一、高精度位移傳感器選型?

（一）傳感器類型及特點?

1. 電感式位移傳感器 ：基于電磁感應(yīng)原理，具有結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、測量范圍較大（通常可達(dá)數(shù)毫米至數(shù)十毫米）的特點，適合測量中等精度要求的位移變化。其線性度較好，能在一定程度上保證測量準(zhǔn)確性，但對環(huán)境溫度變化較為敏感，在高溫環(huán)境下可能出現(xiàn)零點漂移。?
2. 電容式位移傳感器 ：利用電容極板間距變化影響電容值的原理工作，分辨率極高，可實現(xiàn)亞微米甚至納米級的測量精度，適用于對精度要求極高的碳材料膨脹系數(shù)測試。不過，該傳感器易受周圍環(huán)境介質(zhì)和寄生電容的影響，對安裝和使用環(huán)境要求較為苛刻。?
3. 光學(xué)式位移傳感器 ：如激光干涉儀、光柵尺等，光學(xué)式位移傳感器以光作為測量媒介，具有測量精度高（可達(dá)納米級甚至更高）、非接觸測量、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，尤其適合測量微小位移變化。激光干涉儀可用于高精度的絕對位移測量，但其價格較高、系統(tǒng)復(fù)雜；光柵尺測量范圍較大，常用于工業(yè)測量場景，但在安裝時需保證光柵尺與讀數(shù)頭的平行度和間距，否則會影響測量精度。?
4. 應(yīng)變式位移傳感器 ：通過應(yīng)變片將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換為電信號，具有靈敏度高、測量范圍較廣的特點。其線性度和穩(wěn)定性較好，但長期使用后應(yīng)變片可能出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，影響測量精度，且對溫度變化較為敏感，需要進(jìn)行溫度補償。?

（二）選型依據(jù)?

1. 測量精度要求 ：碳材料在溫度變化下的膨脹位移通常較小，若需要達(dá)到納米級的測量精度，優(yōu)先選擇電容式位移傳感器或光學(xué)式位移傳感器中的激光干涉儀；若對精度要求在微米級，電感式位移傳感器、應(yīng)變式位移傳感器以及部分高精度光柵尺也能滿足需求。?
2. 測量范圍 ：根據(jù)碳材料的特性和測試溫度范圍，預(yù)估其可能產(chǎn)生的最大膨脹位移。如果測量范圍在數(shù)毫米以內(nèi)，多種傳感器均可適用；若測量范圍較大，光柵尺等具有較大測量量程的傳感器更為合適。?
3. 環(huán)境適應(yīng)性 ：考慮測試過程中的環(huán)境因素，如溫度、濕度、電磁干擾等。在高溫環(huán)境下，電感式和應(yīng)變式位移傳感器可能受溫度影響較大，需謹(jǐn)慎選擇；電容式位移傳感器易受濕度影響；而光學(xué)式位移傳感器對電磁干擾不敏感，適合在復(fù)雜電磁環(huán)境下使用。?
4. 成本因素 ：不同類型的傳感器價格差異較大，激光干涉儀等高精度光學(xué)傳感器成本高昂，電感式和應(yīng)變式位移傳感器成本相對較低。在滿足測量精度和功能要求的前提下，可綜合考慮成本因素選擇合適的傳感器。?
5. 響應(yīng)速度 ：若需要快速捕捉碳材料在溫度變化瞬間的位移變化，應(yīng)選擇響應(yīng)速度快的傳感器，如光學(xué)式位移傳感器和電容式位移傳感器。?

二、信號調(diào)理?

（一）信號放大?

傳感器輸出的電信號通常較為微弱，需要進(jìn)行放大處理以便后續(xù)的采集和處理。對于電感式和應(yīng)變式位移傳感器，一般采用運算放大器構(gòu)成的放大電路，如儀表放大器，它具有高共模抑制比、低噪聲的特點，能有效放大微弱信號并抑制噪聲干擾。對于電容式位移傳感器，由于其輸出電容變化量較小，常采用電荷放大器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換和放大，將電容變化轉(zhuǎn)換為電壓信號并進(jìn)行放大。光學(xué)式位移傳感器輸出的信號類型多樣，如激光干涉儀輸出的干涉條紋信號，需要通過專門的信號處理電路將其轉(zhuǎn)換為電信號并進(jìn)行適當(dāng)放大。?

（二）濾波處理?

在信號傳輸過程中，會受到各種噪聲的干擾，如工頻干擾、高頻電磁干擾等。為了提高信號質(zhì)量，需要進(jìn)行濾波處理。對于低頻噪聲，可采用低通濾波器，濾除高頻干擾信號；對于高頻噪聲，采用高通濾波器；若存在特定頻率的干擾，可使用帶阻濾波器。例如，在抑制 50Hz 工頻干擾時，可設(shè)計一個 50Hz 陷波濾波器，有效去除該頻率的干擾信號，使傳感器輸出的位移信號更加純凈。?

（三）線性化處理?

部分傳感器的輸出信號與位移之間并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，如電容式位移傳感器在極板間距變化較大時，其電容 - 位移特性會出現(xiàn)非線性。為了提高測量準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行線性化處理。常用的方法有硬件線性化電路，如采用分段線性化電路，通過多個線性區(qū)間擬合非線性特性；也可采用軟件算法進(jìn)行線性化補償，在數(shù)據(jù)采集后，利用微處理器或計算機(jī)通過數(shù)學(xué)模型對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，使其符合線性關(guān)系。?

（四）溫度補償?

許多傳感器的性能會受溫度影響，產(chǎn)生零點漂移和靈敏度變化。對于受溫度影響較大的傳感器，如電感式、應(yīng)變式位移傳感器，需要進(jìn)行溫度補償。可采用硬件補償電路，如在傳感器電路中加入溫度敏感元件（如熱敏電阻），根據(jù)溫度變化調(diào)整電路參數(shù)，補償溫度對傳感器輸出的影響；也可采用軟件補償方法，建立溫度 - 輸出信號的數(shù)學(xué)模型，通過實時測量環(huán)境溫度，對傳感器輸出信號進(jìn)行修正。

審核編輯 黃宇