兩種位移傳感器測量方法的比較研究

楊帆　郭意

摘 要：傳感器在測位移方面應用十分廣泛，對于應變片式和霍爾式傳感器測量位移的方法進行比較，并對兩種位移傳感器原理、測量電路、輸出特性、靈敏度、精度進行分析。最后比較每一種傳感器的優缺點及改善方法，做出總結。

關鍵詞：位移測量；應變片；霍爾元件；傳感器

一、 前言

21世紀是信息科學與技術全新發展的時代，信息技術已經成為社會發展一股新的強大推動力。在信息化時代中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段，隨著現代測量、控制和自動化技術的發展，傳感器的應用越來越廣泛，從理論和實踐上掌握傳感器的原理及應用顯得十分重要。在本文中我們將位移測量時常用的應變片式和霍爾式傳感器進行對比研究，比較兩種傳感器的優缺點及改善方法。

二、 應變片式傳感器測量位移

應變片是最常用的測力傳感元件。當用應變片測試時，應變片要牢固地粘貼在測試體表面，當測件受力發生形變，應變片的敏感柵隨同變形，其電阻也隨之發生相應的變化。通過測量電路，轉換成電信號輸出顯示。靈敏度是傳感器輸出增量與被測輸入量增量之比，而實際上靈敏度往往需要包含電源電壓因素。靈敏度指標主要是看靈敏系數（K），應變片的靈敏系數直接關系到應變測量的精度，因此K值通常采用從批量生產中每批抽樣，在規定的條件下測量。電阻應變片傳感器靈敏度高，而靈敏度影響精度，從而測量精度也比較高。單臂、半橋、全橋電路的靈敏度依次增大。

當電源電壓U及電阻相對值一定時，電橋的輸出電壓及電壓靈敏度將與各臂阻的大小無關。直流電橋的優點是高穩定度直流電源易于獲得，電橋調節平衡電路簡單，傳感器及測量電路分布參數影響小，測量中常用直流電橋。電橋電路的非線性誤差為：γ=△R1/2R，為減少非線性誤差，電橋電路常用的措施為：①采用差動電橋；②采用恒流源電橋。為了提高電橋靈敏度或進行溫度補償，在橋臂中往往安置兩個應變片，電橋也可采用四臂差動電橋，其輸出電壓為：U0=U△R/R。

所以，在使用應變片測量位移時所選用的是全橋形式的差動直流電橋，且為提高電橋靈敏度或進行溫度補償，每個橋臂都安置兩個應變片。此外，由于在零壓力時，傳感器大約有2mV的不平衡輸出，并且放大器有輸入失調電壓，因此，用組成的電橋電路進行零位調整。通過改變電位器的值，可改變補償電壓的大小，以使得零壓力時U0=0V，為了保證足夠的調整精度，電位器為多圈電位器。通過全橋的靜態位移測量，得到以下實驗數據。

得到X-V的函數關系為：V=24.15*x+1.4，可以看出應變片式傳感器的電勢和位移量近似成線性關系，因此靈敏度為24.15mv/mm。

三、 霍爾式傳感器測量位移

霍爾式位移傳感器是一種以霍爾效應為其工作基礎，用于檢測物體位置的磁場傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用。霍爾式傳感器是由兩個環形磁鋼組成梯度磁場和位于梯度磁場中的霍爾元件組成。兩塊永久磁鐵同極性相對放置，將霍爾元件置于中間，其磁感應強度為零，這個點可作為位移的零點，當霍爾傳感器在垂直于磁場方向上作位移時，傳感器有一個電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。因為輸出的霍爾電勢V取決于其在磁場中的位移量X，所以測得霍爾電勢的大小便可獲知霍爾元件的位移量。

霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應強度，其靈敏度與霍爾常數RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。為了提高靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀。電位器用來調節激勵電流的大小，電源用以提供激勵電流，霍爾元件輸出端接差動放大器，最后的霍爾電勢在電壓表中顯示。由于霍爾電勢正比于激勵電流I或磁感應強度B，或者二者的乘積，因此在實際應用中，可以把激勵電流I或磁感應強度B，或者二者的乘積作為輸入信號進行檢測。

霍爾式位移傳感器，因其結構簡單、測量線性范圍大、測量電路可靠、具有較高的分辨力和靈敏度以及價格低廉等優點，在許多行業的位移測量系統中得以廣泛應用。在使用霍爾元件進行測量時，有兩種誤差值得注意，其中零位誤差是指無外加磁場或無控制電流情況下霍爾元件產生輸出電壓并由此產生誤差；溫度誤差產生的原因是霍爾元件的基片是半導體材料，因而對溫度的變化很敏感，其載流子濃度和載流子遷移率、電阻率和霍爾系數都是溫度的函數。當溫度變化時，霍爾元件的一些特性參數，如霍爾電勢、輸入電阻和輸出電阻等都要發生變化，從而使霍爾式傳感器產生溫度誤差。為了消除誤差，可選用制造工藝水平高和溫度系數小的元件、采用恒溫措施、恒流源供電、適當的補償電路并安裝合理的方法。通過直流激勵霍爾位移傳感器測量，得到以下實驗數據。

霍爾傳感器的電勢和位移量近似成線性關系，可知靈敏度約為2.917mv/mm，在靠近霍爾元件邊緣部分，存在誤差導致線性受到影響。

四、 總結

綜上所述，兩種位移傳感器有各自的特點和應用場合，其中應變片式位移傳感器因其在測量范圍內線性度好適用于大范圍的位移測量場合，如交通運輸安全監測、工業自動化或者建筑橋梁監控方面，但該類傳感器屬于傳統的接觸式傳感器，存在一些接觸性問題，長時間的摩擦易導致磨損，致使測量的精度不能達到規定要求；霍爾式位移傳感器因其可實現非接觸式的測量，可應用在節氣門、油門踏板位置檢測等場合，但該類傳感器的線性度和精度受測量范圍限制，一般適用于微小位移的測量，如測試紙張厚度，金屬材料形變等方面。

參考文獻：

[1]昌學年，姚毅，閆玲.位移傳感器的發展及研究[J].計量與測試技術，2009（09）.

[2]劉焱，王燁.位移傳感器的技術發展現狀與發展趨勢[J].自動化技術與應用，2013（06）.

作者簡介：

楊帆，郭意，四川省成都市，成都工貿職業技術學院信息工程系。