## 线性位移传感器

### 1. 什么是线性位移传感器？
　　线性位移传感器又称为线性传感器，把位移转换为电量的传感器。线性位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量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。
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### 2. 线性位移传感器是如何工作的？ 

**电位器式位移传感器工作原理**

　　电位器式位移传感器，它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。

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**磁致伸缩位移传感器原理**

　　它主要是利用磁致伸缩原理、通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。它的缺点是可能会受到环境的磁场变化和外界物体的干扰影响，造成信号不稳定。优点是作为非接触式的位移传感器，它对于液体中使用是非常合适的，特别是液压缸内部的使用，所以，一般只要液压缸内部用的位移传感器都是用的磁致伸缩位移传感器。

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**LVDT位移传感器原理**

　　LVDT(Linear.Variable.Differential.Transformer)是线性可变差动变压器缩写。工作原理简单地说是铁芯可动变压器。它由一个初级线圈、两个次级线圈、铁芯、线圈骨架、外壳等部件组成。当铁芯由中间向两边移动时，次级两个线圈输出电压之差与铁芯移动成线性关系。

　　当初级线圈P1，P2之间供给一定频率的交变电压时，铁芯在线圈内移动改变了空间的磁场分布，从而改变了初、次级线圈之间的互感量，次级线圈S11，S22之间就产生感应电动势，随着铁心的位置不同，互感量也不同，次级产生的感应电动势也不同，这样就将铁芯的位移量变成了电压信号输出，由于两个次级线圈电压极性相反,参见图1,输出电压为差动电压

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　　当铁芯往右移动时，次级线圈2感应的电压大于次级线圈1；当铁芯往左移动时，次级线圈1感应的电压大于次级线圈2，两线圈输出的电压差值大小随铁芯位移而成线性变化。图2中的虚线范围内是传感器的量程，当铁芯移动行程大于100%时（虚线之外段），两次级线圈输出电压的差值与铁芯位移线性关系变差。零点两边的实线段一般是对称的测量范围，两者都是交流信号而相位差180度。实际的LVDT线圈通常与壳体紧固为一体，铁芯与测杆紧固为另一体，当两体间发生相对位移时，就产生位移电压输出。

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### 3. 如何应用线性位移传感器？

**3.1、激光位移传感器的应用**

　　激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测等。

**3.2、角度位移传感器的应用**

  * 地理：山体滑坡，雪崩。

  * 钻井：精确钻井倾斜控制。

  * 民用：大坝，建筑，桥梁，玩具，报警，运输。

  * 火车：高速列车转向架和客车车厢的倾斜测量。

  * 海事：纵倾和横滚控制，油轮控制，天线位置控制。

  * 机械：倾斜控制，大型机械对准控制，弯曲控制，起重机。

  * 军用：火炮和雷达调整，初始位置控制，导航系统，军用着陆平台控制。

  * 工业：吊车，吊架，收割机，起重机，称重系统的倾斜补偿，沥青机，铺路机等。

**3.3、磁致伸缩位移传感器的应用**

　　注塑机、压铸机、吹瓶机、液压机、鞋机、橡胶机、轮胎硫化机、压延机、五金机械(监控模具厚度变化和平衡)、钢厂轧辊调节、盾构机、液压伺服系统、液位检测和控制。

　　
**位移传感器在定量灌装机中的高精度控制**　　

　　动态计量关键技术难点是量筒内液位的精确检测，磁致伸缩位移传感器以其可靠性、高分辨率、微小的温漂值和丰富的接口信号完美地契合了精确定量灌装的技术要求，成为主流旋转式自动定量灌装机厂家的产品中标配组件。   

　　磁致伸缩传感器的高精度检测位移值通过匹配的信号接口传送到自动化控制系统参与控制，已经成熟的解决方案通常会采用模拟量信号、SSI串行同步信号和CANOpen总线信号三者之一构建系统。

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**3.4、直线位移传感器(电子尺)的应用领域**

　　注塑机、压铸机、吹瓶机、液压机、鞋机、砖机、砌垛机、陶瓷机械、列车轨距监测、橡胶机、轮胎硫化机、压延机、五金机械(监控模具厚度变化和平衡)、皮革机械、比例阀、长行程钻管机、弹簧机械、木工机械、板材设备、印刷机械(刷辊运动、裁纸等)、钢厂轧辊调节、机械手、自动门(列车及大厅)、裁床(裁钢管、木板、线材等)、桥梁监测、煤炭设备(掘进机、坑道支架、塌方监测等)、地质监测(如：塌方、溃堤)。

　　**静磁栅位移传感器在升降梯控制系统中的应用**

　　升降梯是现代建筑内关系到人民生命财产安全的重要交通工具，是楼层用以固定提升的成套设备， 它由提升曳引系统、引导系统、安全装置和电控系统组成。如何提高电梯的运行效率、降低电梯能耗以及减少机械磨损、延长电梯的使用寿命，都是非常重要的研究课题。

　　静磁栅位移传感器在电梯控制系统中的作用是电梯平层控制的调整，电控系统是电梯的“中枢神经”， 为了使电梯具有较高的运行效率，加减速度应该有一个合适的限度，而且变化要平稳，需要有一个设计合理的电控系统。

　　静磁栅位移传感器由“静磁栅源”和“静磁栅尺”两部分结合使用。“静磁栅源”使用铝合金压封无源钕铁硼磁栅组成磁栅编码阵列；“静磁栅尺”用内藏嵌入式微处理器系统的特制高强度铝合金管材封装，使用开关型霍尔传感器件组成霍尔编码阵列，铝合金管材外部使用防氧化镀塑处理。“静磁栅源”沿“静磁栅尺”轴线作无接触（相对间隙宽容度和相对姿态宽容度达50mm）相对运动时，由“静磁栅尺”解析出数字化位移信息，直接产生高于毫米数量级的位移量数字信号。充分发掘嵌入式微处理器的资源，将数据更新速度提高到毫秒数量级，以便能适应5m/S以下运动速度的位移响应。


**3.5、拉绳/拉线位移传感器的应用领域**

　　舞台屏幕设备、皮革机械、盾构机、长行程钻管机、弹簧机械、木工机械、板材设备、印刷机械(刷辊运动、裁纸等)、机械手、自动门(列车及大厅)、裁床(裁钢管、木板、线材等)、桥梁监测、电梯平层、升降机、水闸开度、水库水位、行车、工程车、龙门吊、港口设备、煤炭设备。

　　**位移传感器在盾构机中的应用**

　　在隧道施工设备中，不同形式的盾构机，其主机的结构特点和配套设施也不相同。在一些复杂的盾构机上， 盾构机的功能是系统和多样化的。包括：机械、液压、测量和控制等多种功能。例如，在一些复合式盾构机上，就包括有开挖系统、主驱动系统、推进系统、注浆系统、液压系统等多种功能。
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　　作为一种线性传感器，位移传感器主要用来测量线性位置上的机械位移， 在盾构机推进系统的每组油缸，都配备有位移传感器，用于测量油缸推进时的位移数据。盾构机推进系统油缸的分组通常如下图所示分区，顶部（A组）、右部（B组）、底部（C组）、左部（D组）。其中每组油缸都单独安装有位移传感器。

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　　推进时，推进油缸伸出，撑靴作用到管片上提供盾构机前进的反力。油缸的压力可以独立调节，通过查看位移传感器监测到的每组油缸的推进数据，施工人员在控制室内可以实时监控每组油缸的行程和压力。通过调整每组油缸的推进压力和速度，可实现盾构机的纠偏和调向。


### 4. 主要的线性位移传感器供应商

| 供应商| 主要业务 |
| [[https://www.deppre.cn/brand/novotechnik/|德国 NOVOTECHNIK ]] | 一仪器设备、实际产品 |
| [[https://www.deppre.cn/brand/microepsilon|德国 MICRO-EPSILON/米铱]] | 精密位移传感器及测量系统、高精度产品 |
| [[https://www.deppre.cn/brand/autonics|韩国 Autonics/奥托尼克斯]] | 现货供应、海外进口产品|
| [[https://www.deppre.cn/brand/peterhirt|瑞士 PETER HIRT]] | 模块、工业产品、精密工程|
| [[https://www.deppre.cn/brand/unimeasure|美国 UniMeasure ]] | 仪器仪表、线性传感器 |
| [[https://www.deppre.cn/brand/hydrotechnik/|德国 Hydrotechnik]] | 芯片、模块、电子元器件采购平台 |

### 5. 参考案例

#### 5.1 LVDT线性位移传感器保障燃气轮机高效运行

　　LVDT 位移传感器是一个只包含几个线圈和一个亚铁芯线的简单器件，可以承受高强度的冲击和振动，即使在极脏时运行也能符合规格。

　　LVDT 线性位移传感器可以测量各种大小的移动，小到百万分之一英寸，这对将某些阀门移动的测量精确到微小级别至关重要。例如，由于排放阀是调节阀，因而必须打开到特定程度，具体取决于发电量。通过确认阀门已开合到适当程度，工厂能够提高运行效率，从而达到节约燃料的目的。

　　LVDT 线性位移传感器如今可使用合金和钛等现代材料包装，以应对燃气轮机常有的极端温度和极不稳定的环境。钴和镍等特殊合金可使 LVDT 具有更高的性能。

　　LVDT 线性位移传感器性能可靠、可重复使用、准确度高，而且成本较低，无论是在燃气轮机运行还是在工厂改造项目中皆能发挥重要作用，最大限度提高效率。

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#### 5.2 位移传感器在娱乐动感器械中的应用

　　在仿真动作的娱乐动感舞台上，对位移传感器的需求也非常的多。目前，在很多城市的大型娱乐场所，从只能容纳2至3人的小型机动飞船，到几十甚至上百人的大型动感影院，到处可见。尤其是在大型的主题公园如全球的迪士尼世界、大型影城等场所。为达到机械装置安全性和稳定性的要求，这些系统基本上都是以液压推动。它们就普遍采用一些带位移传感器的长行程液压缸，随着编定好的程序作出多种不同类型和方向的动作，随着观众的身体移动，让他们体会到身临其境的真实感。

　　位移传感器通常被安装于在长行程的液压缸上，主要是为了实现活塞杆的精确位移，这样才能确保在对活塞的位置测量的基础上,而实现远程控制。

　　这种情况下，对于位移传感器的要求是能提供一个长行程，长达10米或以上的连续不断的位置测量，输出既稳定可靠，外壳又能承受户外的恶劣条件。需要注意的是，在户外安装使用时，需要对位移传感器和电缆加上适当的保护措施，以防范下雨、台风和打雷等。

　　性能较高的一些位移传感器，比起一些光学编码器要好的多，它不用定期重标和维护，也不需要配备冗余的传感器装置。同时，位移传感器工作寿命长，就算不幸发生故障或受到破坏，现场更换敏感元件也十分方便。

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#### 5.3 位移传感器在激光切割中的使用

　　激光切割头在工件形状发生变化，以及表面出现凹凸不平的障碍时，位移传感器可以自动检测到变化，并根据变化自动调节高度，使其始终与工件表面的距离保持一致。这样可以提高加工速度，而不必持续监督。当今国内外采用的位移传感器基本上是电容式，其结构和形状与加工头相适应，同时配有检测信号处理单元。

　　激光头用位移式电容传感器与喷嘴体复合，传感器由内外两个不同金属锥形壳套在一起组成。内外壳层中间为陶瓷绝缘介质，外壳层选择接地且与内层绝缘，传感器工作时起屏蔽作用。锥形尖端一侧内壳层下部连接一环形金属片与外层绝缘，此环形金属片于金属工件即构成一个电容传感器的两个极板。从内壳层中引出一通道于信号采集系统相连接传感器工作时依次通过此通道，金属内壳层使发射极板（环形金属片）带电，整个探头上端于激光加工机连接，工作时激光束通过内层金属壳穿出。

　　在激光切割过程中，带有位移传感器的喷嘴控制着到工件的距离间隙一直，保证了工件的切割质量。

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####5.4 线性位移传感器在工业中的广泛应用
  * 灌溉枢纽控制
　　霍尔效应旋转位置传感器的一个广受欢迎的用途是大型农场使用的喷灌系统。传感器能够监测喷头灌溉时的角度范围。灌溉系统是否把水喷洒到了您希望浇灌的土地，或者系统能达到360度喷灌。这些技术知识能帮助农业工作者减少水耗，提高农地产出。
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  * 阀门位置感应

　　一种常用的工业应用是工艺阀的控制。油田、核电站、食品加工厂和饮料生产厂商都需要监控阀门位置。霍尔效应旋转位置传感器用于监控大型和小型阀门的位置，有助确保阀门关闭，或监控阀门是怎样打开的。

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  * HVAC挡板控制

　　供暖、通风和空调系统可使用旋转位置传感器来控制挡板。在寒冷的日子里，打开的挡板会使冷空气进入室内， HVAC系统开始供暖。对于开着窗户的房间，打开的挡板也会使户外空气进入，降低系统效能，增加供暖和制冷的成本。高效利用霍尔效应旋转位置传感器和温度传感器，能够帮助物业经理更好地管理HVAC系统，减少运营费用。 

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