传感器应用（第2版） 课件 6-5 其他位移传感器

6.5其他位移传感器6.5.1磁致伸缩位移传感器6.5.2激光位移传感器6.5.3超声波位移感器6.5.4光栅尺位移传感器6.5其他位移传感器随着现代工业生产的规模化发展，对生产过程和质量控制提出了更高的要求，特别是工业自动化生产线以及替代人力的工业机器人加入，需要使用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。在精细加工、大型机械加工与工程施工方面，对高精度、大量程、非接触、快速动态监测等提出了新的技术需求，促进了多种位移传感器的研发与应用，例如：磁致伸缩位移传感器、激光直线位移传感器、超声波位移传感器、拉绳位移传感器等。6.5.1磁致伸缩位移传感器1.认识磁致伸缩位移传感器1842年科学家JamesPrescottJoule发现了磁致伸缩效应，1940年磁致伸缩技术首次成功应用于潜艇声纳测距系统，1960年美国人JackTellerman向美国政府申请了磁致伸缩位移传感器的专利权美国MTS系统公司率先开发出了商品化磁致伸缩位移传感器，其最大测量长度可达7.6米，特殊要求可以达到10米。6.5.1磁致伸缩位移传感器1.认识磁致伸缩位移传感器磁致伸缩位移传感器具有测量精度高、分辨率高（达μm级），测量位置信号重复性好，稳定可靠，可以适用于高温、高压和强振荡等极其恶劣的工况，其绝对式输出很好地解决了断电归零问题；敏感元件是非接触式、无磨损运行，平均无故障时间达23年。6.5.1磁致伸缩位移传感器1.认识磁致伸缩位移传感器磁致伸缩材料是一种Fe或Ni合金材料，当被外界磁场磁化时体积或者长度发生变化，这种现象被称为磁致伸缩效应。利用该效应研制出了磁致伸缩位移传感器（RH型剖视结构如图所示），由波导测量杆、永磁磁环组件、活塞杆、测量探头、密封外壳和精密电子部件等组成，且永磁磁环组件与活塞杆、测量探头刚性连接。

6.5.1磁致伸缩位移传感器1.认识磁致伸缩位移传感器磁致伸缩位移传感器工作过程如图所示，在波导测量杆内装有一根具有磁致伸缩效应的波导丝，当电子舱室定时发送的“询问信号”电脉冲通过波导测量杆时产生螺旋磁场并以电波的速度传送；当螺旋磁场与永磁磁环组件所在处产生的磁场相互作用时，就在波导丝上产生一个瞬时扭力波，这个扭力波以一定的速度从永磁磁环组件位置沿波导丝向两端传送；到达电子舱室后，通过转换器将波导丝的机械扭力波转换为电信号返回脉冲；再通过外围电路，测出起始脉冲和返回脉冲的时间间隔，从而换算出发生磁致伸缩部位的准确位置；最后以串行同步数字信号输出。这个过程是连续不断的，每当永磁磁环组件被带动而改变位置时，新的位置很快就会被检测出来。6.5.1磁致伸缩位移传感器2.磁致伸缩位移传感器的应用伺服液压油缸、汽缸活塞位置反馈或预置，如起重机伸缩吊臂控制研磨机械位置反馈或预置木材加工定位控制水轮机导叶开度的检测与控制纸张和塑料薄膜成型挤注模具机械、吹塑工程机械、注塑机模板定位与监测金属成型、剪切冲压、钢材滚压、铸锻机床位移控制水坝闸门、汽轮机气阻阀门开度的检测与控制港口机械、船舶舵机伺服系统在液位测量控制方面还可广泛应用于石油、化工、水利、制药、食品、饮料等行业的各种液罐的液位计量和控制，航天加油系统、汽车加油系统、柴油加油系统及各种液压罐、水文监测、水处理等。6.5.2激光位移传感器激光具有很好的方向性、单色性、相干性和高亮度，通过设计合理的光路，结合光电探测传感器、信号处理电路，研发的激光位移传感器可实现各种距离的非接触式测量，且具有测量精度高、响应速度快、抗干扰能力强等显著特点。对于中、长距离的测量，通常采用飞行时间测量法（Timeofflight）；当测距工作范围小于1米时，则采用三角测量法。德国FT系列激光三角测距传感器德国FLDS-C激光测距传感器国产的ZHD-50激光测距传感器6.5.2激光位移传感器1.脉冲激光飞行时间测量法基于光线飞行时间测量法的激光测距传感器多用于大距离测量。飞行时间法（又称飞行脉冲法）是指激光器发射一束激光，同时记录激光发出的时间，激光经过飞行到达被测物体；经物体反射后，光束到达接收器件；接收器件比较激光发出的时间和接收的时间，两者时间差即为激光测距仪到被测物体的激光往返飞行时间t，同时激光在空气中的飞行速度c是恒定的，因此，计算得出的测量距离D为：6.5.2激光位移传感器1.脉冲激光飞行时间测量法时间飞行法的测量关键在于需要能够精确记录测量发出时间和到达激光接收器件的时间；由于光在空气的传播速度非常快，接近30万公里/秒，因此如果测量精度到达10mm，时间的分辨力应该小于65ps；因此需要时间测量电路反应时间非常短。6.5.2激光位移传感器2.激光三角测距传感器基于三角测量法的激光三角测距传感器适用于精确的近距离测量。三角法测量原理如图所示，半导体激光器发射激光，经过透镜1校正准直聚焦后照射到被测物体表面，光线在物体表面发生漫反射，其中一部分光线经成像透镜2成像后聚焦到后面的线性CCD阵列上。激光发射线和成像方向具有一定夹角θ，激光器距被测物体不同的距离，则θ角大小不同，依次成像到光电器件上的位置不同；检测光电器件上的光斑位置，通过三角函数可以计算出激光器距被测物体的距离，从而实现了测量距离；且被测物体的颜色和表面情况（如高反射率）对于测量精度几乎没有影响。6.5.2激光位移传感器2.激光三角测距传感器基于三角测量法的激光三角测距传感器适用于精确的近距离测量。三角法测量原理如图所示，半导体激光器发射激光，经过透镜1校正准直聚焦后照射到被测物体表面，光线在物体表面发生漫反射，其中一部分光线经成像透镜2成像后聚焦到后面的线性CCD阵列上。激光发射线和成像方向具有一定夹角θ，激光器距被测物体不同的距离，则θ角大小不同，依次成像到光电器件上的位置不同；检测光电器件上的光斑位置，通过三角函数可以计算出激光器距被测物体的距离，从而实现了测量距离；且被测物体的颜色和表面情况（如高反射率）对于测量精度几乎没有影响。6.5.2激光位移传感器3.激光位移传感器的应用激光位移传感器的行业应用广泛，现简要列举如下：冶金行业：行车防撞与定位，钢坯定位与切割，厚度测量，矿料料位监测等物流行业：机械手位置控制，堆垛机的定位，传送带零件的监测，材料重叠和覆盖的探测；铁路行业：机车对接，接触网高速监测，闸道监测，火车轮轮缘轮廓测量，钢轨平整度检测等港口行业：场桥、岸桥大车防撞，集装箱定位水利水文行业：水位监测，船闸定位，大坝形变监测等建筑行业：液压电梯检测，钢结构的同步提升等6.5.3超声波位移感器超声波是指频率高于20kHz的机械波，可由压电晶片在高频交流电压激励下产生。超声波具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播；超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射而形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器就是利用超声波的特性研制而成的传感器，被广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。T30超声波测距传感器超声波倒车雷达传感器

超声波诊断仪6.5.3超声波位移感器1.超声波传感器的组成产生超声波的主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有石英晶体、锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体制作的超声波探头是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时也能将接收到的超声波转变成电能，所以它可分为发送器和接收器，有的超声波探头既作发送、也作接收。超声波探头单晶超声波直探头结构

双晶超声波直探头6.5.3超声波位移感器1.超声波传感器的组成超声波传感器由发送器、接收器、控制处理电路与电源四部分组成。发送器探头由直径为5～15mm的压电晶体和喇叭形换能器组成，作用是压电晶体的电振动能量转换成机械超声波能量并向空中辐射；接收探头与发射探头结构基本相同，换能器接收超声波产生机械振动，传递给压电晶体将其变换成电能量，作为传感器的输出。在实际使用中，发送器和接收器可合二为一，以交替方式工作。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。6.5.3超声波位移感器2.超声波测距原理超声波测距的基本原理：由超声探头发出的超声脉冲信号，在气体中传播，遇到空气与目标物界面后被反射，超声探头接收到回波信号后计算超声波往返目标物的传播时间，即可换算出距离。计算分为2步，公式为：式中：υ为超声波在空气中传播速度，T为环境温度。式中：S为被测距离；t为超声脉冲往返的时间；t1为超声回波接收时刻；t0为超声脉冲发射时刻。6.5.3超声波位移感器超声波测距原理与控制检测范围6.5.3超声波位移感器3.超声波传感器的应用超声波传感器利用声波介质对被检测物进行非接触式无磨损的检测。超声波传感器对透明或有色物体，金属或非金属物体，固体、液体、粉状物质均能检测，其检测性能几乎不受任何环境条件的影响，包括烟尘环境和雨天。超声波传感器应用有三种基本类型：透射型，用于物位测量、防盗报警器、自动门、接近开关等。一套对射式超声波传感器包括一个发射器和一个接收器，两者之间持续保持“收听”。位于接收器和发射器之间的被检测物将会阻断接收器接收发射的声波，从而传感器将产生开关或计数信号。6.5.3超声波位移感器3.超声波传感器的应用分离式反射型用于测距、液位或料位；位于传感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感器的接收器，从而使传感器检测到被测物。单探头反射型用于测距、材料探伤、测厚等6.5.3超声波位移感器3.超声波传感器的应用在石油、化工和水电等部门，超声波被广泛用于油位和水位的液位测量。如图所示为脉冲回波式测量液位的工作原理图。探头发出的超声脉冲通过介质到达液面，经液面反射后又被探头接收。测量发射与接收超声脉冲的时间间隔和空气中的传播速度，即可求出探头与液面之间的距离。

防涌管：一是将超声波的传播路径限定在某一狭窄空间内，二是降低管内液面涌动幅度，达到测量要求。6.5.3超声波位移感器4.超声波信号发射与测量电路超声波发射电路：由555定时器产生40KHZ的脉冲信号，加到超声波探头的引脚上，使内部的压电晶片产生共振，向外发射超声波。由NE555时基电路及外围元件构成40kHz多谐振荡器电路，调节电位器RP的阻值，可以改变振荡频率。由NE555第3脚输出端驱动超声波发射器，使之发射出超声波信号；图中的继电器开关由单片机控制。当4脚为高电平时，启动振荡器输出40kHz的频率信号。电路工作电压5V，工作电流20～40mA，有效距离可达到3m以上。6.5.3超声波位移感器4.超声波信号发射与测量电路超声波接收电路：超声波接收器包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，使发射和接收频率一致。由晶体管和运算放大器LM324构成放大电路，对接收信号放大；当接收到第一个回波后，输出低电平作为时钟控制信号送信号处理电路，同时驱动继电器发射下一组超声波测量信号。6.5.3超声波位移感器4.超声波信号发射与测量电路采用CX20106集成芯片电路构成的接收放大电路6.5.4光栅尺位移传感器光栅尺位移传感器是利用莫尔条纹原理，通过光电转换，以数字方式表示线性位移量的高精度位移传感器。现已广泛应用于金属切削机床加工量的数字显示和数控机床CNC（Computernumericalcontrol）加工中心位置环的控制。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大（50mm～30,000mm），检测精度高，响应速度快的特点。6.5.4光栅尺位移传感器光栅尺位移传感器在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。X轴光栅尺位移传感器Y轴光栅尺位移传感器6.5.4光栅尺位移传感器光栅尺位移传感器按照制造方法和光学原理的不同，分为透射光栅和反射光栅。根据制作材料可分为玻璃光栅、玻璃陶瓷光栅和不锈钢带光栅。按光栅尺结构可分为宽尺和窄尺两种，窄尺最长可做1米，宽尺在30米内任选。另外，还可分为敞开式和封闭式两类，其中敞开式为高精度型，输出波型为正弦波，主要用于精密仪器的数字化改造最高分辨率可达0.1μm；封闭式则主要用于普通机床、仪器，输出波型为方波。玻璃陶瓷光栅玻璃光栅6.5.4光栅尺位移传感器1.光栅尺位移传感器工作原理光栅尺位移传感器是通过对移动莫尔条纹计数实现精确位移测量的。“莫尔”原出于法文Moire，意思是水波纹。几百年前法国丝绸工人发现，当两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹状花样；如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。一般来说，只要将一定周期的曲线簇按一定角度交叉重叠起来，便会产生莫尔条纹。下面以直线透射光栅为例加以讨论。6.5.4光栅尺位移传感器1.光栅尺位移传感器工作原理透射光栅尺是在石英玻璃上均匀地刻有平行的栅线，a为刻线宽，b为两刻线之间缝宽，a+b称为光栅栅距。目前，国内常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条等线条。玻璃光栅6.5.4光栅尺位移传感器1.光栅尺位移传感器工作原理构成莫尔条纹需要两块光栅，一块为主光栅，称为标尺光栅，它的长度与测量范围相一致；另一块是称为指示光栅，长度为3～5cm。为了测量位移，必须在主光栅侧面加光源，在指示光栅侧面加光电接收元件。当主光栅和指示光栅相对移动时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光栅侧面的光电元件，将光强I变化转换成周期性的脉动电流或电压信号，此信号是一直流信号和近视正弦的周期信号的叠加。周期信号就是位移x的函数，每当x变化一个光栅栅距w，信号就变化一个2π周期。6.5.4光栅尺位移传感器2.光栅检测装置光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位移量进行测量，此功能由光栅检测装置对周期性的脉动光强变化检测计数实现。光栅检测装置的关键部分是光栅读数头，它由光源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成。光栅读数头结构形式很多，根据读数头结构特点和使用场合分为直接接收式读数头、镜像式读数头、分光镜式读数头、金属光栅反射式读数头。6.5.4光栅尺位移传感器2.光栅检测装置为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分。其方法是在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与判向功能。由4个光敏器件获得的4路光电信号分别送到2个差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为π/2。为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1:1的方波；然后，通过对方波的相位进行判别比较，就可以得到光栅尺的移动方向。通过对方波脉冲进行计数，可以得到光栅尺的位移和速度。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量。6.5.4光栅尺位移传感器2.光栅检测装置为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分。其方法是在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与判向功能。由4个光敏器件获得的4路光电信号分别送到2个差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为π/2。为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1:1的方波；然后，通过对方波的相位进行判别比较，就可以得到光栅尺的移动方向。通过对方波脉冲进行计数，可以得到光栅尺的位移和速度。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量。例如，栅线为50线/mm的光栅尺，其光栅栅距为0.02mm，若采用四细分后便可得到分辨率为5μm的计数脉冲，这在工业普通测控中已达到了很高精度。高精度的细分电路可以实现20倍的细分，对50线/mm的光栅尺测量分辨率为1μm，对100线/mm的光栅尺测量分辨率可达0.5μm。6.5.4光栅尺位移传感器3.光栅尺的安装光栅尺位移传感器的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位。光栅尺分为主光栅和光栅读数头两部分组成。主光栅一般固定在机床的工作台（滑板）上，随机床走刀而动；光栅读数头安装在主尺的下方，并在机床固定部件上。指示光栅装在光栅读数头中。X轴主光栅X轴读数头Y轴读数头Y轴主光栅6.5.4光栅尺位移