第4章信号检测技术

第4章信号检测技术一、传感器概述二、长度及位移检测三、角度及角位移检测四、绝对测距五、力/压力检测六、速度/加速度检测七、温度检测八、流量检测九、电磁量检测十、视觉检测系统一、传感器概述1、传感器的基本概念人的五官：眼睛耳朵鼻子舌头皮肤视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉定义：被测量：物理量、化学量、生物量……规律：确定规律，可以重复（线性、非线性、周期）可用信号：便于处理和传输的非噪声信号（电信号、光信号……）R例：热敏电阻---温度变化----电阻变化传感器：传--传递信息；感--感受被测量；器--器件传感器是一种把特定的被测信息量按照一定规律转换成为可用信号输出的器件或装置。感觉：功能传感器一、传感器概述2、传感器的构成型式转换电路：例：电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器、脉冲调宽电路等。被测量被测量敏感元件转换电路敏感元件：感受被测量变化，并输出相对应的电信号例：电阻应变片（应变---电阻）把转换元件输出的电信号变换成为便于记录、显示、处理和控制的可用信号的电路，又称“信号调理电路”或“测量电路”又称“转换元件”或“变换元件”传感器二、长度及线位移检测1、电感式位移传感器W---线圈匝数iiimmAulRRWL2Rm---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二、长度及线位移检测lAWuullAWuRWLAuluAlRrmm202020(1)变气隙式电感位移传感器—基本形式思考：灵敏度？线性度？l21线圈铁芯衔铁改进方法？差动式(2)变面积式(3)螺管式二、长度及线位移检测(2)变面积式(3)螺管式蔡萍教材P40图3-5二、长度及线位移检测电感位移传感器意大利Marposs:二、长度及线位移检测电感位移传感器中国中原量仪:二、长度及线位移检测2、光栅位移传感器（Grating）二、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：WWB)2/sin(2W-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---动光栅二、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θ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→提高精度二、长度及线位移检测(2)光栅传感器特点①精度高：测长±(0.2+2×10-6L)μm，测角±0.1″②量程大：透射式---光栅尺长（1米），反射式---几十米③响应快：可用于动态测量④增量式：增量码测量→计数断电→数据消失⑤要求高：对环境要求高→温度、湿度、灰尘、振动、移动精度⑥成本高：电路复杂二、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→光电元件二、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二、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二、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Δφ亮条：暗条：Δφ=2kπ,k=0,1,l,2,…相消干涉Δφ=2kπ,k=0,1,l,2,…相长干涉二、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）光电接收二、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λ/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±Δff1±Δf1f2-(f1±Δf)二、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三、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：α=360º/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→附加码道三、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角度位置二进制码十进制码格雷码0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKLMNOp0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111012345678910111213141500000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位绝对码光电编码器码制三、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360º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（360º），速度不高（最高几千转/分），怕振动---丢数360Dx连接---弹性连轴结三、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---丢数三、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，不同曲率半径圆弧三、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。四、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)输出信号四、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%D0.4d：无电涡流传感器特性：非线性严重，修正四、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（D3.5d）思考：激励频率高低有什么影响？四、绝对测距日本Keynce量程：50mm精度0.03%四、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：2/ctd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0042fccD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）四、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四、绝对测距3、超声测距传感器超声测距原理：2/ctd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。五、温度检测1、概述温度分类:应用:测温接触测温非接触测温热辐射测温热传导测温压电效应热阻效应热电势效应金属热电阻半导体热敏电阻热电偶温度传感器压电陶瓷（热释电效应）→敏感元件→电参数光电效应红外温度传感器、光纤温度传感器热电阻电涡流传感器PN结热电效应热敏二极管/三极管、集成温度传感器工作原理：(1)热电阻原理与特性:要求：（1）温度系数、电阻率较高→提高灵敏度，体积小，反应快（2）理化性能稳定→提高稳定性和准确性，复现性好（3）良好的输入-输出特性→线性/接近线性，测量精度高（4）良好的工艺性→批量生产，降低成本材料：纯金属---铂、铜、镍、铁（5）较大的测温范围→特别是在低温范围五、温度检测2、热电阻原理：热能热电阻电阻值温度热电阻阻值特点：0~+850℃：)1(20BtAtRRt0~-200℃：])100(1[320ttCBtAtRRt应用：(1)在高温和氧化介质中性能极为稳定，易于提纯，工艺性好(2)输入输出特性接近线性(4)贵重金属，成本较高标准温度计，高精度工业测温，高低温测试构成：金属铂丝(0.02~0.07mm)绕制成线圈(3)测量精度高：0℃:±1℃、0~100℃:±0.5℃、100~650℃:±0.5%五、温度检测Pt100：R0：0℃时的温度–标准值(Pt100,Pt500)(2)铂电阻(Pt)特点：-50~180℃：)1(320CtBtAtRRt应用：(1)易于提纯，在-50~150℃范围内性能稳定，价格低(2)输入输出特性接近线性:(3)电阻率低（为铂电阻的1/6），体积较大(Cu50,Cu100)(4)高温易被氧化，易被腐蚀(5)测量精度低于铂电阻：