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位移传感器的分类和原理
日期：2024-09-05 17:48
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摘要：
位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。
电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。
电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。
位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的量测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、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来量测。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率*高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。
原理
计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来量测位移的。“莫尔”原出于法文Moire，意思是水波纹。几百年前法国丝绸工人发现，当两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹状花样；如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹。计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；按其作用原理又可分为辐射光栅和相位光栅；按其用途可分为直线光栅和圆光栅。下面以透射光栅为例加以讨论。 透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线，a为刻线宽，b为两刻线之间缝宽，W=a+b称为光栅栅距。目前国内常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条等线条。光栅的横向莫尔条纹测位移，需要两块光栅。一块光栅称为主光栅，它的大小与量测范围相一致；另一块是很小的一块，称为指示光栅。为了量测位移，必须在主光栅侧加光源，在指示光栅侧加光电接收元件。当主光栅和指示光栅相对移动时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光栅侧的光电元件，将光强变化转换成电信号源。由于光源的大小有限及光栅的衍射作用，使得信号源为脉动信号源。如图 1，此信号源是一直流信号源和近视正弦的周期信号源的叠加，周期信号源是位移x的函数。每当x变化一个光栅栅距W，信号源就变化一个周期，信号源由b点变化到b’点。由于bb’=W，故b’点的状态与b点状态完全一样，只是在相位上增加了2π。
信号源处理
1、辨向原理在实际应用中，位移具有两个方向，即选定一个方向后，位移有正负之分，因此用一个光电元件测定莫尔条纹信号源确定不了位移方向。为了辨向，需要有 π/2相位差的两个莫尔条纹信号源。如图2，在相距1/4条纹间距的位置上安放两个光电元件，得到两个相位差π/2的电信号源u01和u02，经过整形后得到两个方波信号源u01’和u02’。光栅正向移动时u01超前u02 90度，反向移动时u02超前u01 90度，故通过电路辨相可确定光栅运动方向。
2、细分技术随着对量测精度要求的提高，以栅距为单位已不能满足要求，需要采取适当的措施对莫尔条纹进行细分。所谓细分就是在莫尔条纹信号源变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减少脉冲当量。如一个周期内发出n个脉冲，则可使量测精度提高n备，而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了 n倍，因此也称n倍频。
通常用的有两种细分方法：其一、直接细分。在相差1/4莫尔条纹间距的位置上安放两个光电元件，可得到两个相位差90o的电信号源，用反相器反相后就得到四个依次相差90o的交流信号源。同样，在两莫尔条纹间放置四个依次相距1/4条纹间距的光电元件，也可获得四个相位差90o的交流信号源，实现四倍频细分。其二、电路细分。
专用集成电路
四倍频专用集成电路QA740210同时具有辨相和四倍频细分的功能，可将两路正交的方波进行四倍频后产生两路加、减计数信号源，可送双时钟可逆计数器进行加、减计数，也可直接送微型计算机（包括单片机）进行数据处理。
1、特点：
⑴、数字化微分电路：4路微分信号源脉宽由主频周期决定，因此，是一致的，而且可在很大范围里方便地选择。
⑵、临界报警与过速报警两档速度提示：可在光栅运动速度接近极限值时给出临界报警信息，以便操作者及时控制光栅运动快慢。在速度超过极限值时本电路将给出出错信息。
⑶、**零位控制：**零位的设置将给操作者带来许多方便，如故障断电后的重新定位等。本电路有“到**零位开始计数”和“到**零位停止计数”，以及“与**零位无关”三种工作模式。
⑷、片选：本电路设有片选端，可以构成多标数显系统。
⑸、COMS工艺：输入输出的电压电流与4000系列CMOS及LSTTL电路兼容。
电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。
电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。
位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的量测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、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来量测。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率*高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。
原理
计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来量测位移的。“莫尔”原出于法文Moire，意思是水波纹。几百年前法国丝绸工人发现，当两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹状花样；如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹。计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；按其作用原理又可分为辐射光栅和相位光栅；按其用途可分为直线光栅和圆光栅。下面以透射光栅为例加以讨论。 透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线，a为刻线宽，b为两刻线之间缝宽，W=a+b称为光栅栅距。目前国内常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条等线条。光栅的横向莫尔条纹测位移，需要两块光栅。一块光栅称为主光栅，它的大小与量测范围相一致；另一块是很小的一块，称为指示光栅。为了量测位移，必须在主光栅侧加光源，在指示光栅侧加光电接收元件。当主光栅和指示光栅相对移动时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光栅侧的光电元件，将光强变化转换成电信号源。由于光源的大小有限及光栅的衍射作用，使得信号源为脉动信号源。如图 1，此信号源是一直流信号源和近视正弦的周期信号源的叠加，周期信号源是位移x的函数。每当x变化一个光栅栅距W，信号源就变化一个周期，信号源由b点变化到b’点。由于bb’=W，故b’点的状态与b点状态完全一样，只是在相位上增加了2π。
信号源处理
1、辨向原理在实际应用中，位移具有两个方向，即选定一个方向后，位移有正负之分，因此用一个光电元件测定莫尔条纹信号源确定不了位移方向。为了辨向，需要有 π/2相位差的两个莫尔条纹信号源。如图2，在相距1/4条纹间距的位置上安放两个光电元件，得到两个相位差π/2的电信号源u01和u02，经过整形后得到两个方波信号源u01’和u02’。光栅正向移动时u01超前u02 90度，反向移动时u02超前u01 90度，故通过电路辨相可确定光栅运动方向。
2、细分技术随着对量测精度要求的提高，以栅距为单位已不能满足要求，需要采取适当的措施对莫尔条纹进行细分。所谓细分就是在莫尔条纹信号源变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减少脉冲当量。如一个周期内发出n个脉冲，则可使量测精度提高n备，而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了 n倍，因此也称n倍频。
通常用的有两种细分方法：其一、直接细分。在相差1/4莫尔条纹间距的位置上安放两个光电元件，可得到两个相位差90o的电信号源，用反相器反相后就得到四个依次相差90o的交流信号源。同样，在两莫尔条纹间放置四个依次相距1/4条纹间距的光电元件，也可获得四个相位差90o的交流信号源，实现四倍频细分。其二、电路细分。
专用集成电路
四倍频专用集成电路QA740210同时具有辨相和四倍频细分的功能，可将两路正交的方波进行四倍频后产生两路加、减计数信号源，可送双时钟可逆计数器进行加、减计数，也可直接送微型计算机（包括单片机）进行数据处理。
1、特点：
⑴、数字化微分电路：4路微分信号源脉宽由主频周期决定，因此，是一致的，而且可在很大范围里方便地选择。
⑵、临界报警与过速报警两档速度提示：可在光栅运动速度接近极限值时给出临界报警信息，以便操作者及时控制光栅运动快慢。在速度超过极限值时本电路将给出出错信息。
⑶、**零位控制：**零位的设置将给操作者带来许多方便，如故障断电后的重新定位等。本电路有“到**零位开始计数”和“到**零位停止计数”，以及“与**零位无关”三种工作模式。
⑷、片选：本电路设有片选端，可以构成多标数显系统。
⑸、COMS工艺：输入输出的电压电流与4000系列CMOS及LSTTL电路兼容。