位移传感器原理及应用

角位移传感器的概念

角位移传感器是把对角度测量转换成其他物理量的测量,它采用非接触式专利设计，与同步分析器和电位计等其它传统的角位移测量仪相比，有效地提高了长期可靠性(直线位移传感器)。下图所示为是角位移传感器的一种型号：

角位移传感器

那么什么是角位移传感器呢，在现实生活中它都应用在哪些方面呢?小编通过搜集整理资料，简单对角位移传感器的相关基础知识进行了归纳总结（激光位移传感器）。

角位移传感器的原理有以下三种情况：（什么是位移传感器）

　　(1)将角度变化量的测量变为电阻变化测量的变阻器式角位移传感器,

　　(2)将角度变化量的测量变为电容变化的测量的面积变化型电容角位移传感器,

　　(3)将角度变化量的测量变为感应电动势变化量的测量的磁阻式角位移传感器等等.

它的设计独特，在不使用诸如滑环、叶片、接触式游标、电刷等易磨损的活动部件的前提下仍可保证测量精度。如下图所示：

角位移传感器简化原理图
 
角位移传感器特点：

该传感器采用特殊形状的转子和线绕线圈，模拟线性可变差动传感器(LVDT)的线性位移，有较高的可靠性和性能，转子轴的旋转运动产生线性输出信号，围绕出厂预置的零位移动±60(总共120)度。此输出信号的相位指示离开零位的位移方向。转子的非接触式电磁耦合使产品具有无限的分辨率，即绝对测量精度可达到零点几度。

角位移传感器的应用

从力学分类来看，有一种在静态下工作的角位移传感器，例如吊车和塔吊的吊臂上就用重锤方式角位移传感器，只能用于没有加速度运动的环境，通俗的理解就是不能在运动剧烈的环境上应用，只能用在静态的场合，是地球重力场直接作用下的倾斜仪器，类似的有气泡水准仪器，例如在经纬仪，全站仪，装修行业上使用，水平联通管也是类似的原理。

角位移传感器标准的测量方法是在旋转编码器上加重锤，重锤是产生重力作用的元件，在车辆运动环境下，就要用空气阻尼、油池阻尼、电磁阻尼来抑制重锤的晃动以至振荡，就必然使角位移传感器的灵敏度下降，响应速度下降。

角位移传感器也有非绝对编码，是增量输出的，如果没有起始脉冲专门信道，就要用自己外加初始定位传感器，一般是用红外的标准产品，缺点是精度低。

使用地磁角位移传感器基本上不受环境振动影响，又受电磁干扰影响，比赛车辆自身的电动机就要磁屏蔽。

航海、航空和航天器使用一种红外角位移传感器，对环境的可见光或红外辐射进行立体的比较，最简单的是求出运载工具相对太阳的姿态，是广角和立体摄影和图像处理技术的综合，最简单地要分辨地平线;在比赛的空间，要受到小环境的光线干扰。

角位移传感器的主要技术参数：

　　1.旋转位移，工作温度范围大，自带信号调节

　　2.免接触型传感器，适应不良环境(振动、冲击、潮湿、盐雾等，出色的温度稳定性)

　　3.线性(100%行程)：0.25~0.5

　　4.多种范围、直流输出

　　5.CE认证

电容式角位移传感器原理分析

电容式角位移传感器用于测量固定部件(定子)与转动部件(转子)之间的旋转角度，因其具有结构简单，测量精度高，灵敏度高，适合动态测量等特点，而被广泛应用于工业自动控制、汽车、航天及军事等角度定位监测领域。

一般来说，电容式角位移传感器由一组或若干组扇形固定极板和转动极板组成，为保证传感器的精度和灵敏度，同时避免因环境温度等因素的改变导致介电常数、极板形状等的间接变化，进而对传感器性能产生不利影响，对传感器的制作材料、加工工艺以及安装精度提出了较高要求，为了克服电容角位移传感器的局限性，国内外科学工作者进行了长期的大量研究工作，其主要思想方法是将传感器设计成差动结构，

传感器系统原理框图如图所示，

传感器系统原理框图
 
由敏感元件、测量电路、智能部件与接口部件构成，敏感元件的结构所示如图1，测量部件由选择单元、激励源和电荷检测单元组成;智能部件由I/O单元、A/D单元、滤波单元、角度计算单元等组成;接口部件由电流输出单元、RS232通讯单元等组成。

敏感元件检测反映角度位置的电容值，是传感器的初始转换单元，测量单元采用了先进的抗杂散微小电容检测电路，将电容值转换为电信号，智能部件的主要功能是通过比例式算法计算出角位移量，最后由接口部件输出角度计算结果。

总结

本文简单介绍了角位移传感器的概念、特点、原理、应用及技术参数等基础知识，并在比例式测量原理的基础上，设计了一种转动极板为金属材质且为电气悬空设计的数字型电容角位移传感器。