長度感測器

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更新時間: 2013-12-12

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長度感測器主要由感受元件和轉換元件組成。轉換元件把感受元件感受的被測長度精確地轉換為便於放大和處理的其他物理量。

  利用氣動、電學、光學等原理和光電效應等將被測長度轉換為空氣的壓力或流量、電量和光強等物理量,以獲取測量信息的測量元件,用於某些長度測量工具中。長度感測器(以下簡稱感測器)主要由感受元件和轉換元件組成。轉換元件把感受元件感受的被測長度精確地轉換為便於放大和處理的其他物理量。
  氣動感測器  將被測長度轉換為空氣壓力和流量等,用作相對測量(見長度計量技術)的感測器。它的特點是可以用於不接觸測量,利用內徑測頭(見氣動量儀)可以方便地測量孔徑,但示值範圍小,一般為±20~±100微米。圖1為採用波紋管作為尺寸轉換和放大元件的壓力式氣動感測器的工作原理。被測件厚度變化引起間隙S變化,S變化又引起波紋管內壓力變化,從而使框架向左或向右移動。移動的距離就是放大了的被測厚度變化,通過寬刻度指示表指示出來。也可根據電觸點接觸與否,由指示燈指示被測厚度是否合格。壓力式氣動感測器還常採用膜片、膜盒等作為轉換元件。常見的流量式氣動感測器主要由測頭、浮子和錐度玻璃管等組成。

長度感測器長度感測器
 
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  電學感測器  將被測長度直接轉換為電量的感測器,主要有電感式、電容式、電接解式、壓電式、磁柵式和感應同步器式等。圖2為一種管式結構的電感式感測器的工作原理。當磁芯位於線圈1、2的中間位置時,兩線圈產生的電感量相等。此時,由線圈1、2和振蕩變壓器次級線圈組成的電橋保持平衡。當帶磁芯的測桿上下移動時,兩線圈產生的電感量不等,電橋不平衡,有電壓U0輸出。U0的大小與測桿移動距離成比例。電感式感測器配以相應的電子放大和指示部分,便成為電感測微儀。電感式感測器的解析度很高,可達0.01微米,測量範圍一般小於2毫米,大的可達幾十毫米。電容式感測器與電感式感測器的原理相似,一般是把線圈和磁芯換成固定極筒和可動極筒,當測桿移動時產生的是電容量變化。20世紀80年代初出現了用於電子卡尺的大量程電容感測器,測量範圍為 150毫米。電接觸式感測器是利用電觸點副發出電信號判別被測尺寸合格與否的。電觸點的移動可由測桿直接傳來,也可經槓桿或其他機構放大,以提高其靈敏度。電接觸式感測器主要用於自動測量中。壓電式感測器是利用受壓變形時會產生電荷的固體材料,例如石英晶體、鋯鈦酸鋁、鈮鎂酸鋁等作為轉換元件的,主要用於輕便的上置式表面粗糙度測量儀中。
  光電感測器  將被測長度先轉換為光量,再轉換為電量輸出的感測器。常見的有光柵式(見光柵測長技術)、激光式、固體陣列式和光導纖維式等。激光式又可分為光波干涉式、掃瞄式和光強式等(見激光測長技術)。固體陣列感測器是70年代初期出現的一種圖象感測器。固體陣列是一種線型或面型的光電轉換元件。其中用得較多的是電荷耦合器件(圖3)。它是一種在硅晶元的一面沉積柵電極結構的器件。柵電極和硅晶元間有一層約為0.1~0.12微米厚的 SiO2透明絕緣層,形成電容陣列。由於柵電極可以透光,硅晶元是一種光敏材料,當光照射在其上時,在內部產生電荷載流子,並被收集和存儲在硅晶元的勢阱中。勢阱是當在柵電極上加正電壓時,在電場的作用下,與電極相鄰的硅晶元表面的正電荷被推離后形成的一個耗盡層。存儲在勢阱中的電荷載流子,在適當的時候會穿透晶元,經電荷放大器后輸出。勢阱是晶元中的分立單元,其解析度可達0.01毫米或更高。將被測尺寸、圖象等以光掃描或投影等方法投射在電荷耦合器件上時,光信號即轉換為電信號輸出,經電路處理后即可得到被測尺寸等的量值。固體陣列感測器適用於小型複雜形狀工件的多尺寸自動測量。一次投影或光掃描可以測量幾十個尺寸。光導纖維感測器主要用於測量微小位移和精密定位。
  參考書目
 Hermann K.P.Neubert , Instrument transducer,Clarendon Press,Oxford,1975.

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