一、高精度位移傳感器選型?

（一）傳感器類型及特點(diǎn)?

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(cè)量范圍較大（通?？蛇_(dá)數(shù)毫米至數(shù)十毫米）的特點(diǎn)，適合測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確性，但對(duì)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)亞微米甚至納米級(jí)的測(cè)量精度，適用于對(duì)精度要求極高的碳材料膨脹系數(shù)測(cè)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(duì)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(cè)量媒介，具有測(cè)量精度高（可達(dá)納米級(jí)甚至更高）、非接觸測(cè)量、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合測(cè)量微小位移變化。激光干涉儀可用于高精度的絕對(duì)位移測(cè)量，但其價(jià)格較高、系統(tǒng)復(fù)雜；光柵尺測(cè)量范圍較大，常用于工業(yè)測(cè)量場(chǎng)景，但在安裝時(shí)需保證光柵尺與讀數(shù)頭的平行度和間距，否則會(huì)影響測(cè)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(hào)，具有靈敏度高、測(cè)量范圍較廣的特點(diǎn)。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(cè)量精度，且對(duì)溫度變化較為敏感，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。?

（二）選型依據(jù)?

1. 測(cè)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(jí)的測(cè)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(duì)精度要求在微米級(jí)，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(cè)量范圍 ：根據(jù)碳材料的特性和測(cè)試溫度范圍，預(yù)估其可能產(chǎn)生的最大膨脹位移。如果測(cè)量范圍在數(shù)毫米以內(nèi)，多種傳感器均可適用；若測(cè)量范圍較大，光柵尺等具有較大測(cè)量量程的傳感器更為合適。?
3. 環(huán)境適應(yīng)性 ：考慮測(cè)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(duì)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(jià)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(duì)較低。在滿足測(cè)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(hào)調(diào)理?

（一）信號(hào)放大?

傳感器輸出的電信號(hào)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(duì)于電感式和應(yīng)變式位移傳感器，一般采用運(yùn)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(diǎn)，能有效放大微弱信號(hào)并抑制噪聲干擾。對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換和放大，將電容變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并進(jìn)行放大。光學(xué)式位移傳感器輸出的信號(hào)類型多樣，如激光干涉儀輸出的干涉條紋信號(hào)，需要通過專門的信號(hào)處理電路將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行適當(dāng)放大。?

（二）濾波處理?

在信號(hào)傳輸過程中，會(huì)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(hào)質(zhì)量，需要進(jìn)行濾波處理。對(duì)于低頻噪聲，可采用低通濾波器，濾除高頻干擾信號(hào)；對(duì)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(shí)，可設(shè)計(jì)一個(gè) 50Hz 陷波濾波器，有效去除該頻率的干擾信號(hào)，使傳感器輸出的位移信號(hào)更加純凈。?

（三）線性化處理?

部分傳感器的輸出信號(hào)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(shí)，其電容 - 位移特性會(huì)出現(xiàn)非線性。為了提高測(cè)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(gè)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(bǔ)償，在數(shù)據(jù)采集后，利用微處理器或計(jì)算機(jī)通過數(shù)學(xué)模型對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，使其符合線性關(guān)系。?

（四）溫度補(bǔ)償?

許多傳感器的性能會(huì)受溫度影響，產(chǎn)生零點(diǎn)漂移和靈敏度變化。對(duì)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(bǔ)償?？刹捎糜布a(bǔ)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(bǔ)償溫度對(duì)傳感器輸出的影響；也可采用軟件補(bǔ)償方法，建立溫度 - 輸出信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，通過實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度，對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行修正。

審核編輯 黃宇