位置与反馈
发布日期：2025-05-14 来源： 浏览次数：265
压电定位产品中普遍集成了电容传感器、光栅尺和应变片等位移传感器，它们的应用场景不同，但它们的性能评价指标基本上是一致的。主要包括量程、非线性、分辨率、动态范围、温度稳定性/温漂系数等。
在压电定位中，小行程范围常用电容传感器作为位置反馈，充分发挥电容传感器的高精度特性；而大行程（毫米级）通常会使用光栅尺；应变片则适用于紧凑、低成本，定位精度稍低的应用场景。
1、量程、非线性和灵敏度
位移传感器的量程是指传感器的有效测量范围，行业内将其简写为 FSR（Full Scale Range，满量程范围)，即距离目标最近和最远之间的直线长度。在量程范围内，传感器的输出与实际的位移在平面坐标轴上并不完全是一条直线，代表传感器的非线性特征，实际输出曲线与校正曲线的位移偏差即为传感器的非线性误差，如图1。厂家一般会在出厂前对传感器进行标定并进行非线性优化，然后给出最大非线性误差，如非线性 < ±0.1%FSR。
图1-传感器的非线性
灵敏度误差——传感器的灵敏度是在校准期间设置的。灵敏度与理想值的偏离被称为灵敏度误差、增益误差或缩放误差。由于灵敏度是一条线的斜率，因此灵敏度误差通常表示为斜率的百分比；将理想坡度与实际坡度进行比较。
图2-灵敏度误差——实际测量的斜率偏离理想输出的斜率
2、分辨率与动态范围
分辨率是传感器的核心指标之一，对于位移传感器来说，分辨率代表了传感器所能分辨出来的测量目标的最小位移。可以用传感器的输出噪声频谱来表征传感器的分辨率指标，图3是美国斯坦福大学的 LISA 课题组测量得到的干涉仪和电容传感器的频谱。可以看出，电容传感器低频噪声更小，表现出了更高的稳定性，频谱密度较为均匀，高频下干涉仪则更有优势。传感器的动态范围由信号处理电路的带宽决定，指传感器能测量的目标振动的最高频率，电路带宽越小，传感器的输出噪声越小。在没有特别强调的情况下，输出噪声默认为有效值，有时也会用峰峰值来特别表示。因此，传感器的分辨率也与传感器的动态范围相关，较小的动态范围可以获得更高的分辨率。
图3-干涉仪和电容传感器的低频噪声对比
3、电容传感器
电容传感器的原理非常简单，通过测量两个平行平板间的电容大小来确定它们之间的距离。两平行平板的电容表达式为：
式（1）中ε0为真空介电常数，εr为介质的相对介电常数，A为极板的有效面积、d 为两极板之间的距离。公式是理想平行平板的电容表达式，两平板间的电场线是均匀的。在实际应用中，由于边缘效应导致周围的电场会弯曲，这会带来较大的非线性问题，同时也易受外界的电场干扰。因此，实际的电容传感器探头结构如图，以中间部分作为探测区域，外圈作为屏蔽区域。
图4-电容传感器探头结构
电容位移传感器是一种非接触电容式原理的精密测量仪器，除具有一般非接触式仪器所共有的无磨擦、无损磨特点外，还具有信噪比大，灵敏度高，零漂小，频响宽，非线性小，精度稳定性好，抗电磁干扰能力强和使用操作方便等优点。
4、光栅尺
光栅尺的原理是基于干涉的原理。当光通过光栅尺时，光栅上的线条会对光产生衍射和干涉现象，形成一定的光学模式，从而形成条纹。通过检测这些条纹的变化，可以计算出物体的位置或运动。
根据光电扫描原理不同可以将光栅尺分为成像扫描式光栅尺与干涉扫描式 光栅尺两种类型。成像扫描式光栅尺利用光学成像系统将光栅的刻线投影到图像传感器上并进行扫描测量。物体的运动或位移造成的光栅刻线的移动，将导致传感器图像中相应位置的亮度值发生改变，通过计算亮度值变化的数值，可以计算出物体的位置和运动。成像扫描式光栅尺常用于机器视觉、光学测量、位移测量等领域。它具有测量速度快、灵敏度高等特点，适用于需要对多个位置进行测量的场景。干涉扫描式光栅尺利用光的干涉原理进行测量。在光栅上照射平行光线，入射光被光栅刻线分解为多束光，在照射到被测物体上后，反射或透射后的光与参考光进行干涉。干涉后的光通过光电探测器，产生干涉信号，通过信号处理电路计算干涉信号的相位差，从而得到物体的位置和位移大小。干涉扫描式光栅尺常用于精密加工、定位和位移测量等领域。它具有高精度、稳定性好等特点，适用于需要高精度测量的场景，如激光加工、半导体制造等。
图5-光栅尺的成像扫描原理
图6-光栅尺的干涉扫描原理
根据有无外壳防护可以将光栅尺分为封闭式光栅尺与开放式光栅尺两种类型。封闭式光栅尺如图7所示，其一般采用玻璃管外壳防护，具有防灰尘、防水、防油等作用，这种光栅尺基本上不需要进行保养和维修。开放式光栅尺如图8所示，敞开式光栅尺通常没有外壳防护，读头和光栅直接暴露于环境中。
图7-封闭式直线光栅
图8-开放式直线光栅尺
根据测量方法不同可以将光栅尺分为绝对式光栅尺与增量式光栅尺两种类型。绝对式光栅尺是一种可以直接读取某个位置的绝对位置值的光栅尺，如图9所示。它需要在光栅刻线上编码，从而能够直接读取被测物体的位置值。这种光栅尺可以在断电后快速定位，且不会因机械碰撞等原因导致数据丢失。绝对式光栅尺由于能够直接读取位置值而不需参考点，适用于需求快速定位和断电后不会丢失位置数据的应用场景。增量式光栅尺通常需要一个起始位置作为基准，如图10所示，通过测量运动相对于该基准的相对位移来得到位置信息。当光栅刻线与读头接触并相对运动时，读头会产生相应的电信号，这些信号经过处理后可以获得物体的相对位移。
图9-绝对式光栅图
图10-增量式光栅
5、应变片
应变片是能够测量应变相对变化的传感器，属于电阻式传感器的一种。如果材料被拉伸，应变被称为正应变，而如果材料被压缩，应变则被称为负应变。图11形象的表示了应变片在拉伸或压缩时的电阻变化。它们不仅用于机械和移动物体，还用于包括电气设备、土木工程、建筑施工、化学品在内的各个领域。应变片能够检测到结构中难以察觉的拉伸或收缩，即可以揭示所施加到结构的应力，应力是确定结构强度和安全性的重要因素。应变式传感器具有尺寸小、质量轻、结构简单、使用方便等优点而广泛应用于工程测量以及科学实验中。
图11-应变效应对应的电阻变化示意图
为了获得结构的应力，测量目标物体表面上由外力引起的微小伸长或收缩（应变），测得的应变乘以杨氏模量得到应力。为此，应变片必须与被测对象一起伸长或收缩，因此应使用专用粘合剂将其牢固粘合。如果外部拉力或压缩力增加或减少，阻力将成比例增加或减少。对于应变片来说，由于应变效应，原始电阻会随着应变变化而变化。这也是应变片测量的主要原理。用公式表示为：
传统应变片一般为箔式电阻应变片，结构如图12所示。标准的应变片一般采用聚酰亚胺作为基底，康铜丝粘附在上面。康铜是一种电导体，使用模板蚀刻法，产生康铜测量栅丝，然后粘附在基底与载体箔材上。从外观上来看其形成一个蛇形绕组图案。
图12-应变片的基本结构
压电定位产品中普遍集成了电容传感器、光栅尺和应变片等位移传感器，它们的应用场景不同，但它们的性能评价指标基本上是一致的。主要包括量程、非线性、分辨率、动态范围、温度稳定性/温漂系数等。
在压电定位中，小行程范围常用电容传感器作为位置反馈，充分发挥电容传感器的高精度特性；而大行程（毫米级）通常会使用光栅尺；应变片则适用于紧凑、低成本，定位精度稍低的应用场景。
1、量程、非线性和灵敏度
位移传感器的量程是指传感器的有效测量范围，行业内将其简写为 FSR（Full Scale Range，满量程范围)，即距离目标最近和最远之间的直线长度。在量程范围内，传感器的输出与实际的位移在平面坐标轴上并不完全是一条直线，代表传感器的非线性特征，实际输出曲线与校正曲线的位移偏差即为传感器的非线性误差，如图1。厂家一般会在出厂前对传感器进行标定并进行非线性优化，然后给出最大非线性误差，如非线性 < ±0.1%FSR。
图1-传感器的非线性
灵敏度误差——传感器的灵敏度是在校准期间设置的。灵敏度与理想值的偏离被称为灵敏度误差、增益误差或缩放误差。由于灵敏度是一条线的斜率，因此灵敏度误差通常表示为斜率的百分比；将理想坡度与实际坡度进行比较。
图2-灵敏度误差——实际测量的斜率偏离理想输出的斜率
2、分辨率与动态范围
分辨率是传感器的核心指标之一，对于位移传感器来说，分辨率代表了传感器所能分辨出来的测量目标的最小位移。可以用传感器的输出噪声频谱来表征传感器的分辨率指标，图3是美国斯坦福大学的 LISA 课题组测量得到的干涉仪和电容传感器的频谱。可以看出，电容传感器低频噪声更小，表现出了更高的稳定性，频谱密度较为均匀，高频下干涉仪则更有优势。传感器的动态范围由信号处理电路的带宽决定，指传感器能测量的目标振动的最高频率，电路带宽越小，传感器的输出噪声越小。在没有特别强调的情况下，输出噪声默认为有效值，有时也会用峰峰值来特别表示。因此，传感器的分辨率也与传感器的动态范围相关，较小的动态范围可以获得更高的分辨率。
图3-干涉仪和电容传感器的低频噪声对比
3、电容传感器
电容传感器的原理非常简单，通过测量两个平行平板间的电容大小来确定它们之间的距离。两平行平板的电容表达式为：
式（1）中ε0为真空介电常数，εr为介质的相对介电常数，A为极板的有效面积、d 为两极板之间的距离。公式是理想平行平板的电容表达式，两平板间的电场线是均匀的。在实际应用中，由于边缘效应导致周围的电场会弯曲，这会带来较大的非线性问题，同时也易受外界的电场干扰。因此，实际的电容传感器探头结构如图，以中间部分作为探测区域，外圈作为屏蔽区域。
图4-电容传感器探头结构
电容位移传感器是一种非接触电容式原理的精密测量仪器，除具有一般非接触式仪器所共有的无磨擦、无损磨特点外，还具有信噪比大，灵敏度高，零漂小，频响宽，非线性小，精度稳定性好，抗电磁干扰能力强和使用操作方便等优点。
4、光栅尺
光栅尺的原理是基于干涉的原理。当光通过光栅尺时，光栅上的线条会对光产生衍射和干涉现象，形成一定的光学模式，从而形成条纹。通过检测这些条纹的变化，可以计算出物体的位置或运动。
根据光电扫描原理不同可以将光栅尺分为成像扫描式光栅尺与干涉扫描式 光栅尺两种类型。成像扫描式光栅尺利用光学成像系统将光栅的刻线投影到图像传感器上并进行扫描测量。物体的运动或位移造成的光栅刻线的移动，将导致传感器图像中相应位置的亮度值发生改变，通过计算亮度值变化的数值，可以计算出物体的位置和运动。成像扫描式光栅尺常用于机器视觉、光学测量、位移测量等领域。它具有测量速度快、灵敏度高等特点，适用于需要对多个位置进行测量的场景。干涉扫描式光栅尺利用光的干涉原理进行测量。在光栅上照射平行光线，入射光被光栅刻线分解为多束光，在照射到被测物体上后，反射或透射后的光与参考光进行干涉。干涉后的光通过光电探测器，产生干涉信号，通过信号处理电路计算干涉信号的相位差，从而得到物体的位置和位移大小。干涉扫描式光栅尺常用于精密加工、定位和位移测量等领域。它具有高精度、稳定性好等特点，适用于需要高精度测量的场景，如激光加工、半导体制造等。
图5-光栅尺的成像扫描原理
图6-光栅尺的干涉扫描原理
根据有无外壳防护可以将光栅尺分为封闭式光栅尺与开放式光栅尺两种类型。封闭式光栅尺如图7所示，其一般采用玻璃管外壳防护，具有防灰尘、防水、防油等作用，这种光栅尺基本上不需要进行保养和维修。开放式光栅尺如图8所示，敞开式光栅尺通常没有外壳防护，读头和光栅直接暴露于环境中。
图7-封闭式直线光栅
图8-开放式直线光栅尺
根据测量方法不同可以将光栅尺分为绝对式光栅尺与增量式光栅尺两种类型。绝对式光栅尺是一种可以直接读取某个位置的绝对位置值的光栅尺，如图9所示。它需要在光栅刻线上编码，从而能够直接读取被测物体的位置值。这种光栅尺可以在断电后快速定位，且不会因机械碰撞等原因导致数据丢失。绝对式光栅尺由于能够直接读取位置值而不需参考点，适用于需求快速定位和断电后不会丢失位置数据的应用场景。增量式光栅尺通常需要一个起始位置作为基准，如图10所示，通过测量运动相对于该基准的相对位移来得到位置信息。当光栅刻线与读头接触并相对运动时，读头会产生相应的电信号，这些信号经过处理后可以获得物体的相对位移。
图9-绝对式光栅图
图10-增量式光栅
5、应变片
应变片是能够测量应变相对变化的传感器，属于电阻式传感器的一种。如果材料被拉伸，应变被称为正应变，而如果材料被压缩，应变则被称为负应变。图11形象的表示了应变片在拉伸或压缩时的电阻变化。它们不仅用于机械和移动物体，还用于包括电气设备、土木工程、建筑施工、化学品在内的各个领域。应变片能够检测到结构中难以察觉的拉伸或收缩，即可以揭示所施加到结构的应力，应力是确定结构强度和安全性的重要因素。应变式传感器具有尺寸小、质量轻、结构简单、使用方便等优点而广泛应用于工程测量以及科学实验中。
图11-应变效应对应的电阻变化示意图
为了获得结构的应力，测量目标物体表面上由外力引起的微小伸长或收缩（应变），测得的应变乘以杨氏模量得到应力。为此，应变片必须与被测对象一起伸长或收缩，因此应使用专用粘合剂将其牢固粘合。如果外部拉力或压缩力增加或减少，阻力将成比例增加或减少。对于应变片来说，由于应变效应，原始电阻会随着应变变化而变化。这也是应变片测量的主要原理。用公式表示为：
传统应变片一般为箔式电阻应变片，结构如图12所示。标准的应变片一般采用聚酰亚胺作为基底，康铜丝粘附在上面。康铜是一种电导体，使用模板蚀刻法，产生康铜测量栅丝，然后粘附在基底与载体箔材上。从外观上来看其形成一个蛇形绕组图案。
图12-应变片的基本结构
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