1.4 位移傳感器

位移傳感器又稱為線性傳感器，可分為電容式位移傳感器、電感式位移傳感器、光電式位移傳感器和霍爾式位移傳感器等。位移是與運動物體位置有關的量，因此在機床加工、檢測儀表等行業中廣泛應用。

1.4.1 電容式位移傳感器

電容式位移傳感器是利用電容器的原理，將位移的變化轉換為電容量變化的器件。電容式位移傳感器具有測量范圍大、動態響應時間短、結構簡單、穩定性好、可以實現非接觸測量等優點。

1.原理

由物理學可知，兩個平行金屬極板組成的電容器，如果不考慮其邊緣效應，其電容為

由上式可知，通過改變ε、A、d這三個參數中的一個，就可以得到電容值的增量ΔC，這就是電容式位移傳感器的工作原理。根據此原理，可以將電容式位移傳感器分成三種基本類型：變極距式、變面積式和變介電常數式（如圖1-19所示）。

2.測量電路

電容式位移傳感器的電容值一般十分小（幾皮法至幾十皮法），這樣微小的電容值不便直接顯示、記錄或傳輸，因此需要借助測量電路將其轉化為電壓、電流或頻率信號。電容式位移傳感器常用的測量電路為橋式電路，如圖1-20所示。

3.應用

如圖1-21所示為一種變面積式電容位移傳感器的結構示意圖，這種傳感器采用差動形式，具有良好的線性度。當測桿隨被測物體運動時，活動電極也隨之運動產生位移，導致活動電極與兩個固定電極之間的覆蓋面積發生變化，傳感器的電容也發生相應變化。

課堂討論

1.4.2 電感式位移傳感器

電感式位移傳感器是利用電磁感應把位移轉換成線圈的自感系數或互感系數的變化，再由測量轉換電路轉換為電壓或電流的變化量，實現非電量到電量的轉換。電感式位移傳感器具有結構簡單、工作可靠、壽命長、靈敏度高、分辨率高、線性度好、穩定性比較好等優點，還可以實現信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制，因此廣泛應用在工業自動控制系統中。

1.自感式傳感器

自感式傳感器的結構示意圖如圖1-22所示，它主要由鐵芯、線圈和銜鐵組成。工作時，銜鐵通過測桿（或轉軸）與被測物體相接觸，被測物體的直線位移或角位移的變化轉換為線圈電感量的變化。常用自感式傳感器有變隙式、變截面式和螺管式三種。

2.差動變壓器式傳感器

差動變壓器式傳感器是把被測位移量的變化轉換為一次繞組與二次繞組間互感系數M的變化。當一次繞組接入激勵電源后，二次繞組將產生感應電動勢，當兩者間的互感系數變化時，感應電動勢也產生相應的變化。目前應用最廣泛的結構是螺管式差動變壓器式傳感器，如圖1-23所示。

3.測量電路

電感式位移傳感器的測量轉換電路一般采用電橋電路，如圖1-24所示。

4.應用

圖1-25為電感式位移傳感器的原理圖。測量時，測桿帶動銜鐵隨著被測物體運動，使銜鐵偏離中間位置，從而使線圈的互感系數發生變化，測量電路輸出一個交流電壓信號，該信號反映被測物體的位移變化量。

1.4.3 光電式位移傳感器

光電式位移傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測對象的位移量轉化成光信號，然后借助光電元件將光信號轉換成電信號。光電式位移傳感器能夠實現非接觸測量，并且具有結構簡單、精度高、反應快等優點，因此廣泛應用在檢測領域和控制系統中。

1.光電管

根據外光電效應制成的光電管有很多類型，最常用的是真空光電管。如圖1-26所示，半圓筒形金屬片制成的陰極和位于軸心的金屬絲制成的陽極封裝在抽成真空的玻璃殼內。測量時，光電管的陰極K與電源的負極相連，陽極A與電源的正極相連（見圖1-27），當有適當頻率的入射光照射陰極時，電子便從陰極逸出，匯聚到陽極，形成電子流，在光電管外形成光電流，該電流隨光照的強弱變化而變化，從而將光信號轉換成電信號。

2.光敏電阻

光敏電阻是采用半導體材料制成的，利用內光電效應工作的光電元件，又稱光導管（見圖1-28）。有光照時，光敏電阻的阻值變小，流過的電流隨著光照強度的增強而增大，從而實現光電轉換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓也可以加交流電壓。

3.光敏晶體管

光敏晶體管通常指光敏二極管和光敏三極管，它們的工作原理也是基于內光電效應的，和光敏電阻的差別僅在于光線照射在半導體PN結上，PN結參與了光電轉換的過程。

光敏二極管的結構和普通二極管的結構相似，只是它的PN結裝在了管殼頂部，光線通過透鏡制成的窗口集中照射在PN結上。工作時，光敏二極管處于反向偏置狀態，當有光照時，二極管導通，把光信號轉換成了電信號。

光敏三極管內有兩個PN結，由于具有電流放大作用，因此比光敏二極管的靈敏度高。工作時，光敏三極管集電結反向偏置，發射結正向偏置，當光線通過透明窗口照射集電結時，三極管導通，把光信號轉換成了電信號。

4.光電池

光電池是利用光生伏特效應制成的一種自發電式的光電元件，它受到光照時自身產生一定方向的電動勢，即將光能轉換成電能。光電池種類繁多，有硒、鍺、硅、砷化鎵光電池等，其中應用最廣泛的是硅電池。

5.應用

圖1-29為光電編碼器的原理圖，由光源、編碼盤和光電元件三部分組成。測量時，光電編碼器將直線位移（或角位移）轉換成光電元件的脈沖信號，根據計數器對脈沖個數進行增減計數，從而判斷編碼盤旋轉的角度及位移。