第二章 机械微传感器的应用

2.1 位移微传感器

2.1.1 基本概念

我们将测量位移量和检测物体位置的传感器成为位移微传感器。测量两物体空间相对距离的传感器也被视为位移微传感器。

位移传感器可分为接触式和非接触式两大类。接触式位移传感器将传导杆与被测体固定在一起，再将传导杆的位置信号转换成电信号。传统的接触式位移传感器有电阻式、电感式、电容式、电磁式和光学式几种。

不需要传导杆而直接检测目标物位移的传感器成为非接触式位移传感器。非接触式位移传感器通常利用电感、电容或电磁技术、激光、远红外、微波或超声波技术进行测距。

在需要建立和维护位置偏置与容差的工程应用中，位移传感器的使用十分广泛。根据要求的不同，测量位移的范围也相差很大，从需要用长波长微波器件测量公里级的位移，到短波长微波器件测量米级的位移，到常用的各种位移传感器测量的毫米级位移，以及用激光干涉法测量微米级位移，直到用X射线衍射（x-ray diffraction, XRD）干涉法测量亚纳米级位移。

在日常生活中经常用到位移微传感器，例如在交通信号灯和机器人上的监测器；精确控制驱动器和驱动系统中用来测量驱动器或驱动杆位置的光学编码器。它们在构建信息化社会中起到了巨大的作用。

2.1.2 电容和电感式位移微传感器

电容和电感式距离传感器能够检测位移幅度在0.1～10mm范围内的物体，物体的运动导致输出电容或电感产生变化。电容式微传感器一般是测量与位移相关的量而非直接测量物体位移，例如通过加速度、压力/应力、力/力矩来获得位移，通常通过测量悬臂梁、膜和其他微型挠性结构的电容变化来测量上述间接物理量。

2.1.3 光学位移微传感器

光学位移微传感器一般采用光束散射、光路反射和光路截断等方式检测物体位移。

图2-1为利用光束散射的光开关示意图。一个距离目标物1～5mm远处有一发出红外辐射的光电二极管照射到该物体上，一个光转换器收集这些散射光。

图2-1 固态散射型光位置传感器

比测量物体是否存在更加困难的是测量物体的位置，利用光电换能器采集并产生非线性信号输出是最基本的反射式方法。物体反射面的平整度决定了信号的输出质量，但这种方法不很精确。

除此之外，光电微传感器还能够测量一个表面的偏转和角度。例如，一半环形的腔室中装有某种溶液，液体中有一个气泡随物体表面的倾斜而移动，由二极管中发出的光被其反射并将阴影投射到4个光电检测器上，物体偏转的角度可由这4个光电监测器的输出信号的不同计算得出。

2.1.4 超声波位移微传感器

与其他类型的微传感器相比，超声波位移微传感器具有以下优点：（1）利用高频声波，对较脏的测试环境不敏感；（2）非接触式，可以检测导体、绝缘体、铁电体和非铁电体；（3）测量范围可扩至5m。图2-2为超声波位置传感器探头的结构示意图。其中PZT为压电元件，它发出测试声波也收集回声波。检测相对距离和液面高度通常用超声波传感器。

图2-2 超声波位置传感器探头