第二章 機械微傳感器的應用

2.1 位移微傳感器

2.1.1 基本概念

我們將測量位移量和檢測物體位置的傳感器成為位移微傳感器。測量兩物體空間相對距離的傳感器也被視為位移微傳感器。

位移傳感器可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式位移傳感器將傳導桿與被測體固定在一起，再將傳導桿的位置信號轉換成電信號。傳統的接觸式位移傳感器有電阻式、電感式、電容式、電磁式和光學式幾種。

不需要傳導桿而直接檢測目標物位移的傳感器成為非接觸式位移傳感器。非接觸式位移傳感器通常利用電感、電容或電磁技術、激光、遠紅外、微波或超聲波技術進行測距。

在需要建立和維護位置偏置與容差的工程應用中，位移傳感器的使用十分廣泛。根據要求的不同，測量位移的范圍也相差很大，從需要用長波長微波器件測量公里級的位移，到短波長微波器件測量米級的位移，到常用的各種位移傳感器測量的毫米級位移，以及用激光干涉法測量微米級位移，直到用X射線衍射（x-ray diffraction, XRD）干涉法測量亞納米級位移。

在日常生活中經常用到位移微傳感器，例如在交通信號燈和機器人上的監測器；精確控制驅動器和驅動系統中用來測量驅動器或驅動桿位置的光學編碼器。它們在構建信息化社會中起到了巨大的作用。

2.1.2 電容和電感式位移微傳感器

電容和電感式距離傳感器能夠檢測位移幅度在0.1～10mm范圍內的物體，物體的運動導致輸出電容或電感產生變化。電容式微傳感器一般是測量與位移相關的量而非直接測量物體位移，例如通過加速度、壓力/應力、力/力矩來獲得位移，通常通過測量懸臂梁、膜和其他微型撓性結構的電容變化來測量上述間接物理量。

2.1.3 光學位移微傳感器

光學位移微傳感器一般采用光束散射、光路反射和光路截斷等方式檢測物體位移。

圖2-1為利用光束散射的光開關示意圖。一個距離目標物1～5mm遠處有一發出紅外輻射的光電二極管照射到該物體上，一個光轉換器收集這些散射光。

比測量物體是否存在更加困難的是測量物體的位置，利用光電換能器采集并產生非線性信號輸出是最基本的反射式方法。物體反射面的平整度決定了信號的輸出質量，但這種方法不很精確。

除此之外，光電微傳感器還能夠測量一個表面的偏轉和角度。例如，一半環形的腔室中裝有某種溶液，液體中有一個氣泡隨物體表面的傾斜而移動，由二極管中發出的光被其反射并將陰影投射到4個光電檢測器上，物體偏轉的角度可由這4個光電監測器的輸出信號的不同計算得出。

2.1.4 超聲波位移微傳感器

與其他類型的微傳感器相比，超聲波位移微傳感器具有以下優點：（1）利用高頻聲波，對較臟的測試環境不敏感；（2）非接觸式，可以檢測導體、絕緣體、鐵電體和非鐵電體；（3）測量范圍可擴至5m。圖2-2為超聲波位置傳感器探頭的結構示意圖。其中PZT為壓電元件，它發出測試聲波也收集回聲波。檢測相對距離和液面高度通常用超聲波傳感器。