥門位置?；魻栃?yīng)旋轉(zhuǎn)位置傳感器用于監(jiān)控大型和小型閥門的位置，有助確保閥門關(guān)閉，或監(jiān)控閥門是怎樣打開的。

• HVAC擋板控制

　　供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)可使用旋轉(zhuǎn)位置傳感器來控制擋板。在寒冷的日子里，打開的擋板會使冷空氣進(jìn)入室內(nèi)， HVAC系統(tǒng)開始供暖。對于開著窗戶的房間，打開的擋板也會使戶外空氣進(jìn)入，降低系統(tǒng)效能，增加供暖和制冷的成本。高效利用霍爾效應(yīng)旋轉(zhuǎn)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(tǒng)，減少運(yùn)營費(fèi)用。