1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1目的及意义

传感器技术是现代科技的前沿技术,是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术,是现代信息技术的三大支柱之一。位移是指物体位置对参考点产生的偏移量,是指物体相对于某参考坐标系一点的距离的变化量,它是描述物体空间位置变化的物理量[1]。

位移传感器又称为线性传感器,是将位移转换成电量的传感器。位移传感器的发展经历了两个阶段,经典位移传感器阶段和半导体位移传感器阶段。20 世纪 80 年代以前,人们以经典电磁学为理论基础,把不便于定量检测和处理的位移、位置、液位、尺寸、流量、速度、振动等物理量转换为易于定量检测、便于作信息传输与处理的电学量[2]。近 20 年来,位移传感器种类繁多,应用领域不断扩大,同时有越来越多的创新技术被运用到传感器中,如基于 OEM 的 LVDT(Liner Variable DifferentialTransformer)[3,4]技术、超声波技术、磁致伸缩技术、光纤技术、时栅技术[5]等,位移传感器技术已取得了突破性进展。由于技术的进步,使得各种传感器性能大幅度提高,成本大幅度降低,从而极大地扩展了应用范围,形成了一个高速增长的产业。

伴随着各国航空航天、船舶等军事领域,及工业控制和农业现代化的不断发展,对位移传感器的需求量也不断上升,同时要求位移传感器不断地进行技术革新,不断地有新技术、新材料的运用,以满足不同场合、不同环境条件的需求。因此，如何正确提供位移传感器在线性度、灵敏度、重复性、回程误差等方面，保证其校准结果准确可靠，提高校准效率，增大校准量程范围，是目前线位移传感器校准中需要解决的几个问题。

拉线式位移传感器也叫拉绳式位移传感器，相对于光栅尺、激光干涉仪等传感器，虽然其精度并不高，但由于它的安装方便、价格低廉、测量距离大、抗干扰能力强等诸多优点而被广泛使用。传统的拉线式位移传感器大多采用电位器式，它通过电位器元件将机械位移变化转换成与之成任意函数关系或线性的电阻或电压输出，其具有结构简单、输出信号大、使用方便及价格低廉等优点。但是其易磨损、分辨力差、阻值 偏低及高频特性差等缺点易导致测量精度的下降，不符合人们对位移测量和定位的精度越来越高的要求[6]。

1.2各类传感器工作性能比较

表1：各类传感器工作性能比较表

由表1中我们可以看到,每种位移传感器在结构、分辨率、精度、灵敏度、测量范围、抗干扰能力等方面都有其特点。因此,在实际工程设计中,在综合考虑各方面因素后再选择最合适的传感器是非常必要的。位移检测在不同工况下检测要求侧重点有所不同,但其基本要求相似,都希望快速、准确、可靠而又经济地实现位移测量。随着世界工业的发展，研究非接触、大量程、高精度的位移传感器成为主流发展方向之一。

1.3拉线式位移传感器误差来源分析

根据JJF 1305—2011《线位移传感器校准规范》， 典型的拉线式位移传感器的基本误差一般在±O．05％一±O．5％之间。[7]。选择时还要注意线性度、重复性、 回程误差等参数。而在线性度上还要注意全量程百分比及测量数值的百分比的区别。如无法确定其误差应 该用测长机等仪器对其校准。

拉线式位移传感器按输出信号分模拟信号和数字信号。模拟信号分电压输出和电流输出。模拟信号应 注意传输距离的问题，如果传输距离过大则严重影响 精度。模拟信号会有信号干扰、稳定性、漂移及负载 大小等问题。 而数字输出分为方波脉冲信号或格雷码信号。数字信号一般不存在信号干扰、漂移等问题。

传感器在内部结构上要注意其排线是否叠层，不叠层的结构可保证每圈行程一致，重复精度高。

另外尽量使传感器测量方向与运动方向平行。而如果是测量距离较长而且是水平安装的情况下应注意拉线自重带来的影响。在环境温度上应注意由于材料膨胀系数不同对精度的影响。如果是应用在户外且测量距离较长的，侧风的影响同样应予以考虑。但以上几个因素的影响对位移传感器都相对较低。

1.4拉线式位移传感器量程分析

现在常用的拉线式位移传感器量程普遍在200mm以下，量程太小，限制了拉线式位移传感器的使用。但是，随着量程增大，因为拉线结构变形等原因产生的误差又会影响传感器工作精度。因此，设计大量程高精度的拉线式位移传感器的重要性是显而易见的。

1.5增量式编码器与绝对式编码器

旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。

绝对编码器光码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线......编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。

1.6绕线方案分析

本次设计题目为大量程拉线式高精度位移传感器的设计，考虑到量程以及精度要求，结合之前误差分析，初步考虑三种绕线方案：

1.拉线的钢绳采用直径0.8-1.2mm 的不锈钢软线，缠绕在轮毂上，轮毂与编码器连接在一起，当拉线产生位移的时候，带动轮毂的转动，轮毂的转动带动与轮毂的轴连接的编码器转动，从而编码器产生一个变化的电信号。拉线运动的时候，自动回复弹簧具备一定的张力，确保拉线能匀力收回。同时为避免绕线在轮毂上发生重叠以及绕线交错影响精度，采用带螺纹的轮毂，将钢丝缠绕在螺纹中，保证每圈绕线长度相等，可以有效提高拉线式高精度位移传感器的精度。

2.同样为解决绕线轴上绕线层叠，交错的影响精度的问题，采用自动绕线机构，使用后收线时使用自动均匀排线机构均匀排线，同样可以保证该传感器的拉线精度。

第三种方法工作原理与常规拉线式传感器相同，不同之处在于编码器与绕线轴不同轴，动滑轮与编码器同轴，钢丝绳缠绕在绕线轴上，拉出时通过动滑轮，带动动滑轮转动。

经过分析：方案一的螺纹设计可以保证每圈绕线长度相等，保证传感器精度，但如果想要做到大量程必然导致轮毂尺寸过大，使用极其不便，因此不采用方案一；方案二采用自动绕线机构，可以保证绕线精度，不会导致绕线交错重叠，可以保证精度，但结构过于复杂，成本增加且尺寸过大，使用不便，因此不采用方案二；方案三采用不同轴设计，因此绕线轴上钢丝绳的层叠和交叉不会影响工作精度，拉线可在绕线轴上多层重叠缠绕，在保证高精度的同时满足大量程，而且结构简单，易于实现，因此选用此设计方案。

2. 研究的基本内容与方案

2.1大量程高精度拉线式位移传感器的总体设计

本次设计拉线式位移传感器是利用不锈钢软线钢丝来测量位移的。钢丝通过弹簧被绕于滚筒之上，由此将位移转变成旋转运动。滚筒直接与一个精密旋转编码器连接在一起，位移量从而转变成电流、电压或数字脉冲形式输出。

操作时，拉绳式位移传感器安装在固定位置上，拉绳缚在移动物体上。拉绳直线运动和移动物体运动轴线对准。运动发生时，拉绳伸展和收缩。一个内部弹簧保证拉绳的张紧度不变。绕线轴带动精密旋转感应器旋转，输出一个与拉绳移动距离成比例的电信号。测量输出信号可以得出运动物体的位移、方向或速率。

3. 研究计划与安排

第1周：选题介绍，了解设计任务 ，查找相关文献和书籍。

第2周：阅读文献，了解拉线式位移传感器的国内外研究现状。

第3周：撰写开题报告和英文文献翻译。

第4-6周：深入了解以多圈绝对式编码器为基础的大量程拉线式高精度位移传感器的设计方法，完成拉线式位移传感器的总体设计和机械结构设计。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 韩艳军.嵌入式光纤位移传感器及其信号处理电路的研究与实现:[j].武汉:华中科技大学,2005.

[2] 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,2009,36(9):42-44.

[3] zhou jing.studyof displacement sensor based ontransmissionvaried-line-space phase grating[j].opto-electronicsletters,2008,3(6):1673-1905.