位移传感器

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被测导体直径的影响
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
(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: 原理:激光器发出单个激光脉冲 被测距离: d ct / 2
组成:光源、码盘、光电元件 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/2n n-码道数(位数)
① 运输小车的控制
② 车体的定位检测
型式 线位 移 角位 移 线位 移
测量范围 1~300mm①
精确度 ±0.1%
直线性
特点
滑线式
电 阻 式
变阻器式
0~360°
1~1000mm① 0~60r ±0.15%应 变 ±0.3%应变
±0.1%
±0.5% ±0.5% ±0.1% ±2~3%
±0.1% 分辨力较好,可 静态或动态测量。 ±0.1% 机械结构不牢固
超生探头
3、超声测距传感器
被测目标
c --- 声速 t --- 往返飞行时间
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; 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
2)应用实例:
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。
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
美国bushwell 单目军用 范围:1000m 分辨力:1m
德国俫卡手持式: 范围:0.2 ~ 200m 分辨力:0.2mm
三、绝对测距
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。 超声测距原理: 被测距离: d ct / 2
角位 移
±0.5% 结构牢固,寿命 长,但分辨力差, ±0.5% 电噪声大 ±1% 不牢固 使用方便,需温 度补偿 满刻度 输出幅值大,温 ±20% 度灵敏性高
非粘贴的
应 变 式
粘贴的 ±0.25%应 变
半导体的
±2%~3 %
变气隙 型 自感式 螺管型
±0.2mm 1.5~2mm
±1%
±3%
只宜用于微小位 移测量 测量范围较前者 宽使用方便可靠, 动态性能较差
怕振动 --- 丢数 应用:相对位置测量---角度、直线位置, 位移、速度测量
二、角度及角位移检测
3、源自文库光栅传感器
工作原理:莫尔条纹技术 类型:(1) 直线莫尔条纹:条纹 ---直线 RENISHAW 圆光栅:角度分辨率为0.01″ 系统精度为± 0.7″ (2) 圆型莫尔条纹:条纹 --- 圆型 (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:在不同区域栅线的交角不同,不同曲率半径圆弧 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
W W 2 sin( / 2)
W-栅距, a-线宽, b-缝宽 W=a+b ,a=b=W/2
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 → 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
l u0 A
衔铁
u0W 2 A u0W 2 A W2 L l Rm l l ur
思考:灵敏度? 线性度? 改进方法? (2) 变面积式 (3) 螺管式 差动式
1 l 2
一、长度及线位移检测
(2) 变面积式
蔡萍教材P40 图3-5
(3) 螺管式
一、长度及线位移检测
电感位移传感器
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
二、角度及角位移检测
(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 光栅:两块完全相同,环形刻线,偏心叠合, 条纹:近似直线并成辐射方向,称为辐射形莫尔条纹。
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Δ φ
亮条: 暗条: Δ φ =2kπ , k=0,1,l,2,… 相长干涉 Δ φ =2kπ , k=0,1,l,2,… 相消干涉
4位绝对码光电编码器码制
角度 0.0 22.5 45.0 67.5 90.0 112.5 135.0 157.5 180.0 202.5 225.0 247.5 270.0 292.5 315.0 337.5 位置 A B C D E F G H I J K L M N O p 二进制码 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 十进制码 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 格雷码 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000
一、长度及线位移检测
结构:
观察屏、 光电接收
光 源
固定 反射镜 半透半反镜
被测物体
实现要点:(1)单一光源 (2)被测物体 (3)光电接收
(4)分光镜(半透半反) (5)固定参考反射镜
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。 f1→角锥棱镜 f1±Δ f1 f2→光电检测
x D

360
编码器 摩擦轮
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 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)
三、绝对测距
1、电涡流测距
(1) 工作原理:
输出信号
交变电流
参数变化(电感、阻抗、
品质因素等)
传感器线圈
交变磁场H1
交变磁场H2
电涡流
被测导体
三、绝对测距
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: 保持其他参数不变,只改变一个参数 --- 测量, 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
提高精度
增加码道、增大码盘尺寸 → 有限
光学细分 → 附加码道
二、角度及角位移检测
测量电路: 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) 编码码制: 十进制码 --- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 读数直观,不易电路处理 二进制码 --- 0000 0001 0010 0011 0100 直观,易于后续电路和计算机处理 多位码同时动作→同步误差→错码 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
测量光束 激光束 分光器 参考光束
λ/4波片
渥氏棱镜
光电检测
f2-(f1± Δ f) 参考信号 测量信号 f2-f1 ±Δ f
一、长度及线位移检测
激光干涉位移传感器
HP5528A Laser interferometer: 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
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: 主光栅---标尺光栅,定光栅; 指示光栅---动光栅
主光栅 指示光栅
叠合
夹角
移动
明暗相间条纹
莫尔条纹
条纹宽度: B
径向: 有限范围 --- 圆环形 --- 涡流环 涡流密度不等: 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
电涡流密度径向分布
三、绝对测距
被测导体:
作用:导体 --- 传感器的一部分 --- 参数影响 材料:电导率越高,灵敏度越高; 磁导率越高,灵敏度越低, 形状:平面 ---- 曲面 --- 曲率半径 (D>3.5d)
2、激光测距传感器
激光器
被测目标
c --- 光速 t --- 往返飞行时间
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 ) (b) 相位差法: 原理:激光器发出连续激光脉冲 被测距离: D
c c 2 0 4f 0
激光器
被测目标
c --- 光速 f0 --- 脉冲频率 - 相位差
一、长度及线位移检测
(3) 光栅传感器结构
透射式结构: 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 光源 → 指示光栅 → 透射 → 主光栅 →光电元件
反射式结构: 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:
一、长度及线位移检测
1、电感式位移传感器
W2 L Rm Rm

li ui Ai
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
电感位移传感器—基本形式
(1) 变气隙式
线圈 铁芯
l Rm uA
德国Heidenhain(海德汉):
封闭式:量程3000mm,分辨力0.1 m
开放式:量程270mm 分辨力1nm 开放式:量程1440mm,分辨力0.01m
一、长度及线位移检测
英国Renishaw(雷尼绍): 量程:任意 分辨力: 0.1 m 0.01 m
中国长春光机所: 量 程:1000mm
特大型
300~2000m m①
0.15~1 % ±0.5%
差动变压器 电 感 式
±0.08~75m m①
分辨力好,受到 ±0.5% 磁场干扰时需屏 蔽
<3% 分辨力好,受被 测物体材料,形 状加工质量影响
二、角度及角位移检测
特点: 结构简单、精度高、分辨率高,可靠性好,
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 连接 --- 弹性连轴结 应用:小范围绝对位置测量---角度、直线位置 小范围位移、速度检测 例:直线 → 旋转 < 360º
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
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