1.4 位移传感器

位移传感器又称为线性传感器，可分为电容式位移传感器、电感式位移传感器、光电式位移传感器和霍尔式位移传感器等。位移是与运动物体位置有关的量，因此在机床加工、检测仪表等行业中广泛应用。

1.4.1 电容式位移传感器

电容式位移传感器是利用电容器的原理，将位移的变化转换为电容量变化的器件。电容式位移传感器具有测量范围大、动态响应时间短、结构简单、稳定性好、可以实现非接触测量等优点。

1.原理

由物理学可知，两个平行金属极板组成的电容器，如果不考虑其边缘效应，其电容为

由上式可知，通过改变ε、A、d这三个参数中的一个，就可以得到电容值的增量ΔC，这就是电容式位移传感器的工作原理。根据此原理，可以将电容式位移传感器分成三种基本类型：变极距式、变面积式和变介电常数式（如图1-19所示）。

2.测量电路

电容式位移传感器的电容值一般十分小（几皮法至几十皮法），这样微小的电容值不便直接显示、记录或传输，因此需要借助测量电路将其转化为电压、电流或频率信号。电容式位移传感器常用的测量电路为桥式电路，如图1-20所示。

3.应用

如图1-21所示为一种变面积式电容位移传感器的结构示意图，这种传感器采用差动形式，具有良好的线性度。当测杆随被测物体运动时，活动电极也随之运动产生位移，导致活动电极与两个固定电极之间的覆盖面积发生变化，传感器的电容也发生相应变化。

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1.4.2 电感式位移传感器

电感式位移传感器是利用电磁感应把位移转换成线圈的自感系数或互感系数的变化，再由测量转换电路转换为电压或电流的变化量，实现非电量到电量的转换。电感式位移传感器具有结构简单、工作可靠、寿命长、灵敏度高、分辨率高、线性度好、稳定性比较好等优点，还可以实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，因此广泛应用在工业自动控制系统中。

1.自感式传感器

自感式传感器的结构示意图如图1-22所示，它主要由铁芯、线圈和衔铁组成。工作时，衔铁通过测杆（或转轴）与被测物体相接触，被测物体的直线位移或角位移的变化转换为线圈电感量的变化。常用自感式传感器有变隙式、变截面式和螺管式三种。

2.差动变压器式传感器

差动变压器式传感器是把被测位移量的变化转换为一次绕组与二次绕组间互感系数M的变化。当一次绕组接入激励电源后，二次绕组将产生感应电动势，当两者间的互感系数变化时，感应电动势也产生相应的变化。目前应用最广泛的结构是螺管式差动变压器式传感器，如图1-23所示。

3.测量电路

电感式位移传感器的测量转换电路一般采用电桥电路，如图1-24所示。

4.应用

图1-25为电感式位移传感器的原理图。测量时，测杆带动衔铁随着被测物体运动，使衔铁偏离中间位置，从而使线圈的互感系数发生变化，测量电路输出一个交流电压信号，该信号反映被测物体的位移变化量。

1.4.3 光电式位移传感器

光电式位移传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测对象的位移量转化成光信号，然后借助光电元件将光信号转换成电信号。光电式位移传感器能够实现非接触测量，并且具有结构简单、精度高、反应快等优点，因此广泛应用在检测领域和控制系统中。

1.光电管

根据外光电效应制成的光电管有很多类型，最常用的是真空光电管。如图1-26所示，半圆筒形金属片制成的阴极和位于轴心的金属丝制成的阳极封装在抽成真空的玻璃壳内。测量时，光电管的阴极K与电源的负极相连，阳极A与电源的正极相连（见图1-27），当有适当频率的入射光照射阴极时，电子便从阴极逸出，汇聚到阳极，形成电子流，在光电管外形成光电流，该电流随光照的强弱变化而变化，从而将光信号转换成电信号。

2.光敏电阻

光敏电阻是采用半导体材料制成的，利用内光电效应工作的光电元件，又称光导管（见图1-28）。有光照时，光敏电阻的阻值变小，流过的电流随着光照强度的增强而增大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压也可以加交流电压。

3.光敏晶体管

光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，它们的工作原理也是基于内光电效应的，和光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上，PN结参与了光电转换的过程。

光敏二极管的结构和普通二极管的结构相似，只是它的PN结装在了管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口集中照射在PN结上。工作时，光敏二极管处于反向偏置状态，当有光照时，二极管导通，把光信号转换成了电信号。

光敏三极管内有两个PN结，由于具有电流放大作用，因此比光敏二极管的灵敏度高。工作时，光敏三极管集电结反向偏置，发射结正向偏置，当光线通过透明窗口照射集电结时，三极管导通，把光信号转换成了电信号。

4.光电池

光电池是利用光生伏特效应制成的一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身产生一定方向的电动势，即将光能转换成电能。光电池种类繁多，有硒、锗、硅、砷化镓光电池等，其中应用最广泛的是硅电池。

5.应用

图1-29为光电编码器的原理图，由光源、编码盘和光电元件三部分组成。测量时，光电编码器将直线位移（或角位移）转换成光电元件的脉冲信号，根据计数器对脉冲个数进行增减计数，从而判断编码盘旋转的角度及位移。