位移传感器课件.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,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0.1m,开放式：量程1440mm，分辨力0.01m,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：0.1m0.01m,中国长春光机所：,量程：1000mm分辨力：0.01m精度：2m,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,f1f1,f2-(f1f),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：0.01m,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%D3.5d）,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：0.2300m分辨力：3mm,德国俫卡手持式：范围：0.2200m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-往返飞行时间,应用：适