使用光导纤维和电容传感器的非接触式位移和振动测量系统

    引 言

    近儿年，用于位置、位移、厚度以及固体、粉末和液体振动等测量的非接触式传感器和测试系统取得了显著的进展。新的元件、固体电路设计和改进了的测量技术已把非接触式测量系统引向一个发展阶段，而这种测量系统和诸如应变计、加速计和线性可变差接变压器等装置一起，在仪表库中占有一定地位。研究和生产控制往往要求超越于直接接触装置的能力。因此，熟悉非接触式测量装置的特性和能力是完全必要的。本文是一篇用来指导非接触式测量系统的用法的述评，也是使用光导纤维系统与容抗法的讨论。此外，叙述了几种用法并说明光导纤维或电容传感器不是改进了的测量，就是提供用接触装置实际上不可能进行的测量方法。

    主要的非接触式传感器的工作原理

    传感器是一种把物理现象转化成电的、气动的或液力的输出信号的装置〔1〕。大多数市购的非接触式传感器系统采用下列基础原理之一进行工作:

    容抗的变化一一感受平行板电容量的变化;

    感抗的变化一一感受感应器导磁率和电阻率的变化;

    电光效应一一检测光学介质的交变;

    气动效应一一感受空气压力或流率的变化。

    超声效应一一声波振幅和相位的改变;波传播的时间延迟;

    涉及放射性源的效应一一感受辐射能的吸收、反射、折射和绕射。

   选择非接触式测量系统的条件

    决定非接触传感系统选择的测量条件如下:

    施加很小力或实际上没有施加力，因为它能引起被测件或材料的不可容许的变形。

    零部件以高速运动通过测量点。

    转速太高，不允许一个直接接触的跟踪器准确地追踪表面的轮廓。

    表面的不连续性会引起直接接触的跟踪器的不可接受的反跳或颤震。

    振动强度很高，不允许接触器跟随真实的运动。

    测量分辨的要求可以是这样的，以至于那怕是设计最好的接触机构的最微小的滞后或摩擦力亦过大。

    零部件具有这样高的表面光洁度和抛光度，以至最微小的接触力就可能擦伤或引起永久性的损害。

    零件是如此之小，以致直接接触的装置会干扰其真实的位置和状态。

    零部件放置在不适宜于接触传感器的温度环境里。

    下面是近几年内广泛地采用的两种非接触测量方法的讨论:(1)可变电容法，(2)利用光导纤维的电一光效应。

    光导纤维法

    尽管半个多世纪以前就在物理学上证明了纤维光学的理论，适应性强的纤维光学在商品方面实际使用的历史并不长，并且其工艺在迅速变化中。光导纤维元件是一根柔韧的玻璃(或塑料)棒，它能够借输入光源的几乎全部内反射沿其长度来传递光(图1)。