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一、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: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→提高精度一、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)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: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二、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360Dx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%D0.4d: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(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: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)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: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。2)应用实例:①运输小车的控制②车体的定位检测型式测量范围精确度直线性特点电阻式滑线式线位移1~300mm①±0.1%±0.1%分辨力较好,可静态或动态测量。机械结构不牢固角位移0~360°±0.1%±0.1%变阻器式线位移1~1000mm①±0.5%±0.5%结构牢固,寿命长,但分辨力差,电噪声大角位移0~60r±0.5%±0.5%应变式非粘贴的±0.15%应变±0.1%±1%不牢固粘贴的±0.3%应变±2~3%使用方便,需温度补偿半导体的±0.25%应变±2%~3%满刻度±20%输出幅值大,温度灵敏性高电感式自感式变气隙型±0.2mm±1%±3%只宜用于微小位移测量螺管型1.5~2mm测量范围较前者宽使用方便可靠,动态性能较差特大型300~2000mm①0.15~1%差动变压器±0.08~75mm①±0.5%±0.5%分辨力好,受到磁场干扰时需屏蔽涡电流式±2.5~±250mm①±1~3%<3%分辨力好,受被测物体材料,形状加工质量影响同步机360°±0.1°~±7°±0.5%可在1200r/min转速工作,坚固,对温度和湿度不敏感微动同步器±10°±1%±0.05%非线性误差与变压比和测量范围有关旋转变压器±60°±0.1%电容式变面积10-3~1000mm①±0.005%±1%受介电常数因环境温度,湿度而变化的影响变间距10-3~10mm①0.1%分辨力很好,但测量范围很小,只能在小范围内近似地保存线性霍尔元件±1.5mm0.5%结构简单,动态特性好感应同步器直线式10-3~104mm①2.5μm/250mm模拟和数字混合测量系统,数字显示(直线式感应同步器的分辨力可达1μm)旋转式0~360°±0.5°计量光栅长光栅10-3~1000mm①3μm/1m同上(长光栅分辨力可达1μm)圆光栅0~360°±0.5”磁尺长磁尺10-3~104mm①5μm/1m测量时工作速度可达12m/min圆磁尺0~360°±1”角度编码器接触式0~360°10-6r分辨力好,可靠性高光电式0~360°10-6r
本文标题:位移传感器
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