传感器工作原理
非接触式位移传感器,顾名思义就是传感器与测量物体之间没有直接接触。工业生产中的非接触、在线测量是非常重要的应用领域,采用非接触式传感器进行测量可以完成许多用接触式测量手段无法完成的检测任务。常见的非接触式位移传感器有激光式位移传感器、拉绳式位移传感器以及超声式位移传感器,本文介绍这三种非接触式位移传感器工作原理及其优缺点。 1、激光式位移传感器 激光式位移传感器工作原理 工业生产中的非接触、在线测量是非常重要的应用领域,采用非接触测量可以完成许多用接触式测量手段无法完成的检测任务。普通的光学测量在大地测绘、建筑工程方面有悠久的应用历史,其中距离测量的方法就是利用基本的三角几何学。在80年代末90年代初,人们开始激光与三角测量的原理相结合,形成了激光三角测距器。激光三角法位移测量的原理是,用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面,然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像,物体表面激光照射点的位置高度不同,所接受散射或反射光线的角度也不同,用ccd光电探测器测出光斑像的位置,就可以计算出主光线的角度,从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。当物体沿激光线方向发生移动时,测量结果就将发生改变,从而实现用激光测量物体的位移。 激光三角法工作原理示意图 激光式位移传感器优点及缺点 由于激光具有高方向性、高单色性和高亮度的特点,激光式位移传感器可实现无接触远距离测量。它的优点是速度快,精度高,量程大,抗光、电干扰能力强等。同时传感器的测量不受被测物的材料、质地、形状、反射率的限制。在从白色到黑色,从金属到陶瓷、塑料都可以测量。并且由于激光的光点很小,可以有效检测小面积被测面。 激光式位移传感器的缺点主要包括:成本高、体积大、测量盲区较大。随着半导体激光器和ccd等图像探测用电子芯片的发展,激光式位移传感器器在性能已经不断改进。 2、拉绳式位移传感器 拉绳式位移传感器工作原理 拉绳式位移传感器的功能是把机械运动转换成可以计量,记录或传送的电信号。传感器由可拉伸的不锈钢绳绕在一个有螺纹的轮毂上,此轮毂与一个精密旋转感应器连接在一起,感应器可以是增量编码器,绝对(独立)编码器,混合或导电塑料旋转电位计,同步器或解析器。操作上,位移传感器安装在固定位置上,拉绳缚在移动物体上。拉绳直线运动和移动物体运动轴线对准。运动发生时,拉绳伸展和收缩。一个内部弹簧保证拉绳的张紧度不变。带螺纹的轮毂带动精密旋转感应器旋转,输出一个与拉绳移动距离成比例的电信号。测量输出信号可以得出运动物体的位移、方向或速率。 拉绳式位移传感器工作原理图 拉绳式位移传感器的优点及缺点 拉绳式位移传感器的优点包括: (1)能够用来跟踪线性、旋转、2维、3维的移动,如下图所示。在空间狭小、安装受限制的场合,拉绳式位移传感器这种性能具有独一无二的优势； (2)安装灵活及安装快速:钢索有许多种灵活安装,别的安装包括:磁铁、吊环螺栓或螺纹扣件。也可以通过滑轮和软管来克服障碍物。 (3)质量轻、精度高、可靠性高、使用寿命长:该传感器带有可靠的、质量轻不锈钢或大拉力的结构的绳索,同时,配有阳极化铝组件。这样传感器就有很小的质量-量程比。这种优势在航空、导弹发射、航空飞行器、赛车、机器人、生物医学应用方面极为重要。在大的振动和冲击场合,质量轻的特点还能增加传感器的寿命和可靠性。 (4)低电压激励、多种输出信号可选、工作温度范围宽。 3、超声式位移传感器 超声式位移传感器的工作原理 超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅(pzt)等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器,它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波,同时它接收到超声波时,也能转变成电能,所以它可以分成发送器或接收器。超声波传感器包括三个部分:超声换能器、处理单元和输出级。