刘 焱,王 烨
(中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江 哈尔滨 150001)
摘 要:位移传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础,是实现测试与自动控制重要环节。综述了位移传感器的技术发展现状,着重介绍和比较了主要类别传感器的工作原理、应用场合及优缺点,列举了一些位移传感器的应用实例,并对其未来的发展趋势做了展望。
关键词:位移传感器;现状;发展趋势;分类;应用
中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1003-7241(2012)04-0076-06
1 引言
传感器技术是现代科技的前沿技术,是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术,是现代信息技术的三大支柱之一。位移是指物体位置对参考点产生的偏移量,是指物体相对于某参考坐标系一点的距离的变化量,它是描述物体空间位置变化的物理量[1]。位移传感器又称为线性传感器,是将位移转换成电量的传感器。
位移传感器的发展经历了两个阶段,经典位移传感器阶段和半导体位移传感器阶段。20世纪80年代以前,人们以经典电磁学为理论基础,把不便于定量检测和处理的位移、位置、液位、尺寸、流量、速度、振动等物理量转换为易于定量检测、便于作信息传输与处理的电学量[2]。近20年来,位移传感器种类繁多,应用领域不断扩大,同时有越来越多的创新技术被运用到传感器中,如基于OEM的LVDT(Liner Variable Differential Tranformer)[3,4]技术、超声波技术、磁致伸缩技术、光纤技术、时栅技术[5]等,位移传感器技术已取得了突破性进展。由于技术的进步,使得各种传感器性能大幅度提高,成本大幅度降低,从而极大地扩展了应用范围,形成了一个高速增长的产业。
2 位移传感器的分类与发展现状
2.1 位移传感器原理分类
由于位移传感器的工作原理、安装测量方式和所测量的被测量不同,其分类也各不相同,本文将按测量原理介绍位移传感器的分类。
(1) 电位器式
电位器位移传感器分为绕线电位器和非绕线电位器2种:绕线电位器一般由电阻丝烧制在绝缘骨架上,由电刷引出与滑动点电阻对应的输入变化。电刷由待测量位移部分拖动,输出与位移成正比的电阻或电压的变化;常见的非线绕式电位器位移传感器是在绝缘基片上制成各种薄膜元件,如合成膜式、金属膜式、导电塑料和导电玻璃釉电位器等。
(2) 电阻应变式
传感器是由弹性敏感元件和电阻应变片构成,当测量杆随试件产生位移时,弹性敏感元件在感受到测量杆变化而产生变形,其表面产生的应变与测量杆的位移成线性关系。这种传感器具有线性好、分辨率较高、结构简单和使用方便等特点,其位移测量范围较小,通常在0.1μm-0.1mm之间,测量精度小于2%,线性度为0.1%-0.5%。
(3) 电容式
电容传感器通过位移来改变电容两个极板之间的距离,即将位移量转换成电容变化量进行测量的。它具有功率小、阻抗高、动态特性好、可进行非接触测量等优点;但是电容传感器存在寄生电容和分布电容,会影响测量精度,且常用的变隙式电容传感器存在测量量程小,存在非线性误差等缺点。一般使用极距变化型电容式位移传感器和面积变化型电容式位移传感器。
(4) 电感式[7,8,9]
电感式传感器利用电磁感应将被测位移转换成线圈的自感系数和互感系数的变化,再由电路转换为电压或电流的变化量输出,实现非电量到电量的转换。传感器分为自感式、互感式(如LVDT)、电涡流式三种。电感式传感器具有灵敏度和分辨力高,能测出0.01微米的位移变化,传感器非线性误差可达0.05%-0.1%。
(5) 磁敏式
磁敏式传感器包含有磁致伸缩式、霍尔式、磁栅式、感应同步器。
a． 磁致伸缩线性位移(液位)传感器主要由测杆、电子仓和套在测杆上的非接触的磁环(浮球)组成。测杆内装有磁致伸缩线(波导丝)。工作时,由电子仓内的电子电路产生一起始脉冲,此起始脉冲在波导丝中传输时,同时产生了一沿波导丝方向前进的旋转磁场。当这个磁场与磁环(浮球)中的永久磁场相遇时,产生磁致伸缩效应,使波导丝发生扭动,产生扭动脉冲。这一扭动脉冲被安装在电子仓内的拾能机构所感知并转换成相应的电流脉冲,通过电子电路计算出两脉冲起始和返回之间的时间差,即可精确测出被测的位置或位移。
b. 磁栅式位移传感器是一种测量位移的数字传感器,它是在非磁性体的平整面上镀一层磁性薄膜,并用录制磁头沿长度方向按一定的节距K录上磁性刻度线而构成的,因此又把磁栅称为磁尺。磁栅可分为单面型直线磁栅、同轴型直线磁栅和旋转型磁栅等。磁栅主要用于大型机床和精密机床的位置或位移量的检测元件。
(6) 光电式
光电式位移传感器包含有光栅式、光纤式、激光式[10]:
a. 激光传感器是一种非接触式的精密激光测量装置。它是根据激光光三角原理设计和制造的,由半导体激光机发出一定波长的激光光束,经过发射光学系统后会聚在被测物体表面,形成漫反射。该漫反射像经过光学系统后成像在CCD上,并被转换成电信号。当被测面相对传感器在Y方向移动时,漫反射像将移动,在CCD光敏面上的成像也将跟着移动位置,这样即输出不同的电信号后,再将位移量最终转换成电信号,与其他设备进行接口。
b. 光栅传感器属于数字式传感器,可以将位移转换为数字量输出。其原理是利用计量光栅的莫尔条纹现象进行位移测量的,它通常由光源、标尺光栅、指示光栅和光电器件组成。发光二极管经聚光透镜形成平行光,平行光以一定角度射向裂相指示光栅,由标尺光栅的反射光与指示光栅作用形成莫尔条纹,光电器件接收到的莫尔条纹光强信号经电路处理后可得到两光栅的相对位移。
c. 光纤位移传感器分为元件型和反射型两种型式。元件型位移传感器通过压力或应变等形式作用在光纤上,使光在光纤内部传输过程中,引起相位、振幅、偏振态等变化,只要能测得光纤的特性变化,即可测得位移,在这里光纤是作为敏感元件使用的。反射式光纤位移传感器工作原理是入射光纤的光射向被测物体,被测物体反射的光一部分被接收光纤接收,根据光学原理可知反射光的强度与被测物体的距离有关,通过测得反射光的强度,可知物体位移的变化。
(7) 超声波位移传感器[11]
它是利用超声波在两种介质分界面上的反射特性而制作的。当已知从发射超声波脉冲开始时间到接收换能器接收到发射波为止的这个时间间隔,就可以计算出位移或物位。
2.2 位移传感器发展现状
伴随着各国航空航天、船舶等军事领域,及工业控制和农业现代化的不断发展,对位移传感器的需求量也不断上升,同时要求位移传感器不断地进行技术革新,不断地有新技术、新材料的运用,以满足不同场合、不同环境条件的需求。具有代表性的新技术有:
(1) 自从导电塑料这种特殊的材料偶然发现以来,随着研究的不断深入,其应用也越来越广泛。21世纪初,德国、日本和美国就开始将其用在精密角度传感器中作为敏感材料,将其制成电阻膜,使老式的传感器式角度传感器的结构大为精简,克服了传统的绕线式电位器位移传感器的分辨力差、摩擦阻力大和碳膜式电位器位移传感器的电噪声大、耐磨性差、使用寿命短的不足。输出精度大大提高,且具备极强的抗噪声能力和超长的机械寿命,被广泛应用于雷达、导弹、火炮等军事设备中,并已经拓展到民用领域。德国VOLFA位移传感器的测量长度为50～1000mm,重复性为±0.013mm,线性为±0.05％,寿命长为5000万次(最高),噪声低,无断解像度。
(2) LVDT式位移传感器由于其结构简单、抗恶劣环境好、工作稳定可靠等优点,而一直受到位移传感器使用者们的青睐。随着近30年OEM技术在传感器研制上的应用和LVDT信号处理电路如AD698等的不断开发,使得传感器正在逐渐向集成化、小型化和智能化发展。德国的米铱Micro-Epsilon、美国的Schaevitz、英国Micro-Epsilon等国际公司在LVDT传感器行业走在了前列,其最高精度可达0.05％,绝对误差1um,重复性0.1um;中国也有阜新祥锐传感器有限责任公司、上海鑫杰传感测控科技有限公司、北京汇金祥科技有限公司、合肥硕锋电子科技有限公司等多家单位生产LVDT传感器,且技术成熟,并已不断开发出一体化、小型化的该类传感器。
(3) 近几年,采用了高科技材料和先进电子处理技术的磁致伸缩式位移传感器,由于其测量范围大(80～5000 m)、敏感元件无直接接触、可在高温高压和高振荡等极恶劣的工业环境中工作,不易受油渍、溶液、尘埃或其它污染的影响等优势,而被越来越多地用到工业自动控制的液位、位置、位移测量。在国外,美国MTS磁致伸缩位移传感器等公司生产的磁致伸缩位移传感器走在前列,其非线性为0.05％FS,重复性为0.002%FS,迟滞最大为0.001in;美国RENYWELL公司又最新开发了基于该原理的非接触绝对位移传感器,采用DUALWAVEPULSE专利技术,将电磁感应、磁致伸缩效应、差动补偿原理、误差平均效应和模块化设计有机结合,显著提高信噪比,降低工艺要求,实现大批量快速生产。在国内,北京航天金泰星测技术有限公司自1996年开始此时伸缩技术研究,生产的传感器已达到该类产品国际水平。
(4) 三角测量法是一种位移测量方法,其最大优点是非接触性测量。随着激光器的诞生及新的光电扫描技术与阵列型光电探测器的发展,计算机控制与数据处理使这种传统的方法有了很多新的进展。在国外,有代表性的该类产品有德国Micro-Epsilon公司的opto NCDT系列,其线性度达0.03%～0.1%,分辨率为0.005%～0.01%,美国MTI公司的Micro TRAK系列等多种型号直射式位移传感器,其线性度达0.05%;日本Keyence公司的LD系列斜射式激光位移传感器。
(5) 由于低损耗光导纤维问世和检测用特殊光纤的开发,在光纤应用领域继光纤通信技术之后,又出现了一门崭新的光纤传感器过程技术。自20世纪80年代以来,光纤传感技术受到世界各国的极大重视,美国、日本和西欧等国家投入巨资开展光纤传感器的研究和开发。20多年来,光纤传感器一直被设想为主导传感技术,但至今尚未实现。从目前国际上来看,美国和日本在光纤传感器方面的开发和应用处于领先地位。目前,国内外很多专家学者在努力改变这种现状,改进敏感元件的制作工艺和结构,探索新的敏感机理,充分发挥微处理器技术和计算机软件功能以改善和补偿光纤传感器的性能,发展数字化、集成化、自动化和工程化的新型光纤位移传感器,研制出适合于网络化应用的光纤位移传感器阵列和特殊测量要求的新型光纤位移传感器是今后发展的趋势。
3 各类传感器性能比较
表1 各类传感器工作性能比较表
表1为各类传感器工作性能比较表。由表中可以看出,不同种位移传感器在结构、测量范围、精度、线性度、抗干扰能力、适应工作环境等方面都有其特点。因此,在具体应用中,应根据实际情况来选择适合类型的传感器。
4 传感器的应用
位移传感器的应用已经得到了广泛的发展,几乎可以用于各个领域的位移、位置、行程的自动测量和自动控制,以及测量预先被变成位移的各种物理量,比如:伸缩、膨胀、差压、振动、应变、流量、厚度、重量等等。
4.1 磁致伸缩位移传感器的应用
(1) 液位测量
文献[12]介绍了在化工企业中用磁致伸缩液位计精确测量同一容器内两种介质界面的实例。液位计出厂时按用户提供的上、下介质密度确定浮子重量,测量时浮子浮在界面上,所受浮力与重力相等,以此计算出界面位置。图1为磁致伸缩液位计测量容器液位示意图
(2) 在液压缸中的应用
磁致伸缩位移传感器应用在需要对液压缸进行精确控制的场合,可以实现对液压缸位置进行测量,从而实现远程控制[13]。图2为磁致伸缩测量装置。
4.2 电涡流式位移传感器的典型应用
国内的上海航振仪器仪表有限责任公司、株洲中航科技发展有限公司等单位提供的电涡流式位移传感器已应用于电力、石油、化工、冶金等行业,对汽轮机、水轮机、发电机、鼓风机、压缩机、齿轮箱等大型旋转机械的轴的径向振动、轴向位移、鉴相器、轴转速、胀差、偏心、油膜厚度等进行在线测量和安全保护,以及转子动力学研究和零件尺寸检验等方面。图3为电涡流传感器的一些典型应用示意。
4.3 激光位移传感器的应用
激光位移传感器是一种非接触式的精密激光测量系统,它具有适应适应性强、速度快、精度高等特点,适用于检测各种回转体、箱体零件的尺寸和形位误差等。图4为东莞速美达自动化有限公司的HL-C2激光位移传感器用于硬盘晃动检查、连接器脚针高度检查、玻璃基板平面度检查。
5 发展趋势
位移传感器同其他传感器一样,其发展的总趋势就是利用新材料、新工艺实现微型化、集成化、智能化,利用新原理、新方法实现更多种类的信息获取,辅以先进的信息处理技术提高传感器的各项技术指标,以适应更广泛的应用需求。
(1) 微型化
各种控制仪器设备的功能越来越多,要求各个部件体积能占位置越小越好,因而传感器本身体积也是越小越好,这就要求发展新的材料和加工技术。近年来,随着微电子技术和微机械加工技术的日趋成熟,传感器制作技术进入了一个展新阶段。微电子技术和微机械加工技术相结合,器件结构从二维到三维,实现了进一步微型化、低功耗。
(2) 集成化
集成传感器的优势是传统传感器无法达到的,它不仅是一个简单的传感器,而且将辅助电路中的元件与传感元件同时集成在一块芯片上,使之具有校准、补偿、自诊断和网络通信的功能,可降低成本、增加产量。把传感器、信号调节电路、单片机集成在一个芯片上形成超大规模集成化的高级智能传感器已经成为一个新的发展趋势。
(3) 智能化
智能化传感器是一种带微处理器的传感器,是微型计算机和传感器相结合的成果,它兼有检测、判断和信息处理功能,与传统传感器相比有很多优点,具有判断和信息处理功能,可实现多传感器、多参数测量,有自检、自校和自诊断功能,测量数据可存取,且具有数据通信接口,能与微型计算机直接通信。智能化传感器已从传统传感器的单一功能、单一检测向多功能和多变量检测方向发展,它的准确度、稳定性和可靠性都是传统传感器不可比拟的。
(4) 无线网络化
无线传感器网络是当前国际上备受关注的、多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域,它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等,能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,通过嵌入式系统对信息进行处理,并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。从而真正实现“无处不在的计算”理念。
6 结束语
目前以美国德国所生产的位移传感器走在前列,具有寿命长、适用范围广、适于高温高压和强振动等一系列极其恶劣的情况下还能够高准确测量等特点,且各种位移传感器都在向着高速度、高精度、多功能、多参数、小尺寸的方向发展,已被各军事、工业、农业市场所接受,广泛应用于机械、电力、发电厂、航空航天、冶金、煤炭、石油、铁路、交通、轻工、纺织、建材、水利等行业的工矿企业、科研院所、大专院校、军工单位产品开发与应用的自动测量与自动控制。
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