什么是长度传感器?

[拼音]：changdu chuanganqi

[外文]：linear transducer

利用气动、电学、光学等原理和光电效应等将被测长度转换为空气的压力或流量、电量和光强等物理量，以获取测量信息的测量元件，用于某些长度测量工具中。长度传感器（以下简称传感器）主要由感受元件和转换元件组成。转换元件把感受元件感受的被测长度精确地转换为便于放大和处理的其他物理量。

将被测长度转换为空气压力和流量等，用作相对测量（见长度计量技术）的传感器。它的特点是可以用于不接触测量，利用内径测头(见气动量仪)可以方便地测量孔径，但示值范围小，一般为±20～±100微米。图1为采用波纹管作为尺寸转换和放大元件的压力式气动传感器的工作原理。被测件厚度变化引起间隙S变化，S变化又引起波纹管内压力变化，从而使框架向左或向右移动。移动的距离就是放大了的被测厚度变化，通过宽刻度指示表指示出来。也可根据电触点接触与否，由指示灯指示被测厚度是否合格。压力式气动传感器还常采用膜片、膜盒等作为转换元件。常见的流量式气动传感器主要由测头、浮子和锥度玻璃管等组成。

将被测长度直接转换为电量的传感器，主要有电感式、电容式、电接解式、压电式、磁栅式和感应同步器式等。图2为一种管式结构的电感式传感器的工作原理。当磁芯位于线圈1、2的中间位置时，两线圈产生的电感量相等。此时，由线圈1、2和振荡变压器次级线圈组成的电桥保持平衡。当带磁芯的测杆上下移动时，两线圈产生的电感量不等，电桥不平衡，有电压U0输出。U0的大小与测杆移动距离成比例。电感式传感器配以相应的电子放大和指示部分，便成为电感测微仪。电感式传感器的分辨率很高，可达0.01微米，测量范围一般小于2毫米，大的可达几十毫米。电容式传感器与电感式传感器的原理相似，一般是把线圈和磁芯换成固定极筒和可动极筒，当测杆移动时产生的是电容量变化。20世纪80年代初出现了用于电子卡尺的大量程电容传感器，测量范围为 150毫米。电接触式传感器是利用电触点副发出电信号判别被测尺寸合格与否的。电触点的移动可由测杆直接传来，也可经杠杆或其他机构放大，以提高其灵敏度。电接触式传感器主要用于自动测量中。压电式传感器是利用受压变形时会产生电荷的固体材料，例如石英晶体、锆钛酸铝、铌镁酸铝等作为转换元件的，主要用于轻便的上置式表面粗糙度测量仪中。

将被测长度先转换为光量，再转换为电量输出的传感器。常见的有光栅式(见光栅测长技术)、激光式、固体阵列式和光导纤维式等。激光式又可分为光波干涉式、扫瞄式和光强式等(见激光测长技术)。固体阵列传感器是70年代初期出现的一种图象传感器。固体阵列是一种线型或面型的光电转换元件。其中用得较多的是电荷耦合器件（图3）。它是一种在硅芯片的一面沉积栅电极结构的器件。栅电极和硅芯片间有一层约为0.1～0.12微米厚的 SiO 2透明绝缘层，形成电容阵列。由于栅电极可以透光，硅芯片是一种光敏材料，当光照射在其上时，在内部产生电荷载流子，并被收集和存储在硅芯片的势阱中。势阱是当在栅电极上加正电压时，在电场的作用下，与电极相邻的硅芯片表面的正电荷被推离后形成的一个耗尽层。存储在势阱中的电荷载流子，在适当的时候会穿透芯片，经电荷放大器后输出。势阱是芯片中的分立单元，其分辨率可达0.01毫米或更高。将被测尺寸、图象等以光扫描或投影等方法投射在电荷耦合器件上时，光信号即转换为电信号输出，经电路处理后即可得到被测尺寸等的量值。固体阵列传感器适用于小型复杂形状工件的多尺寸自动测量。一次投影或光扫描可以测量几十个尺寸。光导纤维传感器主要用于测量微小位移和精密定位。

参考书目

Hermann K.P.Neubert ， Instrument transducer，Clarendon Press，Oxford，1975.