位移傳感器的分類和原理

      位移傳感器又稱為線性傳感器，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。
　　電感式位移傳感器是一種屬于金屬感應(yīng)的線性器件，接通電源后，在開關(guān)的感應(yīng)面將產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時(shí)，金屬中則產(chǎn)生渦流而吸取了振蕩器的能量，使振蕩器輸出幅度線性衰減，然后根據(jù)衰減量的變化來完成無接觸檢測(cè)物體的目的。
　　電感式位移傳感器具有無滑動(dòng)觸點(diǎn)，工作時(shí)不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長(zhǎng)壽命，可使用在各種惡劣條件下。位移傳感器主要應(yīng)用在自動(dòng)化裝備生產(chǎn)線對(duì)模擬量的智能控制。
　　位移是和物體的位置在運(yùn)動(dòng)過程中的移動(dòng)有關(guān)的量，位移的量測(cè)方式所涉及的范圍是相當(dāng)廣泛的。小位移通常用應(yīng)變式、電感式、差動(dòng)變壓器式、渦流式、霍爾傳感器來檢測(cè)，大的位移常用感應(yīng)同步器、光柵、容柵、磁柵等傳感技術(shù)來量測(cè)。其中光柵傳感器因具有易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、精度高（目前分辨率*高的可達(dá)到納米級(jí)）、抗干擾能力強(qiáng)、沒有人為讀數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)床加工、檢測(cè)儀表等行業(yè)中得到日益廣泛的應(yīng)用。
　　原理
　　計(jì)量光柵是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象來量測(cè)位移的。“莫爾”原出于法文Moire，意思是水波紋。幾百年前法國(guó)絲綢工人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩層薄絲綢疊在一起時(shí)，將產(chǎn)生水波紋狀花樣；如果薄綢子相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則花樣也跟著移動(dòng)，這種奇怪的花紋就是莫爾條紋。一般來說，只要是有一定周期的曲線簇重疊起來，便會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋。計(jì)量光柵在實(shí)際應(yīng)用上有透射光柵和反射光柵兩種；按其作用原理又可分為輻射光柵和相位光柵；按其用途可分為直線光柵和圓光柵。下面以透射光柵為例加以討論?！⊥干涔鈻懦呱暇鶆虻乜逃衅叫械目叹€即柵線，a為刻線寬，b為兩刻線之間縫寬，W=a+b稱為光柵柵距。目前國(guó)內(nèi)常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條等線條。光柵的橫向莫爾條紋測(cè)位移，需要兩塊光柵。一塊光柵稱為主光柵，它的大小與量測(cè)范圍相一致；另一塊是很小的一塊，稱為指示光柵。為了量測(cè)位移，必須在主光柵側(cè)加光源，在指示光柵側(cè)加光電接收元件。當(dāng)主光柵和指示光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)，由于光柵的遮光作用而使莫爾條紋移動(dòng)，固定在指示光柵側(cè)的光電元件，將光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)源。由于光源的大小有限及光柵的衍射作用，使得信號(hào)源為脈動(dòng)信號(hào)源。如圖 1，此信號(hào)源是一直流信號(hào)源和近視正弦的周期信號(hào)源的疊加，周期信號(hào)源是位移x的函數(shù)。每當(dāng)x變化一個(gè)光柵柵距W，信號(hào)源就變化一個(gè)周期，信號(hào)源由b點(diǎn)變化到b’點(diǎn)。由于bb’=W，故b’點(diǎn)的狀態(tài)與b點(diǎn)狀態(tài)完全一樣，只是在相位上增加了2π。
　　信號(hào)源處理
　　1、辨向原理在實(shí)際應(yīng)用中，位移具有兩個(gè)方向，即選定一個(gè)方向后，位移有正負(fù)之分，因此用一個(gè)光電元件測(cè)定莫爾條紋信號(hào)源確定不了位移方向。為了辨向，需要有 π/2相位差的兩個(gè)莫爾條紋信號(hào)源。如圖2，在相距1/4條紋間距的位置上安放兩個(gè)光電元件，得到兩個(gè)相位差π/2的電信號(hào)源u01和u02，經(jīng)過整形后得到兩個(gè)方波信號(hào)源u01’和u02’。光柵正向移動(dòng)時(shí)u01超前u02 90度，反向移動(dòng)時(shí)u02超前u01 90度，故通過電路辨相可確定光柵運(yùn)動(dòng)方向。
　　2、細(xì)分技術(shù)隨著對(duì)量測(cè)精度要求的提高，以柵距為單位已不能滿足要求，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧?duì)莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分。所謂細(xì)分就是在莫爾條紋信號(hào)源變化一個(gè)周期內(nèi)，發(fā)出若干個(gè)脈沖，以減少脈沖當(dāng)量。如一個(gè)周期內(nèi)發(fā)出n個(gè)脈沖，則可使量測(cè)精度提高n備，而每個(gè)脈沖相當(dāng)于原來柵距的1/n。由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖頻率提高了 n倍，因此也稱n倍頻。
　　通常用的有兩種細(xì)分方法：其一、直接細(xì)分。在相差1/4莫爾條紋間距的位置上安放兩個(gè)光電元件，可得到兩個(gè)相位差90o的電信號(hào)源，用反相器反相后就得到四個(gè)依次相差90o的交流信號(hào)源。同樣，在兩莫爾條紋間放置四個(gè)依次相距1/4條紋間距的光電元件，也可獲得四個(gè)相位差90o的交流信號(hào)源，實(shí)現(xiàn)四倍頻細(xì)分。其二、電路細(xì)分。
　　專用集成電路
　　四倍頻專用集成電路QA740210同時(shí)具有辨相和四倍頻細(xì)分的功能，可將兩路正交的方波進(jìn)行四倍頻后產(chǎn)生兩路加、減計(jì)數(shù)信號(hào)源，可送雙時(shí)鐘可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加、減計(jì)數(shù)，也可直接送微型計(jì)算機(jī)（包括單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
　　1、特點(diǎn)：
　　⑴、數(shù)字化微分電路：4路微分信號(hào)源脈寬由主頻周期決定，因此，是一致的，而且可在很大范圍里方便地選擇。
　?、啤⑴R界報(bào)警與過速報(bào)警兩檔速度提示：可在光柵運(yùn)動(dòng)速度接近極限值時(shí)給出臨界報(bào)警信息，以便操作者及時(shí)控制光柵運(yùn)動(dòng)快慢。在速度超過極限值時(shí)本電路將給出出錯(cuò)信息。
　?、?、**零位控制：**零位的設(shè)置將給操作者帶來許多方便，如故障斷電后的重新定位等。本電路有“到**零位開始計(jì)數(shù)”和“到**零位停止計(jì)數(shù)”，以及“與**零位無關(guān)”三種工作模式。
　?、?、片選：本電路設(shè)有片選端，可以構(gòu)成多標(biāo)數(shù)顯系統(tǒng)。
　?、?、COMS工藝：輸入輸出的電壓電流與4000系列CMOS及LSTTL電路兼容。