位移传感器概述

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肯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。假设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重量。,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。很多动态参数，如力、扭矩、速度、加速度等都是以位移测量为根底的。,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,一、长度及线位移检测,(1),变气隙式,电感位移传感器根本形式,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,一、长度及线位移检测,(2),变面积式,(3),螺管式,蔡萍教材P40 图3-5,一、长度及线位移检测,电感位移传感器,意大利Marposs:,一、长度及线位移检测,电感位移传感器,中国中原量仪:,一、长度及线位移检测,2、光栅位移传感器Grating,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,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 抑制个别/局部误差 提高精度,一、长度及线位移检测,(2)光栅传感器特点,精度高：测长(0.2+210-6L)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 断电数据消逝,要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、移动精度,本钱高：电路简单,一、长度及线位移检测,(3)光栅传感器构造,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,透射式构造：,反射式构造：,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,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，区分力0.1 m,开放式：量程1440mm，区分力0.01m,开放式：量程270mm,区分力1nm,一、长度及线位移检测,英国Renishaw雷尼绍：,量程：任意,区分力：0.1 m 0.01 m,中国长春光机所：,量 程：1000mm,区分力：0.01 m,精 度：2 m,一、长度及线位移检测,2、光学干预Interference,干预原理单频干预：,两束同频光束在空间相遇会发生干预条纹，其亮暗程度取决于两束光间的相位差,亮条：,暗条：,=2k,k=0,1,l,2,相消干预,=2k,k=0,1,l,2,相长干预,一、长度及线位移检测,构造：,实现要点:1单一光源,光源,观看屏、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,一、长度及线位移检测,双频激光干预位移传感器,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f1,右旋光，频率f2，,振幅一样，,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),一、长度及线位移检测,激光干预位移传感器,HP5528A,Laser interferometer,：,量程：100m 区分力：0.01 m,二、角度及角位移检测,1、确定码光电编码器,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 投影准确,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区分率,角度区分率：=360/2n 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,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 接近抱负方波,细分 提高区分率光学+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,4位确定码光电编码器码制,二、角度及角位移检测,特点,：,摩擦轮,编码器,小范围确定位置测量-角度、直线位置,小范围位移、速度检测,构造简洁、精度高、区分率高，牢靠性好，,应用：,例：直线 旋转 360,直接数字量输出-数字传感器，,确定码-确定角位置传感器,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,二、角度及角位移检测,2、增量码光电编码器,构造：与确定编码器类似,码道：最外-增量码道：透光扇形区区分率,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：构造简洁、精度高、区分率高，牢靠性好，,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,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：角度区分率为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，栅距角一样，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,二、角度及角位移检测,光栅：两块完全一样，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，切向一样，栅距角一样，,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。,三、确定测距,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,三、确定测距,保持其他参数不变，只转变一个参数-测量，,变化因素：,被测导体-几何外形、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：,高频鼓励-外表薄层，,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：,鼓励频率凹凸有什么影响？,三、确定测距,日本Keynce,量程：50mm,精度0.03%,三、确定测距,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-来回飞行时间,(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：区分力到达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,三、确定测距,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,三、确定测距,3、超声测距传感器,超声测距原理：,被测距离:,c-声速 t-来回飞行时间,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,这种装置能够放射超声波，同时还可以接收超声回波，并转换成电信号。,2应用实例：,运输小车的掌握,车体的定位检测,