位移传感器课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,位移检测,位移是物体上某一点在一定方向上的位置变动，因此位移是矢量。测量方向与位移方向重合才能真实地测量出位移量的大小。若测量方向与位移方向不重合，则测量结果仅是该位移量在测量方向上的分量。,位移测量,从被测量来的角度,可分为,线位移测量,和,角位移测量,；,从测量参数特性的角度,可分为,静态位移测量,和,动态位移测量,。许多动态参数，如力、扭矩、速度、加速度等都是以位移测量为基础的。,1,位移检测 位移是物体上某一点在一定方向上的位置变动，因此位,一、长度及线位移检测,1、电感式位移传感器,W,-线圈匝数,R,m,-磁路总磁阻,l,i,-各段导磁体的长度,u,i,-各段导磁体的磁导率,A,i,-各段导磁体的截面积,2,一、长度及线位移检测1、电感式位移传感器W-线圈匝数Rm,一、长度及线位移检测,(1),变气隙式,电感位移传感器,基本形式,思考：灵敏度？线性度？,线圈,铁芯,衔铁,改进方法？,差动式,(2)变面积式,(3)螺管式,3,一、长度及线位移检测(1)变气隙式电感位移传感器基本形,一、长度及线位移检测,(2),变面积式,(3),螺管式,蔡萍教材P40 图3-5,4,一、长度及线位移检测(2)变面积式(3)螺管式蔡萍教,一、长度及线位移检测,电感位移传感器,意大利Marposs:,5,一、长度及线位移检测电感位移传感器意大利Marposs:5,一、长度及线位移检测,电感位移传感器,中国中原量仪:,6,一、长度及线位移检测电感位移传感器中国中原量仪:6,一、长度及线位移检测,2、光栅位移传感器,（Grating）,7,一、长度及线位移检测2、光栅位移传感器（Grating）7,一、长度及线位移检测,(1)光栅传感器原理,(,莫尔条纹,),构成：,叠合,主光栅,指示光栅,夹角,明暗相间条纹,莫尔条纹,移动,条纹宽度：,W-,栅距，,a-,线宽，,b-,缝宽,W=a+b,，,a=b=W/2,主光栅-标尺光栅，定光栅；,指示光栅-动光栅,8,一、长度及线位移检测(1)光栅传感器原理(莫尔条纹)构,一、长度及线位移检测,莫尔条纹特性：,方向性：,垂直于角平分线 与光栅移动方向垂直,同步性：,光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距,放大性：,夹角,很小,BW,光学放大 提高灵敏度,准确性：,误差平均效应 克服个别/局部误差 提高精度,9,一、长度及线位移检测莫尔条纹特性：方向性：垂直于角平分线,一、长度及线位移检测,(2)光栅传感器特点,精度高：测长(0.2+210,-6,L,)m，测角0.1,量程大：透射式-光栅尺长（几十米,响应快：可用于动态测量,增量式：增量码测量 计数 断电数据消失,要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、移动精度,成本高：电路复杂,10,一、长度及线位移检测(2)光栅传感器特点 10,一、长度及线位移检测,(3)光栅传感器结构,1 主光栅尺（定光栅）,2 指示光栅（动光栅）,3 光电元件,4 透镜,5 光源,透射式结构：,反射式结构：,光源 指示光栅 透射 主光栅 光电元件,光源 主光栅 反射 指示光栅 光电元件,11,一、长度及线位移检测(3)光栅传感器结构 1 主光栅尺,一、长度及线位移检测,(4)代表性产品：,德国,Heidenhain,（海德汉）：,封闭式：量程,3000mm,，分辨力,0.1,m,开放式：量程,1440mm,，分辨力,0.01,m,开放式：量程,270mm,分辨力,1nm,12,一、长度及线位移检测(4)代表性产品：德国Heidenh,一、长度及线位移检测,英国Renishaw（雷尼绍）：,量程：任意,分辨力：,0.1,m,0.01,m,中国长春光机所：,量 程：,1000mm,分辨力：,0.01,m,精 度：,2,m,13,一、长度及线位移检测英国Renishaw（雷尼绍）：量程：,一、长度及线位移检测,2、光学干涉,（Interference）,干涉原理（单频干涉）：,两束同频光束在空间相遇会发生干涉条纹，其亮暗程度取决于两束光间的相位差,亮条：,暗条：,=2,k,k,=0,1,l,2,相消干涉,=2,k,k,=0,1,l,2,相长干涉,14,一、长度及线位移检测2、光学干涉（Interference）,一、长度及线位移检测,结构：,实现要点:,（1）单一光源,光源,观察屏、光电接收,固定,反射镜,被测物体,半透半反镜,（4）分光镜（半透半反）,（5）固定参考反射镜,（2）被测物体,（3）光电接收,15,一、长度及线位移检测结构：实现要点:（1）单一光源光源观察屏,一、长度及线位移检测,双频,激光干涉位移传感器,测量原理：,激光器发出一束激光，,含有两束偏振光：,左旋光，频率,f,1,右旋光，频率,f,2,，,振幅相同，,频率相差约,2MHz,。,激光束,分光器,参考光束,测量光束,光电检测,/4,波片,渥氏棱镜,f2,光电检测,f1,角锥棱镜,参考信号,测量信号,f,2,-f,1,f,f,1,f,1,f,2,-(f,1,f),16,一、长度及线位移检测双频激光干涉位移传感器测量原理：激光器,一、长度及线位移检测,激光干涉位移传感器,HP5528A,Laser interferometer,：,量程：,100m,分辨力：,0.01,m,17,一、长度及线位移检测激光干涉位移传感器HP5528A Las,二、角度及角位移检测,1、绝对码光电编码器,原理：平行光源码盘 光电元件电信号输出,码盘：光学玻璃，透光/不透光 照相腐蚀,要求：分度准确（工艺）、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）,光源：LED 光学系统 平行光 投影精确,光电元件：硅光电池，光电晶体管 滞后 响应速度,码道：位数每个码道对应一个光电元件分辨率,角度分辨率：=360/2,n,n-码道数（位数）,组成：,光源、码盘、光电元件,增加码道、增大码盘尺寸 有限,提高精度,光学细分 附加码道,18,二、角度及角位移检测1、绝对码光电编码器原理：平行光源码盘,二、角度及角位移检测,测量电路,：,编码码制,：,十进制码-0 1 2 3 4 5 6 7 8 9,二进制码-0000 0001 0010 0011 0100,格 雷 码-循环码：相邻两数只有一位不同,每次只有一位变化转换,放大 足够电平，驱动,整形 接近理想方波,细分 提高分辨率（光学+电路）,多位码同时动作同步误差错码,读数直观，不易电路处理,直观，易于后续电路和计算机处理,19,二、角度及角位移检测测量电路：编码码制：十进制码-0,4位绝对码光电编码器码制,20,4位绝对码光电编码器码制20,二、角度及角位移检测,特点,：,摩擦轮,编码器,小范围绝对位置测量-角度、直线位置,小范围位移、速度检测,结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，,应用：,例：直线 旋转 360,直接数字量输出-数字传感器，,绝对码-绝对角位置传感器,测量范围有限（360），,速度不高（最高几千转/分），怕振动-丢数,连接-弹性连轴结,21,二、角度及角位移检测特点：摩擦轮编码器小范围绝对位置测量-,二、角度及角位移检测,2、增量码光电编码器,结构,：与绝对编码器类似,码道,：最外-增量码道：透光扇形区分辨率,中间-辨向码道：错开半个扇形区,最内-零位码道：透光狭缝基准脉冲,应用,：相对位置测量-角度、直线位置，,位移、速度测量,特点,：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，,脉冲数字输出，测量范围无限,速度不高（最高几千转/分）,怕振动-丢数,22,二、角度及角位移检测2、增量码光电编码器结构：与绝对编码器,二、角度及角位移检测,3、圆光栅传感器,工作原理,：莫尔条纹技术,类型,：,(1),直线莫尔条纹：条纹-直线,(2)圆型莫尔条纹：条纹-圆型,RENISHAW,圆光栅：,角度分辨率为0.01,系统精度为 0.7,(a)径向光栅-圆弧形莫尔条纹,光栅：两块，径向刻线，栅距角相同，偏心叠合,条纹宽度不是定值，随位置不同而不同。,在位于偏心的垂直位置上，条纹近似垂直于栅线，称横向莫尔条纹,在沿着偏心方向上，条纹近似地平行于栅线，称纵向莫尔条纹,其他位置上上，称为斜向莫尔条纹,条纹：在不同区域栅线的交角不同，不同曲率半径圆弧,23,二、角度及角位移检测3、圆光栅传感器工作原理：莫尔条纹技术类,二、角度及角位移检测,光栅：两块完全相同，环形刻线，偏心叠合，,(b)切向光栅-环形莫尔条纹,光栅：两块，切向刻线，切向相同，栅距角相同，,基圆半径不同，栅线面相对同心叠合，,条纹：是以光栅中心为圆心的同心圆簇，,宽度也不是定值，随位置不同而不同。,特点：具有全光栅平均效应，用于高精度角度测量和分度。,(c)环形光栅-辐射形莫尔条纹,条纹：近似直线并成辐射方向，称为辐射形莫尔条纹。,24,二、角度及角位移检测光栅：两块完全相同，环形刻线，偏心叠合，,三、绝对测距,1、电涡流测距,(1)工作原理:,交变电流,传感器线圈,被测导体,交变磁场,H1,电涡流,交变磁场,H2,参数变化,(电感、阻抗、品质因素等),输出信号,25,三、绝对测距1、电涡流测距(1)工作原理:交变电流传感器,三、绝对测距,保持其他参数不变，只改变一个参数-测量，,变化因素：,被测导体-几何形状、电导率、磁导率,线圈-几何参数、电流大小和频率、,其他-线圈与导体距离,测量原理：,电涡流密度径向分布,涡流密度不等：,电涡流分布,：,深度：,高频激励-表面薄层，,铜导体，1MHz频率，深度0.07mm,径向：,有限范围-圆环形-涡流环,D=d时：密度最大,D=1.8d：下降为5%,D3.5d）,思考：,激励频率高低有什么影响？,27,三、绝对测距导体-传感器的一部分-参数影响被,三、绝对测距,日本Keynce,量程：50mm,精度0.03%,28,三、绝对测距日本Keynce28,三、绝对测距,2、激光测距传感器,(1)激光测距特点：,测量距离可达几公里甚至几十公里（主要手段）,(2)激光测距方法：飞行时间法、相位差法,(a)飞行时间法：,被测距离:,c,-光速,t,-往返飞行时间,(b)相位差法：,被测距离:,c,-光速,f,0,-脉冲频率,-相位差,激光器,被测目标,原理：激光器发出单个激光脉冲,原理：激光器发出连续激光脉冲,激光器,被测目标,特点：对时间测量精度要求高，适于测量超长距离（,地球-月球：分辨力达到,1m,）,特点：测量精度高，测量范围大（短距离 超长距离）,（相机自动调焦）,29,三、绝对测距2、激光测距传感器(1)激光测距特点：测量距离,三、绝对测距,范围：0.2 300m,分辨力：3mm,德国俫卡手持式：,范围：0.2 200m,分辨力：0.2mm,美国bushwell 单目军用,范围：1000m,分辨力：1m,30,三、绝对测距范围：0.2 300m 德国俫卡手持式：美国,三、绝对测距,3、超声测距传感器,超声测距原理：,被测距离:,c,-声速,t,-往返飞行时间,应用：适于大目标、近距离、一般精度测距,手持测距仪-盲人导盲,汽车倒车雷达-汽车安全,工业应用-超声测量液位、物位,特点：超声波束发散，测量范围小,波束聚焦困难，测量精度低,测量目标不能太小；,超生探头,被测目标,超声波传感器（超声波探头），是实现声电转换的装置（超声换能器）,这种装置能够发射超声波，同时还可以接收超声回波，并转换成电信号。,31,三、绝对测距3、超声测距传感器超声测距原理：被测距离:c-,2）应用实例：,运输小车的控制,车体的定位检测,32,2）应用实例：运输小车的控制 车体的定位检测32,33,33,34,34,35,35,36,36,