工业位移传感器的基本原理和分类有哪些?

物理量一直在塑造(并重塑)许多工业应用。无论是长度、质量、时间、电流还是温度，公司都会使用不同的基本量来得出与特定目标相一致的各种操作输出。在寻找解决方案的过程中，独特的传感器应用程序已经在时间、保真度、数量、环境、质量和成本等方面进行了选择，帮助利益相关者缩小操作可靠性和实用性之间的差距。

位移是一个衍生的量，在某些行业中起着重要作用，并且材料科学和工程学的进步已令人惊喜。部分原因在于物联网(IoT)的发现、工业机器人的激增、传感器的小型化、对霍尔效应技术和多传感器集成的兴趣日益增长。其他贡献还包括先进的核心传感元件、新颖的信号处理方法、降低功耗、紧凑的传感器足迹，或实现其他不危及传感物理的想法。

位移传感器的基础

从根本上讲，位移传感器可测量物体的位置变化。这可以以多种形式完成，包括但不限于测量翘曲、应变、压力、速度、厚度、控制对准、检查水平差以评估摆动幅度。在所有应用中，目的都是为了回答以下问题：当基本量或派生量发生变化时，运动的差异是什么？

为了回答这个问题，已经出现了不同类型的位移传感器作为接触式或非接触式解决方案：

·电容式位移传感器
·涡流位移传感器
·激光位移传感器
·线性可变微分

根据类型的不同，输出信号可以是模拟的也可以是数字的。从输入到输出的转换原理也有所不同，包括电感、静电和电磁。

电容式位移传感器

电容式位移传感器是使用电容变化来确定距离的非接触式设备。电场中的电流量基于传感元件和目标表面中的电容。使用基本电容定律，到两个导电板的电容与距离成反比，与面积成正比。因此，通过了解电容变化并确保所有其他变量恒定，可以知道传感元件与目标之间的距离。两者之间的间距变化会影响电容，进而影响位移。

涡流位移传感器

涡流传感器使用交变磁场，该交变磁场基于法拉第的感应定律在称为涡流的导电目标中感应出电流。由于目标物体的运动而导致的感应线圈阻抗的变化与物体与感应线圈之间的距离的变化成比例。通过使用磁场变化，可以从其他变量确定位移，并将其用于不同的工业应用中。涡流位移传感器是坚固耐用的非接触式设备，可在干净和肮脏的环境中使用。

激光位移传感器

激光位移传感器使用发射的激光，反射的激光和激光外壳形成三角，应用三角测量原理。通过考虑由于物体改变位置而引起的反射光的改变来知道位移。

线性可变差动变压器（LVDT）

线性可变差动变压器（LVDT）是一种用于测量线性位移的机电传感器。在结构健康监测（SHM）中，测量一个点在一个方向上相对于另一个点的位移非常重要。通过跟踪一个点相对于另一个点的移动方式，工程师可以缩小关于结构运动的不确定性列表。

LVDT的两个主要组件包括一个可移动电枢和一个外部变压器绕组，该绕组包括一个中央初级线圈和两个次级线圈，它们以相反的串联方式连接。传感器通过将信号值与磁芯的任何位置相关联来测量位移。作为可变磁阻装置，在初级绕组和次级绕组中产生的磁通量将具有与铁芯的方向和运动相关的不同的电压幅度和相位。

位移传感器使用示例

零件制造：电容位移传感器和激光位移传感器均用于控制厚度，长度，半径和位置。这些功能在结合了特定多层材料的行业中得到了利用，例如在半导体晶圆，太阳能电池，金属薄板和夹层玻璃中。通过控制每一层的几何特征，可以避免材料不一致。这些不一致会导致零件缺陷，额外的材料应力和美观问题。

状态监视：设备的状态监视对于业务运营至关重要。工业界使用电容式和涡流式位移传感器通过直接考虑位移或使用可以转化为位移的其他变量来识别机器的磨损。例如，机器中的温度变化可以与位移相关联，以指示温度梯度如何影响机器的材料。另一个示例是将压力变化与位移相关联，以更好地了解压力波动时机器的行为。该设备可应用于旋转和线性机械运动，以识别可能引起疲劳和磨损的部件。

结构健康监测：活荷载和温度变化会引起结构位移。另外，由于循环载荷引起的疲劳会削弱材料的微观结构，从而增加失效的风险。尽管所有结构都会发生某种形式的位移，但过度位移最终会损害结构的完整性。SHM的目的是确保位移，裂纹，载荷等保持在可接受的阈值内，如果不是这种情况，则提供重要信息。

LVDT通常用于桥梁和建筑物的SHM中。该设备能够测量小于0.001英寸的位移，并且在恶劣的环境中坚固耐用且不易碎。使用涡流传感器代替LVDT来监视飞机上的裂缝和其他结构因素。疲劳和裂纹扩展的迹象是可以同时使用LVDT和涡流传感器的示例。从SHM收集的信息可以输入到可减轻结构风险的预防性维护计划中。

结论：

全球主要行业都在将传感器集成到不同的业务运营中激增。到2025年，工业传感器市场预计将达到令人印象深刻的290亿美元，较2020年的182亿美元有显着增长。工业动力和技术的变化将继续推出具有各种吸引人功能的新型传感器和驱动器电子产品。

公司现在可以从广泛的设备中选择具有特定限制的功能。了解传感类型、目标距离、材料组成、应用和环境问题是决定某一种位移传感器是否适合某一特定应用的关键决定点。利用持续传感器设计迭代或采用定制解决方案的行业将优化运营，保持相关性和竞争力。

尽管本文仅介绍了四种类型的位移传感器，但值得一提的是，创新推动了这一领域的发展，包括应变计位移传感器、光学编码器位移传感器、超声波位移传感器和压电位移传感器。随着创新趋势的继续，这些可能仅仅是起点。