常見傳感器分類和工作原理

傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。傳感器有許多種，在先進(jìn)測(cè)量技術(shù)這門課中提到了許多傳感器，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。許多基礎(chǔ)科學(xué)研究的障礙，首先就在于對(duì)象信息的獲取存在困難，而一些新機(jī)理和高靈敏度的檢測(cè)傳感器的出現(xiàn)，往往會(huì)導(dǎo)致該領(lǐng)域內(nèi)的突破。

1 位移傳感器

傳感器的分類是可以通過轉(zhuǎn)換原理、用途、輸出信號(hào)以及制作材料和工藝分。根據(jù)工作原理可以分為兩大類，分別是物理傳感器和化學(xué)傳感器。目前最常用的傳感器之一是位移傳感器。

位移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，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，位移的測(cè)量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)來測(cè)量。其中光柵傳感器因具有易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、精度高（目前分辨率最高的可達(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。

2 光柵傳感器

計(jì)量光柵通常用于數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)，用來檢測(cè)高精度直線位移和角位移，是數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較多的一種檢測(cè)裝置。光柵傳感器的空間分辨率一般可達(dá)1μm左右，單根光柵的長(zhǎng)度可達(dá)600mm以上，主光柵能夠進(jìn)行拼接，測(cè)量范圍可達(dá)幾米以上。如圖所示光柵由4光源，透鏡，2指示光柵，3光電元件，驅(qū)動(dòng)電路和1標(biāo)尺光柵組成。

當(dāng)兩光柵面相對(duì)疊合，中間留有很小的間隙，并使兩者柵線之間保持很小夾角θ，透射光就會(huì)形成明暗相間的莫爾條紋。光柵主要是利用莫爾條紋實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。莫爾條紋具有以下特點(diǎn)：

（1）平均效應(yīng)

莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成，對(duì)光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除短周期誤差的影響。光柵的工作長(zhǎng)度越大，參加工作的刻線越多，這一作用就越顯著。

（2）放大作用

由于θ角很小，從式（1-4）可明顯看出光柵有放大作用，放大比為：K≈1 /θ

（3）對(duì)應(yīng)關(guān)系

兩光柵沿與柵線垂直的方向相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋沿柵線方向移動(dòng)。兩光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距P，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距W。光柵反向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋亦反向移動(dòng)。利用這種嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)光電元件接收到的條紋數(shù)目，就可以知道主光柵所移過的位移值。