两种位移传感器测量方法的比较研究

杨帆　郭意

摘 要：传感器在测位移方面应用十分广泛，对于应变片式和霍尔式传感器测量位移的方法进行比较，并对两种位移传感器原理、测量电路、输出特性、灵敏度、精度进行分析。最后比较每一种传感器的优缺点及改善方法，做出总结。

关键词：位移测量；应变片；霍尔元件；传感器

一、 前言

21世纪是信息科学与技术全新发展的时代，信息技术已经成为社会发展一股新的强大推动力。在信息化时代中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段，随着现代测量、控制和自动化技术的发展，传感器的应用越来越广泛，从理论和实践上掌握传感器的原理及应用显得十分重要。在本文中我们将位移测量时常用的应变片式和霍尔式传感器进行对比研究，比较两种传感器的优缺点及改善方法。

二、 应变片式传感器测量位移

应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻也随之发生相应的变化。通过测量电路，转换成电信号输出显示。灵敏度是传感器输出增量与被测输入量增量之比，而实际上灵敏度往往需要包含电源电压因素。灵敏度指标主要是看灵敏系数（K），应变片的灵敏系数直接关系到应变测量的精度，因此K值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定的条件下测量。电阻应变片传感器灵敏度高，而灵敏度影响精度，从而测量精度也比较高。单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。

当电源电压U及电阻相对值一定时，电桥的输出电压及电压灵敏度将与各臂阻的大小无关。直流电桥的优点是高稳定度直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器及测量电路分布参数影响小，测量中常用直流电桥。电桥电路的非线性误差为：γ=△R1/2R，为减少非线性误差，电桥电路常用的措施为：①采用差动电桥；②采用恒流源电桥。为了提高电桥灵敏度或进行温度补偿，在桥臂中往往安置两个应变片，电桥也可采用四臂差动电桥，其输出电压为：U0=U△R/R。

所以，在使用应变片测量位移时所选用的是全桥形式的差动直流电桥，且为提高电桥灵敏度或进行温度补偿，每个桥臂都安置两个应变片。此外，由于在零压力时，传感器大约有2mV的不平衡输出，并且放大器有输入失调电压，因此，用组成的电桥电路进行零位调整。通过改变电位器的值，可改变补偿电压的大小，以使得零压力时U0=0V，为了保证足够的调整精度，电位器为多圈电位器。通过全桥的静态位移测量，得到以下实验数据。

得到X-V的函数关系为：V=24.15*x+1.4，可以看出应变片式传感器的电势和位移量近似成线性关系，因此灵敏度为24.15mv/mm。

三、 霍尔式传感器测量位移

霍尔式位移传感器是一种以霍尔效应为其工作基础，用于检测物体位置的磁场传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔式传感器是由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成。两块永久磁铁同极性相对放置，将霍尔元件置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在垂直于磁场方向上作位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。因为输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量X，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的位移量。

霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。电位器用来调节激励电流的大小，电源用以提供激励电流，霍尔元件输出端接差动放大器，最后的霍尔电势在电压表中显示。由于霍尔电势正比于激励电流I或磁感应强度B，或者二者的乘积，因此在实际应用中，可以把激励电流I或磁感应强度B，或者二者的乘积作为输入信号进行检测。

霍尔式位移传感器，因其结构简单、测量线性范围大、测量电路可靠、具有较高的分辨力和灵敏度以及价格低廉等优点，在许多行业的位移测量系统中得以广泛应用。在使用霍尔元件进行测量时，有两种误差值得注意，其中零位误差是指无外加磁场或无控制电流情况下霍尔元件产生输出电压并由此产生误差；温度误差产生的原因是霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变化很敏感，其载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生變化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。为了消除误差，可选用制造工艺水平高和温度系数小的元件、采用恒温措施、恒流源供电、适当的补偿电路并安装合理的方法。通过直流激励霍尔位移传感器测量，得到以下实验数据。

霍尔传感器的电势和位移量近似成线性关系，可知灵敏度约为2.917mv/mm，在靠近霍尔元件边缘部分，存在误差导致线性受到影响。

四、 总结

综上所述，两种位移传感器有各自的特点和应用场合，其中应变片式位移传感器因其在测量范围内线性度好适用于大范围的位移测量场合，如交通运输安全监测、工业自动化或者建筑桥梁监控方面，但该类传感器属于传统的接触式传感器，存在一些接触性问题，长时间的摩擦易导致磨损，致使测量的精度不能达到规定要求；霍尔式位移传感器因其可实现非接触式的测量，可应用在节气门、油门踏板位置检测等场合，但该类传感器的线性度和精度受测量范围限制，一般适用于微小位移的测量，如测试纸张厚度，金属材料形变等方面。

参考文献：

[1]昌学年，姚毅，闫玲.位移传感器的发展及研究[J].计量与测试技术，2009（09）.

[2]刘焱，王烨.位移传感器的技术发展现状与发展趋势[J].自动化技术与应用，2013（06）.

作者简介：

杨帆，郭意，四川省成都市，成都工贸职业技术学院信息工程系。