位移传感器概述.ppt

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 一 长度及线位移检测 1 电感式位移传感器 W 线圈匝数 Rm 磁路总磁阻 li 各段导磁体的长度 ui 各段导磁体的磁导率 Ai 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 基本形式 思考 灵敏度 线性度 改进方法 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 B W 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 一 长度及线位移检测 2 光栅传感器特点 精度高 测长 0 2 2 10 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 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 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 一 长度及线位移检测 英国Renishaw 雷尼绍 量程 任意分辨力 0 1 m0 01 m 中国长春光机所 量程 1000mm分辨力 0 01 m精度 2 m 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 2k k 0 1 l 2 相消干涉 2k k 0 1 l 2 相长干涉 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 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f1右旋光 频率f2 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 f2 f1 f f1 f1 f2 f1 f 一 长度及线位移检测 激光干涉位移传感器 HP5528ALaserinterferometer 量程 100m分辨力 0 01 m 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 2nn 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 0123456789 二进制码 00000001001000110100 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 4位绝对码光电编码器码制 二 角度及角位移检测 特点 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 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 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 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 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 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 D 0 4d 无电涡流 传感器特性 非线性严重 修正 三 绝对测距 导体 传感器的一部分 参数影响 被测导体直径的影响 材料 形状 被测导体 作用 电导率越高 灵敏度越高 磁导率越高 灵敏度越低 平面 曲面 曲率半径 D 3 5d 思考 激励频率高低有什么影响 三 绝对测距 日本Keynce量程 50mm精度0 03 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f0 脉冲频率 相位差 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 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 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 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